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[기획] 우리가 DME 강소기업
DME 연관산업으로 수소사회 이끈다

기사승인 [1375호] 2019.01.16  23:29:50

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- DME 이용한 수소연료전지 개발 착수
강소기업 힘 모아 친환경에너지 진입
민간경제 활성화 위한 정책 지원돼야

[가스신문=유재준 기자] 올해 친환경 청정연료인 DME(디메틸에테르)가 드디어 국내에서 상업 생산에 착수한다. (주)바이오프랜즈 조원준 대표는 국내에서 생산된 DME를 국내 화학시장 에어로졸 시장에 공급하고, 일부는 국내 농촌연료나 도시지역의 연료로 공급을 추진하고 있다.

또한 다양한 DME 설비를 구축하고, 수소연료전지 시제품을 강소기업과 협력하여 지속적으로 개발하여 친환경에너지원으로 진입하려고 추진하고 있다. 

DME는 다른 화석연료에 비하여 미세먼지 감축측면에서 95%를 감축하는 친환경 청정연료로써 미래 전기자동차나 수소전기차 시대를 대비하는 브리지 연료 또는 수소생산용 연료로 활용될 수 있기 때문이다.

DME를 사용하여 수소를 제조하는 개질시스템(Reforming System)은 천연가스 등 탄화수소 연료를 사용하는 경우와 비교해 보면 개질온도를 낮은 저온으로 가능하다는 강점이 있어, 이 점을 착안하면 개질장치 또는 수소스테이션을 소형경량화하는 기술이 가능하여 수소스테이션 건설비용을 낮추어 수소사회에 접근이 더욱 용이하다는 것이다.

이에 바이오프랜즈는 국내 강소기업으로 에이치앤파워(HnPower)(주)와 협력하여 수소연료전지 발전시스템의 수소생산 개질기를 소형으로 개발 중에 있으며, 2020년에 상업 제품으로 공급하기 위하여 연구개발 중에 있다. 또한 고분자연료전지용으로 사용하기 위하여 국내 연료전지 강소기업인 (주)CNL에너지와 DME 전용연료전지의 성능을 시험 중에 있으며, 현재 DME 개질수소로부터 연료전지 시험을 진행하고 있다.

또한 바이오가스, 바이오DME 등으로부터 생산되는 DME를 고체산화물 연료전지에 직접 적용하기 위해 이 분야 강소기업인 (주)케이세라셀과 협력하여 소형 수 kW급 연료전지 발전시스템 개발을 추진하고 있다.

이들 DME 강소기업들의 주요 제품 및 향후 계획을 알아본다.

 

에이치앤파워(주)

DME 수소개질시스템, 곧 개발 완료
 

에이치앤파워(주)(대표 강인용)는 2009년 카이스트의 연료개질기술을 기반으로 설립된 탄탄한 기술전문기업이다.

핵심 기술은 연료개질을 통한 수소생산이다. 가장 일반적인 도시가스 개질 뿐만 아니라, 가솔린·디젤과 같은 액체연료, 바이오연료 등 연료다변화를 통해 다양한 연료로 개질기술을 확장하고 있고, 최근에는 잠수함용 고압메탄올 개질, 제철공정의 고로에서 발생하는 COG(Coke Oven Gas)의 개질과 같이 폭 넓은 산업군에서 수소를 생산하는 기술을 개발하고 있다.

DME(Dimethyl ether)는 1)수증기 개질반응(SteamReforming, SR): CH3OCH3 + 3H2O → 6H2 + 2CO2(수증기 개질반응, 흡열반응) 또는 2)자열개질반응(Autothermal Reforming, ATR): CH3OCH3 + 1/2O2 → 3H2 + 2CO2(자열개질반응, 발열반응)를 통해 수소를 생산한다.

 
▲ 에이치앤파워와 바이오프랜즈가 공동개발 중인 DME 수소개질시스템

수증기개질반응은 지난 수십 년 동안 화학공장 등에서 사용된 가장 대표적인 개질방식이며, 다른 개질반응에 비해 수소의 생산수율이 높다는 장점이 있다. 다만, 반응의 특성상 강한흡열 반응이기 때문에 높은 효율과 안정적인 운영을 위해서 정교한 열 설계가 필요하다.

자열개질반응은 수증기개질방식(Steam Reforming, SR)과 부분산화개질방식(Partial oxidation, POX)의 장점(적절한 발열반응을 유지하는 부분산화방식의 장점과 수소생산량이 높은 수증기 개질방식)을 적절히 조합한 방식으로 높은 효율을 보이면서도 시스템의 구성이 간단하고 반응기의 재료선택이 용이하며 시스템의 탄소침적이 적다는 장점이 있다. 다만, 반응의 구조가 복잡하여 높은 반응 제어기술을 요구한다는 단점이 있다.

DME(Dimethyl ether) 연료의 특성상, 천연가스·바이오매스·메탄올 등 다양한 연료에서 제조가 가능하다. 또한 황 성분을 함유하지 않아 탈황기를 설치할 필요가 없고, 상대적으로 디젤·가솔린과 비교했을 때 불순물이 적어 개질공정이 용이하다는 장점이 있다. 따라서 기존의 석유기반 액체연료의 대안이 될 수 있다. 

또한, 촉매의 종류와 적용하는 연료전지에 따라 일산화탄소 변성을 위한 수성가스변환공정(Water gas shift, WGS)의 생략을 통해 개질장치의 소형화가 가능하기 떄문에 기존의 액체연료로 개발되던 대형차량의 보조동력장치(Auxiliary Power Unit, APU) 등 다양한 활용처를 통해 이산화탄소·미세먼지 저감을 비롯한 다양한 환경문제 해결에 상당부분 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

에이치앤파워는 최근 바이오프랜즈와의 협업을 통해, Lab scale의 ATR방식 개질기를 개발 중이며, 올해 1분기내로 납품할 예정이다. 

에이치앤파워 강인용 대표는 “차세대 청정연료인 DME로부터의 수소생산 기술이 상당히 중요해질 것으로 보며, 다양한 에너지 산업군에서 활용과 바이오프랜즈와의 새로운 비즈니스가 기대된다”고 밝혔다.

 

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(주)CNL에너지

DME 개질수소 연료전지시스템 박차
 

   
▲ CNL에너지가 개발 중인 소형 휴대용 연료전지시스템

국내 고분자연료전지 발전시스템, 성능평가장치, 시스템패키지 전문기업인 (주)CNL에너지(대표 라일채)는 순수 수소를 연료로 사용하는 고분자 연료전지와 더불어 DME 개질수소를 연료로 사용하는 연료전지시스템을 ㈜바이오프랜즈와 공동으로 연구개발하고 올해 시제품 개발을 완료할 계획이다.

㈜CNL에너지는 국내에서 연료전지발전시스템을 해외 기술에 의존하던 1998년에 독자적으로 연료전지 스택용 가습장치, 요소부품 장치 등을 직접 개발하여 관련 특허를 다수 보유한 국내 고분자연료전지 강소기업 중 하나이다. 연료전지시스템 사용자 및 설치 위치에 따라 연료전지 발전시스템 크기를 자유롭게 변경할 수 있는 유동성을 가지고 있으며 최근 연료의 다양성을 확보하기 위하여 순수 수소 뿐만 아니라 DME, 메탄올과 같은 다양한 수소매개체를 이용하는 시스템 개발에 박차를 가하고 있다.

이번 DME 개질수소 연료전지 시스템은 그동안 축적된 ㈜CNL에너지의 기술 중 소형 연료전지 발전시스템과 이동형 연료전지 시스템에 적용하게 되는데, DME 연료와 연료공급시스템은 바이오프랜즈에서 제공하고 연료전지는 자체 개발한 다양한 연료전지스택에 적용하여 올해 초 시제품을 출품할 예정이다. 

DME 개질수소를 이용할 경우 소형 연료전지 시스템으로 적용가능한 이동형 연료전지 자전거, 캠핑카 및 연료전지 무인기에 이르는 다양한 분야에 적용가능하다. 특히, 보조전력용도로 농촌이나 도서‧산간지역에 자체 분산발전용으로 소형 1~ 3kW급 연료전지를 사용할 경우, 비상용 전력공급기, 캠핑용 등에 사용되는 시장에 진입할 것으로 기대되며 전기자전거용 소형연료전지 시스템에 패키지로 사용될 경우 더욱 다양한 이동형 연료전지 활용분야로 각광을 받을 것으로 내다보고 있다.

더욱이 ㈜CNL에너지가 개발한 제품 모두 독립 운전이 가능하도록 설계되어 있으며, 관련 기술 분야의 업체가 연료전지를 이용한 제품 개발 시 제품 특성이나 설치 장소에 적합하게 즉시 운영 가능하며 현재 100~500W급 제품을 연속으로 출시하여 판매 중에 있다.

고분자연료전지는 수소전기차에 널리 사용되는 연료전지로써 가정용이나 건물용 연료전지로 많이 개발되고 있는 분야이다. 배터리보다 에너지밀도가 높으며, 급속충전이 가능하여 휴대용 전자기기나 자동차, 선박, 가정용 열병합 등 매우 독특한 응용범위의 발전시스템에 적용가능하다.

연료전지에서 수소가 연료로 사용되기 때문에 자동차 또는 선박용으로 적용할 경우 700기압의 고압 수소가스 설비나 수소 액화설비가 필요하다. 이는 연료전지 발전시스템에서 필요로 하는 연료 중 하나인 수소에 대한 안전성, 편리성, 경제성에 대해서 더 많은 기술개발이 필요한 부분이라고 볼 수 있다. 앞에서 언급한 소형 연료전지 분야에서 DME와 같은 액체연료를 직접 사용하는 직접 DME연료전지 시스템을 개발하게 되면 보다 활용성이 넓은 연료전지 시장에 진입할 것으로 보고 있다.

직접메탄올연료전지 시스템과 더불어 국내는 물론 해외에서도 직접 DME연료전지를 개발 중에 있으며 전극활성을 높이는 기술개발에 다양한 촉매개발과 멤브레인 개발을 시도하고 있다. ㈜CNL에너지사는 이 분야와 관련된 연구기관과 협력하여 새로운 액체연료로 전력을 생산하는 연구개발을 과감히 시도하고 있으며, 국내 연료전지발전 시스템의 보급 확대를 위해 제품의 가격경쟁력을 확보하기 위해 노력하고 있으며 보급형 및 고객 맞춤형 제품으로 내구성과 안정성 확보에도 만전을 기하고 있다.

 

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(주)케이세라셀

바이오DME 활용, SOFC 개발 추진
 

   
▲ 바이오DME를 이용한 연료전지발전시스템

㈜케이세라셀(대표 임경태)은 지난 2010년 SOFC(고체산화물연료전지) 부품소재 국산화를 목적으로 창업한 벤처기업이며 사업화 1단계로 핵심소재 국산화와 특허 신소재 창출을 목표로 하였고 2단계로 자체 국산화 소재 및 특허 소재를 기반으로 한 고성능 세라믹 셀/스택 개발과 사업화를 목표로 하였다. 

개발된 셀은 국내 및 해외로 판매가 시작되었고 현재 20셀을 적층한 스택은 700W 정도의 출력을 나타내고 있으며 1kW급 스택 개발을 목표로 하고 있다. 

케이세라셀은 특히 바이오 에너지를 이용한 SOFC 개발을 중점적으로 진행하고 있다. 현재 에너지기술평가원의 지원을 통해 ‘독립전원용 바이오가스 고체산화물연료전지 통합 발전시스템 개발’을 진행 중에 있으며 올해 상반기부터 액상 바이오 연료를 적용하여 운전을 시작할 예정이다.  

케이세라셀에서 개발하는 바이오가스 SOFC는 전력 인프라 및 가스 인프라가 부족한 국내 에너지자립섬 또는 동남아 등에서 독립전원으로 활용이 가능한 시스템이며 각 지역에서 자체 수급이 가능한 액상 바이오연료를 적용하여 운전하는 것을 목표로 하고 있다. 국내에서 최근에 개발된 바이오 DME 및 바이오 부탄올 등이 액상 바이오 연료로서 적용될 수 있다. 

지난 2018년 10월부터는 유레카 국제공동개발사업 및 에너지기술개발사업의 일환으로 액상 연료를 기반으로 한 SOFC+배터리 하이브리드 동력에 필요한 SOFC 셀/스택개발을 시작했다. 

록히드 마틴사에서는 프로판 연료를 기반으로 배터리로 4시간, 그리고 SOFC로 8시간 총 12시간 비행이 가능한 무인정찰기(Stalker XE)를 개발하여 운용 중에 있다. 또 일본 닛산자동차에서는 바이오 에탄올을 연료로 하고 SOFC+배터리 하이브리드 동력원을 탑재하여 600km를 주행하는 자동차가 현재 브라질에서 시범 운행 중이며 2020년도부터 시판을 계획하고 있다.

최근 들어 미국 DOE에서도 SOFC+배터리 하이브리드 동력 기술의 가치를 높게 평가하고 있다. 이유는 연료전지 스택 및 배터리의 용량을 감소시키면서도 효율적으로 운행거리를 늘릴 수 있으며 무엇보다도 전기충전소 및 수소충전소의 사용없이 기존 주유 인프라를 활용할 수 있기 때문이다.

SOFC는 액상 바이오 연료를 효율적으로 가스형태로 쉽게 전환하여 사용할 수 있는 연료전지이며 액상 바이오 연료는 바이오프랜즈 등과 같은 중소기업에서 액상연료로 DME를 개발하고 있으며 국내에서 메탄올 원료에서 쉽게 생산이 가능하며 에너지밀도가 높고 저장 및 수송이 용이한 장점이 있다.

차량용 뿐만 아니라 가정, 상업용 연료전지발전시스템으로 개발하여 연료전지발전시스템 패키지업체에서 조립생산하여 국내 가정용, 상업용을 보급하는 사업이 진행되길 희망하고 있다. 

특히 농가의 축산분뇨, 음폐수가스, 매립지가스 등 국내 바이오 자원을 이용한 SOFC의 개발과 보급을 통해 국내 바이오에너지 산업 및 연료전지 산업이 동반성장할 수 있기를 기대한다.

 

유재준 기자 jjyoo@gasnews.com

<저작권자 © 한국가스신문 무단전재 및 재배포금지>
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