2050 탄소중립 실현, 미래 선도형 수소 생산ㆍ저장 원천기술 개발로 뒷받침한다-과기정통부, 미래수소원천기술개발 사업 신규 과제 공모(4.9~5.11)

2050 탄소중립 실현, 미래 선도형 수소 생산ㆍ저장 원천기술 개발로 뒷받침한다-과기정통부, 미래수소원천기술개발 사업 신규 과제 공모(4.9~5.11)

작성일 2021-04-08 부서 기후환경대응팀 2021-04-08

 

 

2050 탄소중립 실현, 미래 선도형 수소 생산ㆍ저장 

원천기술 개발로 뒷받침한다

- 과기정통부, 미래수소원천기술개발 사업 신규 과제 공모(4.9~5.11) -

 

□ 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)는 지난 3월 31일 발표된 「탄소중립 기술혁신 추진전략」을 뒷받침하고, 「수소 기술개발 로드맵(’19)」의 이행을 위해 “미래수소원천기술개발 사업”을 신규 추진한다고 밝혔다.

 

□ 과기정통부는 2019년부터 이산화탄소를 배출하지 않는(CO2-free) 친환경적이면서도 효율이 높은 수소 생산 기술과 수소를 안정적으로 저장할 수 있는 기술을 개발하고 있으며,

※ 수소에너지 혁신기술개발 사업(’19～’23, 총 486.1억원)

ㅇ 그간 사업 운영을 통해 기업 기술이전, 수소 생산 단가 절감, 해외 우수 학술지 논문 게재 등의 연구 성과를 도출했다. 

< 과기정통부 수소 기술개발 사업 주요 연구 성과 >

꠨ 고효율 알칼라인 수전해 스택 개발(‘20년, 한국에너지기술연구원)

- 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지를 이용해 안정적이고 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 알칼라인 수전해 장치 개발(전극, 분리막 등 자체 개발)

⇒기업에 기술이전(5억원)

꠨ 저가 수전해 촉매/전극 개발(‘20년, 한국과학기술연구원)

- 촉매로 사용되는 귀금속(이리듐) 사용량을 70% 낮추면서 성능과 내구성은 향상시킨 수전해 촉매/전극 개발

⇒수소 생산단가 절감

꠨ 액상 물질 관찰 플랫폼 개발(‘20년, 서울대)

- 액체 내 화학반응을 원자단위 수준에서 직접 관찰할 수 있는 벌집구조 플랫폼 개발

⇒수소 촉매 반응, 차세대 연료전지, 단백질 구조 등 연구에 활용 가능

□ 이번 사업은 수소 생산ㆍ저장 기술 중에서 현재 기술 수준은 낮지만 향후 파급효과가 클 것으로 예상되는 미래 선도형 기술을 개발하기 위해 올해부터 신규로 추진하는 사업이며,

ㅇ 과기정통부는 올해 33억원을 포함해 2026년까지 6년간 총 253억원을 투입할 예정이다.

ㅇ 구체적으로는 ①광전기화학적 고효율 수소 생산 기술, ②프로톤 기반 고효율 중온 수전해 수소 생산 기술, ③재생에너지 연계 열화학적 수소 생산 기술, ④고체흡착 수소 저장 기술 등 4개 분야 기술을 개발한다.

분야 기술 설명

수소  ① 광전기화학적 고효율 ㆍ태양광과 촉매를 이용해 물을 수소로 분해하는 기술

생산 수소 생산(PEC)

② 프로톤 기반 고효율 중온 수전해 수소 생산(PCEC) ㆍ400∼600℃의 수증기를 전기 분해하고, 프로톤(H+ 이온)을 이동시켜 수소를 생산하는 기술

③ 재생에너지 연계 열화학적 수소 생산 ㆍ메탄(CH4) 등 탄화수소계 연료를 높은 온도로 가열하여 수소를 분리시키는 기술 

수소  ④ 고체흡착 수소 저장 ㆍ수소 저장 용량과 내구성을 높이는 다공성 흡착 소재 개발 및 최적 구조 설계

저장

※ 기술별 세부내용 붙임2 참조

 

□ 이번 사업은 기술 목표만 제시된 상황에서 연구 방법을 연구자들이 다양하고 창의적으로 제안하는 자유공모형(Middle-up) 방식으로 공모하며,

ㅇ 사업기간(6년) 동안 두 번의 단계 평가를 거쳐 최종 과제(1~2개)를 선정하는 경쟁형 연구 방식(토너먼트형)으로 사업을 운영하여 혁신적 기술개발 및 조기 성과 창출을 유도할 예정이다.

< 기술별・단계별 추진과제 수 >

기술 1단계(’21~’22) 2단계(’23~’24) 3단계(’25~’26)

① 광전기화학적 고효율 수소 생산(PEC) 6개 ▶ 4개 ▶ 2개

② 프로톤 기반 고효율 중온 수전해 수소 생산(PCEC) 6개 4개 2개

③ 재생에너지 연계 열화학적 수소 생산 4개 2개 1개

④ 고체흡착 수소 저장 6개 4개 2개

□ 신규 과제는 4월 9일부터 5월 11일까지 33일간 공모하며, 과제 공모와 관련된 자세한 내용은 과기정통부(www.msit.go.kr)와 한국연구재단(www.nrf.re.kr) 홈페이지에서 확인할 수 있다.

 

□ 과기정통부 김봉수 기초원천연구정책관은 “수소 생산․저장 분야는 활용 등 수소 전 주기 내 다른 기술 분야보다 기술혁신이 더욱 요구된다”며,

ㅇ “특히 2050 탄소중립 실현을 위해 그린수소로 생산 패러다임이 전환되는 최근 추세에서 우리나라가 개발한 친환경 수소 생산·저장 기술이 세계를 선도할 수 있도록 적극 지원하겠다.”라고 밝혔다.

붙임1 미래수소원천기술개발 사업 개요

 

□ 개요

 

ㅇ(목적) 고효율․경제적․친환경적으로 수소를 생산, 저장하기 위해 도전적이고 파급효과가 큰 미래선도형 수소 생산․저장 기술 발굴 및 육성

 

※「수소 기술개발 로드맵(’19.10)」상의 ‘미래형’ 수소 생산기술 기반

 

ㅇ (기간/총사업비) ’21~’26(6년, 2+2+2)/253억원(정부출연금)

 

□ 주요내용

 

ㅇ 친환경 수소 생산·저장기술 다양화를 위해 ①고효율 태양광 수소생산, ②프로톤 기반 수전해(PCEC) 고효율 수소생산, ③재생에너지 연계형 열화학적 수소생산, ④고체 흡착 수소저장 원천기술 개발 추진

 

- (기술수준 목표) TRL 2~3 → TRL 4 이상

 

< 중점 추진내용 및 목표(안) >

 

▹(태양광 수소생산) 광촉매·전극 신소재 개발, 외부전력 없이 작동하는 고압 태양광 수소생산 시스템 개발

 

▹(PCEC 수소생산) 프로톤 전도성 전해질 및 공기극 소재 개발, 대면적 단전지(5㎝×5㎝) 제조 및 숏스택(3층 이상) 최적화 기술 개발

 

▹(재생에너지 연계 열화학 수소생산) 활성·내구성이 개선된 반응기 소재(촉매, 열전달체 등) 및 시스템 등 개발

 

▹(고체흡착 수소저장) 다공성 흡착제 및 수소 흡·탈착이 용이한 화학적·물리적·열적 안정성 확보 기술 개발

 

ㅇ 혁신적인 기술개발 및 조기성과 도출을 위해 3단계 경쟁형 R&D(토너먼트형) 적용 예정

 

1단계(’21~’22) 2단계(’23~’24) 3단계(’25~’26)

광분해 6개 ▶ 광분해 4개 ▶ 광분해 2개

PCEC 6개 PCEC 4개 PCEC 2개

흡착저장 6개 흡착저장 4개 흡착저장 2개

열분해 4개 열분해 2개 열분해 1개

붙임2 신규 과제 세부설명

 

①광전기화학적(PEC) 고효율 수소생산 원천기술개발

 

□ 추진배경

ㅇ 화석연료 기반 그레이수소 사회에서 진정한 탄소중립 사회로 나아가기 위해 재생에너지 기반의 그린수소로 전환이 필요함

ㅇ 그린 수소 생산분야의 수전해 기술은 상품화단계에 도달하여 있어, 기존 수전해 기술에 비하여 고효율 및 저비용의 수전해의 원천기술의 개발이 필요함

ㅇ 태양광을 흡수하여 광전하를 발생시키는 반도체 특성과 촉매 특성이 우수한 물질을 이용하여 물을 광전기화학적(photoelectrochemical, PEC)으로 분해하여 수소를 생산하는 기술 필요함

ㅇ 태양광 수소 생산 기술은 아직 제품으로 시장에 형성되지 못하는 수준으로 향후 시장 선점을 위한 원천 기술 확보가 필요하다고 판단됨

□ 연구목표

ㅇ 최종목표 : 광전기화학적(PEC) 고효율 수소생산 원천기술개발

- 태양광 수소 생산을 위한 광전기화학적(PEC) 소재 기술 개발

- 외부 전원없이(stand alone) 광전기화학 방식 고압 수소 생산 시스템 개발

 

□ 연구기간 및 연구비

ㅇ 기간 : 6년(2+2+2, 총 66개월, 경쟁형R&D)

ㅇ 정부출연금 규모 : 과제당 ’21년 1.5억원(6개월분)

1단계(’21~’22) 2단계(’23~’24) 3단계(’25~’26)

과제 수 : 6개 ▶ 과제 수 : 4개 ▶ 과제 수 : 2개

연구비 : 총 4.5억원 연구비 : 총 7.0억원 연구비 : 총 8.0억원

- ’21년 1.5억원, ’22년 3억원 - ’23년 3.5억원, ’24년 3.5억원 - ’25년 4억원, ’26년 4억원

②그린 수소 생산을 위한 프로톤 기반 고효율 중온 수전해(PCEC) 수소생산 

 

□ 추진배경

ㅇ 탄소 중립의 미래 사회를 위해 단기적으로 개질 수소 등 온실가스를 배출하는 기술이 보급(적용)되고 있으나, 진정한 탄소 중립 사회를 위해서는 재생에너지 기반 그린 수소로의 전환이 반드시 필요함

ㅇ 그린 수소 생산 분야에서 알칼리 수전해와 PEM 수전해 기술은 상품화 단계에 도달하여 있으나, 현 수준 대비 고효율의 수전해 기술이 필요하며, 효율이 극대화될 것으로 예상되는 고온(600℃ 이상) 수증기 전기분해에 대해서는 이미 기술 개발이 진행되고 있음

ㅇ 고온 수전해에 비하여 프로톤 기반의 중온 수전해 기술은 스택의 작동온도가 400∼600℃로 낮아 다양한 열원을 사용할 수 있고, 수소의 정제 시 장점이 있으므로 고효율, 고내구성, 시스템 단순화 및 가격 저감이 기대되며, 이에 미래 그린 수소 생산 기술로서 원천기술 개발이 필요함

ㅇ 수소관련 분야의 장기투자를 통한 원천 기술의 기술력 향상은 지속적으로 가격 저감과 친환경성 향상 등의 결과로 이어져 혁신성장을 견인하고 미래 산업을 육성하는 기반이 될 것임

 

□ 연구목표

ㅇ 최종목표 : 그린 수소 생산을 위한 프로톤 기반의 고효율 중온 수전해(PCEC) 원천기술개발

- 고성능, 고내구성의 프로톤 전도성 전해질 및 전극소재 개발

- 단전지 및 숏스택 최적화 및 성능/내구성 확보 

 

□ 연구기간 및 연구비

ㅇ 기간 : 6년(2+2+2, 총 66개월, 경쟁형R&D)

ㅇ 정부출연금 규모 : 과제당 ’21년 1.5억원(6개월분)

1단계(’21~’22) 2단계(’23~’24) 3단계(’25~’26)

과제 수 : 6개 ▶ 과제 수 : 4개 ▶ 과제 수 : 2개

연구비 : 총 4.5억원 연구비 : 총 7.0억원 연구비 : 총 8.0억원

- ’21년 1.5억원, ’22년 3억원 - ’23년 3.5억원, ’24년 3.5억원 - ’25년 4억원, ’26년 4억원

③재생에너지 연계형 탄화수소계 연료기반 열화학적 CO2-free 수소 생산 원천기술 개발

 

□ 추진배경

ㅇ 기후변화 대응기술 확보와 친환경 이슈는 지속 가능한 미래사회 구축에서 필수적으로 해결되어야 하며, ‘기후변화 대응’, ‘탄소중립’ 및 ‘재생에너지’ 등의 요소는 산업체의 기업평가에도 반영될 정도로 그 중요성이 커짐

- 이에 따라 수소에너지 활용 노력이 지속되고 있으며, 세부적으로는 수소의 생산, 저장, 운반에서 활용으로 연계되는 ‘수소경제’ 기반 확립이 필요함

ㅇ 수소생산의 중요성이 높아짐에 따라 모순적이게도 단기적으로 대량생산이 가능한 그레이 수소생산 기법에 집중하게 되는데, 이러한 현재의 수소생산 기술은 탄소의 배출을 동반하는 한계가 있음

ㅇ 장기적인 관점에서는 아직은 기술성숙도가 낮더라도 ‘수소경제’를 이끌어갈 CO2-free 수소 생산에 대한 원천기술 개발이 필요하며, 특히 추후 대량 수소 생산이 용이할 것으로 기대되는 열화학 공정의 원천기술 확보가 필수적인 상황임

ㅇ 다양한 열화학적 CO2-free 수소 생산 기술 중 탄화수소계 원료를 사용하는 방식은 물을 원료로 사용하는 방식에 비해 단기적으로 대량의 청정수소를 생산할 수 있는 가능성이 있어 기술개발이 필요함

 

□ 연구목표

ㅇ 최종목표: 탄화수소계 원료를 사용하여 탄소배출이 동반되는 현재의 수소생산기술을 대체할 CO2-free 열화학 수소 생산 원천기술 개발

- 재생에너지 연계형 고활성/고내구성 고온 반응소재(촉매, 열전달체) 및 고효율 반응공정 개발

- CO2-free 수소 생산을 위한 금속 또는 금속산화물 기반 혁신 신촉매 및 반응기 개발

 

□ 연구기간 및 연구비

ㅇ 기간 : 6년(2+2+2, 총 66개월, 경쟁형R&D)

ㅇ 정부출연금 규모 : 과제당 ’21년 1.5억원(6개월분)

1단계(’21~’22) 2단계(’23~’24) 3단계(’25~’26)

과제 수 : 4개 ▶ 과제 수 : 2개 ▶ 과제 수 : 1개

연구비 : 총 4.5억원 연구비 : 총 7.0억원 연구비 : 총 8.0억원

- ’21년 1.5억원, ’22년 3억원 - ’23년 3.5억원, ’24년 3.5억원 - ’25년 4억원, ’26년 4억원

④고밀도 수소 흡착성능을 확보한 다공성 흡착 소재 개발 

 

□ 추진배경

ㅇ 미국, 일본, 유럽 등 대부분의 선진국은 수소에너지를 도입하고 관련 기술을 개발하여 미래 에너지의 시장 선점을 위해 다양한 R&D 및 보급 지원 정책을 펼치고 있음

ㅇ 국내의 경우 일부 수소 활용 분야에서 세계선도 기술을 확보하였지만 수소 생산, 저장 및 운송 기술수준은 선진국 대비 취약함

ㅇ 수소의 생산지와 활용처가 원거리일 경우 수소를 고효율, 고밀도로 저장하는 기술 개발이 시급함

ㅇ 고체 흡착 수소 저장 기술은 다공성 흡착제에 수소를 흡착시켜 저장하는 수소 저장 기술로서, 고밀도‧고내구성 원천기술 확보시 세계선도 가능한 기술임

 

□ 연구목표

ㅇ 최종목표 : 고밀도 수소 흡착성능을 확보한 다공성 흡착 소재 개발 

- 수소 저장용 다공성 물리흡착 소재 개발

- 수소 저장용 기공 구조, 크기, 지지체 종류 및 첨가제 최적 설계 기술 개발

- 물리적, 화학적(수분 및 산소 내성 포함), 열적 안정성 확보 기술

- 흡착/탈착 장기 안정성 확보 기술

 

□ 연구기간 및 연구비

ㅇ 기간 : 6년(2+2+2, 총 66개월, 경쟁형R&D)

ㅇ 정부출연금 규모 : 과제당 ’21년 1.5억원(6개월분)

1단계(’21~’22) 2단계(’23~’24) 3단계(’25~’26)

과제 수 : 6개 ▶ 과제 수 : 4개 ▶ 과제 수 : 2개

연구비 : 총 4.5억원 연구비 : 총 7.0억원 연구비 : 총 8.0억원

- ’21년 1.5억원, ’22년 3억원 - ’23년 3.5억원, ’24년 3.5억원 - ’25년 4억원, ’26년 4억원