그린수소 전환 가속: 철솜 전극 상용화 신호탄과 제주 모델의 실험

그린수소, 지금 왜 다시 주목받나

재생에너지 비중이 오를수록 출력 변동성이 커지고, 잉여 전력의 저장과 산업공정의 탈탄소화가 동시 과제로 떠올랐습니다. 그린수소는 재생전력으로 물을 분해해 생산되며, 운송·산업열·발전 백업 등 탄소가 남아 있는 영역에서 ‘마지막 20%’를 줄이는 도구로 평가됩니다.

문제는 제조단가입니다. 그린수소의 평준화원가(LCOH)는 전력비와 전극·촉매의 CAPEX에 크게 좌우되는데, 특히 귀금속 촉매와 전극 소재가 초기 투자비를 끌어올려 상업 확산의 걸림돌이 되어왔습니다. 이 지점에서 ‘철솜 전극’은 매우 실용적인 변수가 됩니다.

철솜 전극의 등장: 비용 99% 절감의 의미

전극 비용 최대 99% 절감30A+ 고전류 운전400시간 이상 안정 운전

값비싼 백금(Pt)·이리듐(Ir) 대신 일상적으로 구할 수 있는 철솜(스틸울)을 전극으로 재활용하는 기술이 제안됐습니다. 핵심은 철솜을 제어된 부식(산화) 공정을 거쳐 표면에 니켈·철 기반 촉매층을 형성한다는 점입니다. 이로써 귀금속 없이도 고온·고전류 환경에서 안정적 수전해가 가능해졌고, 파일럿 장치에서 수백 시간 연속 운전으로 내구성이 검증됐습니다.

전극 원가가 급감하면 단지 부품 가격이 내려가는 데서 그치지 않습니다. 시스템 설계의 자유도가 커지고, 유지보수 전략이 바뀌며, 프로젝트 파이낸싱에서 민감도 분석의 전제가 달라집니다. 즉, 그린수소가 ‘비용논리’ 위에 올라설 발판이 마련되는 셈입니다.

기술 포인트 해부: 부식 공정, 촉매층, 다공성 구조

1) 부식 공정의 역할

철솜을 특정 조건에서 산화시키면 표면 거칠기가 커지고, 철-니켈 복합 산화물 계열의 활성 사이트가 생성됩니다. 이 과정을 균일하게 제어하면 전극 전체에서 반응성이 고르게 나타나 과전압을 낮출 수 있습니다.

2) 니켈·철 촉매층

알칼라인 또는 AEM(음이온교환막) 환경에서 니켈·철 촉매는 산소발생반응(OER) 쪽 활성 향상이 크고, 수소발생반응(HER)에서도 표면 구조 최적화로 효율을 보완합니다. 귀금속 대비 활성도는 낮을 수 있으나, 대면적·저원가로 이를 상쇄합니다.

3) 섬유형 다공성 구조의 이점

철솜의 섬유형 네트워크는 전류 경로가 짧고 기포 배출이 원활해 농도 과전압을 줄입니다. 결과적으로 낮은 에너지 손실로 높은 전류밀도를 견디며, 스케일업에도 유리합니다.

상용 수전해 시스템 적용성: 내구성·전류밀도·효율

파일럿 기준으로 30암페어 이상의 전류를 400시간 이상 안정 운전했다는 보고는 상업화를 가늠케 하는 첫 신호입니다. 물론 MW급 시스템으로 확대할 경우 전극 프레임 호환성, 전류 분포 균일화, 스택 냉각 및 가스 분리 효율 같은 엔지니어링 과제가 뒤따릅니다.

실무자는 다음을 확인해야 합니다.

• 막·전극 접합(MEA) 호환성과 초기 활성화 조건
• 장기 운전 시 표면 재구성, 스케일링, 부식 억제 전략
• 가스 크로스오버 및 순도 관리(특히 연료전지 급수용)
• 교체 주기, 잔존가치 추정, 현장 정비 난이도

현장 팁: 전극 단가가 낮아지면 ‘교체 전략’이 공격적으로 변할 수 있습니다. 수명 말기 성능 저하를 복잡한 재생보다 계획 교체로 대응해 가동률을 끌어올리는 방식이 합리적일 수 있습니다.

제주가 실험하는 ‘지역형 그린수소’ 모델

제주에서는 이동형 수소충전소의 상업 운전이 시작됐고, 산·학·연·관이 모여 그린수소 생태계를 구체화하는 논의가 이어지고 있습니다. 핵심은 ‘지역 전력계통과 수소 생산·저장·활용’을 하나의 가치사슬로 엮는 모델입니다.

제주의 장점은 풍력·태양광 비중이 높아 잉여전력이 자주 발생한다는 점, 섬이라는 특성상 계통 안정화 수단이 제한적이라는 점입니다. 이 둘을 연결해 잉여전력-수전해-수소저장-수요처(교통·산업·발전예비)로 이어지는 순환을 만들면, 계통 유연성과 탄소저감을 동시에 달성할 수 있습니다.

정책·경제성·수용성: 제주 포럼에서 나온 쟁점

정책 정합성

지역 재생에너지 증설 계획, 수소 충전 인프라 보급, 안전 규정 정비가 맞물려야 합니다. 수전해 설비 인허가 절차 간소화와 장기 전력계약(PPA) 체계가 병행되면 프로젝트 리스크가 낮아집니다.

경제성 분석

그린수소는 전력 단가, 이용률, CAPEX가 결정 변수입니다. 철솜 전극이 스택 비용을 낮춰주면, 동일 전력비에서도 LCOH 하락 폭이 커지고, 교통·산업용 수요처와의 장기 계약 성사 가능성이 높아집니다.

주민 수용성

수소는 안전 이슈에 민감합니다. 충전소·저장 시설의 입지 선정에서 모니터링 데이터 공개, 정기 훈련, 투명한 사고대응 매뉴얼이 신뢰의 핵심입니다. 지역 참여형 수익배분 모델도 유효합니다.

전력계통과 수전해의 만남: 간헐성 대응 전략

수전해는 변동전원을 흡수하는 수요반응형 자산으로 볼 수 있습니다. 다음 접근이 현실적입니다.

• 재생전력 직접 PPA + 동적 전력요금 연동 운전
• 단기 ESS와의 하이브리드: 램프율 완화, 스택 보호
• 수전해 모듈러 설계: 부분 부하 효율 최적화, 유지보수 분산
• 가스망·액화·암모니아 전환 등 저장·운송 경로 다각화

특히 AEM 기반 시스템은 알칼라인의 경제성과 PEM의 동적 응답성을 절충할 수 있어, 변동 전력 연동 운전에 적합하다는 평가가 늘고 있습니다. 철 기반 전극은 이런 AEM의 CAPEX 부담을 한층 낮출 카드로 거론됩니다.

산업 지형의 변화: 부품·소재·O&M의 새로운 기회

전극 가격이 내려가면 가치 중심이 ‘촉매’에서 ‘시스템 엔지니어링’과 ‘운영 데이터’로 이동합니다. 다음 분야에서 기회가 열립니다.

• 전극 표면처리·부식 공정 장비 및 케미컬
• 스택 유니포미티(균일 전류 분포) 설계 소프트웨어
• 실시간 진단(임피던스, 오버포텐셜 맵핑) 센서
• 대기염분 환경(제주형) 내식 코팅 및 하우징
• 그린수소 품질 규격·계량 인증, 잉여전력 예측 서비스

또한 이동형 충전소의 운영 경험은 물류·관광이 결합된 지역에서 수요 예측과 충전 거점 최적화를 가속화할 수 있습니다.

리스크와 체크리스트: 수명, 안전, 규제, LCOH

핵심 체크리스트

• 전극 수명: 장주기(>5,000시간) 데이터와 성능 저하율(dV/dt) 공개 여부
• 안전: 수소 누설 검지, 환기, 방폭 등급, 비상차단 시스템
• 수질: 전해수 품질(이온, 실리카) 관리와 프리트리트먼트 비용
• 규제: 설비 인허가, 운송 규정, 충전소 이격거리 기준
• LCOH: 전력비 민감도, 용량계수, CF 40~70% 시나리오 비교

철 기반 전극은 초기투자 부담을 줄이지만, 장기 내구성 검증은 여전히 과제입니다. 현장 조건(염분, 온도, 전류 스윙)에 따른 성능 변이를 반드시 사전 테스트로 확인해야 합니다.

로드맵 제안: 파일럿에서 상업화까지 5단계

1단계: 소재 스크리닝

철솜 등 저가 소재의 산화 조건, 니켈 도핑 비율, 다공성 지수 최적화를 병렬 실험으로 진행합니다. 표준 셀에서 과전압-수명 트레이드오프를 확보합니다.

2단계: 10~100 kW 파일럿

지역 잉여전력 연동 운전을 시작해 부하 추종성, 스타트·스톱 반복 내구성을 평가합니다. 안전 시나리오 드릴을 정례화합니다.

3단계: 수요 연계

모빌리티(버스·물류), 산업용 보일러 혼소, 마이크로그리드 백업 등 수요처와 장기 공급계약(오프테이크)을 체결합니다.

4단계: 금융 구조화

CAPEX 절감 데이터를 근거로 프로젝트 파이낸싱 조건을 조율합니다. 성능보증(EPC·O&M)과 보험, 탄소크레딧 리워드 구조를 포함합니다.

5단계: 상업 운영

운영 데이터로 예지정비 모델을 고도화하고, 전극 교체 주기를 최적화합니다. 지역 내 수소 클러스터와 공동 조달로 운영비를 낮춥니다.

FAQ: 현장에서 자주 받는 질문

Q1. 철 전극이면 성능이 충분할까요?

귀금속 대비 단위면적 성능은 낮을 수 있으나, 다공성 구조와 표면 활성화로 실사용 효율을 끌어올립니다. 전극 단가가 낮아 대면적 설계로 보완하는 전략이 가능합니다.

Q2. 제주처럼 바닷바람이 강한 환경에서 내식성은?

하우징·배관의 내식 코팅, 제염 필터, 공조 제어가 필수입니다. 전극 자체는 표면 재구성 관리와 주기적 세척 프로토콜을 병행해야 합니다.

Q3. PEM, 알칼라인, AEM 중 무엇이 맞나요?

변동 전력 대응성과 비용을 함께 보면 AEM이 유력 후보입니다. 다만 부품 생태계와 실증 데이터가 더 필요하므로, 알칼라인과의 하이브리드 구성도 고려할 만합니다.

Q4. 이동형 충전소의 역할은?

초기 수요 분산과 접근성 확대에 유효합니다. 데이터가 쌓이면 고정식 충전소 입지 결정에 실증 근거가 됩니다.

정리: 기술 혁신과 지역 실험이 만나는 지점

그린수소수전해제주모델

철솜 기반 전극의 상용 가능성은 그린수소의 비용 벽을 흔들고 있습니다. 동시에 제주는 재생에너지의 간헐성을 수전해와 연결해 지역경제·안전·환경을 통합적으로 다루는 실험을 이어가고 있습니다. 기술과 제도, 주민 수용성의 삼박자를 맞출 수 있다면, ‘값비싼 미래 기술’로만 보이던 그린수소가 일상의 인프라로 내려올 타이밍이 머지않아 보입니다.