^*개질(Reforming): 열이나 촉매의 작용에 의하여 탄화수소의 구조를 변화시키는 일

^*바이오디젤(BioDiesel): 콩기름이나 유채기름 같은 식물성 기름을 원료로 만드는 연료. 추출 과정에서 나오는 글리세롤은 무색무취로 단맛이 나고 끈기가 있다. 글리세롤을 식품‧제약‧화장품‧화학물질의 원료 등으로 쓰기도 하지만 바이오디젤 생산량이 늘어나면 잉여 글리세롤도 많아져 버려지기 쉽다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

미세먼지 대응과 온실가스 배출 감축과 관련해 정부는 2030년까지 전체 발전량 중 20%까지를 신재생에너지로 충당하는 ‘재생에너지 3020 이행계획’ 같은 정책을 적극적으로 추진하고 있다. 이런 배경에서 기존에 화석연료(천연가스, 석유, 석탄)을 대체할 신재생에너지에 대한 연구가 활발하다.

신재생에너지 중 바이오디젤(Biodiesel)은 경유와 섞어 자동차 연료로도 쓸 수 있어 에너지 사용 측면에서 활용도가 높다는 특징을 가지고 있다. 바이오디젤의 생산량은 점차 늘고 있는데, 바이오디젤을 생산하는 공정에서 나오는 ‘글리세롤(Glycerol)’도 자원으로 활용할 수 있다. 이 물질은 식품이나 제약, 화장품, 화학산업에서 다양하게 쓰이는데, 바이오디젤 생산량 증가하면서 늘어나는 글리세롤 공급량을 모두 충당하기는 어렵다. 이에 잉여 글리세롤을 활용하는 연구도 진행 중이며, 이중 ‘글리세롤 수증기 개질반응(Glycerol Steam Reforming)’을 통한 수소 생산에 대한 관심이 높아지고 있다.

기존 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 연구는 개질에 적합한 촉매 연구, 적절한 공정 운영 조건, 공정모사 프로그램을 이용한 기술·경제성 분석 등으로 진행됐다. 하지만 다양한 경제성 분석 방법을 적용한 연구는 미흡했으며, 아직 개발 단계에 있는 기술에 대한 불확실성(Uncertainty)에 대한 위험도를 정량화하는 확률 분석(Probability Analysis)에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다.

이번 연구에서는 불확실성 분석에 쓰이는 몬테카를로 시뮬레이션(Monte-Carlo Simulation)을 활용해 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 통합적인 기술․경제성 분석을 수행했다. 기존의 경제성 분석인 단가 계산, 민감도 분석(Sensitivity Analysis), 수익성 분석(Profitability Analysis) 방법에 몬테카를로 시뮬레이션을 적용해 결론을 얻은 게 특징이다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 글리세롤 수증기 개질반응 공정을 통해 1시간 동안 700㎥의 수소를 생산하는 ‘분산형 수소충전소’ 규모를 상정하고 기술․경제성 분석을 진행했다. 분산형 수소충전소는 수소가 필요한 곳에서 직접 생산하는 형태를 뜻하며, 대규모로 수소를 생산해 충전소로 이송하는 ‘중앙집중형 수소공급소’과 다른 시스템이다. 1시간 동안 700㎥의 수소 생산이라는 기준은 미국 에너지부(Department of Energy)가 제시한 분산형 수소충전소의 최대치를 따랐다.

기술․경제성 분석(Techno-Economic Analysis, TEA)*은 일반적인 경제성 분석과 달리 공정에 대한 설계(또는 실험) 결과를 기반으로 경제성을 분석한다. 실제 기술적인 데이터와 경제성 분석을 동시에 진행하기 때문에 기존 방식보다 복합적인 분석이 가능하다. 특히 이번 연구에서는 몬테-카를로 시뮬레이션 방법을 기반으로 한 확률 분석을 도입했다. 그 결과 현재 초기 단계인 글리세롤 수증기 개질반응 공정 기술에 대한 불확실성을 정량화하고, 공정의 위험도를 줄이는 지침도 제시했다.

^*기술·경제성 분석(Techno-Economic Analysis, TEA): 공정모사 또는 실제 기술에 대해 기술적으로 분석하고 이를 기반으로 비용을 추산하여 공정의 경제적 타당성을 판별하는 분석 방법

공정설계에서는 공정모사 프로그램인 ‘아스펜 하이시스(Aspen HYSYSⓇ)’를 이용했다. 이 프로그램을 이용해 실제로 글리세롤 수증기 개질반응 공정으로 수소를 생산하는 공정을 설계하고, 공정변수를 입력하면서 생산비용을 계산한 것이다. 공정변수로는 반응 온도와 반응물 비율, 반응물 유량 등이 쓰였으며, 변수에 따라 달라지는 생산비용 중 가장 저렴할 경우의 공정 운영 조건을 도출했다.

글리세롤 수증기 개질반응 공정은 글리세롤을 수증기와 반응시켜 수소 등의 산출물을 얻는 공정이다. 이 공정을 이용해 산출된 가장 저렴한 수소 1kg 당 생산단가는 4.46달러로 계산*됐다. 현재 상업화된 수소생산 방식인 메탄 수증기 개질반응(Methane Steam Reforming) 공정을 통한 수소 생산 단가는 1kg 당 2달러 정도로 알려져 있다.

^*항목별 비용 추산(Itemized Cost Estimation): 공정의 자본비(capital cost)와 운영비(operating cost)를 기반으로 한 수소 생산단가 계산법

전체 공정 중에서 수소 생산단가에 가장 크게 영향을 주는 요소를 확인하기 위한 민감도 분석(Sensitivity Analysis)*도 진행했다. 그 결과 생산단가에 가장 영향을 많이 주는 요소는 반응물 비용, 즉 글리세롤의 비용으로 나타났다. 그 뒤로 전기비용과 열원(천연가스) 비용이 생산단가에 영향을 많이 주고 있었다. 이는 글리세롤 비용이 감소하면 수소 생산단가도 낮출 수 있다는 것으로 분석할 수 있다.

^*민감도 분석(Sensitivity Analysis): 경제적 인자들의 가격 변동에 따른 수소 생산단가의 변동을 확인하는 분석법으로, 한 가지의 항목에 대한 가격 변동을 고려하는 기법이다.

또 현금 흐름도* 기반 수익성 분석**을 통해 프로젝트(건설기간 2년, 운영기간 10년)가 종료됐을 때 2~10% 할인율 범위에서 모두 수익성을 보였다. 수익성을 확인할 수 있는 지표인 순현재가치***, 할인회수기간****, 현재가치율****, 투자자본수익률******을 도출했다. 마지막으로 확률 분석을 통해 경제적 인자의 비용이 ±20%로 변동됐을 때의 수소 생산단가 범위(수소 1kg 당 단가 3.6~5.43달러)와 할인율이 2~10%로 변동됐을 때의 비용편익비******* 범위도 0.86~1.37로 나타났다.

^*현금 흐름도(Cash Flow Diagram): 제안된 공정이 프로젝트 기간 동안 운영될 때 현금 흐름을 나타내는 그래프

** 수익성 분석(Profitability Analysis): 현금 흐름도를 통해 제안된 공정의 수익성을 판별하는 분석법

*** 순현재가치(Net Present Value, NPV): 프로젝트 기간이 종료됐을 때 최종적으로 얻는 순수익

**** 할인회수기간(Discounted PayBack Period, DPBP): 할인율이 적용될 때 초기 투자비용을 회수하는 데 필요한 기간

***** 현재가치율(Present Value Ratio, PVR): 할인율이 적용된 현금 흐름에서 양의 값과 음의 값의 비율

****** 투자자본수익률(Rate Of Return On Investment, ROROI): 투자로 인해 얻어진 수익률을 의미. 투자자본수익률이 높을수록 투자비용 대비 효율이 좋음.

*******비용편익비(Benefit/Cost ratio, B/C ratio): 순이익과 투자비 비율. 이 값이 1 이상일 때 경제적 타당성이 있음

이를 통해 ① 수소 생산단가는 메탄 수증기 개질반응이 글리세롤 수증기 개질반응보다 싸다는 걸 알 수 있다. 하지만 ② 바이오디젤 산업이 증가하면서 글리세롤의 가격이 낮아지게 되면, 글리세롤 수증기 개질반응이 충분한 경쟁력을 지닐 가능성이 있다는 걸 확인했다.

3. 기대효과

글리세롤을 통한 수소 생산은 2019년 1월에 보도된 “수소경제 활성화 로드맵”에서 발표한 수소경제 조성과 밀접한 관련이 있다. 이는 최근 정부가 제안한 10대 기후기술 성장 및 재생에너지 3020 이행계획에 기여할 수 있는 기술이다. 기존 수소 생산 방식인 메탄 수증기 개질반응은 화석연료 기반으로 하며, 공정에도 높은 에너지를 필요로 한다. 이에 반해 상대적으로 낮은 에너지가 요구되는 글리세롤 수증기 개질반응은 경제적 측면에서도 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.

이번 연구는 현재 개발 단계인 글리세롤 수증기 개질반응에 대한 경제적 상황이 고려된 수소 생산 단가뿐 아니라 미래의 경제적 불확실성을 고려한 수소 생산 단가 범위를 제안한 데 의미가 있다. 이번에 제안한 수소 생산 단가 범위는 글리세롤 기반 수소 생산의 발전방향에 관한 다양한 기술·경제적 지침을 주므로, 미래 수소 경제 구축 관련 정책입안자들에게 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 그림 설명