수소와 공기를 통해서 전기를 만드는 FC(연료전지)가 있다면, 그 반대로 수소를 생성하는 EC(수전해)가 있다.
그 중 SOFC 짝궁인 SOEC 를 찬찬히 알아가보자구요.
1. SOFC의 역발상 기술, SOEC(고체산화물 수전해)란 무엇일까?
최근 수소 에너지가 차세대 청정 에너지를 이끌 핵심으로 떠오르면서, 수소를 활용하는 장치뿐만 아니라 '수소를 얼마나 깨끗하고 효율적으로 만들 것인가'에 대한 관심이 뜨겁습니다.
이전 포스팅에서 다루었던 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체산화물 연료전지)는 수소와 산소를 반응시켜 전기와 열, 그리고 물을 만들어내는 장치였습니다. 그렇다면 이 과정을 완전히 거꾸로 뒤집어보면 어떻게 될까요?
물에 뜨거운 열과 전기를 가해서 수소와 산소로 다시 쪼개버리는 기술, 이것이 바로 SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell, 고체산화물 수전해)입니다.
쉽게 말해 SOFC와 SOEC는 하나의 장치로 양방향 작동이 가능한 '쌍둥이 기술'입니다. SOFC가 전기를 뽑아내는 '발전기'라면, SOEC는 전기를 넣어 그린수소를 대량으로 뿜어내는 '수소 제조기'인 셈입니다.
수소 생성 과정에서 이산화탄소를 단 1g도 배출하지 않는 100% 무공해 '그린수소'를 대량 생산하기 위해, 현재 가장 핵심적인 차세대 기술로 꼽히는 것이 바로 이 SOEC 기술입니다.
2. 물을 쪼개 수소를 만드는 수전해 기술의 종류와 SOEC의 압도적 특징
물에 전기를 흘려보내 수소와 산소로 분리하는 기술을 '수전해(Water Electrolysis)'라고 부릅니다. 현재 연구 및 상용화가 진행 중인 수전해 기술은 크게 세 가지로 나뉩니다.
- AEC (알칼라인 수전해): 가장 오래되고 상용화가 많이 된 상온·저온형 수전해 기술입니다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하지만, 에너지 효율이 낮고 장비의 덩치가 매우 크다는 단점이 있습니다.
- PEMEC (고분자전해질형 수전해): 재생에너지(태양광·풍력)의 변동성에 빠르게 반응하는 저온형 수전해 기술입니다. 장비가 소형화되고 반응이 빠르지만, 전극 소재로 비싼 백금이나 이리듐 같은 귀금속이 들어가 생산 단가가 비쌉니다.
- SOEC (고체산화물 수전해): 600~800℃의 고온에서 가동되는 고온형 수전해 기술입니다.
이 중에서도 SOEC가 다른 수전해 기술들을 압도하는 가장 큰 비결은 바로 '고온 작동'에 있습니다.
온도가 700℃ 이상으로 높아지면, 물을 분해하는 데 필요한 전기 에너지가 대폭 줄어듭니다.
전기 대신 '뜨거운 열에너지'가 수분해 반응을 상당 부분 대신해 주기 때문입니다.
기존 저온 수전해 방식(AEC, PEMEC)이 수소 1kg을 만드는 데 약 50~55kWh의 전력을 소비한다면, SOEC는 약 35~40kWh 수준의 전력만으로도 동일한 양의 수소를 만들어낼 수 있습니다.
전력 소비량을 무려 20~30% 이상 절감할 수 있는 압도적인 에너지 효율을 자랑하는 것입니다.
3. 왜 지금 전 세계가 SOEC 연구 및 상용화에 열을 올릴까?
그린수소가 좋은 것은 누구나 알지만, 지금까지 널리 쓰이지 못했던 가장 결정적인 이유는 "만드는 비용(전기값)이 너무 비싸다"는 점이었습니다. 그런데 SOEC 기술이 이 판도를 바꾸고 있습니다.
첫째, 산업 폐열과의 완벽한 시너지입니다.
SOEC는 작동에 고온의 열이 필요한데, 제철소, 석유화학 공장, 시멘트 공장, 심지어 차세대 원자력 발전소(SMR) 등에서는 가동 과정에서 버려지는 엄청난 양의 '고온 폐열(수증기)'이 발생합니다. 이 버려지는 열을 SOEC 장치에 공급하면, 최소한의 전기만 투입하고도 폭발적인 효율로 그린수소를 대량 생산할 수 있습니다.
둘째, 귀금속 촉매를 쓰지 않는 경제성입니다. PEMEC 방식처럼 비싼 백금이나 이리듐을 쏟아부을 필요 없이, 니켈이나 세라믹 계열의 상대적으로 저렴한 촉매 소재를 사용할 수 있어 장치 자체의 제조 단가를 낮출 수 있는 잠재력이 매우 높습니다.
셋째, 탄소 포집 기술(CCUS)과의 결합을 통한 e-연료(e-Fuel) 생산입니다. SOEC 장치에 물과 함께 공장에서 포집한 이산화탄소를 동시에 넣고 고온 분해하면, 수소와 일산화탄소가 혼합된 '합성가스(Syngas)'가 만들어집니다. 이를 가공하면 기존 디젤/가솔린 엔진이나 항공유로 바로 쓸 수 있는 친환경 합성 연료(e-Fuel)를 만들어낼 수 있습니다.
4. 한눈에 보는 SOFC vs SOEC 핵심 비교
이해를 돕기 위해 쌍둥이 기술인 SOFC와 SOEC의 핵심 특성을 1:1로 비교해 보겠습니다.
| 구분 | SOFC (고체산화물 연료전지) | SOEC (고체산화물 수전해) |
| 기본 역할 | 전기를 만들어내는 '발전기' | 수소를 만들어내는 '수소 제조기' |
| 투입 물질 | 수소 + 산소 | 물/수증기 + 전기 |
| 생성 물질 | 전기 + 열 + 물 | 그린수소 + 산소 |
| 작동 온도 | 600~1,000℃ 초고온 | 600~800℃ 초고온 |
| 핵심 강점 | 최고 수준의 발전 및 열 효율 | 최소 전력으로 그린수소 대량 생산 |
| 주요 활용처 | AI 데이터센터, 대형 건물, 발전소 | 그린수소 생산 기지, 제철소, 원전 연계 |
5. 그린수소 시대를 앞당길 SOEC의 향후 과제와 미래 전망
SOEC는 '가장 효율적인 그린수소 생산 기술'이라는 찬사를 받고 있지만, 실제 상용화 시장에 완벽히 안착하기 위해 넘어야 할 과제들도 존재합니다.
가장 큰 숙제는 '고온 환경에서의 장치 내구성 확보'입니다. 700℃가 넘는 고온에서 물과 산소, 수소에 계속 노출되다 보니 전극 소재가 열화되거나 봉인재가 손상되는 현상이 발생하기 쉽습니다.
이를 극복하기 위해 한국을 포함한 미국, 유럽의 연구진들은 작동 온도를 500~600℃ 수준으로 낮추면서도 효율을 유지하는 '중고온형 SOEC 소재 연구'와 장기 내구성을 대폭 향상시킨 '차세대 세라믹 촉매 개발'에 박차를 가하고 있습니다.
전문가들은 재생에너지 인프라가 확대되고 원자력/산업 폐열 연계 기술이 고도화되는 2030년대 들어 SOEC 기반의 그린수소 생산 단가가 기존 그레이수소 수준으로 대폭 낮아질 것으로 전망하고 있습니다.
수소를 저장하는 기술이 먼저 나올지...수전해 기술이 먼저 상용화 될지...과연...!