기술 경제성 분석을 위해서는 우선 각종 장치의 성능을 반영한 통합 공정 모델을 도출하고 이에 연관된 열 및 물질 수지 확인이 필요하다. 열 및 물질 수지 확인을 통해 재생에너지 전력량과 같은 input 에 따른 수소생산량 output 조건을 확인할 수 있고 관련된 유틸리티 소요량, 부산물 생산량 등을 정량적으로 파악할 수 있다.

본 연구에서 도출한 공정 모델 중에서 태양광 및 풍력 등 재생에너지에는 변동성을 반영하기 위하여 수전해기의 가동률을 적용하였다. 전력망 연계를 통한 전기 공급은 시나리오에 따라 factor로 조절하였다. 그리고 수전해기를 통한 수소 생산량을 예측하기 위해 반영된 기본 관계식을 나타내면 아래와 같다.

여기서 n_H2,EL는 수소 발생량(kg/hr), η_EL는 수전해기 효율, δ_RE는 재생에너지 변동성 반영을 위한 수전해기 가동률, P_EL은 전력 입력량(kW), HHV_H2는 수소의 고위 발열량(higher heating value, 39.4 kWh/kg H₂)을 의미한다.

통합 공정 모델과 더불어 정량적인 경제성 지표를 도출하기 위하여 경제성 분석 방법론을 적용하였다. 적용한 방법론은 Peters와 Timmerhaus⁹⁾가 제시한 방법론으로써 주요 장치비를 산정한 후 이에 대하여 설계, 배관, 전계장 등 직접비 항목를 팩토링(factoring) 방식으로 자본비(capital expenditures, CAPEX)를 추산하게 되며, 운전비(operating expenditure, OPEX)는 공장 가동에 필요한 생산비를 기준으로 추산한다.

본 연구에 적용된 공정의 장치 중 가격 측면에서 가장 큰 비중을 차지하는 장치는 알칼라인 수전해기로써 기본 시나리오에는 Schmidt 등¹⁰⁾이 실제 프로젝트 가격 및 100 MW 급 알칼라인 수전해기를 기준으로 정리하여 제시한 가격의 평균치인 900€/kW를 기준으로 적용하였다. 본 가격에는 수전해기 스택 뿐만 아니라 BOP, 변압기, 정류기 및 관련된 배관, 전계장, 빌딩 및 엔지니어링 비용 등의 직접비와 간접비가 포함되어 있다.

수소 버퍼 탱크의 경우에는 Mayer 등⁶⁾이 제시한 수소 저장 용량에 따른 장치비 추산 방법을 활용하여 적용하였다. 본 연구에서 적용된 장치의 가격은 chemical plant cost indexes (CEPCI) 지수를 활용하여 2019년 기준으로 보정하였으며, 환율은 1,300원/€ 및 1,150원/$을 적용하여 환산하였다.

이렇게 추산된 자본비와 더불어 원료비, 노동비, 정비 및 보수비, 유틸리티 비용 등과 같은 운전비(OPEX)는 물질 수지와 연계하여 추산하였다. 노동비는 운전원 5명이 3교대 근무 기준으로 반영하였고, 연간 유지 보수 비용은 5%로 가정하였는데, 이는 알칼라인 수전해기 스택의 수명을 가정하였을 때에 따른 교체 비용을 포함한다. 전력망 전기 활용 시 최대 전기 가격은 2019년 국내 산업용 전기 가격의 평균치인 약 106원/kWh을 가정하였다. 그 외 플랜트 운영에 필요한 변동비인 세금, 보험료, 관리비 등은 Peters 등이 제시한 기본 factor로 적용하였다. 본 수소 생산 플랜트는 25년간 운영하는 것을 기준으로 하며, 감가상각은 Peters와 Timmerhaus⁹⁾가 제시한 16년 기간 기준 factor를 적용하였다.

상기와 같은 도출된 자본비 및 운영비는 최종적으로 경제성 지표를 도출하기 위해 활용되는데, 본 연구에서는 수소 kg 당 생산 단가(production unit cost)를 기준으로 도출하였다. 이는 플랜트 운영을 위한 각종 생산비용(production cost)과 감가상각률을 고려하여 배분된 자본비(CAPEX)를 기준으로 하여 산정한 것이다. 아울러 본 연구에서 활용된 운영비와 관련한 주요 유틸리티 및 노임 단가 그리고 경제성에 주요한 영향을 미치는 parameters를 Table 1에 나타내었다.

본 연구에서의 기본 시나리오는 100 MW급의 알칼라인 수전해기를 기반으로 하여 약 20 bar 상태의 수소를 생산 공급하는 것으로 설정하였다. 이 때 수전해기의 효율은 현재 기술 수준에 따른 값인 약 70% (56 kWh/kg H₂)를 고려하였고, 가동률은 태양광의 경우 15%, 풍력의 경우 30%를 기준으로 3:7의 mix를 고려하여 약 25%로 가정하였다^11,12). 전기 단위 가격의 경우 100 MW 급의 재생에너지 잉여전력 활용을 가정하여 0원/kWh으로 고려되었으며 부산물인 산소는 전량 115원/kg O₂에 판매되는 것으로 적용되었다.

민감도 분석을 위해 경제성에 영향을 미칠 것으로 예상되는 변수는 호주 CSIRO¹³⁾에서 분석한 결과를 참조하여 도출하였는데 시나리오별로 활용된 민감도 분석 변수 및 범위는 Table 2에 나타낸 바와 같다.

수전해기와 관련된 시나리오로는 장치 효율(efficiency), 장치 단가(equipment unit cost) 및 가동률(operation rate)이 있다. 장치 효율 및 단가는 알칼라인 수전해기의 성능 및 연구 개발에 따른 기술 발전에 직접적으로 연관이 되는 변수이며, 가동률은 재생에너지의 변동성으로 인해 활용될 수 있는 실제 전력의 양을 반영하기 위해 고려되었다.

다음은 전력망의 전기를 활용하는 경우로써, 재생에너지의 변동성 완화를 위하여 일부 전기를 구매하여 활용하는 경우를 의미한다. 본 시나리오는 재생에너지 활용 시 비용이 부과되는 경우로도 해석될 수 있다.

상기 개별 변수에 대한 민감도 분석과 더불어 주요한 2가지 변수를 함께 고려하여 다변수 민감도 분석을 진행하였다. 수전해기 장치 효율 및 장치 단가 그리고 가동률 및 전력망 전기 활용이 동시에 변화할 때의 수소 생산 단가 예측치를 매트릭스 형태로 도출하였다.

Fig. 4는 수전해기 효율에 따른 경제성의 변화를 보여 준다. 수전해기 효율이 85% (46 kWh/kg H₂)까지 개선이 될 경우에는 수소 생산 단가가 5,111원/kg H₂까지 크게 낮아질 수 있을 것으로 파악된다. 특히 수소 기술개발 로드맵(안)¹⁴⁾에서 2030년 기술 개발 목표치로 설정한 50 kWh/kg-H₂에 상응하는 약 79%의 효율 달성시에는 5,573원/kg H₂까지 수소 생산 단가를 낮출 수 있을 것으로 예측된다. 즉 그래프에 따르면 수전해기의 효율이 증가함에 따라 동일한 전력 소모 대비 수소 생산량이 증대하여 경제성이 개선이 되는 것으로 파악되며, 이는 수전해기 소재 및 분리막 등의 연구개발에 따른 수전해기의 효율 개선 시 경제성이 크게 향상될 수 있음 보여준다.

Fig. 4. 
Economic evaluation for electrolyzer efficiency

Fig. 5는 수전해기의 kW 당 단위 가격에 따른 경제성 변화를 보여준다. 수전해기 단위 가격의 감소에 따라 급격한 경제성 개선을 보여주고 있는데, 600천 원/kW 수준까지 감소할 경우 수소 생산 단가가 kg 당 2,994원까지 개선될 수 있다. 이는 수전해기가 투자비용의 상당한 부분을 차지하고 있고 생산비용 또한 연계되어 있기 때문이므로, 전류밀도 개선 등 장치 및 소재 부품 개발에 따라 비용을 낮출 경우 경제성 향상에 큰 도움을 줄 수 있는 것으로 파악된다.

Fig. 5. 
Economic evaluation for electrolyzer unit cost

재생에너지의 변동성을 반영하기 위한 수전해기 가동률에 따른 경제성 변화는 Fig. 6에 나타내었다. 재생에너지의 변동성이 감쇄되어 가동률이 높아지는 경우 경제성이 크게 개선되는 것을 보여주는데, 이는 시스템의 설계가 100 MW 기준으로 된 상황에서 낮은 가동률로 인해 수소 생산량이 낮은 문제를 해결함에 따른 경제성 개선으로 해석될 수 있다. 그렇지만 전기 가격이 고려되지 않은 결과이므로 이를 고려할 경우 경제성 악화가 수반될 것이다. 그럼에도 불구하고 변동성 완화를 위하여 전력망의 전기를 활용하거나 보조 전력 저장 장치를 고려하여 가동률을 개선한다면 보다 안정적인 수소 생산이 가능할 것이다.

Fig. 6. 
Economic evaluation for electrolyzer operation rate

재생에너지 부족 혹은 변동성 완화를 위하여 전력망의 전기를 구매하여 활용할 경우에 대한 경제성 영향을 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7. 
Economic evaluation for electricity unit cost

전기 비용 지출이 증가함에 따라 수소 생산 단가가 높아지며, 현재의 산업용 전기 가격인 106원/kWh을 고려할 경우 14,796원/kg H₂까지 높아질 수 있음을 보여준다. 그렇지만 전력망 전기 활용을 통해 낮은 가동률이 높아진다면 보다 많은 수소 생산을 통해 경제성 또한 개선될 수 있다.

다변수 민감도 분석으로써 수전해기 효율 및 단위 가격에 따른 수소 생산 단가에 대한 예측치 결과를 Table 4, 수전해기 가동률 및 전기 가격에 대한 결과를 Table 5에 매트릭스 형태로 나타내었다.

수전해기 효율 및 단위 가격에 따른 수소 생산 단가의 경우 최소 2,293원/kg H₂ 및 최대 6,984원/kg H₂의 범위로 파악된다. 본 두 가지 변수 성능을 최대치로 개선하였을 때에는 기본 케이스 가격인 6,415원/kg H₂의 약 36% 수준인 2,293원/kg H₂로 수소 생산 단가가 감소되는 것을 알 수 있다.

재생에너지 변동성을 반영한 수전해기의 가동률 및 전기 가격 변동에 대한 결과로는 최소 934원/kg H₂ 및 최대 26,180원/kg H₂로 수소 생산 단가가 도출되었다. 결과에 따르면 전기 가격 변동이 경제성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있는데, 가동률을 높이기 위해 전력망 전기를 활용한다면 수소 생산량과 경제성을 동시에 개선할 수도 있음을 보여준다. 그러나 화석 연료 기반 위주의 전력망 전기 활용 시 탄소배출 연관성 또한 높아지므로 재생에너지에 따른 최적의 수전해기 용량을 선정해야 할 것이다.