수전해 기술의 원리와 종류 — 알칼라인 vs PEM vs SOEC

1️⃣ 수전해란 무엇인가 — 물에서 수소를 꺼내는 기술

수전해(Water Electrolysis)는 전기에너지를 이용해 물(H₂O)을 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분리하는 기술이다.
탄소 배출이 전혀 발생하지 않기 때문에 재생에너지와 결합하면 그린수소 생산의 핵심 기술이 된다. 원리는 단순하다.

• 양극(+)에서는 산소 발생(OER)
• 음극(-)에서는 수소 발생(HER)
  이 일어난다.

그러나 단순한 원리와 달리, 산업용 수전해 시스템은 전해질 종류, 막 구조, 촉매 재료, 작동 온도 등에 따라
성능과 비용이 크게 달라진다. 이 차이를 기준으로 오늘날 가장 많이 쓰이는 방식이 바로 알칼라인(ALK), PEM, SOEC 세 가지다.

2️⃣ 알칼라인(Alkaline) 수전해 — 가장 오래되고 안정적인 방식

알칼라인 수전해는 가장 전통적이고 상용화된 방식이다. 전해질로는 KOH(수산화칼륨) 또는 NaOH(수산화나트륨) 이 사용된다.

✔ 특징

• 수십 년간 산업용으로 활용된 성숙한 기술
• 대형 설비에 적합, 5MW~100MW 이상까지 확장 가능
• 셀 구조가 단순하여 유지보수 용이

✔ 장점

• 설비 비용이 저렴함
• 내구성이 높고 장기간 운영 가능
• 대용량 생산에 강함

✔ 단점

• 반응 속도가 느리고 효율이 낮음
• 시동·정지 시간이 길어 변동성 높은 재생에너지 연계가 어려움
• 액체 알칼리 전해질로 인해 누액 위험, 유지관리 필요

즉, 알칼라인 방식은 대규모, 안정 가동, 저비용에 강점을 가진 시스템이다. 현재 글로벌 그린수소 프로젝트의 상당수가 알칼라인 기반인 이유도 여기에 있다.

 

3️⃣ PEM 수전해 — 재생에너지와 궁합이 가장 좋은 방식

PEM(프로톤 교환막) 방식은 고체 고분자막을 전해질로 사용하는 차세대 수전해 기술이다. 고분자막은 PEM 연료전지와 동일한 기술 기반을 갖고 있어 반응 속도가 매우 빠르다.

✔ 특징

• 전해질: 고체막(PEM)
• 작동: 빠른 반응 속도 & 고순도 수소 생산
• 모듈 식 구성에 유리

✔ 장점

• 시동·정지가 빨라 태양광·풍력과 연계 최적
• 수소 순도 99.999%까지 확보
• 설비 크기가 작아 모듈형 및 도심형 수전해에 적합

✔ 단점

• 막과 촉매에 백금·이리듐 등 희귀금속 필요
• 알칼라인 대비 설비 가격이 비싸며 유지비도 높음
• 대용량(100MW 이상) 확장에는 아직 비용 부담 존재

PEM 방식은 특히 변동성 재생에너지와 직접 연결하는 실증 프로젝트에 핵심으로 쓰인다. 독일·일본·한국의 실증 설비 다수가 PEM 기반이다.

 

4️⃣ SOEC — 고온에서 최고의 효율을 내는 차세대 기술

SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell)은 고체 산화물 전해질을 사용해 700~900℃ 고온에서 작동하는 방식이다.

✔ 특징

• 고온에서 물 분해 에너지를 크게 줄일 수 있음
• 이론적으로는 전 세계 수전해 방식 중 가장 높은 효율
• 열 공급이 가능한 산업단지와 결합할 때 경제성 상승

✔ 장점

• 전기 소모량이 가장 낮음
• 고온 열원을 활용해 그린수소 생산 비용 대폭 절감 가능
• CO₂와 함께 전환하면 합성가스(Syngas) 생산도 가능

✔ 단점

• 고온 때문에 소재 열화·내구성 문제가 큼
• 아직 초기 상용화 단계
• 대규모 설치 사례가 적어 실증 데이터 부족

즉, SOEC는 “효율은 최고, 내구성과 산업 적용은 과제” 라는 평가를 받는다.

 

5️⃣ 세 가지 기술 비교 — 무엇이 그린수소의 표준이 될까?

각 기술은 경쟁이 아니라 용도별 상호보완 관계로 바라보는 것이 정확하다.

구분알칼라인PEMSOEC

성숙도	★★★★★	★★★★☆	★★☆☆☆
초기 투자비	낮음	높음	중간~높음
효율	중간	높음	매우 높음
재생에너지 연계	보통	매우 좋음	중간
대용량 확장성	매우 좋음	보통	미정
기술 과제	낮음	희귀금속 비용	내구성

• 알칼라인: 대규모·저비용 프로젝트에 적합
• PEM: 재생에너지 기반의 민첩한 수소 생산에 최적
• SOEC: 장기적으로 가장 높은 효율을 기대할 수 있는 차세대 기술

결국 “어떤 기술이 가장 좋다”가 아니라 **“어떤 상황에서 어떤 기술을 선택하느냐”**가 핵심이다.

 

6️⃣ 결론 — 수전해 기술의 진화는 수소경제의 심장

수소경제의 출발점은 결국 수소를 얼마나 깨끗하게, 안정적으로, 경제적으로 생산할 수 있는가이다. 수전해는 그 출발점이자 수소산업의 심장이다.

• 알칼라인은 신뢰성과 규모
• PEM은 유연성과 고성능
• SOEC는 미래 효율의 잠재력

세 기술 모두 수소경제에 필요한 핵심 요소이며, 2050년 탄소중립 목표로 갈수록 이들 기술은 더욱 빠르게 발전하게 될 것이다.