Power-to-X 밸류체인: e-메탄올·e-케로신·H-DRI 철강의 시스템 통합

Power-to-X(PtX)는 재생전력으로 만든 수소를 화학·연료·소재로 전환하는 통합 체계이다. 핵심은 전력의 간헐성을 전해조·합성공정·중간저장으로 흡수하여, 균등화 원가(LCOX)와 탄소집약도를 동시에 최소화하는 데 있다. 본 글은 e-메탄올, e-케로신(전력기반 항공유), H-DRI(수소 직접환원 철강)를 하나의 허브에서 운영한다는 가정으로, 운전·에너지·물질수지 관점의 설계 원리와 정량 감각, 현장 운영 규칙을 제시한다.

1. 밸류체인 개요와 물질·에너지 수지 감각

1) e-메탄올(MeOH) 합성

반응: CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O.
이론 투입량(감각치): 1 t MeOH 생산에 CO₂ 약 1.375 t, H₂ 약 0.188 t가 필요하다. 전해조 전력소비를 약 50–55 kWh/kg-H₂로 보면 H₂ 전력만 약 9.5–10.5 MWh/t-MeOH 수준이다.
열 통합: 합성은 발열, 전해는 저온(또는 SOEC의 고온)에서 열 수요/공급이 엇갈리므로 합성열→탈탄산/증발/RWGS 예열로 회수.
물 관리: 반응수(H₂O) 발생으로 초순수 보충량을 줄일 수 있다.

2) e-케로신(PtL SAF)

경로: (i) RWGS(또는 직결 전해 CO) → FT 합성 → 수소화/분별로 제트유 커트 추출, 혹은 (ii) e-메탄올을 출발점으로 한 MTJ/ATJ 경로.
수소 집약도: CO₂의 산소를 물로 제거해야 하므로 H₂ 수요가 크다. 경로·선택도에 따라 제품 1 kg당 H₂ 약 0.25–0.45 kg 범위에서 설계된다(FT 파라핀 비중이 높을수록 상한에 가깝다).
열/수소 재순환: FT 순환가스·워터가스시프트·수소화 열을 전처리 예열에 붙여 라운드트립 효율을 끌어올린다.

3) H-DRI 철강

반응: Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O.
수소 수요 감각치: 조괴 1 t당 H₂ 약 54–60 kg(공정·재순환율에 따라 변동).
가스 순환: 환원가스의 H₂O 제거(냉각·흡수) 후 H₂ 재순환으로 H₂ 원단위를 낮춘다. EAF(전기로) 전력수요와 O₂ 보조송풍을 함께 최적화한다.

2. RE100·PPA 연계: 간헐성을 흡수하는 세 가지 버퍼

간헐성 관리는 전기→수소→합성가스/중간제품으로 갈수록 시간상 완충 능력이 커진다.

단주기(초~분) 버퍼: 전해조 램핑
- PEM 전해는 초단위 램핑이 가능하여 주파수·부하추종 서비스와 병행할 수 있다. 과잉 전력 시간대를 흡수해 평균 전력단가를 낮추는 “수익 스태킹”이 가능하다.
- SOEC 전해는 열관성 탓에 급랭·급열 손상이 크므로 램핑 폭을 제한하고, **열 저장(스팀/솔트)**과 결합한다.
중주기(시간~일) 버퍼: H₂·CO₂·합성가스 저장
- H₂ 버퍼: 30–100 bar 기체 저장·지상 탱크로 수 시간~수 일 완충이 가능하다. 대형 프로젝트는 **염동공동(소금동굴)**로 계절 버퍼까지 노린다.
- CO₂ 버퍼: DAC/포집 변동과 합성 연속운전 간 간극을 메운다.
- 합성가스 버퍼: FT/MeOH 루프의 열·촉매 안정성을 위해 상류 변동을 격리한다.
장주기(주~계절) 버퍼: PtX 제품 재고
- e-메탄올/SAF는 액체 저장이 용이해 계절·물류 일정까지 평탄화한다.
- H-DRI는 공정 특성상 연속 운전성이 강해 H₂·전력의 장주기 변동은 상류에서 흡수해야 한다.

3. 전해조 가동률(CF) 최적화: “PPA-믹스 × 설비 오버빌드 × 버퍼”의 3변수

전해 CAPEX가 큰 상황에서 **가동률(CF)**은 LCOH/LCOX에 치명적이다. 최적화 원칙은 다음과 같다.

PPA 믹스: 풍력(야간↑) + 태양광(주간↑) + 계통 보완을 섞어 빈 슬롯을 최소화한다. 시간동기·추적성을 갖춘 계약이 인증·금융에서 유리하다.
오버빌드: 재생 설비를 전해 용량보다 크게 깔아 CF를 끌어올리고, 남는 전력은 ESS·열저장·그리드 판매로 처리한다.
버퍼 레벨: **H₂ 버퍼 목표 재고(시간 단위)**를 정해 전해조의 램핑 비용과 합성 루프의 안정성 비용을 동시에 최소화한다.
룰 오브 썸(감각): (i) MeOH/FT 루프는 70–100% 부하에서 일정 운전, (ii) 전해는 전력단가가 “역치” 이하일 때 최대 부하, (iii) H₂ 재고가 하한에 닿기 전에는 루프 부하 감쇄 금지. 이 세 조건으로도 1차 최적화가 잘 동작한다.

4. 통합 운전 의사결정(현장 규칙)

시간별 전력가격 기반 전해 스케줄
- 실시간·전일시장 가격이 임계값 C*보다 낮으면 전해 100%, 높으면 **유지부하(예: 10–20%)**로 운전. C*는 **(전해 효율·버퍼 상태·제품 마진)**으로 계산한다.
합성 루프 안정성 우선
- MeOH/FT는 촉매·열충격 비용이 크므로 연속운전 유지가 원칙. 부족분은 H₂ 버퍼 방출로 메운다.
H-DRI 고정·상류 유연
- DRI 샤프트·EAF는 생산계획 중심으로 운전하고, 상류 전해·H₂ 버퍼가 변동을 흡수한다.
열 통합 디스패치
- MeOH/FT 발열 → RWGS/증기·급열 → 전해(특히 SOEC) 예열 → H-DRI 가스 예열 순으로 열 카스케이드를 설계한다.

5. 숫자로 보는 설계 감각(예시 시나리오)

A) e-메탄올 100 kt/년 플랜트

H₂ 연간 수요: 0.188 t/t × 100 kt = 18.8 kt-H₂/년.
전력소비(전해): 18.8 kt × 52 MWh/t ≈ 0.98 TWh/년.
전해 용량(전해 CF 70%): 0.98 TWh ÷ (8760×0.70) ≈ 160 MW.
재생 설비(평균 CF 30%): 0.98 TWh ÷ (8760×0.30) ≈ 370 MW.
해석: 재생 오버빌드 + H₂ 버퍼 12–24h로 합성 루프를 평탄화하면 촉매·열충격 비용을 최소화할 수 있다.

B) H-DRI 1 Mt/년(DRI 기준)

H₂ 수요: 54–60 kt-H₂/년 → 전해전력 2.8–3.1 TWh/년.
전해 용량: CF 70–85%에서 380–460 MW급.
보조 포인트: 전해 부산물 O₂는 H-DRI·EAF에서 고부가로 활용(H₂ 1 kg당 O₂ 8 kg 발생). 증기·가열열 회수로 환원가스 예열비를 낮춘다.

C) e-케로신 50 kt/년(FT 경로, H₂ 0.35 kg/kg 가정)

H₂ 수요: 17.5 kt/년, 전해전력 약 0.9 TWh/년(전해 효율 52 kWh/kg).
전해 용량(CF 70%): ~150 MW급.
특이점: FT 루프는 열-질량 관성이 커서 상시운전이 유리. 상류 H₂·CO₂ 버퍼를 충분히 설계한다.

6. 통합 배치(싱크로) 전략

입지: CO₂ 공급원(바이오/산단/DAC), 항만 물류, 전력망·재생자원이 만나는 지점으로 허브를 설정한다.
모듈러 확장: 전해 모듈×합성 모듈×저장 모듈을 레고처럼 증설해 학습효과를 극대화한다.
공용 유틸리티: 초순수·냉각수·질소·산소·증기를 허브에서 공동 공급하여 CAPEX를 낮춘다.
안전·코드: 수소·CO₂·합성가스·액체연료 각각의 위험원(누설·폭발·독성)에 맞는 HAZID/HAZOP·방폭·센싱·환기 체계를 통합한다.

5. 운영 체크리스트(현장용)

전력조달: 시간동기·추적성 있는 PPA, 가격 캡·플로어, DR 참여 여부.
전해: 램핑 한계, 효율곡선, 교체주기, 물·O₂ 처리.
저장: H₂ 버퍼 목표시간, CO₂ 버퍼 용량, 합성가스 탱크의 최대/최소압.
합성 루프: 촉매 전처리·스팀 밸런스, 우회·바이패스 시나리오, 정지/기동 SOP.
열 통합: 회수열 매트릭스, 핀치분석, 정지 시 방열 계획.
품질/인증: e-연료 탄소추적(전력 EF·시간매칭), 제품 규격(SAF ASTM, MeOH 그레이드).
철강: DRI H₂O 제거 효율, 탑가스 재순환율, EAF 피크절감(온사이트 ESS·야간 배치).

"전해는 유연, 합성은 안정, 버퍼는 든든”이 정답

PtX 허브의 성패는 전해조 가동률을 어떻게 방어하느냐와 합성 루프의 연속운전을 어떻게 지키느냐에 달려 있다. PEM/SOEC 전해의 기민한 램핑, H₂·CO₂·합성가스 버퍼의 적정 설계, 열 카스케이드 통합이 삼각 축이다. 재생전력의 간헐성은 PPA 믹스+오버빌드+버퍼로 흡수하고, 부산물(열·산소) 크레딧과 인증 프리미엄으로 비용을 상쇄한다.
실무적으로는 (i) 전해는 가격역치 기반 최대/최소 운전, (ii) MeOH/FT는 70–100% 고정 운전, (iii) H-DRI는 생산계획 우선의 계층형 디스패치가 가장 안전하고 싸다. 원하면 위 가정치를 변수로 둔 간헐성-버퍼-가동률 최적화 엑셀/파이썬 모델과 열/물질수지 블록 다이어그램을 즉시 만들어 주겠다.

지속가능한 인간의 삶과 지구환경