수소에너지와 수소 생산 – 개질수소, 부생수소, 수전해
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에너지 캐리어 (Energy Carrier) | 1, 2차에너지와 에너지 운반체
수소(Hydrogen)는 원자번호 1번, 원소기호 H인 원자로, 가장 가벼운 기체이다.
프랑스 과학자 앙투안 라부아지에가 최초로 수소를 명명했다.
수소는 우주물질의 75%를 차지하는, 사실상 ‘영구원료’이며, 수소에너지를 전기에너지로 변환할 때 온실가스 배출이 없어 ‘환경친화적’이다.
기후변화 리스크와 자원고갈 리스크가 공존하는 지금, 두 리스크를 완화할 수 있는 ‘수소에너지’가 에너지 시장에서의 게임 체인저로 주목받았다.
수소에너지 (Hydrogen Energy)
에너지는 전기에너지, 열에너지, 운동에너지 등 여러 형태로 존재한다.
수소에너지는 수소 형태로 존재하는 에너지이다.
수소는 에너지원(Energy resource)은 아니고, 에너지를 가지고 있는 에너지운반체(Energy carrier)이며, 그 자체로 2차 에너지이다.
수소는 에너지를 저장하고 전달하는 역할을 한다.
연료전지를 통해 우리가 일반적으로 사용하는 에너지인 전기에너지로 변환도 쉽다.
※ 출처: 에너지정책소통센터
수소 생산 방법 (개질수소, 부생수소, 수전해)
현재 수소를 생산하는 방법은 크게 ‘개질(추출)수소’, ‘부생수소’, ‘수전해’ 3가지로 분류된다.
○ 수소 생산 (1) – 개질(추출)수소 (Reformed Hydrogen)
CH4 + H2O → CO2 + 4H2
- 메탄-증기 반응: CH4 + H2O → CO + 3H2
- CO-물 반응: CO(‘메탄-증기 반응’의 부산물) + H2O → CO2 + H2
개질 수소를 만드는 대전제이다.
개질 수소는 천연가스를 이용해 생산한다.
천연가스의 주성분인 메탄(CH4)에 뜨거운 증기(H2O)를 사용해 수소분자를 분리하는 것이다.
다만, 수소를 생산하기 위해 천연가스를 사용해야 하며, 이산화탄소도 함께 배출된다는 것에 한계가 있다.
※ 출처: 현대자동차그룹 홈페이지
○ 수소 생산 (2) – 부생수소(By-product Hydrogen)
부생수소는 말그대로 부산물로 얻어지는 수소이다.
철강 산업에서 부산물로 얻어지기도 하지만, 주로 석유화학 제품의 기초원료(목적물질)인 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔 등을 만들기 위한 NCC(나프타분해설비; Naphtha Cracking Center) 공정에서 얻어진다.
나프타를 분해하고, 정제하는 공정 중 필히 수소가 발생하는 것이다.
기존에는 발생하는 수소를 모두 태워버렸지만, 수소의 활용도가 커지고, 경제적 가치가 생긴 현재는 태워버리지 않고 수소발전의 원료로 쓰고 있다.
개질수소(Reformed Hydrogen)와 마찬가지로 수소생산을 위해 원유, 코크스, 나프타와 같이 화석연료를 필요로 하지만, 수소생산을 목적으로 하는 것이 아니라 석유화학제품의 부산물로 생산된다는 점, 수소생산을 위한 설비를 증축해야하는 것이 아니라 기존 석유화학 설비를 활용한다는 점에서 경제성이 있다고 볼 수 있다.
※ 출처: 현대자동차그룹 홈페이지
○ 수소 생산 (3) – 수전해(Water Electrolysis)
수전해는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것이다 (2H2O → 2H2 + O2)
전기분해할 때 사용하는 전기는 태양열, 풍력 등 신재생 에너지 발전으로 얻은 전기를 이용한다.
따라서, 수소를 만드는 과정에서 화석연료를 사용하지도 않고, 온실가스가 발생하지도 않는다.
무탄소 발전이 되는 것이다.
하지만, 신재생 에너지도 비싸고, 수전해 설비도 비용이 많이 들기 때문에 경제성이 떨어져 단가를 낮추는 연구를 진행중이다.
※ 출처: 현대자동차그룹 홈페이지
맺음말
오늘 수업시간에 교수님께서 전기차 배터리에 관한 이야기를 해주셨다.
정확한 수치는 기억나지 않는다.
약 10년 전, 국내 배터리 3사 중 한 곳에 재직 중인 제자가 ‘해외 자동차 제조업 B사는 양아치’라고 투덜댔다는 이야기였다.
B사가 XX Wh 배터리 가격을 400 불에 팔아달라는 것.
그 당시 XX Wh 용량의 배터리를 400불에 판다는 것은 절대 불가능했다는 것이다.
하지만, 현재 동일 용량의 배터리는 150불까지 떨어졌다면서, 기술발전의 중요성을 강조하셨다.
간혹, ‘현재 수소는 개질수소, 혹은 부생수소이기 때문에 수소에너지를 친환경 에너지라고 홍보하는 것은 안되며, 수송 부문의 탄소중립을 위해 수소에너지가 아닌, 친환경 전기차로 대체해야한다’고 주장하는 것을 볼 수 있다.
물론, 개질수소나 부생수소의 경우 명백하게 온실가스가 발생하는 수소 생산법이다.
하지만 수전해로 생산되는 수소 역시 명백하게 온실가스가 발생하지 않는 수소 생산법이다.
수전해 수소 생산을 늘리기 위해, 낮은 grade의 개질수소, 부생수소를 양산하며 노하우 쌓는 것과 수전해 수소의 생산단가를 낮추도록 연구에 매진하는 것이 선행되어야 한다.
따라서, 개질수소, 부생수소가 현재 그레이 수소이기 때문에 ‘수소에너지로 향하는 방향을 돌려라’고 주장하기보다, 무탄소 발전으로 갈 수 있는 ‘수전해’에 대한 가능성을 열어놓고 끊임없는 연구와 시행착오를 거쳐 상용화되어야 하며, 궁극적으로는 화력발전의 경제성보다 친환경발전의 경제성이 더 높아질 때까지
다양한 환경에 맞는 다양한 친환경 발전에 대한 연구가 활발하게 이루어져야 할 것이다.
친환경 수소 시리즈
출처: “직장인 509의 ESG&Economy Story”
(1) 수소에너지와 수소 생산 – 개질수소, 부생수소, 수전해
(2) 수소 분류 – 에너지원/생산방식에 따른 분류 및 수소 색깔
(3) 수소에너지와 연료전지 – 수소 생산 그 이후, 수소를 이용한 전력생산
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