수소 에너지의 이해

 

1. 미래 수소 사회

- 그린 수소 : 재생에너지의 잉여전력을 수전해에 공급해서 생산함

- 2050년 수소 산업의 경제효과 (Hydrogen meets digital, 맥킨지)

• 세계 수소 시장 약 2,500조원 규모로 성장 
• 국내 기준 : 경제 효과 - 약 70조원, 고용창출 - 약 60만 명, 수소 전기차 연매출 - 약 25조
• 수송 부문 연간 수소 수용량 : 승용차 240만톤, 버스/트럭 280만톤, 새로운 수송 수단 20만톤

미래 수소 사회 (source : mySUNI)

 

 

3. 수소 全주기 기술 

P2G (Power-to-Gas) 

• 재생에너지의 잉여 전력
  • → [H2O] 수전해 공급
    • → [H2] 저장
      • → [CO2] 메탄화
      • → [CH4 + H2] 블렌딩
        • → [CH4] 천연가스 파이프라인에 공급
• 최종단의 합성대상물 상태에 따라 Power-to-Liquids, Power-to-Chemicals, Power-to-Heat 등으로 불

 

3.1 수소 생산 기술

1) 수소 생산 소스 : 천연가스 (48%), 부생수소 (30%), 석탄가스화 (18%), 수전해 기술 (4%)

• 천연가스 개질 : 천연가스를 수증기와 함께 반응하여 수소 추출
• 부생수소 : 석유와 같은 탄화수소에서 수소 추출
• 수전해 : 신재생에너지 잉여전력을 활용한 물 전기분
• 기타 : 광생물학적 광매, 가스

 

2) 수소 생산 방식에 따른 분류

Brown 수소	갈탄에서 수소 추출, 이산화 탄소 및 각종 유해물을 배출
Grey 수소	천연가스에서 수소 추출, 정유공정 과정에서 부산물로 생산되는 부생수소 화석연료 개질(Reforming) 수소 생산으로 CO2 발생 → Grey 스소 1톤 생산 시 약 10톤의 CO2 배출
Blue 수소	Grey 수소 생산 시 나오는 CO2를 포집/저장 CCS (Carbon Capture and Storage)
Green 수소 (지향점)	재생에너지에서 전력 수전해하여 공급, CO2 미발

 

3) 수소 생산 기술

【 천연가스 개질 】

일반적인 천연가스 기반 수소 생산 단계 : 탈황 → 개질 → 수성가스 전이 → CO 제거 → 순수 수소

※ 개질(改質, reforming) : 열이나 촉매 작용에 의하여 탄화수소의 구조를 변화시켜 형태를 재구성한다는 의미를 지님

1. 수증기 개질 반응 : CH4 + H2O → (흡열 반응) → CO + 3H2
   • 메탄에 수증기를 공급하는 방법으로, 가장 고농도의 수소를 제조
   • 건조상태에서 약 76%의 고농도 수소를 생산
   • 안정적으로 고농도의 수소를 얻어 가장 많이 사용됨
   • 강력한 흡열 반응으로 오랜 예열 시간 필요
   • 온도가 높아 동적 운전에 부적합
2. 부분 산화 반응 : CH4 + 1/2 O2 → (발열 반응) → CO + 2H2
   • 완전 산화에 필요한 공기보다 적은 양의 공기를 공급하여 반응하는 방법
   • 약한 발열 반응
   • 가장 낮은 수소 농도
   • 건조한 상태에서 약 35% 농도의 수소 생산
   • 온도 만족 시 흡열 반응
   • 발열 반응 시 화학평형 제어의 어려움 
3. 자열 개질 반응 : CH4 + H2O → CO + 3H2 / CH4 + 1/2 H2O → CO + 2H2
   • 부분 산화 반응과 수증기 개질 반응이 한 반응기 내에 동시에 공존하는 형태
   • 두 반응의 비율 조절 및 운전 제어의 어려움
   • 건조상태에서 약 55% 이하 농도의 수소 생
4. CO2 개질 반응  : CH4 + CO2 → 2CO + 2H2
   1. 이산화탄소와 메탄을 반응시켜 수소를 얻는 반응 방법
   2. 수증기 개질 보다 강한 흡열 반응
   3. 촉매에 탄소 침적의 발생 빈도가 높아 약한 내구성
   4. 수증기 개질 반응보다 수소 대비 일산화탄소의 비율이 높음

 

【 석탄 가스화 】

석탄, 산소, 물 → (60 bar 압력, 약 1,300℃ 온도) → 합성가스

 

【 바이오 매스 가스화 】

바이오매스를 가수화 반응기에 주입하여 수소 생산

바이오 매스 가스화 (source : Business gasification technology: The state of the art overview)

바이오 매스 가스

 

【 수전해 방법 】

물을 전기분해하여 수소(H2)와 산소(O)를 얻는 기술

수전해 기술

 

수전해 유형별 특징

	알칼라인 수전해	고분자전해질 수전해	고체산화물 수전해
전해질	20~40 wt%의 KOH	Nafion 고분자막	Ceramic
전극소재	니켈 기반	백금, 루테늄, 이리듐	이트리아 안정화 지르코니아, 망간나이트
작동온도	60~80 ℃	60~80 ℃	750 ℃
특징	대용량, 저비용, 낮은 전류밀도	고비용, 낮은 내구성	고효율, 고온작동