안녕하세요 스타벅 입니다
요즘 경제분야에서 가장 핫한 키워드는 바로 '수소' 입니다. 친환경, 탄소절감의 해결책으로 가장 많이 언급되는 것도 '수소' 인것 같습니다.
이미 현대자동차그룹을 선두로 SK, 포스코, 효성 등 주요 대기업들이 수소동맹체제를 구축 하는 등 수소시대를 준비하기 위한 발걸음을 재촉하고 있습니다.
오늘은 수소시대를 준비하면서 우리가 수소에 대해 알아야 될 부분에 대해서 살펴보도록 하겠습니다
수소에너지의 필요성
수소는 탄소중립 시대에 떠오르는 에너지원입니다. 수소는 기존에도 있었고 사용하던 에너지원이지만 활용은 거의 안됐던 거 같습니다. 에너지 사용 비중이 큰 공장과 자동차, 선박의 에너지원은 대부분 석유, 석탄이고 이제 겨우 LNG 등의 가스로 대체되는 분위기 였습니다. 하지만 가스(LNG)마져도 화석연료에서 추출되고 탄소를 배출하는 문제가 있습니다. 또한 재생에너지의 경우는 일단 경제성이 가장 떨어지며 그에 따라 에너지 사용이 미미합니다. 따라서 수소는(정확히는 그린수소)는 재생에너지보다 저렴하면서도 대량생산이 가능한 친환경 에너지원이기 때문에 한국과 전세계가 수소를 미래의 중심 에너지원으로 생각하는게 아닐까 합니다.
한국의 에너지원 : 석유 43%, 석탄 28%, 가스 16%, 원자력 11%, 재생에너지 2%(2019년 말 기준) 화석연료가 전체 에너지원의 87%를 차지하고 있고 아직도 재생에너지 사용량은 미미.
전력생산 발전원 : 석탄 40%, 천연가스 26%, 원자력 25%, 신재생 5%. 현재 전력생산의 70% 가까이를 화석연료로부터 얻고 있고 현 정부의 탈원전과 탈석탄 기조를 반영하면 65%의 전력 생산량이 우리의 에너지믹스에서 사라져야 함.
에너지원별 생산 단가 : 킬로와트(kWh)당 발전비용은 원자력 60원, 석탄 85원, LNG 120원, 신재생 170원 정도(2018년 기준). 상대적으로 가격이 싼 원자력과 석탄 발전의 비중이 높음.
에너지 사용 비중 : 2018년 기준 제조업 44%, 운송 23%, 주거 16%, 상업 15% 순 에너지 사용.
GS Caltex 에너지 이야기
수소(Hydrogen)란?
수소는 1766년 헨리 캐번디시가 처음 밝혀내었고 1783년 앙트완 라브와지에가 이 기체가 연소하면서 물을 생성하기에 그리스어로 '물'이라는 의미의 hydro 와 ' 생성한다' 라는 의미의 genes 두 단어를 합성하여 'hydrogen' 이라는 원소명을 지었다고 합니다. 수소는 자연계에 존재하는 원소들 중에 가장 작은 원자들로 구성되어 있는데 수소 원자 두 개가 결합한 이원자 분자 상태가 안정한 원소 상태이며 분자식은 H2 입니다.
우주에서는 우주 질량의 약 75%, 원자개수로는 90%를 수소가 차지할 만큼 풍부하며 우주에서 수소의 대부분은 단원자 상태(H)로 존재합니다
지구의 지각권에서는 물 분자나 유기 화합물과 같이 화합물을 이룬 상태로 대부분 존재하며 지구 표면에서는 산소와 규소에 이어 세 번째로 많은 원소로 구하기가 쉬운 원소 입니다.
수소의 특성
수소를 원료로 쓰는 것은 쉬운 일이 아니었습니다. 수소는 매우 예민하고 다루기 어렵기 때문입니다.
기체상태에서 수소는 압력이 높고, 공기와 일정비율로 섞여 있을 경우, 열이나 불꽃, 햇빛 등의 외부 자극에 의해 폭발하는 성질을 가지고 있습니다. 때문에 기체 상태의 수소를 운반, 보관하는 소재는 압력에 강하고 안전해야 합니다
액체 상태의 수소는 수소의 끓는 점이 -253°C이기 때문에 액화수소를 운반, 보관하는 소재는 극저온을 견뎌야 합니다. 따라서 수소를 보관, 운송하기 위해서는 고압을 견디고, 폭발 위험을 줄이고 극저온에 강한 소재나 탱크가 필요합니다.
수소의 종류
생산방식에 따른 분류
수소가 친환경 에너지원이긴 하지만 그 수소를 생산하기 위한 방식에 따라 친환경의 평가가 다릅니다
수소를 만드는 방식에 따라 수소의 종류를 나누는데 세 가지 방식이 있습니다.
▣ 부생수소
제철, 석유화학, 정유와 같은 기존 산업 현장에서 부수적으로 발생하는 부생가스에서 수소를 정제해서 사용하는 부생수소 입니다. 다른 방식대비 제조원가가 저렴하지만 순도가 높지 않아 순도 99.999%의 수소를 생산하려면 많은 정제 비용이 추가로 소요됩니다.
▣ 추출수소 - 그레이수소 (Grey H2)
화석연료를 이용하는 방식입니다. 수증기 개질(steam reforming)법은 수소를 경제적으로 대량 생산할 수 있는 방법이라서 현재 생산되는 수소의 90% 이상을 차지하고 있습니다. 추출수소에는 천연가스의 주요 성분인 메탄(CH4)을 이용해 고온의 반응기에서 수소를 추출하는 수증기 개질법(CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2)이 대표적인데 생산 과정에서 필연적으로 이산화탄소(CO2)가 발생하게 됩니다. 바로 이 부분이 추출수소/개질수소의 가장 큰 이슈사항 입니다.
온실가스 CO2를 줄여야 하는 상황에서 CO2 가 증가하는 문제가 발생하기 때문에 CO2 를 포집, 압출, 수송하여 지하에 저장하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술이 부각되고 있습니다.
추출수소 중 석탄, 갈탄이 원료인 수소는 브라운수소, CCS 기술이 적용된 추출수소는 블루수소라 불립니다.
▣ 수전해수소 - 그린수소(green H2)
물을 연료로 이용하는 방법입니다. 물을 전기분해해 수소를 생산하고 CO2 도 발생하지 않습니다. 하지만 물을 전기분해하기 위해서는 애초에 전기가 필요하다는 점에서 완전한 CO2 제로화는 아닌 셈입니다. 따라서 그린수소 생산을 논할 때 빠지지않는 것이 태양광, 풍력 발전 등을 통한 재생에너지 생산입니다.
그린수소를 생산할 때 가장 핵심이 되는 부품이 수전해 분리판입니다. 물을 분해해 수소를 생산하고 연료로 사용할 때 매우 중요한 역할을 하는 것입니다. 이런 분리판은 스테인리스스틸로 만들어집니다.
수소의 운송 방법
▣ 기체상태 수소
기체 상태 수소를 다룰 때 가장 중요한 요소는 압력 입니다. 압력이 높아지면 수소는 금속에 침투, 열화시켜 금속을 깨뜨려버리는 '수소취성'을 일으키기 때문입니다. 분자 상태의 수소(H2) 는 금속에 침투할 수 없지만, 원자상태의 수소(H)는 워낙 미세하기 때문에 침투가 가능한데, 압력이 높아지면 이 원자의 개수가 늘어나 수소취성이 발생합니다.
하지만 수소의 압력이 높을수록 부피가 줄어들어 운송 효율이 높아지기 때문에 높은 압력을 견딜 수 있는 철강제품도 함께 개발이 되야 합니다. 결국 수소에너지 상용화의 핵심은 운송/운반을 용이하게 하는 용기/소재 기술력에 있다고 해도 과언이 아닙니다. (물론 그런 용기/소재는 가격이 비싸다는 단점이 있습니다)
▣ 액체상태 수소
액체 상태의 수소를 다룰 때 가장 중요한 요소는 온도 입니다. 수소는 -253°C로 냉각하면 기체 대비 부피가 1/800 으로 줄어들어 대량으로 수송할 수 있습니다. 즉 액화 수소를 담는 탱크가 -253°C 를 견뎌야 하는 극저온강이어야 합니다. 액화수소 수송선은 아직 전세계적으로 실증된 바 없습니다.
▣ 수소화합물 수소
수소를 운송, 저장하는 또 다른 방법은 수소를 다른 물질과 화학적으로 반응시켜 수소화합물을 만드는 것입니다. 수소화합물에는 유기수소화합물(MCH, 상온), 질소를 결합한 액화암모니아(NH3, -33°C), 액화메탄(NHx, -160°C)등이 있는데, 이런 수소화합물은 액화 수소에 비해 저장 가능한 온도가 높아져 수송이 용이합니다.
수소의 활용
생산된 수소를 어디에 활용을 할 수 있는지 간략히 알아보겠습니다. 가장 대표적으로 거론되는 것은 수송 부분입니다. 수소충전자동차, 트럭, 선박까지 이산화탄소를 많이 배출하는 대표적인 부분에서 활용될 수 있습니다. 그 다음 수소는 발전 부분에 활용될 수 있습니다. 석탄화력발전 시대가 빠르게 저물어가고 있고 원자력발전도 안전성문제를 안고 있습니다. 태양열, 풍력, 조력 등 신재생에너지는 공급과 생산의 제약이 있습니다. 따라서 대량으로 생산가능한 수소를 활용한 발전소가 생긴다면 탄소배출량을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 보입니다. (그린수소 기준)
정유 산업 및 화학 공업의 여러 공정에도 수소가 사용됩니다. 공업적으로 수소가 가장 많이 사용되는 곳은 화석 연료의 품질을 높이는 개선 공정과 암모니아의 생산 공정입니다. 특히 암모니아는 질소와 수소를 원료로 사용하는 하버 공정(harber process) 를 통해 생산이 됩니다.
마지막으로 수소활용의 효과가 나타날 수 있는 부분이 제철소입니다. 제철소는 가장 많이 탄소배출을 하는 업종 중 하나입니다. 철을 생산하는 원료와 연료로 현재 석탄이 주로 사용이 되는데 이 석탄을 수소로 대체하여 철을 생산하는 방법이 수소환원제철입니다.
끝.