2020년 이후로 국제적으로 가장 중요한 화두는 기후변화입니다. 또한 이걸 기후위기라고 표현하고 있기도 합니다. 인류에게 닥친 기후위기를 막기 위해 전 세계적에 탄소중립이라는 화두가 던져졌고, 대부분의 국가들이 탄소중립이라는 목표를 달성하기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 이번 포스팅에서는 탄소중립에 필요한 기술 '수소에너지'에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.
1. 수소에너지의 개요
수소에너지, 왜 주목받고 있을까?
수소에너지는 전류를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 전기 분해 과정을 통해 생산하는 깨끗하고 재생 가능한 형태의 에너지원입니다. 생성된 수소는 연료전지 등에서 연료로 활용이 가능하고, 산소와 결합하여 전기, 열, 물 등으로 변환시킬 수 있습니다.
수소에너지의 주요 장점으로는 수소가 에너지 형태로 변환될 때 이산화탄소나 다른 온실 가스 생성하는 화석연료와 달리 유해한 배출물을 만들지 않는다는 것에 있습니다. 그래서 현재 수소에너지는 탄소중립을 달성하는데 매우 핵심적인 에너지원으로 주목받고 있습니다. 또한 수소에너지는 다양한 분야에 활용이 가능합니다. 차량에 동력을 전달하고, 전기를 생산하고, 건물에 난방을 하는 등 광범위한 범위에서 활용이 가능합니다. 또한 물, 천연가스, 바이오매스 등 다양한 원료를 통해 생산할 수 있어 유연하고 지속 가능한 방식으로 얻을 수 있는 에너지원입니다.
하지만 아직까지 기술적으로 해결해야 할 부분도 남아있습니다. 수소 생산 및 저장에 들어가는 비용, 운송과 유통에 필요한 인프라는 지속적으로 기반을 구축하고 기술적으로 보완을 해야하는 부분들이죠. 이런 국가의 큰 자본이 들어가는 분야임에도 다양한 국가들이 주목하고 투자하고 있으며, 깨끗하고 지속 가능한 에너지 시스템으로 전환하기 위한 핵심기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다.
2) 수소로 에너지를 만드는 방법
Fuel Cell ｜연료전지를 통해 에너지를 생산하는 방식
연료전지는 수소를 연료로 사용할 수 있고, 산소와 반응을 시켜 전기, 열, 물을 생성합니다. 연료전지는 산소와 수소를 분리하는 분리막과 수소와 산소 사이에서 일어나는 반응을 촉진하는 촉매를 통해 수소와 산소를 통과시킴으로서 전류를 생산하게 합니다.
Combustion｜수소 연소를 통한 에너지 생산 방식
수소는 휘발유나 디젤처럼 연소 엔진에서 연소되서 열과 기계적 에너지를 생산할 수 있습니다. 수소의 연소로 발생하는 열은 증기를 생산하는 데 사용할 수 있고, 이 증기는 또 터빈을 구동해서 전기를 생산하는 데 활용됩니다.
2. 수소기술의 종류
1) 수소생산
수소는 다음과 같은 여러 방법을 통해 생산할 수 있습니다.
Steam Methane Reforming(SMR)｜증기메탄개질
steam methane reforming 기술은 수소를 생산하는 가장 일반적인 방법이며 메탄(천연 가스)을 증기와 반응시켜 수소와 이산화탄소를 생성합니다. 반응은 고온(700-1,000°C) 및 고압에서 발생하며 일반적으로 니켈 또는 백금 촉매에 의해 촉매됩니다. 생성된 수소는 정제과정을 통해 연료 전지용 연료, 화학 물질 생산용 공급 원료, 차량용 연료 등 다양한 응용 분야에 사용될 수 있습니다.
Electrolysis｜전기분해
전기분해는 전기 에너지를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 과정입니다. 전기분해 동안 전류가 물을 통과하여 물 분자를 수소와 산소로 분리합니다. 전기분해를 통해 생산된 수소는 정제되어 연료전지 연료, 화학물질 생산 원료, 자동차 연료 등 다양한 용도로 활용될 수 있다.
Partial Oxidation｜부분 산화
부분 산화는 천연 가스 또는 바이오매스와 같은 탄화수소 연료를 부분적으로 산화하여 수소를 생성하는 과정입니다. 반응은 산소와 촉매의 존재 하에서 일어나며 수소, 일산화탄소 및 소량의 이산화탄소를 생성합니다. 그런 다음 일산화탄소는 일산화탄소를 증기와 반응시켜 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응이라는 과정을 통해 수소로 전환될 수 있습니다.
Biological Hydrogen Production ｜생물학적 수소 생산
생물학적 수소 생산에는 조류 또는 박테리아와 같은 미생물을 사용하여 광합성 또는 발효를 통해 수소를 생산하는 것이 포함됩니다. 광합성 동안 조류 또는 박테리아는 태양 에너지를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해합니다. 발효 중에 미생물은 포도당과 같은 유기물을 소비하고 부산물로 수소를 생성합니다.
이러한 각 방법에는 고유한 장점과 단점이 있으며 방법 선택은 자원의 가용성, 생산 비용 및 원하는 수소의 최종 용도와 같은 요인에 따라 달라집니다. 일반적으로 목표는 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 청정 에너지 시스템으로의 전환을 촉진하는 데 도움이 될 수 있는 비용 효율적이고 지속 가능한 수소 생산 방법을 개발하는 것에 있습니다.
2) 수소 저장
수소 저장은 나중에 사용할 수 있도록 안전하고 효율적인 방식으로 수소를 저장하는 데 사용되는 방법을 말합니다. 다음과 같은 몇 가지 수소 저장 방법이 있습니다.
Compressed Hydrogen｜압축 수소
압축 수소는 압축 천연 가스(CNG)에 사용되는 탱크와 유사한 고압 탱크에 저장됩니다. 수소는 350~700bar 범위의 압력으로 압축되어 많은 양의 수소를 소량으로 저장할 수 있습니다. 이 저장 방법은 일반적으로 수소 연료 충전소 및 수소 연료 전지 차량과 같은 모바일 애플리케이션에 사용됩니다.
Liquid Hydrogen｜액체 수소
액체 수소는 극저온(-253°C)의 절연 탱크에 저장됩니다. 이 저장 방법은 상대적으로 적은 양의 수소를 대량으로 저장할 수 있어 수소 동력 차량 및 기타 모바일 애플리케이션에 사용하기에 이상적입니다. 그러나 액체 수소는 저장에 필요한 저온을 유지하기 위해 상당한 에너지뿐만 아니라 특수 저장 및 취급 장비가 필요합니다.
Hydrogen Adsorption｜수소 흡착
수소 흡착은 금속 수소화물 또는 탄소 기반 물질과 같은 고체 물질의 표면에 수소를 저장하는 것과 관련됩니다. 이 저장 방법은 높은 에너지 밀도를 제공하며 고정식 및 이동식 응용 프로그램 모두에 사용할 수 있습니다. 그러나 수소 방출 속도가 느릴 수 있고 수소 흡착에 사용되는 재료가 비쌀 수 있습니다.
Chemical Hydrogen Storage｜화학적 수소 저장
화학적 수소 저장에는 암모니아 또는 메탄올과 같은 화학적 화합물에 수소를 저장하는 것이 포함됩니다. 이 저장 방법은 복잡하고 에너지 집약적인 공정일 수 있는 화합물에서 수소를 분리해야 하므로 널리 사용되지 않습니다.
Hydrogen Cylinders｜수소 실린더
수소는 압축 가스에 사용되는 것과 유사한 소형 고압 실린더에 저장할 수도 있습니다. 이 저장 방법은 일반적으로 수소 연료 전지 백업 전원 시스템 또는 수소 구동 차량에 연료를 공급하는 것과 같은 소규모 응용 분야에 사용됩니다.
3) 그레이수소, 블루수소, 그린수소란?
세 가지 색으로 표현된 수소에너지는 어떤 생산공정을 거치느냐에 따라 구분됩니다.
Grey Hydrogen｜그레이 수소
그레이 수소는 수소 생산의 가장 일반적인 형태이며 증기 메탄 개질(SMR)로 알려진 공정을 통해 생산됩니다. 이 과정에서 천연가스는 증기와 반응하여 수소, 이산화탄소(CO2) 및 기타 부산물을 생성합니다. 이 수소 생산 방법은 상대적으로 저렴하고 구현하기 쉽지만 상당한 온실 가스 배출을 초래하므로 장기적으로 지속 불가능한 것으로 간주됩니다.
Blue Hydrogen｜블루 수소
블루 수소는 회색 수소 생산과 관련된 온실 가스 배출량을 줄이는 것을 목표로 하는 수소 생산의 한 형태입니다. 수소 생산에서 SMR 공정 중에 생성된 CO2는 대기로 방출되지 않고 포획 및 저장(또는 "격리")됩니다. 이는 수소 생산과 관련된 배출량을 줄이고 블루수소를 그레이 수소에 비해 더 환경 친화적인 형태의 수소로 만듭니다.
Green Hydrogen｜그린 수소
그린 수소는 전기 분해로 알려진 공정을 통해 생산되며, 여기서 전기는 물을 수소와 산소로 분해하는 데 사용됩니다. 이 수소 생산 방식은 온실가스를 배출하지 않고 풍력, 태양광 등 재생 가능한 에너지원으로 동력을 공급받을 수 있어 가장 친환경적인 것으로 평가받고 있습니다. 그러나 녹색 수소 생산은 다른 형태의 수소 생산보다 비용이 더 많이 들 수 있으며 재생 에너지 및 수소 생산 인프라에 상당한 투자가 필요합니다.
3. 수소에너지 관련 대표기업
전 세계적으로 다음을 포함하여 수소 에너지 기술의 개발 및 상용화에 관여하는 여러 회사가 있습니다.
Toyota｜토요타
Toyota는 연료 전지 차량의 선두 생산업체이며 20년 이상 수소 연료 전지 기술의 개발 및 상용화를 위해 노력해 왔습니다. 이 회사는 수소로 구동되는 연료 전지 차량인 Mirai를 생산하고 다양한 기타 수소 구동 차량 및 기술을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.
Hyundai｜현대자동차그룹
현대는 수소 에너지 산업의 또 다른 주요 업체이며 수소로 구동되는 연료 전지 차량인 Nexo를 생산합니다. 이 회사는 또한 가정용 연료 전지 시스템과 상업 및 산업 응용 분야에서 사용하기 위한 수소 연료 전지 스택을 포함하여 다양한 기타 수소 구동 기술을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.
Air Liquide｜에어리퀴드
에어리퀴드는 수소 생산 분야의 글로벌 리더로서 자동차, 정유 및 화학 부문을 포함한 다양한 산업에 수소를 공급합니다. 회사는 전 세계적으로 수소 생산 공장, 파이프라인, 저장 시설 네트워크를 운영하고 있으며, 증가하는 수소 에너지 수요를 충족하기 위해 수소 생산 능력을 확장하기 위해 노력하고 있습니다.
Plug Power｜플러그파워
Plug Power는 자재 취급 및 운송 부문을 위한 수소 연료 전지 시스템 및 솔루션의 선두 공급업체입니다. 이 회사는 지게차, 공항 지상 지원 장비 및 기타 응용 분야에 사용되는 수소 연료 전지 시스템을 개발하고 생산합니다.
Ballard Power Systems｜발라드파워시스템즈
Ballard Power Systems는 연료 전지 시스템 및 기술의 선도적인 생산업체이며 운송, 정지 전력 및 백업 전력을 포함한 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있는 연료 전지를 제공합니다.
이들은 수소 에너지 산업에 관련된 회사의 몇 가지 예일 뿐이며 수소 에너지 기술의 개발 및 상용화에 노력하는 다른 많은 회사가 있습니다. 수소 에너지에 대한 관심이 높아지면서 앞으로 더 많은 기업들이 이 시장에 진입하는 것을 보게 될 것입니다.
By. POLF
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