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ⓒ픽사베이

최근 대한민국 국내 연구진이 순수 국산 기술로만 수소를 생산하는 시스템을 개발했습니다. 82%의 효율을 가지고 있는 이 시스템은 1시간에 2kg의 수소를 생산할 수 있는 세계 최고 효율로 6년여 만에 국산화에 성공한 것입니다. 지구상에서 가장 가벼운 기체인 수소는 물, 메탄 등 화합물의 형태로 존재합니다. 수소차, 수소 비행기 등 여러 산업에서 에너지로 활용되는 수소, 이 수소를 생산하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 지금부터 그 생산방법에 대해 알아보고자 합니다.


천연가스로 수소 만들기

ⓒ강예람 제작

*CH4는 탄소와 수소의 화합물인 메탄으로 천연가스입니다.

 

수증기 개질 : 현재 상용화된 수소생산법 중 가장 경제적인 생산법으로 탄화수소와 수증기를 반응시켜서 수소를 생산합니다. 탄화수소 중 메탄을 이용한 수증기 개질은 다른 탄화수소를 이용했을 때와 비교해 공정 시 이산화탄소 생성비가 낮고, 일정량의 탄화수소로부터 많은 양의 수소를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 공정이 고온 고압에서 이루어져야 하므로 에너지 소비가 높고 수소를 생산함과 동시에 이산화탄소를 배출한다는 단점이 있습니다.

 

플라즈마 개질 : 플라즈마란 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리되어 자유롭게 움직이는 상태의 물질을 말합니다. 이 플라즈마에 높은 온도와 압력을 가하면 이산화탄소를 분해하는 것이 가능합니다. 화력발전소나 제철소, 시멘트공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 포집하고 메탄과 혼합한 다음, 플라즈마를 이용해 수소와 일산화탄소를 대량으로 생산하는 것을 플라즈마 개질이라고 합니다.

 

고온열 분해 : 메탄과 같은 천연가스를 직접 분해해 수소와 탄소를 생성합니다. 반응온도가 매우 높지만, 일산화탄소와 이산화탄소가 생성되지 않아 만들어지는 수소가 매우 순수하고 흑색의 미세한 탄소분말인 카본블랙도 고품질이라는 장점이 있습니다.


물에서 수소 만들기

물을 분해하기 위해선 이론적으로 약 242kJ/mol의 에너지가 필요합니다. 그리고 이 에너지를 전기, , 열의 형태로 공급해줍니다.

ⓒ강예람 제작

 

물의 전기분해 : 물에 전기 에너지를 공급하여 수소와 산소로 분해하는 방법입니다. 화석연료를 이용하는 제조방법과 비교하여 이산화탄소가 나오지 않는다는 장점이 있습니다. 하지만 전기분해를 하기 위해 사용되는 전기를 생산할 때 화석연료가 사용된다는 점을 생각하면 이렇게 만들어진 수소는 생산과정에서 온실가스를 배출하게 됩니다. 따라서 전기분해 방법을 가장 효율적이고 실용적인 방법이라고 말하기 위해선 전기 생산에 신재생 에너지원과의 접목을 고려해야 합니다.

 

광화학적 물 분해 : 태양광 에너지를 공급받아 광화학적으로 물을 광분해 하는 제조 기술입니다. 광반응을 가속하는 촉매인 광촉매를 이용하여 밴드 갭(band gap) 에너지 이상의 에너지를 갖는 빛을 흡수해 물로부터 산화 환원 반응을 일으켜 수소와 산소를 발생시킵니다. 기술을 보다 세분하면 광전기화학적 방법과 광촉매를 이용하는 광화학적 방법으로 나뉩니다.

 

열화학적 물 분해 : 태양열 혹은 폐열로부터 에너지를 얻어 고온에서 이루어지는 공정 방법입니다. 열로 물을 분해하기 위해서는 약 4300K의 높은 온도가 필요합니다. 또한, 분리된 수소와 산소가 재결합하는 것을 방지하기 위해 열화학 사이클이라는 방법이 사용됩니다. 매개체를 이용하는 열화학 사이클은 사이클의 단계를 높일수록 공정에 필요한 온도는 낮아지지만 그만큼 시스템이 복잡해진다는 특징이 있습니다.


수소 에너지의 분류

ⓒ강예람 제작

이렇게 다양한 방법으로 만들어진 수소는 생산 방식에 따라 분류가 됩니다. 태양광이나 풍력 등 재생에너지에서 나온 전기로 물을 전기분해하여 생산하는 그린 수소, 천연가스를 고온·고압 수증기와 반응시키는 개질 수소와 석유화학 공정에서 발생하는 부생 수소를 일컬으며 수소 생산과정에서 온실가스를 배출하는 그레이 수소, 석탄을 태워 생산하는 브라운 수소, 그레이 수소를 만드는 과정에서 발생한 이산화탄소를 포집하고 저장해서 탄소 배출을 줄인 블루 수소. 이렇게 4가지의 색으로 분류됩니다.

 

수소연료저장 및 사용

ⓒ강예람 제작

 

수소는 기체, 액체, 고체의 다양한 형태로 저장되고 주로 연료전지로 사용됩니다. 저장된 수소 에너지는 수소와 공기를 전극 표면에 반응시켜 전기 에너지를 생산합니다. 수소만 공급된다면 계속해서 전기를 생산할 수 있고 이때 발전과정에서 발생하는 열에너지는 난방으로도 이용할 수 있습니다. 또한, 수소전지는 사용된 이후에 물이 배출되는 대표적인 청정 연료입니다. 화학에너지를 열에너지로 변환하고 이 열에너지를 전기 에너지로 변화하는 보통의 발전방식에 비해 수소 에너지로부터 전기를 생산하는 방법이 훨씬 효율적입니다.

 

한전은 이러한 수소 에너지 개발을 위해 노력하고 있습니다.


한전의 수소 에너지 개발

ⓒ한국전력신문

 

한전 전력 연구원과 남동 중부 서부 남부발전이 열화학적 메탄 분해를 통한 블루수소 및 탄소소재 생산기술 개발을 착수했습니다. 이 기술은 고온에서 금속 촉매를 이용해 메탄을 수소와 탄소 소재로 직접 분해하는 방식입니다. 수소생산 시 온실가스인 이산화탄소가 발생하지 않고 고부가가치의 탄소 소재를 생산할 수 있다는 장점이 있습니다. 한전 전력 연구원과 발전사는 2023년에 시범 실증을 완료하고 2025년에 현장 활용을 진행할 계획이라고 밝혔습니다.

 

열화학적 메탄 분해 수소생산 기술은 가스 그리드를 활용하여 위치와 규모의 제약이 없어 대용량 수소생산이 가능하고 동시에 고부가가치의 탄소 소재 생산을 통해 수익 창출이 가능합니다. 한국전력의 목표대로 상용화가 된다면 수입의존도가 높은 우리나라 탄소 소재 산업에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 보입니다.


지금까지 천연가스와 물을 이용해 수소를 생산하는 여러 가지 방법에 대해 알아보고 한전에서 개발하고자 하는 생산 방식에 대해서도 알아보았습니다. 수소는 화합물의 형태로 지구상에 대량으로 존재하기 때문에 친환경적인 생산 방식의 상용화가 가능해진다면 지구 환경에 크게 이바지할 것입니다. 그렇기에 전 세계적으로는 수소 에너지 생산에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 이러한 세계 걸음에 맞춰 친환경 에너지 생산을 위해 노력하는 한국전력과 발전사를 응원합니다!

 

 

 


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