| 초록 |
1. 서언 수소는 가장 간단하며 지구상에 편재한 풍부한 에너지원으로서 미래적 가치가 매우 높다. 신기후체제에서 온실가스 및 미세먼지 배출 감축 수단으로 에너지 효율화, 이산화탄소의 포집과 이용, 재생에너지의 보급 확대, 그리고 탄소중립적 에너지 저장을 통하여 궁극적으로는 수소경제로의 전환을 유도하고 있다. 그런데 수소는 에너지원(energy source)이 아닌 에너지 담체(energy carrier)이기 때문에 필연적으로 그 생산방식에 따라 화석연료, 원자력, 또는 화학 공정의 문제점을 모두 포함할 수밖에 없다. 따라서 미래 청정에너지로서 수소 사회(hydrogen society)를 말할 때는 반드시 lsquo;재생에너지로 생산된 수소 rsquo;라는 대전제가 필요하다. 2. 수소 생산, 전환, 활용 2.1. 기존 수소 산업 오늘날 수소는 수소화분해(hydrocracking) 또는 탈황을 위한 석유화학 정제(photochemical refining) 산업, 암모니아와 비료를 생산하는 화학산업, 금속 생산과 제작, 메탄올 생산, 식품 가공, 전자 분야 등에서 필요한 lsquo;산업용 가스(industry gas) rsquo;로서 폭넓은 활용 분야와 세계적 시장을 갖추고 있다. 수소 생산 시장은 2017년 1,125억 달러에서 2022년에는 1,547억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 수소 시장은 lsquo;상용(merchant) 수소 rsquo;, 즉 수요 현장 또는 중앙 생산 시설에서 생산되어 파이프라인, 벌크 탱크 또는 실린더 트럭으로 소비자에게 공급하는 시장, 그리고 소비자의 필요에 의해 내부적으로 생산되고 소비되는 lsquo;포집(captive) 수소 rsquo; 시장으로 구분된다[1]. 이러한 기존의 수소 산업과 그 공급 체인은 미래 수소에너지 사용을 위한 플랫폼 역할을 할 것으로 기대된다. 현재 우리나라에서 생산되는 수소는 대부분 석유화학 공정의 부산물이며 특히 나프타 공정이 70 #37;를 생산한다. 한국수소산업협회 통계자료에 의하면 우리나라의 수소 생산능력은 연간 총 284만 톤이나, 생산량의 대부분이 산업 공정에 재투입되므로 소비자에게 공급 가능한 생산량은 약 21만 톤에 불과하다. Figure 1. 우리나라 부생수소 공급 잠재량[2] 2.2. 수소 생산 기존에는 석탄 가스화 공정(coal gasification procedure)을 통해 수소를 함유한 합성가스(syngas)를 생산하였으며, 현재는 천연가스, 메탄을 개질(reformation)하거나 소량이기는 하지만 물을 알칼리 수전해(alkaline electrolysis)하여 수소를 생산하고 있다. 수전해는 저온/고온 조건 및 수kW에서 MW 용량까지 다양한 규모로 생산 가능하며, 수소원(hydrogen source)도 다양화되고 있다. 원자력은 탄소 무배출 수소 생산방식이지만 원자력의 위험성을 그대로 내포한다. 반면 재생 가능 자원이자 탄소발자국(carbon footprint)이 남지 않는 풍력, 태양에너지, 바이오매스, 수력과 지열 등을 이용한 수소 생산과 수전해가 세계적으로 급격히 증가하고 있다[3]. 고분자전해질막(Polymer electrolyte membrane; PEM)과 알칼리 수전해는 저온 수소 생산 기술이다. PEM 수전해는 알칼리 수전해에 비해 자본 지출/비용(CAPEX) 측면에서 더 비싸지만, 간헐적인 특성을 갖는 재생에너지로 수소를 생산할 때 전력 계통에 공급되는 동적 부하의 변동성을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 2017년 4월, 하노버 메세(Hannover Messe)에서 3MW 용량의 PEM 수전해 스택이 공개되었다. 187개의 수전해 스택으로 구성된 400MW급 대규모 알칼리 시스템은 현재 가격이 $450/kW 수준이다. 고체산화물 수전해 셀(Solid Oxide Electrolyer Cell; SOEC)은 가장 대표적인 고온 수전해 기술로 700~1000°C에서 물을 분리한다. 미국 에너지부에 따르면, 비성수기(off-peak) 전기를 이용한 분산형 수전해 방식의 수소 생산 비용은 2015년에는 $3.90/kg H 2 였고, 2020년의 목표는 $2.30/kg H 2 라고 한다. 미국 에너지부가 예상한 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicles; HEVs)와 연료전지 전기자동차(Fuel Cell Electric Vehicles; FCEVs)가 경쟁할 수 있는 수소 기준 가격이 2020년에 마일당 $2~$4/gge(gallon gasoline equivalent)인 것을 고려하면 이러한 목표는 매우 희망적인 소식이다[4]. 화석 및 바이오매스 연료를 가스화하여 수소를 생산하는 소형 개질기(reformer)의 사용도 증가할 것으로 예상된다. 시간당 50~500 Nm 3 /hour 수소 생산 용량의 소형 전해기 또는 개질기 시스템은 이미 상업적으로 이용 가능하다. 현재 소형 수전해 또는 가스 개질기의 설비 비용(CAPEX)은 용량과 기술 형식에 따라 $5,000~$12,000/(Nm 3 /hour) 범위이다[5]. 화석연료를 개질하여 수소를 생산할 경우, 탄소 포집 및 격리(Carbon Capture and Sequestration; CCS) 기술은 화석연료의 연소 전단/후단에서 CO 2 를 제거할 수 있다. 그 외에도 장기적 관점에서 바이오수소(biohydrogen) 생산, 재생 가능 수전해, 광전자화학(photoelectrochemical; PEC) 광촉매 물분해, 고온태양열 열화학 사이클 등을 이용한 수소 생산 기술개발이 진행되고 있다. Figure 2. Broad Hydrogen Production Portfolio[6] 2.3. 수소 전환 연료전지 및 수전해 장치는 간단한 역공정(inverse process)으로 작동한다. 즉, 전기분해는 물을 수소와 산소로 분리하는 반면 연료전지는 수소와 산소를 재결합하여 전기를 생산한다. 수전해와 마찬가지로 연료전지도 다양한 용량의 시스템 제작이 가능하며, 작동온도, 촉매 및 연료 유형, 수소 순도에 따라 구별되는 다양한 종류의 연료전지가 개발되고 있다. bull; 고분자전해질막 또는 양성자교환막 (Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane; PEM): 순수소에서 작동하는 저온 연료전지(80~200°F)로 자동차에 적합하다. bull; 직접메탄올연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell; DMFC): 저온에서도 작동하지만 PEM 연료전지가 기술적으로 우위에 있다. DMFC는 기체 수소 대신 개질되지 않은 액체 메탄올을 사용할 수 있으며 소규모 용도에 적합하다. bull; 알칼리연료전지 (Alkaline fuel cells): 1960년대부터 NASA에서의 생명 유지 장치 등 우주 응용 분야에서 사용되었다. 저온, 고효율. bull; 인산형연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cells; PAFC): 불순 수소에서 작동할 수 있는 고온(200°C) 연료전지로서, 1990년대 초부터 버스에 광범위하게 적용된다. bull; 고체산화물연료전지 (Solid Oxide Fuel Cells; SOFC): 고온(650°C) 및 고효율. 천연가스 또는 프로판에 적용 가능하며 저가형 촉매를 사용한다. 현재 고정설치형으로 사용된다. bull; 용융탄산염연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cells; MCFC): 최고 온도(1,000°C) 및 고효율. 천연가스, 프로판 및 디젤에서 사용 가능하며 전력 및 열 생산, 고정형 및 해양용으로 사용 가능하다. 2.4. 수소 활용 2.4.1. 수소자동차 경량 차량(light duty vehicle) FCEV의 상업화는 프로토타입을 넘어 이미 제품이 출시되고 있으며, 택시, 승용차 등을 포함하여 경량 승용차 시장은 FCEV에게도 대량생산의 기회를 제공한다. 성능 면에서 FCEV는 주행 범위가 연료탱크당 250~350마일인 기존 차량과 경쟁이 된다. FCEV 연료 충전은 3~5분으로, 기존 차량과 유사한 편의성을 제공하고 주행거리의 불안도 대폭 완화되었다. 기존 차량과 달리 FCEV는 수소를 사용할 경우, 조용하고 배기가스가 없지만 열과 수증기가 발생한다. 미국의 경우 Honda Clarity는 $60,00 |
