Challenge Passion Global

‘수소 에너지를 활용한 가상 국가 간 벨류체인 구성’

북일고 서윤

북일고 박정민

북일고 박상준

< 차 례 >
Ⅰ. 서론						1
Ⅱ. 본론						2-4
			생산			3~5
			2. 저장			6~7
			3. 운송			8~13
			4. 활용
Ⅲ. 결론 및 제언						14

Ⅰ		서론

최근 탄소중립･미세먼지 저감･신 사업군 형성 등의 이유로 수소 밸류체인의 각 국가별 정책과 주요 기관들의 사업이 활발히 추진되고 있다. 특히 무탄소 수소 생산･저장･활용의 기술에 대한 투자가 진행되고 있으며 선도적 입지를 차지하기 위한 전략이 추진되고 있다. 이를 위해 수소 밸류체인 형성을 위한 각 국가의 정책 사업전략이 추진되고 있다. 본 보고서는 교토의정서 이후 이어진 탄소 감축을 통한 기후변화에 대응하는 방향으로 탄소 배출을 제로화하는 것을 목적으로, 가상의 국가를 설정하여 최적의 수소 벨류체인을 구성하는 것을 목표로 한다.

Ⅱ		본론

Q1. 다음 맵에서 제시된 특징을 고려하여 A국가와 B국가에 걸친 수소 벨류체인을 구성해보자. 이때 위의 본문에서 제시한 수소의 생산, 운반, 저장, 활용 기술을 고려해보자.

I. 생산

A국가는 사진(사진 첨부)에서 보시다시피 이산화탄소 배출량이 적고, 파력, 풍력, 태양광같은 재생에너지가 풍부한 국가이며,  또한 인프라가 비교적 잘 구축되어 있어 경제적, 사회적환경이 잘 안정되어 있는 국가임을 알 수 있다. 이런 기후, 사회적, 경제적 조건등을 고려하여 수소 에너지 생산방법을 구상해 수소 전주기 밸류체인을 구성해볼 것이다.

먼저, 수소 생산 방법에는 크게 4가지가 있다. 바로 브라운수소, 그레이수소, 블루수소 그리고 그린수소이다. 브라운 수소와 그레이 수소는 화석연료를 활용해 수소를 생산하는 방법이고, 블루 수소는 천연가스를 원료로 수소를 생산하나, 그레이 수소와 달리 이산화탄소 포집 장치를 추가하여, 대기에 방출하는 이산화탄소 양이 상대적으로 더 적은 수소 생산방법이다. 마지막으로 그린수소는 수전해 기술을 이용한 수소 생산 방법이다. 이 중 그린수소가 제일 친환경적이고 또한 매우 높은 고농도의 수소를 추출한다. 하지만 그린수소는 비싼 전기료로 경제성이 낮다. 그렇지만 A국가는 아까 말했듯이 재생에너지가 풍부하고 인프라가 잘 구축되어 있어 충분히 대처가 가능하다. 따라서 A국가의 기후 특성을 최대한 활용할 수 있는 기술인 그린수소가 A국가에 제일 적합한 수소 생산 방법이다.  이런 그린수소 생산 방식에서도 4가지 그린수소 생산 방법이 있다.

<출처: SK E&S 에너지 백과, 수전해>

PEMEC(PEM), AEC, AEMEC(AEM), SOEC 등이 있다. 각각의 수소 생산 방법이 무엇인지 그리고 장단점을 정리및 비교하자면; 먼저 PEMEC(고분자전해질 막 전해)는 고분자 전해질막인 PEM을 전해질로 이용한다. 또 수소 이온이 이동할 수 있는 양이온 교환막을 전해질로 사용하여 수소를 생산하는 방식이다. PEM은 백금 촉메와 양이온 교환막을 사용해 높은 전류 밀도로 운전 가능하며, 에너지 효율이 높아 장치의 소형화가 가능하다. 화합물 없이 물만을 연료로 사용하여, 순도가 매우 높은 수소를 생산할 수 있다. 하지만 높은 생산성에도 불구하고, 백금 촉메와 양이온 교환막의 가격이 비싸 초기 투자비가 많이 들고, 설비의 운영 기간이 2년에서 5년으로, 내구성이 낮으므로 장기적으로는 쓸 수가 없다.

AEC(알카라인 수전해)는 알칼리 전해액으로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방법이다. 수전해 기술 중 가장 먼저 상용화된 기술이라 운영이 안정적이고 다른 기술들보다 초기 투자비가 비교적 저렴하다. 또한 PEM이랑 다르게 귀금속이 아닌 촉매를 사용하여 단가가 저렴하다. 생산구조가 단순하고 내구성이 높아 대용량으로 수소를 생산한다는 장점이 있다.

하지만 알칼리 전해액의 농도를 35%로 유지하기 위해서는 공정중 전해액을 계속해서 보충해야하고, 알칼리 성분으로 인한 공정 내 장비와 부품의 부식 문제가 발생할 수 있어 공정의 생산성이 낮다. 또한 전류 밀도의 효율이 낮으며 전류 및 장비의 민감성과 재생에너지의 계절성으로 인하여 전원 공급이 중단될 때 공정 설비가 파손될 가능성이 매우 높아 재생에너지의 변동에 취약하다는 단점이 있어 재생에너지가 풍부한 A국가에게는 맞지 않은 수소 생산 방법이다.

AEMEC(음이온 교환막 수전해)는 AEC와 PEMEC 사이에 있는 수전해 기술인데, 이 둘의 장점을 융합하여 낮은 비용과 높은 효율로, 대량의 수소를 생산할 수 있는 차세대 수전해 기술이다. 하지만 아직 연구개발을 진행하고 있는 단계라 실세 상업화까지 시간이 필요하다.

현재는 음이온 교환막의 성능을 향상하고, 내구성을 개선하며, 완전한 양산화를 위한 연구가 진행 중이다. 지금은 A국가가 쓰기에는 적합하지는 않지만, A국가는 인프라가 비교적 잘 구축되어 있기에 지금은 다른 수소 생산방법을 사용하고, 꾸준히 AEMEC 연구개발을 하여 대체하는것을 목적으로 하면 좋을 것이다.

마지막으로, SOEC(고체산화물 수전해)는 고체산화물 전해질을 이용하여 800도 이상의 고온의 수증기를 전기분해하여 수소를 생산하는 방법이다. 고체산화물을 사용하기 때문에, 장비가 부식에 강하고 전해액을 보충할 필요가 없어 유지와 보수가 비교적 쉬운 장점이 있다.

하지만 수증기를 가열하기 때문에 추가적인 열에너지가 필요하고, 800도 이상의 고온을 견딜 충분한 내구성을 지닌 고체 전해질에 관한 연구와 개발이 아직 부족해 상용화가 아직 어렵다.

결론적으로,  4가지 그린수소 방법의 장단점을 고려하여 A국가의 적합한 그린수소 생산 방법을 구성해보면, 일단 AEC는 초기 투자비가 저렴하고 기술 성숙도가 높은 장점이 있지만, 저순도의 수소를 생산하고 재생에너지의 변동에 취약하다는 단점이 있어 재생에너지가 풍부한 A국가에게는 맞지 않은 수소 생산 방법이다. PEMEC는 높은 에너지 밀도로 운전하고, 에너지 효율이 좋고 고순도의 수소를 생산할수 있는 장점이 있지만, 비싼 귀금속 촉매를 사용하여 초기 투자 비용이 높고 설비의 운영기간이 2년에서 5년이내라 장기적으로는 운영이 힘들어 쓰기 힘들다. AEMEC는 낮은 비용과 높은 효율로, 대량의 수소를 생산할 수 있는 차세대 수전해 기술이지만, 아직 연구 개발이 미숙해 현재 쓰기에는 부적합하다. 마지막으로 SOEC는 유지와 보수가 비교적 쉽고 수소를 어느정도 많이 생산 가능하지만, 800도 이상을 버틸 수 있는 고체산화물의 연구개발이 부족하여 상용화가 아직 어렵다.

YZS https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=11691

II. 저장

수소의 저장은 고체, 기체 및 액체 저장으로 나눌수 있으며, 운송 방법과 매우 밀접하게 연계되어 있다. 기체 저장일 경우는 기체 운송, 액체 저장일 경우에는 액체 운송으로 연계되는 것이 일반적이다. 수소 저장 기술 중 가장 보편적인 방법으로는 기체 상태로 저장하는 것으로 이 경우 관건은 고압하에서 안전하게 저장하는 것이다.

현재 적용되고 있는 저장용기의 종류는 Type1부터 Type4까지 4종류가 있으며 특징을 표 2에 요약하여 나타냈다.

먼저, 금속재료 용기인 Type1은 강철, 알루미늄 등 금속만으로 제작된 용기로 금속재료의 강도와 용기의 직경에 따라 사용압력이 결정되며, 무겁고 수소 저장용기의 소재의 제약이 따른다.

Type2는 Type1 용기의 몸통 부분만 복합재료로 보강하여 제작된 용기로, 몸통 부분에 복합재료를 사용하여 금속용기의 벽 두께를 감소시켜 무게를 절감한 것이다. 이 경우도 용기의 금속재료가 강도에 지배적인 역할을 하므로 금속재료 용기 범주

에 포함한다.

복합재료 용기인 Type3은 금속재료로 만든 라이너(내측 용기) 전체를 복합재료로 보강하여 제작한 용기로, 외측에 보강된 복합재료에 따라 사용압력이 결정된다. 금속재료 용기에 비해 무게는 가볍지만 큰 직경 용기의 경우 내구성이 높지 않은 단점도 있다.

Type4는 비금속재료로 만든 라이너 전체를 복합재료로 보강하여 제작한 용기로, 내측의 라이너보다는 외측에 보강된 복합재료가 모든 압력을 부담한다.

무게가 가장 가볍고 내구성이 우수하며 대형 용기제작이 용이하다.

200bar 이하의 Type1 용기를 사용하는 기존 산업용 수소 저장용기(주로 튜브 트레일러가 저장용기를 대체해서 사용함)의 경우 국산화 되었지만 수소가격 절감을 위해서는 대용량 고압용기 튜브 트레일러를 사용하여 1회 운송량의 증대와 경량화가 필요하다.

따라서 튜브 트레일러용과 수소 충전소 저장용 400bar 이상의 Type1, Type2 용기 개발도 진행되고 있다.

수소를 저온에서 액체 상태로 수소를 저장(대기압 기준 영하 253℃ 유지)하는 방법은 약 71㎏/㎥ 밀도를 가지고 되어 기체 수소 부피를 약 1/800로 감소시킬 수 있어 동일 압력에서 기체수소 대비 800배의 체적에너지 밀도를 갖게 된다. 이와 같이 액화된 수소는 대기압에서 저장이 가능하고, 저장용기의 안전성 부분에서 장점이 있으며, 낮은 온도로 기존 고압 기체수소에 비해 폭발 위험성이 낮아 단위부피, 단위 무게당 에너지 저장밀도가 가장 높고, 활용을 위해 다른 공정이 필요 없이 단순 기화만으로 즉시 활용이 가능하다는 장점을 지닌다.

국가 전략적 관점에서 상용급 수소액화 플랜트를 포함한 액화수소 기반 인프라는 반드시 확보해야할 기술이며, 향후 드론, 항공기 연료로의 사용 가능성이 높아 관련 산업의 발전을 위해서도 필수적인 기술 확보가 요구되는 분야이다.

고체 저장은 수소를 고체물질의 내부 또는 표면에 낮은 압력에서 저장하고 필요시 저장된 수소를 재방출하는 방법이다.

고체 수소저장기술은 무게당 수소 저장밀도가 낮아 무게가 중요한 요소인 모빌리티에 적용하는 것은 한계가 있어 그동안 기술개발 투자가 크지는 않았지만, 최근 재생에너지의 확대 및 에너지 그리드의 효율화가 중요해짐에 따라 정치형(Stationary) 대규모 및 장기 에너지 저장에 대한 필요성이 대두되면서 적용성이 인정받기 시작하고 있다.

III. 운송

I) 수소 운송 방법
수소의 운송은 크게 기체 운송과 액체 운송으로 나눌 수 있으며, 액체 운송은 다시 액화와 액상 운송으로 나누어진다. 수소의 일반적 운송 방법은 다음과 같이 분류한다.

대규모 소수가 필요하지 않은 국가에서는 수소를 운송하는 방법으로 두 방식을 사용한다. 근거리의 경우 저압배관 방식을 사용하며, 중·장거리의 경우 고압 튜브 트레일러(카트리지)로 운송하는 방법이 주가 되고 있다. 배관 운송 방식은 수소 운송량이 적고, 소비지가 수소 생산시설과 인접하여 배관 건설비용이 사용량 대비 효율성이 있을 때 주로 사용되는 방법이다. 튜브 트레일러를 통한 운송은 강제로 만들어진 실린더 또는 카트리지에 담아 운송하는 방식으로, 현재는 중·장거리에 중·소규모 단위로 공급하는 곳에 적합하다. 향후 수소 공급량의 증가에 따라 배관의 유지 및 보수, 연결 방법에 대한 지침 또한 필요할 것이다.

액체 수소 운송방식 중에서 액화 방식은 수소를 대기압 기준 영하 235℃까지 냉각하여 액체 상태로 탱크로리를 통해 운송하는 방식으로, 이미 해외에서는 상용화된 기술로 1~2bar 압력 이하로 대량 운송이 가능하다는 장점과 고압 관련 규제회피가 가능하며 대도시 내 수소 공급에 적합한 방식으로 알려져 있다. 하지만 단점도 분명히 존재하는데, 액화하는 과정에 많은 에너지가 소비되며 이에 따른 온실가스 배출량이 많다.
그런데, 액체 상태로 대량의 수소를 운송할 수 있는 장점과 액화에 따른 단점을 극복할 방법이 존재한다. 액상 화합물 형태로 수소를 운송하는 방법이다.  아직 상업화하기는 이른 기술이지만, 상온·상압과 유사한 온도 및 압력 조건하에서 유·무기 화합물을 이용하여 저장된 수소를 운송하는 기술이다. 수소저장 소재가 액상 유기화합물인 경우, 이를 Liquid Organic Hydrogen Carrier(LOHC)로 명명되고 있으며, 대표적인 예로는 Methyl-cyclohexane(MCH), N-methyl carbazole, Dibenzyltoluene의 수소화된 화합물 등이 있으며, 유기 화합물 이외에 유·무기 복합체 등이 있다.
유·무기 화합물 기반 액상 화합물 및 혼합물의 경우, 톨루엔-MCH 사이클을 이용한 수소 저장 및 재방출 촉매에 대한 연구가 진행중이다.

톨루엔에 수소를 첨가하여 MCH 형태로 전환한 후 이송하여 수소 수요처에 구축된 탈수소화 플랜트를 통해 수소를 재생산하고, 다시 톨루엔으로 전환함으로써 수소 운송 사이클이 형성되는 기술이다.

이 기술은 현재도 활발히 개발중인데, 일본은 이 기술을 이용하여 브루나이에서 화석연료 개질을 통해 공급받은 수소를 톨루엔에 저장하고, 이를 선박을 이용해 일본까지 운송하는 실증 프로젝트를 수행 중이며, 2020년까지 기술개발 완료를 목표로 하고 있다. 요약하자면 수소의 운송 방식은 각각의 장단점이 존재한다. 기체의 경우 별도의 전환/수소화 비용이 발생하지 않지만, 저장 효율이 낮다.

반면 액화나 물질 변환은 저장 효율성은 높지만, 추가적인 비용이 발생한다. 따라서 운송 방식에 대한 선택은 규모와 거리에 따라서 다르게 결정될 가능성이 크다.

기체 운송의 경우 파이프라인이나 튜브 트레일러를 활용하기 때문에 중거리(도시)까지는 가능하겠으나 원거리(대륙) 운송 수단으로는 부적합하다. 액화와 물질 변환이 대안이 될 수 있다.

액화와 물질 변환에도 비용 측면의 차이는 존재한다. 액화의 경우 kg당 1달러의 비용이 발생하지만 물질 변환의 경우 수소화까지 약 2달러의 비용이 발생한다. 대신 물질 변환의 경우 운송 비용이 상대적으로 저렴하다. 운송 거리에 비례하여 운송비 절감 효과 역시 확대되는 구조다. 단위(kg)당 운송비 절감 효과가 1달러 이상이라면 물질 변환을 통한 운송이 유리하다는 뜻이다.

파이프라인을 통해서는 이를 극복하기 어렵지만 해상 운송에서는 분명 차이가 존재한다. 2천km 이상의 거리를 운송하는 경우 전환/수소화 비용을 감안하더라도 암모니아가 액화수소 대비 저렴하다. 기존의 인프라를 활용할 수 있다는 장점까지 더해지며 대규모, 장거리 운송 수단으로 자리할 전망이다.

앞선 (1)에서 필자는 액화된 수소는 대기압에서 저장이 가능하고, 저장용기의 안전성 부분에서 장점이 있으며, 낮은 온도로 기존 고압 기체수소에 비해 폭발 위험성이 낮아 단위부피, 단위 무게당 에너지 저장 밀도가 가장 높고, 활용을 위해 다른 공정이 필요 없이 단순 기화만으로 즉시 활용이 가능하다는 장점을 지닌다는 근거로 액화 수소로 저장하는 것을 택하였다. 그리고 위 조건과 장거리 운송 및 대규모 수송 측면, 경제성을 고려하여 탱크로리와 선박을 이용한 운송법이 합리적이라고 선정하였다.

선박을 사용했을시 수소 에너지 기술을 선박에 적용하면, 환경 측면에서도 문제 없은 해결 방법이 될 것이다.

활용(지도에서 생산하고 수송한 수소를 B 국가의 산업 영역에 어떻게 적용하여 이산화탄소 배출을 낮출지 고민 -> 어떤 수소 활용 기술을 개발하고, 어떤 분야에 상용화할지->장기적인 구성계획):

활용은 PEMEC(양성자 교환막 연료 전지)를 활용한다. PEMFC는 anode에 수소를 넣고, cathode에 공기 혹은 산소를 넣어주면, 수소가 이온형태(proton)로 분해되면서 이온은 전해질을 통해 cathode로 이동해 산소와 만나고 전자는 도선을 따라 cathode로 이동하게된다. 이렇게 이동한 수소 이온은 산소와 만나 물이 형성되며 outlet을 통해 배출되게 되는데, 이것이 PEMEC의 간단한 원리이다.

PEMFC에서는 다음과 같이 전압이 발생하게된다.

하지만 실질적으로 사용해보면 1.23V의 전압이 모두 나타나지 않고 0.6V~0.7V정도만 나타난다. 이는 산소전극과 수소전극의 과전압을 빼야하기 때문이다. 여기에 추가적으로 전체 전극에서의 저항에따른 전압강하를 빼주기 때문에 실질적인 단일 cell에서는 0.6~0.7V가 형성되게 된다. 그렇기에 연료전지의 작동전압을 최댓값인 Ecell 에 근접시키기 위해선 양쪽 전극에서의 과전압을 줄이고 전해질을 포함한 모든 저항을 주어야 한다.

현재 PEMFC는 시장 점유율의 약 70%를 차지하고 있을만큼 많이 사용되고 있다. 이는 여러가지 장점 때문인데, PEMFC의 가장 큰 장점은 바로 내구성이 높다는 것이다. 대부분의 연료전지의 박은 기본적으로 계속해서 산화 반응을 하기 때문에, 산화반응으로 발생하는 화학적 열화로 내구성이 지속적으로 감소하게 된다. 이 때문에 장기간의 사용에 문제가 될수 있다. 하지만 PEMFC는 PFSA로 제작된 막을 가지고 있는데 이는 화학적으로 안정된 구조를 가지고 있어 내구성이 높다. 또한 액체 상태의 물이 존재하는 환경에서도 높은 이온 전도성을 유지할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이 때문에 바다를 통한 운송이 필수적인 A국과 B국에서는 이 PEMFC의 장점이 적극 이용될 수 있다. 또한 PEMFC는 전도성이 좋은 백금 촉매를 사용한다는 점과 높은 전류밀도를 가지고 있으며, 소형화와 경량화가 가능하다는 장점도 가지고 있다.

PEMFC이외에 수소 엔진(Hydrogen Engine)의 이용도 고려해 볼 수 있다. 이는 기존의 가솔린이나 디젤을 사용하는 내연기관과 다르게 수소를 연료로 사용하는 내연 기관이다. 수소 엔진에는 두 종류가 존재하는데, 수소 연소 엔진과 수소 연료 엔진이다.

먼저 수소 연소 엔진의 경우 연소실에서 연소를 하여 폭발을 발생시키는데, 이 엔진의 작동은 가솔린 엔진의 작동과 비슷하다고 할 수 있다. 작동과정에서 수소는 연료로, 산소는 산화제로 사용되는데, 수소에는 탄소 원자가 없기 때문에 반응을 할 시에 두 개의 수소 분자가 하나의 산소 분자와 결합해 에너지와 물을 방출하게 된다. 때문에 결과적으로 방출되는것은 수증기뿐이다. 수소 연료 엔진은 이름에 연료라는 단어가 들어갔음에도 수소를 태우지 않는다. 이 엔진은 전기 분해의 역 과정을 통해서 전기를 생성하게 된다. 수소 가스가 막을 통과해 두개의 수소 이온으로 분해되면 수소와 두 개의 자유 전자가 나타나게 된다. 이 전자는 외부 회로를 통해 배터리의 양극에서 음극으로 전달되면서 전류를 생성한다. 생성된 수소 이온은 공기 중의 산소와 결합해 물을 형성하기 때문에 배기가스를 배출하지 않는다.

수소 엔진이 활용에 적합하다고 여겨지는 이유는 바로 친환경성 때문이다. 현재 B국은 탄소 배출량이 많으며, 이를 보완하기 위한 친환경 자원도 부족한 상태이다. 이 때문에 엔진을 소비해야하는 입장에서 B국은 배출과정에서의 탄소배출량을 줄일 필요가 있다. 위에서 설명했듯이, 수소 엔진 두 종류 모두 사용과정에서 탄소가 배출되지 않고, 수증기나 물이 만들어져 배출되기 때문에 굉장히 친환경적이라고 할 수 있다. 이는 B국에게 꼭 필요한 장점이다.

또한 수소 엔진은 기존 엔진 기술을 활용하기 때문에 내구성이 확보되어 있으며, 단가가 낮고, 노후화된 장비나 차량의 개조가 용이하다. 100만 km 이상 혹은 8~10년 이상의 장시간 사용과 더불어 잘 닦인 도로가 아닌 험지 등 극한 환경에서 사용 가능하다는 이점이 있다.

이는 현재 인프라가 비교적 덜 발달한, B국가의 큰 섬에서 사용하기 좋다는 것을 보여준다. 다른 친환경차와 비교했을 때 수소엔진은 귀금속과 희토류 사용량이 적다는 점에서도 경제적이다. 이 밖에도 연료전지 자동차는 99.97% 이상의 고순도 수소를 써야 하는 반면, 수소 엔진 자동차는 97~98% 순도의 수소를 적용할 수 있어 수소 생산 단가 측면에도 장점이다.

국내 수소 기술 인프라 현황 및 전망에 대해서 알아보자. 필자는 국내 수소 기술 인프라를 수소 개발 시설, 충전 시설, 운송 시설로 나누어 분석했다.

수소 개발 시설

전체적인 수소 개발 시설에 관한 통계는 다음과 같다.

현재 하루 약 40~45톤의 수소가 생산되고 있고, 구축 예정 시설에서 생산될 수소까지 합하면 미래에는 하루에 약 81.2톤의 수소가 생산될 것으로 예상된다.

액화수소의 경우, 전국 액화수소 플랜트 중 인천에서 연간 3만톤, 울산에서 연간 5,200톤, 창원에서 연간 1,700톤 순으로 다량의 액화 수소를 생산한다.

위의 표에서도 볼 수 있듯이 현재 대한민국은 소규모 생산기지만 가지고 있으며 아직 중대규모 생산기지는 구축 예정이 되어 있는 상태이다. 수소 에너지의 상용화를 위해선 더 많은 중대규모 생산기지와 출하 센터가 필요하다.

수소 충전 시설

올해 1월~4월을 기준으로 현재까지의 수소 충전 시설 증감 추이를 보았을 때, 현재 약 300개 정도로 역시 정부의 보조금과 소비자들의 수소차 구입 추세로 계속해서 증가하는 실정임을 알 수 있다.

수소 운송 시설

전체적인 우리나라의 지리적 특성을 고려해 보았을 때, 선박, 철도, 트럭, 파이프라인, 등 다양한 수소 운송 시설 중에서 수소 튜브 트레일러가 그 대부분을 이룬다는 사실을 알 수 있다. 현재 우리나라의 수소 튜브 트레일러는 전국적으로 약 807대 정도가 존재하며, 이 과정에서 수소 기체를 고온에 압축하여 탱크에 저장한 후 운반하는 것이 대표적이다.

＜2050 넷제로 달성을 위한 수소 밸류체인 고안＞

우선 생산 시설부터 고안해보겠다. 필자는 현존하는 화력/원자력 발전소 옆에 수소 발전소를 건설하는 것을 제안한다. 아래에서 설명할 수소 발전소는 기존 발전소에서 배출되는 열에너지, 이산화탄소 등을 사용한다. 그렇기에 이 자원들을 운송하는 비용을 절감하고 폐열을 활용한 에너지 발전을 위해 해당 발전소 옆에 건설한다.

수소 생산을 위해서 그린 수소와 블루 수소, 두가지의 방법을 사용할 것이다.

우선 그린 수소의 사용 방법이다.

그린 수소는 주로 전기에너지를 사용한 수전해 기술로 만들어지지만 사실 열 에너지를 사용한 열화학 물분해 기술로도 그린 수소를 만들 수 있다. 그렇기에 근처에 위치한 원자력 발전소 및 화력 발전소의 폐열을 이용해 열화학 물분해 기술로 그린 수소를 만들 수 있다.

열화학 물분해 반응을 통한 그린 수소 생산에 대해서 필자는 원자력 발전소의 폐열을 사용한다고 가정하였다. 이때, 원자력 발전소에서 발생하는 폐열은 약 40% 정도의 발전설비의 폐열과 약 20% 정도의 배출가스열로 구분할 수 있다.

필자가 생각한 구체적인 원자력 발전소의 폐열을 활용한 그린 수소의 생산은 우선, 화학 반응의 매개체로 작용하는 금속산화물(MOx) 화학 촉매를 배출가스열, 즉 폐열을 최대치로 활용하여 에너지 효율을 극대화 할 수 있는 원자로 내부에 위치시키는 방안을 통해 시작될 수 있다. 앞서 제시한 금속산화물(MOx) 화학 촉매는 산화-환원 반응에 용이하기에 원자력 발전소에서 발생하는 고온의 폐열이 가지는 열에너지를 전달받아 환원 반응을 일으켜 Ox의 형태에서 O2의 산소 분자의 형태로 떨어져 나오게 된다. 이후의 금속 산화물은 MOx-2의 형태로 존재하여 수증기가 공급되었을 때 산화 반응을 거치게 되고, 결과적으로 물을 분해하여 다시 MOx의 형태로 존재하게 된다. 마지막 산화 반응 과정에서 물이 열화학 분해되어 순수한 수소의 형태로 존재하게 되는, 즉 그린 수소가 생산되는 원리이다. 이때 열화학 물분해를 일으키기 위해서는 2000도 이상의 열 에너지가 필요하다. 그러나 현재의 기술로는 필요한 열 에너지를 약 1300도까지밖에 내리지 못한다. 한편 현재 발전소에서 발생하는 열 에너지들은 약 600도에 불과하기 때문에 필요한 열 에너지를 낮추는 촉매 개발이 필수적이다. 최근 계속되는 연구에 사용된 열화학적 물분해의 금속산화물(MOx) 화학 촉매로는 산화철(Fe2O3), 산화세륨 (CeO2), 이산화게르마늄(GeO₂) 등이 있다. 혹은 1300~1500도의 고온의 열에너지원을 만드는 것 또한 방법 중 하나다. 해외에서는 화력/원자력 발전소의 폐열을 활용하기보다는 태양열을 집적시켜 고온의 열에너지를 내는 연구가 활발히 진행되고 있는 상황이다.

다음은 블루 수소의 사용 방법이다. 블루 수소는 그레이 수소와 같은 방식으로 수소를 제조하지만 이산화탄소 포집 장치를 생산 공정에 추가하여, 대기에 방출하는 이산화탄소의 양을 줄인다. 필자는 해당 이산화탄소 포집 장치에 현존하는 발전소의 이산화탄소를 함께 포집시켜 이산화탄소 배출량을 더 줄이는 방법을 고안했다. 화력/원자력 발전소에서도 많은 이산화탄소가 방출되기 때문에 해당 이산화탄소를 함께 사용하자는 것이다. 이때 필자는 CCUS 기술을 활용하는데, 이는 이산화탄소와의 결합력이 강한 MEA, 암모니아 등의 소재를 사용하여 이산화탄소를 흡수하는 과정으로부터 시작된다. 이후, 이산화탄소와 함께 배출된 다른 종류의 가스를 흡착 기술, 막 분리 기술 등을 활용하여 분류한 후 활용하게 된다. 이렇게 이산화탄소 포집 장치로 포집한 이산화탄소 가스를 3중점 이하의 온도가 되도록 냉각하여 드라이아이스로 만들 수 있다. 압축, 정화, 확장, 냉각 등의 과정을 거쳐 드라이아이스로 만들어진 이산화탄소는 여러 산업에 납품되어 이산화탄소의 배출을 크게 줄일 수 있다.

해당 과정으로 만들어진 수소는 액화 수소 기술을 통해 저장한다. 액화 수소 기술은 대용량 저장 및 장거리 운송에 가장 적합하기 때문에 사회 수용성이 높은 친환경 기술이다. 또한, 액화 수소를 사용하는 방법은 지리적인 경쟁력을 갖추지 못한 우리나라에 대용량 수소 운송 및 저장을 용이하게 할 수 있다. 이러한 이유로 필자는 액화 수소 기술을 통해 수소를 저장하는 방법을 고안했다. 이때, 극저온 상태로 만들기 위한 에너지가 필요하며 이를 유지해야 하므로 강화 단열 처리가 된 저장 탱크가 필요하다. 현재 안전성과 효율성, 경제성 등을 높이기 위한 액화 수소 탱크와 관련된 연구가 활발히 진행중에 있다.

이렇게 만들어진 수소는 철도와 트럭을 사용해 운송한다. 철도를 사용할 경우의 가장 큰 장점은 운송 안정성이 높고, 친환경적이며, 적재 용량이 크고, 기후의 영향을 받지 않기 때문에 중장거리 운송에 적합하다는 것이다. 그렇기에 필자는 철도를 통해 장거리로 이동 시킨 후 트럭으로 옮겨 정확한 위치로 수소를 이동시키는 방법을 고안하였다. 이때 트럭을 사용하며 환경오염이 일어날 수도 있지만 해당 트럭을 수소 엔진을 사용해 만들어 환경 오염을 예방할 수 있다.

마지막으로 활용 방법을 소개하겠다. 첫번째 활용 방법은 수소 엔진이다. 현재 수소 차는 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 좋은 방법으로 떠오르고 있다.

실제로도 수소차는 정부의 지원으로 현재 사용량이 늘어나고 있으며 미래에는 더욱 큰 폭으로 늘어날 것으로 예상된다.

그렇기에 수소를 수소 엔진에 활용한다면 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 가장 큰 장점이 될 수 있을 것이다.

두번째 방법은 철의 제련이다. 원래 철은 탄소 덩어리인 코크스를 사용하여 제련한다.

Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2

그러나 이러한 방식을 사용해 철을 제련할 경우 이산화탄소가 배출 된다.

이런 문제를 해결하기 위해서 수소를 활용한 철의 제련 방법이 있다.

Fe2O3 + 3H2 -> 2Fe + 3H2O

이 제련 방법을 활용하면 이산화탄소가 아닌 물이 배출되기 때문에 환경 오염 없이 더 친환경적으로 철을 제련할 수 있다. 이렇게 만들어진 철은 차량, 항공기, 열차와 같은 운송 수단과 군용 무기 등 수많은 분야에 사용될 수 있다.

Ⅲ		결론 및 제언

<참고 문헌 및 자료>