BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

우리나라의 수소 기술 인프라와 넷제로 달성을 위한 수소 밸류체인 고안

북일고등학교

김예성, 이선재, 정찬용

abstract

지구 가열에 따라 수소 에너지에 대한 관심이 점차 증가하면서 정부의 지원이 집중되고 있다. 이 수소 에너지는 지구의 환경 문제를 해결하기 위한 키워드가 될 것이다. 이에 기후변화의 직접적인 영향을 받는 우리나라의 수소 기술 인프라에 대해 조사해보고 2050 넷제로 달생을 위한  수소 밸류체인을 고안해보고자 한다.

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

Ⅰ

서론

지구 가열에 따라 점차 증가하는 수소에너지에 대한 관심과 정부의 지원이 계기가 되어 최근 수소에너지의 긍정적 전망이 대두되고 있다. 수소에너지, 그중에서도 친환경적인 방법으로 생성되는 그린 수소는 단연코 지구의 당면한 환경 문제를 해결하기 위한 키워드가 될 것이다.

이에 기후 변화 등으로 직접적인 영향을 받는 우리나라에서 환경과 수소에너지의 상용화를 위해서 어떠한 노력이 행해졌는지 국내 수소 기술 인프라를 알아보고자 본 탐구활동을 진행한다. 이에 더하여, 2050년 넷제로를 달성하기 위한 우리나라의 수소 벨류체인을 필자의 독창적인 아이디어를 바탕으로 고안해보고자 한다. 본 탐구활동을 통해서 수소 에너지의 현 실정을 아는 것은 물론, 넷제로를 목적으로 한 수소에너지의 벨류체인을 고안하여 미래의 환경 문제를 효과적으로 대비하며 수소에너지에 대한 필자의 정확한 이해도를 확립하기를 기대한다.

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

Ⅱ

본론

<우리나라의 수소 기술 인프라>

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

(1) 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.

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

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.

(2) 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.

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

(3) 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.

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

(1) 그린 수소의 생산 방법

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℃~1500℃의 고온의 열에너지원

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

을 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 결	합력이 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.

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

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

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

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.

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

Ⅲ

결론 및 제언

본 탐구활동 후, 필자는 우리나라의 수소 기술 인프라는 아직 초기 단계로 중대규모의 생산기지와 출하 센터가 부족하다는 사실을 알 수 있었다. 그러나 수소 에너지의 상용화를 위해선 이러한 인프라 문제의 해결이 시급하다.

2050년 넷제로를 달성하기 위해서 필자는 화력발전소와 원자력 발전소의 폐열과 이산화탄소를 사용한 그린 수소 및 블루 수소를 적절히 사용하여 탄소의 배출을 최소화하고 액화 수소 기술을 통해 저장한 후 수소 엔진, 수소 제철 등의 방법을 사용하는 밸류 체인을 사용하는 것이 가장 효과적일 것이라 생각한다.

BUGIL ACADEMY ASSOCIATED WITH KENTECH

Ⅳ

출처

동아 사이언스, 발전소서 버려지는 열로 '그린수소' 생산한다, 김민수

https://m.dongascience.com/news.php?idx=49229

에너지 데일리, ㈜두산, 원전 폐열 활용 그린수소 생산, 변국연

https://www.energydaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=123920

수소경제 종합정보포털 홈페이지

https://h2hub.or.kr

김기동, 최용호, 빅터리, 원자영, 오정경, 이시승, 김태윤, 이종준. (2024-05-22). 캐나다 블루수소와 CCS/CCU 기술 이용한 합성메탄 도입 및 활용에 대한 분석. 한국가스학회 학술대회논문집, 제주.

열화학적 물 분해에 의한 수소 생산(논문) - 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 (이관용)

열화학적 수소 제조 기술(논문) - 한국에너지학회 (김종원, 박주식, 황갑진, 배기광)