삼성증권_에너지_201025_ESG 시대, 에너지 대전환
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이베스트투자증권_신소재_211025_이안나_수소 경제
참고하여 작성하였습니다.
1. '수소 경제 사회'의 기본 개념
기존의 사회는 화석 연료(석탄, 가스)를 가지고 발전소에서 전기를 생산하는 방식이었다면, 수소 사회는 태양광, 풍력과 같은 신재생 발전으로 전기를 생산하고, 이 전기로 '수소'를 생산한 뒤 수소를 마치 화석연료처럼 에너지원으로 사용한다.
어떻게 에너지원으로 사용할 수 있을까? 바로 '수소연료전지'를 통해서다. 수소 연료전지는 외부에서 공급된 수소를 대기의 산소와 반응시켜서, 전기를 만들어내는 발전장치다.
수입 혹은 직접 생산한 수소를 '연료전지'에 공급해서, 최종적으로 전지에서 다시 전기를 생산할 수 있다.
즉, 결국엔 수소는 신재생 에너지에서 만든 전기를 이동, 운반시키는 하나의 매개체로써 작동한다. 마치 석탄을 사고파는 것처럼, 수소도 에너지원으로써 각 나라에서 수입, 수출되는 것이다.
▶ '신재생 에너지'로 발전하고, 만든 전기를 '수소'의 형태로 이동·운반하며, 최종적으로 '연료 전지'에서 수소로 전기를 만드는 게 수소 경제의 핵심 밸류체인이다.
하지만 현재 신재생 에너지는 아직 완전히 자리잡지 못해서, 수소 생산은 재생 에너지 말고도 여러 가지 방법으로 진행되고 있다. 수소 생산 방식에 대해 자세하게 알아보자.
2. 수소 생산 방식의 분류&개념
▶ 수소 생산은 크게 1) 화석연료를 이용하느냐, 2) 비화석연료를 이용하느냐로 나뉜다.
전자에는 ① 천연가스나 석탄을 가지고, 개질(추출)하여 수소를 뽑아내는 방식과(=개질 수소) ② 정유화학공정에서 나오는 부생 가스에서 수소를 분리하는 방식이 있다(=부생 수소). 개질 수소와 부생 수소를 일컬어 '그레이 수소'라고 부른다. 여기다가 CCUS를 설치해 이산화탄소를 제거하면 '블루 수소'가 된다. 개질 공정은 고온에서 진행되기 때문에 '열'이 에너지원으로써 필요하다.
우리가 주목해야 될 부분은 '비화석연료 이용' 부분인데, 여기에 우리가 익히 알고 있는 수전해 방식이 들어간다. 비화석연료라고 했지만 그냥 '물'을 이용해서 수소를 만든다고 알면 된다. 물(H2O)을 전기 분해해서 수소(H2)와 산소(O2)로 분리시켜서 수소를 얻는다. 여기엔 에너지원으로써 전기가 사용되는데, 이 전기를 바로 '신재생 에너지'가 대주는 것이다. 이렇게 만든 수소를 '그린 수소'라고 부른다.
-> 개질 수소부터 그린 수소까지 자세히 하나씩 알아보자.
① 수증기 촉매 개질 (SMR: Steam Methane Reforming)
메탄에(CH4, 천연가스의 주성분) 수증기를 주입해 온도 700~1,100℃에서, 니켈을 촉매로 하여 분해 반응을 일으켜 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 생산한다. (CH4 + H2O → CO + 3H2)
이 방식은 CO2를 발생시키는 거에 비해 많은 양의 수소를 만들 수 있다. 하지만, 수증기를 과잉으로 많이 넣어줘야 되고 고온, 고압 환경이 요구되어 에너지 소비가 높은 게 단점이다.
개질 공정 과정을 살펴보면, 우선 탈황장치(HDS)를 통해 천연가스 내 불순물인 황 화합물을 제거해서 메탄을 정화한다. 정화를 마치면 예비 개질 공정으로 넘어가 정상 메탄에 섞여있는 비정상 메탄을 제거한다. 정화 및 예비 개질을 마친 가스는 스팀 개질기로 들어가 800℃이상의 고온에서 가스화 반응을 통해 수소와 일산화탄소로 분리된다. 이후, 철 또는 구리 촉매를 활용한 고온 전환 반응기(HTS)에서 추가적인 수소를 생산하고, PSA 공정에서 혼합가스 내 남은 H2를 80~92%까지 분리한다.
SMR(수증기 개질법)의 자체적인 열효율은 40~50% 수준이지만, 여기다가 폐열회수장치들을 추가적으로 설치하면 SMR 공정의 전체 열효율이 80% 정도로 상승하며 전체 수소 제조 공정 중 가장 에너지 효율이 높은 방식이 된다. 그래서 현재는 천연가스를 이용한 SMR이 세계적으로 가장 경제적인 대량 수소 제조법으로 자리 잡고 있다.
② 이산화탄소 개질 (Carbon dioxide Methane Reforming)
수증기 대신 이산화탄소를 이용해 메탄을 개질 하는 방법이다. SMR대비 수소 생산량은 낮고, 일산화탄소가 높은 생성물이 남아서 에너지 소비 측면에선 열위이다. 하지만 온실가스인 CO2를 재활용해서 개질에 이용한다는 장점이 있다.
③ 부생 수소
정유화학공정 및 제철 과정에서 발생하는 부생 가스 내에서 수소를 분리하는 방식이다. 대표적으로 정유산업의 나프타 개질 공정에서 부생 가스가 발생하는데, 이때 프로판 탈수소화 공정(PDH)을 통해 수소를 분리시킬 수 있다.
한편, 제철소 같은 경우에는 코크스에서 발생하는 부생 가스인 COG, 제선 과정에서 발생하는 BFG, 제강 공정에서 발생하는 LDG 등의 부생 가스를 통해 수소를 생산한다.
④ 수전해 방식
신재생 에너지 발전과 결부되는, 결국 가장 핵심적인 수소 생산방식이다. '전기'를 이용해서 물을 수소와 산소로 분해해서 수소를 생산한다. 수전해는 연료 전지의 정반대 개념이라서, 구성은 연료전지와 비슷하게 전극, 전해질, 막 등으로 이루어져 있다. 원리도 연료 전지를 거꾸로 생각하면 된다. 전기를 흘려서 H2O를 막에서 H2와 O2로 분리시킨다.
방식은 3가지가 있다. - 양성자교환막 수전해(PEM), 알칼리 수전해(AE), 고온 수증기 수전해(HTE)
양성자교환막 수전해(PEM)은 전류밀도가 높아 에너지 효율이 높고, 생산된 수소의 순도가 매우 높아 미래 수전해 수소 생산 분야의 핵심기술로 기대되고 있는 방식이다. 하지만, 소재로 들어가는 양성자 교환막과 백금 촉매가 비싸서 초기 설치 비용이 많이 드는 단점이 있다.
알칼리 수전해(AE)는 수산화칼륨이나 수산화나트륨 등의 알칼리 전해액을 이용하여 물을 전기 분해하는 방식이다. PEM처럼 백금이 아닌 비귀금속 소재의 촉매를 쓰기 때문에 초기 설치 비용이 상대적으로 저렴하지만, 에너지 효율이 낮은 단점이 있다.
고온 수증기 수전해(HTE)는 고온에서 수전해에 필요한 전기에너지가 낮아지는 현상을 이용해 적은 전기에너지로 고효율의 물분해를 꾀하는 방식이다. 고체 산화물 전해질을 사용해 부식에 대한 내구도가 높다. 하지만, 700℃ 이상의 고온의 수증기를 공급할 수 있는 열원이 필요하다.
▶ 다시 정리해보면 수소 생산 방식은 크게 화석연료 이용 방식(개질 수소, 부생 수소 ≫ 그레이 수소, 블루 수소), 비화석연료 이용 방식(물을 전기 분해 ≫ 그린 수소)으로 나뉜다. 여기서 가장 환경 친화적인 것은 물 전기분해 방식으로, 다른 방식은 생산 과정에서 CO2가 나오는 반면, 수전해는 아예 공정에서 CO2가 나오질 않는다. 하지만 아직 경제성 측면에서는 아직 원료로 들어가는 전기가 생산되는 수소 대비 너무 비싸기 때문에 앞으로 신재생 에너지 발전 방식이 싸져야 그린 수소, 즉 전기분해 방식이 더 커질 수 있다.
3. 연료 전지의 개념&원리
그럼 이렇게까지 수소를 만들고자 하는 이유는 결국 무엇인가? 전기를 '운반'하기 위함이고, 수소의 형태로 저장된 전기는 최종적으로 '연료 전지'에 들어가 다시 전기로 생산·발전된다. 신재생에너지가 수소의 형태로 저장, 유통되면 이용 부분을 가능하게 해주는 것이 바로 연료 전지이다 (Fuel cell).
연료전지의 원리는 수전해의 역반응으로, 기본 구성은 연료극/전해질층/공기극으로 접합되어 있는 Cell로 이루어져 있으며 다수의 Cell을 적층 하여 스택을(Stack)을 구성함으로써 원하는 전압 및 전류를 생산한다.
연료극에 수소가 공급되면 촉매 층에서 수소이온과 (H+) 전자 (e-)로 산화되며, 공기극에서는 공급된 산소, 전해질을 통해 이동한 수소이온, 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 발생한다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 생성한다.
▶ 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 (PEMFC), 인산형 (PAFC), 용융탄산염 (MCFC), 고체 산화물 (SOFC), 알칼리 (AFC), 직접 메탄올 (DMFC)으로 구분된다. PEMFC가 주로 수송용(ex. 수소차) 및 주택용이며, 나머지는 발전용(ex. 공장)에 이용된다.
5개 연료 전지 중 가장 많이 사용되는 방식은 PEMFC이다. PEMFC의 중요한 소재로는 불소계 멤브레인막, 촉매, GDL이 있으며, 이 3개가 모여서 연료극과 공기극 사이에 위치하는 전해질 막(=PEM)을 이루고 있다. PEM이 최종적인 전기에너지 생산을 담당하는 역할을 하므로, 효율적인 PEM 제조가 연료전지 성능을 결정짓는데 매우 중요하다. 비용 측면에서도 전체 연료전지의 원가 중 PEM이 43%의 비중을 차지하며 가장 크다.
현재는 나피온이라는 불소계 화합물로 멤브레인막을 구성하고 있지만, 너무 비싸다는 단점 때문에 불소계 대신 탄화수소계 고분자 전해질막을 대안으로 제시하고 연구 중에 있다.
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