차세대에너지수소에 대하여

탄소중립 차세대 에너지 '수소'를 소개합니다. 수소는 '그린수소', '블루수소', '그레이수소' 3가지로 나뉘며, 각각 생산방식이 다르다. 또한, 각 제조방법, 원소로서의 물리적 성질, 보관/운반방법, 사용방법에 대해 설명하겠습니다. 그리고 차세대 지배에너지원인 이유도 소개하겠습니다.

녹색수소 생산을 위한 물 전기분해

수소를 사용할 때에는 어차피 '수소를 생산하는 것'이 중요합니다. 가장 쉬운 방법은 '물을 전기분해'하는 것입니다. 어쩌면 초등학교 과학 시간에 그랬을 수도 있습니다. 비커에 물을 채우고 전극을 물에 채웁니다. 배터리를 전극에 연결하고 전원을 공급하면 물과 각 전극에서 다음과 같은 반응이 일어납니다.
음극에서는 H+와 전자가 결합하여 수소 가스를 생성하고, 양극에서는 산소를 생성합니다. 그래도 이런 접근 방식은 학교 과학 실험에는 괜찮지만, 산업적으로 수소를 생산하려면 대규모 생산에 적합한 효율적인 메커니즘을 마련해야 한다. 바로 '고분자전해질막(PEM) 전기분해'다.
이 방법은 수소이온의 통과를 허용하는 고분자 반투막을 양극과 음극 사이에 끼워 넣는 방식이다. 장치의 양극에 물을 부으면 전기분해에 의해 생성된 수소 이온이 반투막을 통해 음극으로 이동하여 분자 수소가 됩니다. 반면, 산소 이온은 반투막을 통과하여 양극에서 산소 분자가 될 수 없습니다.
또한 알칼리수 전기분해에서는 수산화 이온만 통과할 수 있는 분리막을 통해 양극과 음극을 분리해 수소와 산소를 생성합니다. 그밖에도 고온증기전기분해 등 공업적인 방법도 있다.
이러한 공정을 대규모로 수행함으로써 대량의 수소를 얻을 수 있습니다. 이 과정에서 상당한 양의 산소(생성된 수소 양의 절반)도 생성되므로 대기로 방출되더라도 환경에 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 하지만 전기분해에는 많은 전력이 필요하기 때문에 풍력터빈, 태양광 패널 등 화석연료를 사용하지 않는 전력으로 생산하면 무탄소 수소를 생산할 수 있다.
청정에너지로 물을 전기분해하면 '그린수소'를 얻을 수 있다.

이 그린수소를 대량생산하기 위한 수소발생기도 있다. 전해조 부분에 PEM을 사용하면 수소를 지속적으로 생산할 수 있습니다.

화석 연료로 만든 청색수소

그렇다면 수소를 만드는 다른 방법에는 무엇이 있을까요? 수소는 천연가스, 석탄 등 화석연료에 물 이외의 물질로 존재한다. 예를 들어 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)을 생각해 보세요. 여기에는 4개의 수소 원자가 있습니다. 이 수소를 빼내면 수소를 얻을 수 있습니다.
그 중 하나가 증기를 이용한 '증기메탄개질'이라는 공정이다. 이 방법의 화학식은 다음과 같다.
보시다시피, 단일 메탄 분자에서 일산화탄소와 수소를 추출할 수 있습니다.
이런 방식으로 천연가스와 석탄의 '수증기 개질', '열분해' 등의 공정을 통해 수소를 생산할 수 있다. '블루수소'는 이렇게 생산된 수소를 말한다.
그러나 이 경우 부산물로 일산화탄소와 이산화탄소가 생성된다. 따라서 대기로 방출되기 전에 재활용해야 합니다. 부산물인 이산화탄소가 회수되지 않으면 “회수수소”로 알려진 수소 가스가 됩니다.

수소는 어떤 원소인가요?

수소는 원자번호 1번으로 주기율표의 첫 번째 원소이다.
원자의 수는 우주에서 가장 많아 우주 전체 원소의 약 90%를 차지한다. 양성자와 전자로 구성된 가장 작은 원자는 수소 원자입니다.
수소에는 핵에 중성자가 부착된 두 개의 동위원소가 있습니다. 하나의 중성자 결합된 "중수소"와 두 개의 중성자 결합된 "삼중수소"입니다. 핵융합 발전용 소재이기도 하다.
태양과 같은 별 내부에서는 수소에서 헬륨으로의 핵융합이 일어나고 있는데, 이것이 별이 빛나는 에너지원이다.
하지만 지구상에 수소가 기체로 존재하는 경우는 거의 없습니다. 수소는 물, 메탄, 암모니아, 에탄올과 같은 다른 원소와 화합물을 형성합니다. 수소는 가벼운 원소이기 때문에 온도가 올라갈수록 수소 분자의 이동 속도가 빨라지고, 지구의 중력을 벗어나 우주 공간으로 빠져나가게 된다.

수소를 사용하는 방법? 연소에 의한 사용

그렇다면 차세대 에너지원으로 전 세계적으로 주목받고 있는 '수소'는 어떻게 활용될까? 이는 "연소"와 "연료전지"라는 두 가지 주요 방식으로 사용됩니다. "burn"의 사용부터 시작해 보겠습니다.
연소에는 두 가지 주요 유형이 사용됩니다.
첫 번째는 로켓 연료입니다. 일본의 H-IIA 로켓은 역시 극저온 상태인 수소가스 '액체수소'와 '액체산소'를 연료로 사용한다. 이 둘이 합쳐지면 그때 발생하는 열에너지가 생성된 물 분자의 주입을 가속화해 우주로 날아간다. 그러나 기술적으로 어려운 엔진이기 때문에 일본을 제외하면 미국, 유럽, 러시아, 중국, 인도만이 이 연료를 성공적으로 결합했다.
두 번째는 발전이다. 가스터빈 발전 역시 수소와 산소를 결합해 에너지를 생산하는 방식을 사용한다. 즉, 수소가 생산하는 열에너지를 살펴보는 방식이다. 화력 발전소에서는 석탄, 석유, 천연가스를 태울 때 발생하는 열로 터빈을 구동하는 증기가 생성됩니다. 수소를 열원으로 사용하면 발전소는 탄소 중립이 됩니다.

수소를 사용하는 방법? 연료전지로 사용

수소를 사용하는 또 다른 방법은 수소를 직접 전기로 변환하는 연료전지로 사용하는 것입니다. 특히 토요타는 지구 온난화 대책의 일환으로 가솔린 차량의 대안으로 전기차(EV) 대신 수소연료전지차를 내세워 일본에서 주목을 받았다.
구체적으로 '그린수소' 제조방법을 선보이면서 그 반대의 절차를 밟고 있는 셈이다. 화학식은 다음과 같다.
수소는 전기를 생산하면서 물(뜨거운 물이나 증기)을 생성할 수 있고, 환경에 부담을 주지 않는다는 점에서 평가할 수 있다. 반면, 이 방식은 발전 효율이 30~40%로 상대적으로 낮고, 촉매로 백금이 필요해 비용이 많이 든다.
현재 우리는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)와 인산형 연료전지(PAFC)를 사용하고 있습니다. 특히 연료전지차에는 PEFC가 사용되기 때문에 향후 보급도 기대해볼 수 있다.

수소 저장 및 운송은 안전한가요?

이제 수소가스가 어떻게 만들어지고 사용되는지 이해하셨으리라 생각합니다. 그러면 이 수소를 어떻게 저장하나요? 필요한 곳에서 어떻게 구하나요? 그 당시 보안은 어떻습니까? 설명하겠습니다.
사실 수소는 매우 위험한 원소이기도 합니다. 20세기 초 우리는 수소가 매우 가볍기 때문에 풍선, 풍선, 비행선을 하늘에 띄울 때 가스로 사용했습니다. 그러나 1937년 5월 6일 미국 뉴저지에서 '비행선 힌덴부르크 폭발'이 일어났다.
사고 이후 수소가스가 위험하다는 것이 널리 인식됐다. 특히 불이 붙으면 산소와 함께 격렬하게 폭발합니다. 그러므로 “산소를 멀리하라” 혹은 “열을 멀리하라”는 것이 필수적이다.
이러한 조치를 취한 후 배송 방법을 생각해 냈습니다.
수소는 상온에서 기체이기 때문에 기체이면서도 부피가 매우 큽니다. 첫 번째 방법은 탄산음료를 만들 때 높은 압력을 가해 실린더처럼 압축하는 것이다. 특수 고압탱크를 준비하여 45Mpa 등의 고압조건에서 보관합니다.
연료전지자동차(FCV)를 개발하는 토요타가 70MPa의 압력을 견딜 수 있는 수지형 고압 수소탱크를 개발하고 있다.
또 다른 방법은 -253°C까지 냉각해 액체수소를 만든 뒤 특수 단열탱크에 보관·운반하는 방법이다. 해외에서 천연가스를 수입할 때 LNG(액화천연가스)처럼 수소도 운송 과정에서 액화되어 기체 상태의 1/800로 부피가 줄어든다. 2020년에는 세계 최초로 액화수소 운반선을 완성했습니다. 하지만 이 방식은 냉각에 많은 에너지가 필요하기 때문에 연료전지 자동차에는 적합하지 않다.
이렇게 탱크에 보관하여 배송하는 방법도 있지만, 다른 수소 저장 방법도 개발하고 있습니다.
저장 방법은 수소 저장 합금을 사용하는 것입니다. 수소는 금속에 침투하여 금속을 열화시키는 성질을 가지고 있습니다. 1960년대 미국에서 개발된 개발팁입니다. JJ Reillyet al. 실험에 따르면 마그네슘과 바나듐의 합금을 사용하여 수소를 저장하고 방출할 수 있는 것으로 나타났습니다.
그 후 그는 자기 부피의 935배에 달하는 수소를 흡수할 수 있는 팔라듐과 같은 물질 개발에 성공했습니다.
이 합금을 사용하면 수소 누출사고(주로 폭발사고)를 예방할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 안전하게 보관하고 운반할 수 있습니다. 그러나 주의하지 않고 잘못된 환경에 방치할 경우 수소저장합금은 시간이 지나면서 수소가스를 방출할 수 있습니다. 자, 작은 불꽃이라도 폭발사고로 이어질 수 있으니 조심하세요.
또한, 수소흡수와 탈착이 반복되어 취성이 발생하고 수소흡수율이 감소하는 단점도 있다.
다른 하나는 파이프를 사용하는 것입니다. 배관의 취성을 방지하기 위해서는 비압축, 저압이어야 한다는 조건이 있지만, 기존 가스배관을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 도쿄가스는 도시가스 파이프라인을 이용해 연료전지에 수소를 공급하는 하루미 FLAG 건설공사를 진행했다.

수소에너지가 만들어가는 미래사회

마지막으로 수소가 사회에서 할 수 있는 역할을 생각해 봅시다.
더 중요한 것은 우리가 탄소 없는 사회를 촉진하기를 원한다는 것입니다. 우리는 열 에너지 대신 수소를 사용하여 전기를 생산합니다.
일부 가정에서는 대규모 화력 발전소 대신 천연가스를 개질하여 얻은 수소를 사용하여 필요한 전기를 생산하는 ENE-FARM과 같은 시스템을 도입했습니다. 그러나 개편과정의 부산물을 어떻게 처리할 것인지에 대한 문제는 남는다.

앞으로는 수소충전소를 늘리는 등 수소 자체의 순환이 늘어나면 이산화탄소를 배출하지 않고 전기를 이용하는 것이 가능해질 것이다. 전기는 그린수소를 생산하는 것은 물론, 햇빛이나 바람으로 생산된 전기를 이용한다. 전기분해에 사용되는 전력은 자연에너지로부터 잉여 전력이 있을 때 발전량을 억제하거나 2차 전지를 충전할 수 있는 전력이어야 한다. 즉, 수소가 이차전지와 같은 위치에 있는 것이다. 이렇게 되면 결국 화력발전량을 줄이는 것이 가능해질 것이다. 자동차에서 내연기관이 사라지는 날이 빠르게 다가오고 있습니다.

수소는 다른 경로를 통해서도 얻을 수 있습니다. 실제로 수소는 여전히 가성소다 생산의 부산물입니다. 무엇보다도 제철 과정에서 코크스 생산의 부산물입니다. 이 수소를 분포에 넣으면 여러 소스를 얻을 수 있게 됩니다. 이렇게 생산된 수소가스는 수소충전소에서도 공급된다.

좀 더 미래를 살펴보겠습니다. 전선을 이용해 전력을 공급하는 송전방식에서도 에너지 손실량이 문제가 된다. 따라서 앞으로는 탄산음료를 만들 때 사용하는 탄산탱크처럼 파이프라인을 통해 전달되는 수소를 활용하고, 집에 수소탱크를 구입해 모든 가정에 전기를 생산할 예정이다. 수소 배터리로 작동하는 모바일 장치가 일반화되고 있습니다. 그러한 미래를 보는 것은 흥미로울 것입니다.