차세대 에너지 수소에 대하여

탄소 중립적인 차세대 에너지원인 "수소"를 소개합니다. 수소는 "그린 수소", "블루 수소", "그레이 수소" 세 가지 유형으로 나뉘며, 각 유형은 생산 방식이 다릅니다. 또한 각 유형의 제조 방법, 원소로서의 물리적 특성, 저장/운송 방법, 그리고 사용 방법을 설명하고, 수소가 차세대 주요 에너지원인 이유도 소개합니다.

물의 전기분해를 통한 녹색 수소 생산

수소를 사용할 때는 어쨌든 "수소를 생산하는 것"이 ​​중요합니다. 가장 쉬운 방법은 "물을 전기분해하는 것"입니다. 아마 초등학교 과학 시간에 해봤을 겁니다. 비커에 물과 전극을 채웁니다. 배터리를 전극에 연결하고 전원을 공급하면 물과 각 전극에서 다음과 같은 반응이 일어납니다.
음극에서는 H+와 전자가 결합하여 수소 기체를 생성하고, 양극에서는 산소를 생성합니다. 이러한 접근 방식은 학교 과학 실험에는 적합하지만, 산업적으로 수소를 생산하려면 대량 생산에 적합한 효율적인 메커니즘을 개발해야 합니다. 바로 "고분자 전해질막(PEM) 전기분해"입니다.
이 방법에서는 수소 이온의 통과를 허용하는 고분자 반투과성 막을 양극과 음극 사이에 끼웁니다. 장치의 양극에 물을 부으면 전기분해로 생성된 수소 이온이 반투과성 막을 통과하여 음극으로 이동하여 수소 분자가 됩니다. 반면, 산소 이온은 반투과성 막을 통과할 수 없어 양극에서 산소 분자가 됩니다.
알칼리수 전기분해에서는 수산화 이온만 통과시키는 분리막을 통해 양극과 음극을 분리하여 수소와 산소를 생성합니다. 이 외에도 고온 증기 전기분해와 같은 산업용 방법도 있습니다.
이러한 공정을 대규모로 수행하면 대량의 수소를 얻을 수 있습니다. 이 과정에서 상당량의 산소(수소 생산량의 절반)도 생성되므로 대기 중으로 배출되어도 환경에 악영향을 미치지 않습니다. 그러나 전기분해에는 많은 전기가 필요하므로, 풍력 터빈이나 태양광 패널과 같이 화석 연료를 사용하지 않는 전기를 사용하면 탄소 배출이 없는 수소를 생산할 수 있습니다.
깨끗한 에너지를 이용해 물을 전기분해하면 '녹색 수소'를 얻을 수 있습니다.

이 친환경 수소를 대량 생산하기 위한 수소 발생기도 있습니다. 전해조 부분에 PEM을 사용하면 수소를 연속적으로 생산할 수 있습니다.

화석 연료로 만든 푸른 수소

그렇다면 수소를 만드는 다른 방법은 무엇일까요? 수소는 천연가스나 석탄 같은 화석 연료에 물이 아닌 다른 물질로 존재합니다. 예를 들어 천연가스의 주성분인 메탄(CH₄)을 생각해 보겠습니다. 여기에는 네 개의 수소 원자가 있습니다. 이 수소를 제거하면 수소를 얻을 수 있습니다.
이 중 하나는 증기를 사용하는 "증기 메탄 개질"이라는 공정입니다. 이 방법의 화학식은 다음과 같습니다.
보시다시피, 단일 메탄 분자에서 일산화탄소와 수소를 추출할 수 있습니다.
이러한 방식으로 천연가스와 석탄의 "수증기 개질" 및 "열분해"와 같은 공정을 통해 수소를 생산할 수 있습니다. "블루 수소"는 이러한 방식으로 생산된 수소를 의미합니다.
하지만 이 경우 일산화탄소와 이산화탄소가 부산물로 생성됩니다. 따라서 대기 중으로 방출되기 전에 재활용해야 합니다. 부산물인 이산화탄소는 회수되지 않으면 "회색 수소"라고 하는 수소 가스가 됩니다.

수소는 어떤 원소인가요?

수소의 원자번호는 1이고 주기율표의 첫 번째 원소입니다.
원자의 수는 우주에서 가장 많으며, 우주 전체 원소의 약 90%를 차지합니다. 양성자와 전자로 구성된 가장 작은 원자는 수소 원자입니다.
수소는 핵에 중성자가 결합된 두 개의 동위원소를 가지고 있습니다. 중성자 결합을 한 "중수소" 하나와 중성자 결합을 한 "삼중수소" 두 개입니다. 이 두 동위원소는 핵융합 발전에도 사용됩니다.
태양과 같은 별의 내부에서는 수소에서 헬륨으로 핵융합이 일어나고 있으며, 이것이 별이 빛날 수 있는 에너지원입니다.
그러나 지구상에서는 수소가 기체로 존재하는 경우가 거의 없습니다. 수소는 물, 메탄, 암모니아, 에탄올과 같은 다른 원소들과 화합물을 형성합니다. 수소는 가벼운 원소이기 때문에 온도가 상승함에 따라 수소 분자의 이동 속도가 빨라지고 지구 중력을 벗어나 우주 공간으로 빠져나갑니다.

수소는 어떻게 사용하나요? 연소를 통해 사용하세요

그렇다면 차세대 에너지원으로 전 세계적으로 주목받고 있는 "수소"는 어떻게 활용될까요? 수소는 크게 "연소"와 "연료 전지" 두 가지 방식으로 활용됩니다. 먼저 "연소"의 활용부터 살펴보겠습니다.
연소에는 두 가지 주요 유형이 사용됩니다.
첫 번째는 로켓 연료입니다. 일본의 H-IIA 로켓은 극저온 상태의 수소 기체인 "액체 수소"와 "액체 산소"를 연료로 사용합니다. 이 두 가지를 결합하면 발생하는 열에너지가 생성된 물 분자를 우주로 빠르게 분사합니다. 하지만 기술적으로 어려운 엔진이기 때문에 일본을 제외하고는 미국, 유럽, 러시아, 중국, 인도만이 이 연료를 결합하는 데 성공했습니다.
두 번째는 발전입니다. 가스터빈 발전 역시 수소와 산소를 결합하여 에너지를 생성하는 방식을 사용합니다. 다시 말해, 수소가 생성하는 열에너지를 이용하는 방식입니다. 화력 발전소에서는 석탄, 석유, 천연가스를 연소시켜 발생하는 열로 증기를 생성하고, 이 증기가 터빈을 구동합니다. 수소를 열원으로 사용하면 탄소 중립 발전소가 됩니다.

수소를 연료 전지로 사용하는 방법

수소를 활용하는 또 다른 방법은 수소를 직접 전기로 변환하는 연료 전지입니다. 특히 도요타는 지구 온난화 대책의 일환으로 가솔린 차량의 대안으로 전기차(EV) 대신 수소 연료 차량을 홍보하며 일본에서 주목을 받고 있습니다.
구체적으로, "그린 수소" 제조법을 소개할 때는 역순으로 진행합니다. 화학식은 다음과 같습니다.
수소는 전기를 생산하는 동시에 물(온수 또는 증기)을 생성할 수 있으며, 환경에 부담을 주지 않는다는 점에서 높은 평가를 받고 있습니다. 반면, 이 방식은 발전 효율이 30~40%로 상대적으로 낮고, 촉매로 백금을 사용해야 하므로 비용이 증가한다는 단점이 있습니다.
현재 고분자전해질 연료전지(PEFC)와 인산형 연료전지(PAFC)를 사용하고 있습니다. 특히 연료전지 자동차는 PEFC를 사용하므로 향후 보급이 확대될 것으로 예상됩니다.

수소의 저장 및 운송은 안전한가?

이제 수소 가스의 생성 및 사용 방법을 이해하셨으리라 생각합니다. 그렇다면 이 수소는 어떻게 저장할까요? 필요한 곳으로 어떻게 운반할까요? 그 당시의 보안은 어떻게 될까요? 저희가 설명해 드리겠습니다.
사실 수소는 매우 위험한 원소이기도 합니다. 20세기 초, 우리는 수소를 기체로 사용하여 풍선, 기구, 비행선을 하늘에 띄웠습니다. 수소는 매우 가벼웠기 때문입니다. 그러나 1937년 5월 6일 미국 뉴저지에서 "비행선 힌덴부르크 폭발"이 발생했습니다.
사고 이후 수소 가스가 위험하다는 사실이 널리 알려졌습니다. 특히 불이 붙으면 산소와 함께 격렬하게 폭발합니다. 따라서 "산소로부터 멀리하십시오" 또는 "열로부터 멀리하십시오"는 필수적입니다.
이러한 조치를 취한 후, 우리는 배송 방법을 생각해냈습니다.
수소는 실온에서 기체이기 때문에 기체이기는 하지만 부피가 매우 큽니다. 첫 번째 방법은 탄산음료를 만들 때 고압을 가하고 실린더처럼 압축하는 것입니다. 특수 고압 탱크를 준비하여 45Mpa와 같은 고압 조건에서 보관합니다.
연료전지차(FCV)를 개발하는 토요타는 70MPa의 압력을 견딜 수 있는 수지 고압 수소 탱크를 개발하고 있습니다.
또 다른 방법은 -253°C까지 냉각하여 액체 수소를 만들고, 특수 단열 탱크에 저장 및 운송하는 것입니다. 천연가스를 해외에서 수입할 때 LNG(액화천연가스)와 마찬가지로 수소는 운송 과정에서 액화되어 부피가 기체 상태의 1/800로 줄어듭니다. 2020년에는 세계 최초로 액체 수소 운반체를 개발했습니다. 그러나 이러한 방식은 냉각에 많은 에너지가 필요하기 때문에 연료전지 차량에는 적합하지 않습니다.
이런 식으로 탱크에 저장하고 운송하는 방법이 있지만, 우리는 다른 수소 저장 방법도 개발하고 있습니다.
수소 저장 방법은 수소 저장 합금을 사용하는 것입니다. 수소는 금속을 관통하여 부식시키는 특성을 가지고 있습니다. 이는 1960년대 미국에서 개발된 기술입니다. JJ Reilly 외 연구진은 마그네슘과 바나듐 합금을 사용하여 수소를 저장하고 방출할 수 있다는 것을 실험을 통해 보여주었습니다.
그 후 그는 팔라듐과 같이 자신의 부피의 935배에 달하는 수소를 흡수할 수 있는 물질을 개발하는 데 성공했습니다.
이 합금을 사용하면 수소 누출 사고(주로 폭발 사고)를 예방할 수 있다는 장점이 있습니다. 따라서 안전하게 보관 및 운반할 수 있습니다. 하지만 부주의하게 부적절한 환경에 방치하면 수소 저장 합금에서 시간이 지남에 따라 수소 가스가 방출될 수 있습니다. 작은 불꽃이라도 폭발 사고를 유발할 수 있으므로 주의하십시오.
또한, 수소 흡수 및 탈착을 반복하면 취성이 발생하고 수소 흡수 속도가 감소하는 단점이 있습니다.
다른 하나는 파이프를 사용하는 것입니다. 파이프의 취성을 방지하기 위해 비압축 저압이어야 한다는 조건이 있지만, 기존 가스관을 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 도쿄가스는 하루미 FLAG에서 도시가스 파이프라인을 이용하여 연료 전지에 수소를 공급하는 공사를 진행했습니다.

수소에너지가 만드는 미래사회

마지막으로 수소가 사회에서 어떤 역할을 할 수 있는지 생각해 보겠습니다.
더 중요한 것은 우리가 탄소 배출이 없는 사회를 촉진하고자 한다는 것입니다. 우리는 열 에너지 대신 수소를 사용하여 전기를 생산합니다.
일부 가구에서는 대규모 화력 발전소 대신 천연가스를 개질하여 얻은 수소를 이용하여 필요한 전기를 생산하는 ENE-FARM과 같은 시스템을 도입했습니다. 그러나 개질 과정에서 발생하는 부산물을 어떻게 처리할지에 대한 문제는 여전히 남아 있습니다.

앞으로 수소 충전소를 늘리는 등 수소 자체의 순환이 증가하면 이산화탄소를 배출하지 않고 전기를 사용할 수 있게 될 것입니다. 전기는 당연히 친환경 수소를 생산하므로 태양광이나 풍력으로 생산된 전기를 사용합니다. 전기분해에 사용되는 전력은 발전량을 억제하거나 자연 에너지에서 남는 전력이 있을 때 충전지를 충전하는 전력이어야 합니다. 즉, 수소는 충전지와 같은 위치에 있게 됩니다. 이렇게 되면 결국 화력 발전량을 줄일 수 있게 될 것입니다. 내연기관이 자동차에서 사라지는 날이 빠르게 다가오고 있습니다.

수소는 다른 경로를 통해서도 얻을 수 있습니다. 사실 수소는 여전히 가성소다 생산의 부산물입니다. 특히 제철 과정에서 코크스를 생산하는 과정에서도 수소가 생성됩니다. 이 수소를 유통 과정에 투입하면 여러 공급원을 확보할 수 있습니다. 이렇게 생산된 수소가스는 수소 충전소에서도 공급됩니다.

미래를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 전선을 사용하여 전력을 공급하는 송전 방식에서도 손실되는 에너지의 양이 문제입니다. 따라서 미래에는 탄산음료 제조에 사용되는 탄산 탱크처럼 파이프라인을 통해 공급되는 수소를 활용하고, 각 가정에 수소 탱크를 설치하여 전기를 생산하게 될 것입니다. 수소 배터리로 작동하는 모바일 기기가 보편화되고 있습니다. 이러한 미래를 보는 것은 흥미로울 것입니다.