[강의] 글로벌 탄소중립을 위한 수소에너지 산업 현황과 한계_윤창원 교수

수소 에너지 (출처: Flickr)

기후변화를 위한 재생에너지 사용이 강조되고 있다. 동시에 재생에너지를 어떻게 우리의 일상에서 효율적으로 활용할 수 있을지에 대한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 그중에 하나가 수소에너지로의 변환과 이용이다. 

현대자동차에서 수소자동차를 상용화하고 판매하고 있지만 아직까지 일상에서 체감하기에는 거리가 있다. 그래서 윤창원 교수의 수소에너지 산업 현황에 대한 강의는 아주 유익했다. 수소에너지의 생성부터 사용까지 각 단계별 현황과 극복해야 할 부분에 대해 잘 정리했다. 

윤창원 교수의 강의 내용을 정리해서 포스팅한다.

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북극과 남극의 변화

노르웨이 스발바르 제도에서 촬영한 북극 사진을 보면 빙하의 소실을 볼 수 있다.

Norway's svalbard archipelago (출처: Picryl)

남극의 생태계에도 변화가 있다. 2022년 스마일리섬의 황제펭귄 서식지를 10월 21일, 10월 28일, 12월 3일 연속 촬영한 사진을 보면 서식지가 파괴되는 것을 볼 수 있다.

전 세계 기후이상의 원인

이산화탄소의 변화 트렌드를 보자. 100만 년 동안 대기 중의 이산화탄소는 300ppm을 넘은 적이 없었다. 현재는 420ppm 수준으로 존재한다. [Ice Core Data]

연도별 이산화탄소 농도 (출처: Wikimedia Commons)

기후이상의 원인에 대한 인간 책임 여부 결론

• IPCC 1차 1990 인간책임?
• IPCC 2차 1995 이유의 하나
• IPCC 3차 2001 66% 이상
• IPCC 4차 2007 90% 이상
• IPCC 5차 2014 95% 이상
• IPCC 6차 2022 인간 책임 명백하다

전 세계 CO2 배출량이 1850년부터 2021년까지 급속도로 증가했다. 특히 중국과 인도가 증가 추세다.

글로벌 탄소중립의 시급성 "Now or Never" 

지구표면 온도 증가를 1.5℃ 이하로 하지 않으면 큰일 난다.

유엔 산하 기구 '세계기상기구(WMO)'의 경고 "2027년 안에 지구 평균 기온이 66%의 확률로 1.5℃ 기준점을 넘을 것" ('23.5.17)

 

How to Achieve "Net-Zero"?

1. 탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS)

Capture : 흡습법/흡착법/약분리법/심냉법
Transport(이송) : 파이프라인/선박/탱크로리
Storage(저장)

2. 재생에너지 생산 및 사용 증가

재생에너지 생산과 수요의 지리학적 불일치가 문제다. 태양광이 유리한 곳은 인구밀도가 낮아 80%의 재생에너지를 버리고 있다. 유럽이나 미국의 인구밀도가 높은 지역은 여전히 화석연료를 써야 한다. 중동, 북아프리카, 호주 등에서 남는 잉여전력을 필요한 지역으로 이송할 수 있어야 한다.

CCS (출처: Flickr)

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수소에너지 특징

수소는 전도유망한 재생에너지 캐리어다. 특징은 아래와 같다. 

• 단위무게당 에너지저장 밀도가 가솔린 디젤(~40MJ/kg) 대비 120으로 높다.
• 사용  후에는 물밖에 나오지 않는다.
• 부피대비 에너지 저장밀도(kWh/L)는 수소 0.5~2.5로 가솔린디젤 9~10보다 아주 낮다.
• 가장 가벼운 물질이라 액상형태로 바꿀 필요가 있다.

수소는 질량기준으로 우주의 75%를 구성하는 가장 흔한 원소다. 하지만 지구 대기 중에는 0.5ppm만 차지하며, 대부분 물과 같은 화합물의 형태로 존재하므로 화학반응을 통해 수소를 추출하여 사용해야 한다. 현재는 지구가 고온고압으로 화석연료를 만들어준 것을 가져다 쓰고 있다. 하지만 수소는 화학반응으로 만들어야 하므로 비싸다.

액상수소 저장 운송 방법

1. 극저온(-253℃) 액체 수소 (단기 보관 가능)

액화수소 운반선 (출처: Wikimedia Commons)

특징은 아래와 같다.

• 부피가 800분의 1로 감소
• 운송 후 바로 사용 가능
• 온도를 낮추는 데 굉장히 많은 에너지가 소모
• 수소액화 플랜트가 필요
• 깨끗한 전기로 수소를 만들거나 천연가스로 수소를 만들어 바로 액체로 만든다.
• 수소 운송한 뒤에 수소 활용처에서 사용한다.

하지만 한계점이 있다.

• 대용량 수소액화 기술이 필요
• 액화수소 선적기지를 위해 수소 항만 건축이 필요
• 액화수소 운송선 개발(Boil-Off Gas)
   * 외부에서 열이 조금씩 들어가면 액체수소가 뽀글뽀글 기체로 손실될 수 있다.
• 액체수소 인수기지 수소항만 필요

2. 액상 수소 캐리어 : LOHC Liquid Organic Hydrogen Carrier

• 상온에서 안정한 액체 (장기 보관 가능)
• 높은 부피대비 수소저장용량
• LOHC 변환 시 수소기체 대비 부피가 500분의 1 이하로 감소. 액체수소의 800분의 1보다는 낮다
• 상대적으로 높은 무게 대비 수소저장용량
• 우수한 가역성 (반복적 수소화-탈수소화 사이클).
• 현존하는 화석연료 저장 운송 인프라 사용 가능하여 경제적인 수소 저장운송 가능

하지만 역시 한계점이 있다.

• 대용량 수소저장 기술 (LOHC + H2 ->LOHC-H2)
• 대용량 고효율 수소추출 플랜트 관련기술 개발이 이 분야의 핵심

3. 암모니아: C를 포함하지 않은 무기화합물

• 현존하는 인프라 이용한 경제적 저장 및 이송
• 매우 높은 무게 및 부피대비 수소저장용량
• 암모니아로 액화 시 수소기체 대비 부피가 1370분의 1로 감소
• 탈수소화 반응 후 질소만 배출 (CO2 배출 무)
• 암모니아 재생은 하버-보쉬 공정법이 이미 확립되어 있음

한계점은 상용화를 위한 암모니아에서 대용량, 고효율 수소추출 기술 (2NH3 -> N2 +3H2)이 필요하다.

(출처: The Northern Times)

수소의 안전성

수소는 안전관리 노하우가 이미 축적된 분야다. 다양한 산업에서 수십 년간 사용하고 있다. 수소폭발 가능성을 보자.

첫째, 물리적 폭발에 대해서는 수소저장용기 등의 균열 등으로 폭발할 수 있는데 철보다 10배 강한 화학 섬유로 만들어서 예방한다.
둘째, 화학적 폭발은 연소 반응으로 누출될 경우인데 발화원 3 요소가 충족되었을 경우 발생한다. 연료별 상대적 위험도도 수소가 도시가스, LPG, 가솔린보다 낮다.

수소는 수소폭탄?

수소는 일반적인 수소(99.9% 이상), 중수소(중성자 1) 및 삼중수소(중성자 2) 세 가지로 구분된다. 핵분열이나 핵융합에서 중수소, 삼중수소가 관련되며 질량 변화가 에너지로 발산하는 것이다. 우리가 사용하는 것은 일반적인 수소다.

수소산업 밸류체인

1. 수소생산

• 그레이수소 : 천연가스 등 화석연료 개질. 수소생산으로 CO2 발생
• 블루수소 : 위와 동일한데 CCUS 기술을 사용
• 그린수소 : 물을 사용해서 재생에너지 기반으로 수소와 산소 발생, CO2 미발생

2. 수소분류 : 블랙, 화이트, 그레이, 청록( 천연가스 열화학분해하면 H2+C(고체), CO2 미발생), 퍼플/핑크(원자력으로 전기분해한 수소), 옐로, 그린, 블루 등

3. 수소 생산기술

• Linde가 개발 천연가스 개질
• AIR PRODUCT사 CH4+2H2O →(CO2) 포집 + 4H2
• monolith사 청록수소 CH4 → C(고체) + 2H2
• 수전해기술(2H2O(l) →O2(g)+2H2(g))
  ㄴ 저온수전해(ALK, PEM, AEM)- 100도 이하에서 구동
  ㄴ 고온수전해(SOEC)-700도 부근에서 작동. 동일한 전력을 공급할 때 효율이 좋아 더 많은 수소를 얻을 수 있다. 

수소 밀도는 압력을 올린다고 선형으로 증가하지 않는 물리적 수소저장의 한계가 있다.

각국의 수소 관련 활동을 보면 아래와 같다.

• 일본의 해외 수소공급망 구축 시나리오를 보면 안정적 수소공급망 구축 위해 각 지역에서 다양한 방법으로 들여온다. 일본 (석탄+NH3) 혼소발전으로 CO2 배출하지 않겠다.
  . 일본 JERA(일본 발전사) IHI는 혼소발전 추진 중.
  . 일본 (LNG+NH3) 혼소발전 : IHI 요코하마 공장
• 독일 LOHC 연구 개발 : LOHC 연료 자동차
• 미국 NH3 기반 재생에너지 캐리어.
  . 미국 Long Ridge Energy 수소혼소발전 가동 중.
• 호주 수소저장-추출(NH3→H2) 기술