수소 가스 제조법: 친환경적인 미래를 위한 다양한 생산 방식

수소 가스는 지구상에서 가장 풍부한 원소 중 하나이지만, 단독으로 존재하기보다는 화합물 형태로 존재합니다. 따라서 수소 가스를 얻기 위해서는 다양한 분리 및 생산 공정을 거쳐야 합니다. 다음은 주요 수소 가스 제조법입니다.

 

1. 수전해 (Water Electrolysis): 가장 친환경적인 수소 생산 방식

수전해는 물(H₂O)에 전기를 가해 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해하는 방식입니다. 이 방식은 전기 에너지원을 무엇으로 사용하느냐에 따라 "그린 수소" 생산의 핵심이 됩니다.

• 원리: 물 분자에 전극을 넣고 전류를 흘려주면, 양극에서는 산소가, 음극에서는 수소가 발생합니다.
• 장점:
  • 친환경적: 재생 에너지(태양광, 풍력 등)를 사용하여 전기를 생산할 경우, 탄소 배출이 전혀 없는 "그린 수소"를 생산할 수 있습니다.
  • 고순도 수소 생산: 상대적으로 높은 순도의 수소를 얻을 수 있습니다.
  • 탄소 포집 불필요: 이산화탄소 배출이 없으므로 별도의 탄소 포집 설비가 필요 없습니다.
• 단점:
  • 높은 초기 투자 비용: 설비 구축에 많은 비용이 소요됩니다.
  • 전력 소비량: 대량 생산을 위해서는 많은 양의 전력이 필요합니다.
• 주요 기술:
  • 알칼라인 수전해 (AEL): 가장 오래되고 상업화된 기술로, 비교적 저렴합니다.
  • 고분자 전해질 연료전지 (PEMEL): 효율이 높고 부하 변동에 빠르게 반응하여 재생 에너지 연동에 유리합니다.
  • 고체산화물 수전해 (SOEC): 고온에서 작동하여 효율이 높고, 열원 활용이 가능합니다.

2. 천연가스 개질 (Steam Methane Reforming, SMR): 현재 가장 보편적인 수소 생산 방식

천연가스 개질은 고온의 수증기와 천연가스(메탄, CH₄)를 반응시켜 수소와 이산화탄소를 생산하는 방식입니다. 현재 전 세계 수소 생산의 대부분을 차지하는 가장 일반적인 방법입니다.

• 원리: CH4​+2H2​O→CO2​+4H2​ (고온, 촉매 존재)
• 장점:
  • 경제성: 현재까지 가장 경제적인 수소 생산 방식입니다.
  • 대량 생산 용이: 대규모 생산이 가능합니다.
• 단점:
  • 탄소 배출: 이산화탄소를 배출하므로, "그레이 수소"로 분류됩니다.
  • 탄소 포집 및 저장 (CCS) 필수: 이산화탄소 배출 문제를 해결하기 위해 CCS 기술과 연계될 경우 "블루 수소"가 됩니다.
• 적용: 주로 정유, 암모니아 생산 등 산업용 수소 생산에 사용됩니다.

3. 나프타 및 석유계 부산물 개질: 산업 부산물을 활용한 수소 생산

정유 과정에서 발생하는 나프타나 기타 석유계 부산물을 이용하여 수소를 생산하는 방식입니다. 천연가스 개질과 유사하게 이산화탄소를 배출합니다.

• 장점: 기존 정유 시설과의 연계를 통해 효율적인 생산이 가능합니다.
• 단점: 탄소 배출 문제가 존재합니다.

4. 부생수소 (By-product Hydrogen): 산업 공정에서 발생하는 수소

제철소의 코크스 오븐 가스(COG), 석유화학 공정 등 일부 산업 공정에서 부산물로 수소가 발생합니다. 이를 회수하여 활용하는 방식입니다.

• 장점:
  • 경제성: 이미 발생한 가스를 활용하므로 생산 비용이 낮습니다.
  • 자원 재활용: 버려질 수 있는 자원을 재활용하는 효과가 있습니다.
• 단점: 생산량에 한계가 있으며, 순도가 낮을 수 있어 추가적인 정제 과정이 필요할 수 있습니다.

5. 바이오매스 가스화 (Biomass Gasification): 재생 가능한 자원을 활용한 수소 생산

바이오매스(유기성 폐기물, 농업 잔재물 등)를 고온에서 가스화하여 수소를 생산하는 방식입니다.

• 장점:
  • 탄소 중립 가능성: 바이오매스가 성장하면서 흡수한 탄소를 다시 배출하므로 이론적으로 탄소 중립적입니다.
  • 폐기물 활용: 폐기물을 에너지원으로 활용할 수 있습니다.
• 단점:
  • 생산 효율 및 경제성: 아직 상업화 단계에서 기술적, 경제적 한계가 존재합니다.
  • 수소 순도: 생산되는 수소의 순도가 낮을 수 있습니다.

수소 가스의 사용 용도: 무궁무진한 활용 가능성

수소 가스는 그 자체로 뛰어난 에너지원이며, 다양한 산업 분야에서 핵심적인 역할을 수행합니다.

1. 연료전지 (Fuel Cell) 발전: 차세대 에너지 솔루션

수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기와 열을 생산하는 장치입니다. 연료전지는 수소의 가장 주목받는 활용처 중 하나입니다.

• 수소차 (Fuel Cell Electric Vehicles, FCEV): 수소 연료전지를 이용하여 전기를 생산하고 모터를 구동하는 친환경 자동차입니다. 물만 배출하여 대기 오염이 없습니다.
• 건물용/가정용 연료전지: 분산 전원으로서 건물이나 가정에 전력과 열을 공급하여 에너지 자립도를 높입니다.
• 발전용 연료전지: 대규모 발전에 활용되어 안정적인 전력 공급에 기여합니다. (수소 발전)
• 드론, 선박, 열차 등 다양한 모빌리티: 수소 연료전지의 적용 범위가 점차 확대되고 있습니다.

2. 산업용 원료: 화학 산업의 핵심

수소는 오랜 기간 다양한 산업에서 필수적인 원료로 사용되어 왔습니다.

• 암모니아 생산: 비료의 주성분인 암모니아(NH3​)는 수소와 질소의 합성으로 만들어집니다. (N2​+3H2​→2NH3​)
• 정유 산업: 원유 정제 과정에서 황 성분 제거(탈황) 및 중질유 분해(수소첨가분해)에 사용됩니다.
• 철강 산업 (수소환원제철): 기존 탄소 기반의 환원제를 대체하여 수소를 사용함으로써 이산화탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 기술입니다.
• 메탄올 생산: 연료 및 화학 산업의 중요한 원료인 메탄올(CH3​OH) 생산에 수소가 사용됩니다.
• 반도체 제조: 반도체 공정에서 환원 분위기 조성 및 불순물 제거 등에 사용됩니다.

3. 에너지 저장 및 운송: 재생 에너지의 간헐성 보완

재생 에너지(태양광, 풍력)는 발전량이 일정하지 않다는 단점이 있습니다. 이때 남는 전력을 수소로 변환하여 저장하고, 필요할 때 다시 전기로 변환하거나 다른 용도로 활용할 수 있습니다.

• Power-to-Gas (P2G): 재생 에너지로 생산된 전기를 이용하여 수전해를 통해 수소를 생산하고, 이를 저장하거나 도시가스망에 혼입하여 활용합니다.
• 수소 운송: 생산된 수소를 파이프라인, 튜브트레일러, 액화수소선박 등을 통해 수요처로 운송합니다.

4. 수소 혼소/전소 발전: 기존 발전 인프라 활용

기존 가스터빈 발전소에 수소를 혼합하여 연소하거나(수소 혼소), 100% 수소만 연소하여 발전하는 기술입니다. 이는 기존 발전 인프라를 활용하면서도 탄소 배출을 줄일 수 있는 현실적인 대안으로 주목받고 있습니다.

결론

수소 가스는 다양한 제조법을 통해 생산될 수 있으며, 각각의 방식은 경제성, 환경성 측면에서 장단점을 가집니다. 특히 재생 에너지를 활용한 수전해를 통한 "그린 수소" 생산은 탄소 중립 사회로의 전환을 위한 핵심 기술로 부상하고 있습니다.

제조된 수소는 연료전지를 통한 전력 생산, 산업용 원료, 에너지 저장 및 운송 등 무궁무진한 용도로 활용될 수 있습니다. 이러한 수소의 광범위한 활용 가능성은 전 세계가 지향하는 탄소 중립 및 지속 가능한 에너지 시스템 구축에 필수적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 수소 경제는 단순히 에너지 문제를 넘어 산업 구조와 우리의 삶을 변화시킬 거대한 패러다임 전환의 중심에 있습니다.