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개질수소
개질수소(改質水素, reformed hydrogen)는 천연가스(CH₄)를 역으로 전기분해하여 얻어낸 수소를 말한다. 천연가스에서 수소를 얻어내기 위한 과정에서 전기분해를 위한 엄청난 전기에너지가 소모되며, 또 이러한 에너지는 화석연료(CH₄)를 발전하여 만들어낸다. 한마디로 개질수소는 천연가스를 위한, 천연가스를 이용한 수소이다.
개질수소의 장단점
개질수소의 경우 현재 1t을 생산하는 데 이산화탄소 약 10t이 배출되는 것으로 알려졌다. 부생수소, 개질수소 모두 온실가스인 이산화탄소 배출이 많아 '회색수소'로 불린다. 개질수소를 비판하는 사람들은, "천연가스에서 수소를 추출하면 발열손실 60%, 송전손실 4%가 발생해 전체 에너지의 35%만 사용된다"며 "천연가스와 전기를 그냥 쓰면 이것보다 효율이 높은데, 굳이 수소로 전환하면서 에너지 손실이 꽤 크게 발생한다"고 주장한다.
수소연료는 천연가스보다 3배의 연료 효율을 보인다. 회색수소 단계는 그린수소로 나아가기 위한 필수적 과정이라는 입장이다. 전 세계적으로 물에서 수소를 분해하는 그린수소는 현재 기술개발이 안 되어 있고 상업성이 떨어진다. 독일, 일본 등 선진국들이 그린수소 개발을 선도하는 가운데, 개질수소가 회색수소라는 이유로 손놓고 아무것도 하지 않으면 에너지 경쟁력 저하로 결국에는 더 어려운 상황에 직면할 수 있다는 반론도 있다.
개질수소의 경우 대한민국에 대형 추출기가 없다는 비판이 있지만 현재 현대로템㈜ 등 기업들이 뛰어들면서 경쟁력을 쌓고 있다. 개질수소 생산 과정에서 나오는 이산화탄소를 저장하거나, 산업에 활용하는 '블루수소' 등 대안적 기술도 있다.
2021년 5월 탄소배출을 동반하는 부생수소와 개질수소 글로벌생산량은 연7000만톤, 시장규모는 1500억 달러에 이른다.[1][2]
천연가스 개질
개질(reforming)이란 촉매 반응을 이용하여 탄화수소(메탄) 연료를 수소를 포함하는 가스로 전환하는 과정을 의미하여 이때 생산된 수소 함유 가스를 합성 가스 또는 개질가스라 부른다.
천연가스 개질에는 SMR(Steam Methane Reforming; 증기메탄개질) 기술이 2020년 현재 가장 저렴한 수소 생산 방법으로 정착되어 활용되고 있다. SMR을 통해 천연가스(CH₄)에서 H₂와 CO 또는 CO₂를 분리하게 되며, CCS를 적용할 경우, 화석연료 기반의 청정 수소(Blue Hydrogen)로 전환할 수 있다. 천연가스 개질기술에는 자열식(ATR; autothermal reforming), 수첨해(using water as an oxidant and a source of hydrogen), 산화법(partial oxidation: using oxygen in the air as the oxidant) 등이 있다. ATR은 화석에너지(천연가스 등 탄화수소)원에서 수소를 추출하기 위해 개발된 기법으로, 원료물질에 산소와 증기를 공급하여 탄화수소 일부를 산화시킨 후, 촉매 개질을 거쳐 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 구성된 합성가스를 생산하고, 이후 합성가스에서 CO 및 CO₂를 분리하여 순수 수소를 생산하는 방식이다.
2018년 수소 생산에 투입된 천연가스 규모는 205bcm(세계 천연가스 소비: 6%)에 달하였으며, 수소 생산에서 개질수소의 비중은 76%에 달하였다.
미국, 유럽국가 등 세계 주요 국가의 수소 생산은 천연가스 개질(SMR·ATR 등)을 통해 이루어지고, 특히, 천연가스 공급여건이 좋은 국가들이 높은 생산 역량을 보유하고 있다.
- 2020년 미국은 10백만톤(MtH₂)(1차에너지 소비의 1%) 규모의 수소를 생산하며(기존 천연가스 인프라 활용), 대규모 중앙집중식 천연가스 개질(SMR) 설비를 통해 수소의 95%를 생산하고 있다.
- - (생산기술) 천연가스 개질(SMR)은 가장 일반적인 수소 생산방식으로 세계적으로 경제성과 대규모 수소 생산 기반에 적합한 기술로 평가되고 있다.
- - (주요 활용부문) 개질수소는 석유 정제·화학 산업의 중간원료(feedstocks)로 사용되어 주로 암모니아(Ammonia) 및 메탄(Methane)으로 전환되었다.
- SMR(Steam Methane Reforming; 증기메탄개질)
메탄을 개질하는 방식은 크게 수증기를 사용하는 방법, 산소를 이용하는 방법으로 크게 구분될 수 있다. 전자는 수증기개질이며 메탄을 비교적 고온(600~800℃)에서 수증기와 반응시킨다. 후자는 부분산화라고 하며 공기에서 산소를 분리 후 이를 약 400~500℃ 정도에서 메탄과 반응시킨다. 수증기개질 및 부분산화에 의해서 메탄은 수소와 일산화탄소의 혼합가스인 합성가스로 전환되며, 이 중 일산화탄소에 다시 수증기를 가해 일산화탄소를 다시 수소를 전환하는 수성전환반응이 진행돼 부가적인 수소와 약간의 이산화탄소가 생성된다. 최종적으로 생성된 가스는 분리 및 정제하여 고순도의 수소를 생산하게 된다.
현재 메탄 개질은 대부분 수증기개질 방식을 사용하게 되는데, 이는 오랫동안 화학공업에서 중요한 메탄올 및 암모니아 합성 시 필요한 기초 원료인 합성가스를 메탄 즉 천연가스 개질로부터 생산해 왔고, 이 때문에 이에 대한 공정 개발 및 개선이 오랜 동안 진행되어 왔기 때문이다.
그러나 수증기개질을 위해서는 고온의 온도가 필요하여 이는 곧 에너지 소모가 많다는 의미로 또한 처음 시작 시점부터 수소가 생산되는 시점까지 초기 가동시간이 많다는 단점이 있으므로, 이를 개선하기 위한 공정 최적화 또한 필요하다는 숙제를 안고 있다.[3]
국내 현황
국내의 수소 생산의 대부분은 화학공정 등에서 부산물로 나오는 부생수소인데 이 부생수소는 대부분 회수하여 공정에 재사용되며, 극히 일부만이 파이프라인이나 튜브트레일러에 20㎫(200bar) 정도 압축돼 유통되고 있다. 그러나 수소는 단위 부피당 무게가 가장 가벼운 기체이기 때문에 튜브트레일러 1개의 모듈로는 약 200㎏의 수소의 저장·운송만이 가능하다.
이로 인해 부생수소가 생산되고 있는 지역(울산, 여수, 서산(대산))외에는 운송료 부담으로 인해 실제 수소판매가격이 비싸지게 된다. 이 점 때문에 수소를 필요로 하는 산업은 대부분 부생수소가 나오는 울산 등 화학단지에 위치해, 필요한 수소를 파이프라인으로 공급받아 사용한다. 그러나 이외 지역에서는 튜브트레일러를 통해서 수소를 공급받아 사용할 수밖에 없어 운송료 부담이 큰 편이다.
이런 수소사용의 문제를 해결하기 위해서 도시가스 배관이 연결된 곳 혹은 바이오가스가 생산되는 곳에 소규모의 개질기를 설치하여 현지에서 직접 수소를 생산하고, 공급하는 온사이트 수소생산 방식이 하나의 전략이 될 수 있다.
이 같은 목적을 위해서 시간당 약 100~ 300N㎥의 수소를 생산할 수 있는 개질기 설계·제작이 필요하며, 전통적인 개질기 설계와 비교해서 그 설치 공간이 제한적이므로 개질기, 수소정제장치 등을 하나로 패키지화하는 특별한 설계·제작 기술이 요구된다.
현재 현지생산형 개질기술 및 개질기는 주로 일본과 한국을 중심으로 개발돼 실증 운전 중이다. 일본의 경우 오사카가스에서 'Hyserve'라는 상표명으로 시간 당 30·100·300N㎥ 생산이 가능한 천연가스 개질기를 개발해 상용화 했다. 또 미쓰비시 화공기계(MKK)에서도 'Hygeia'라는 상표명으로 시간 당 50·100·200N㎥ 생산이 가능한 천연가스 개질기를 내놓고 있다.
국내는 서울 상암동 노을공원 주변에서 발생하는 매립지가스를 정제하여 바이오메탄을 생산 후 이를 개질해 수소를 생산·저장 후 수소차에 공급하는 상암 수소충전소가 운영 중이다. 상암 수소충전소에서 바이오메탄 개질에 사용되는 개질기는 SK energy에서 설계한 것으로 시간 당 30N㎥의 수소를 생산할 수 있다.
가스공사 가스연구원에서는 30N㎥/h의 수소생산이 가능한 개질기를 설계·제작해 인천 송도 인수기지 내에 수소 및 HCNG(수소와 천연가스를 혼합 후 압축한 가스) 충전소를 설치하여 실증운전을 수행하고 있다.
또 제이엔케이히터㈜에서는 국가 R&D과제의 지원으로 시간 당 300N㎥의 수소생산이 가능한 개질기 설계 및 제작 완료 후 한국과학기술연구원에 설치하여 실증운전을 수행한 바 있다.
또한 'HIIS'라는 상표명으로 시간 당 120N㎥ 의 수소 생산이 가능한 천연가스 개질기를 자체기술로 설계 및 제작 완료하여 충남 당진공장 내에서 성능시험 중이며, 이를 올해 4월까지 천연가스 개질 방식의 온사이트형 수소충전소를 구축해, 국내 최초로 상용운전 할 계획이다. 또한 240N㎥/h의 수소생산이 가능한 개질기의 설계·제작이 진행 중이며, 오는 6월에 최근 경남 창원 성주동 수소충전소에 설치하여 실증 운영할 계획이다.[3]
각주
- ↑ 통계투자, 〈개질수소, 부생수소, 수전해수소〉, 《사이트명》, 2021-10-21자
- ↑ 돌돔야빠, 〈수소 : 부생수소, 개질수소, 그린수소(H2O)〉, 《네이버 블로그》, 2020-11-29
- ↑ 3.0 3.1 이승환 제이엔케이히터㈜ 수소에너지사업부 차장, 〈기고 수소생산의 필요한 개질기술 소개〉, 《가스신문》, 2019-01-07
참고자료
- 천연가스를 이용한 수소 제조 기술 현황 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200510103463010.pdf
- 에너지 이슈 페이퍼 - http://www.keei.re.kr/keei/download/KEIB_210802.pdf
- 천연가스의 수증기 개질에 의한 수소 제조 기술 특허동향 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200710736976806.pdf
- 이승환 제이엔케이히터㈜ 수소에너지사업부 차장, 〈기고 수소생산의 필요한 개질기술 소개〉, 《가스신문》, 2019-01-07
같이 보기
