수소에너지의 생산과정 및 방법***학교***목 차Ⅰ. 서론 ······································································································································ 1Ⅱ. 본론수소에너지 ··················································································································· 2수소에너지 장점, 단점 및 특징수소에너지 생산방법2. 수소에너지를 통한 탄탄소화의 미래 ··········································································· 72-1 수소에너지의 전망과 미래Ⅲ. 결론 ·················································································································································· 8Ⅳ. 참고문헌 ········································································································································ 9수소에너지의 생산과정 및 방법***학교 ***서론최근 뉴스에서 낭만적인 휴양지인 몰디브가 물에 잠길지도 모른다는 소식을 보았다. 지금껏 각광받는 관광지이며, 많은 사랑을 받은 나라가 향후 50년 뒤에는 완전히 잠길지도 모른다는 전망에 안타까웠다. 이처럼, 장기간에 걸쳐 전 지구 평균 지표면 기온이 상승하여 빙하가 녹아 해수면이 상승하고 아시아, 태평양 지역이 침몰되는 피해가 발생하고 있다. 원인은 전 세계적으로 심각한 문제 ‘지구온난화’로 인한 해수면 상승이다.우주의 약 90%를 구성하는 원소로, 현재 원유정제나 암모니아 합성 등 여러 분야에 사용되는 중요한 화학원료 중의 하나이다. 천연가스, 석탄, 석유 등 화석연료의 개질 뿐만 아니라 태양광이나 풍력, 물, 유기물질 등 다양한 방법으로 제조할 수 있으며 그 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않고 연소하더라도 공해를 일으키지 않는다. 이러한 수소로 제조한 에너지를 ‘수소에너지’라 한다. 2015년 파리기후협약 채택 이후, 화석연료를 대체할 에너지로 주목받은 수소에너지는 발열량이 매우 높은 차세대 에너지로, 제조과정에서 온실가스를 배출하지 않으면서도 공기 중 산소와 반응하여 열과 전기를 생산하고 다시 물로 재순환 되는 지속가능한 청정에너지원 중 하나이다. 이렇게 에너지 문제, 환경문제를 해결하기에 적합한 대체에너지인 수소는 2100년경 주요 에너지원으로서 시장을 차지할 것그림2. 수소에너지 소개 출처: 화학연구정보센터 CRIC--2-현재 사용되는 수소에너지는 대부분 화석연료의 개질로 생산되어 대량생산이 가능하고, 생산 단가가 저렴하지만 수소 1kg을 생산하는데 7kg 이상의 이산화탄소를 배출하는 등 다소 효율적이지 못한 면이 있고 경제성도 매우 낮아 제조기술에 대한 연구가 필요하다.또한, 대량제조기술과 저장, 운반, 이용 기술 등 수소를 에너지원으로 상용화하기엔 아직 해결해야할 과제가 많은 것이 현실이며, 폭발범위와 화염속도가 크고 확산이 빠른 수소의 안전 또한 사용상 큰 문제점으로 나타난다.탄소 성분이 담당해 오던 섬유와 고무 등의 원료부문 대체에 한계가 있다는 사실도 무시할 수 없다. 그러나 수소의 생산방법은 다양하게 존재하고 이러한 단점들은 생산 가능한 여러가지 방법에 의해 개선 가능하다.그림3. 수소에너지의 특징 출처: 화학연구정보센터 CRIC수소는 물의 전기분해를 통해 쉽게 생산할 수 있으며 환경오염과 자원 고갈의 우려가 없어 미래에너지로서 각광받고 있다. 양이 거의 무한에 가까워 일반 연료부터 수소 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재 사용되는 거의 모든 분야에너지를 생산하는 구체적인 방안을 알아보겠다.-3-그림4. 수소에너지의 현재 및 미래의 이용 출처: 일본 에너지청1-2 수소에너지 생산방법수소를 추출하는 방법은 정유 및 제철 공장 등의 부생수소를 활용하는 방법, 화석연료나 바이오매스로부터 매탄가스 등을 개질하여 얻거나 신재생에너지를 활용한 물의 전기분해 방식 등 크게 세가지로 나눌 수 있다. 천연가스에서 수소를 생산하는 기술은 수증기 개질, 부분 산화, 이산화-4-탄소 개질, 직접 분해 등이 있으며, 이 중 수증기 개질 반응이 가장 널리 활용되고 있다. 수증기 개질 반응은 고온의 수증기를 천연가스의 주성분인 메탄과 혼합하여 수소를 생산하는 방법으로, 저렴한 생산 비용과 상대적으로 적은 이산화탄소 배출의 장점을 가지고 있다. 또한, 천연가스에 열과 촉매를 가해 고농도의 수소를 얻을 수 있는데, 천연가스와 수증기, 이산화탄소를 반응시키면 이 수소를 생산할 수 있다.증기 개질의 경우 800-900’C 온도에서 진행되는 복잡한 공정이지만 세계적으로 운영되고 있고, 부분산화의 경우 1,100~1,200’C에서 운전되며 공기를 사용할 경우 공해를 유발하지만 에너지 효율이 높은 기술이다. 개질 반응은 강한 흡열반응으로 고온 및 저압조건에서 진행이 유리하다.화석연료 개질 연구동향을 살펴보면 현재 대체에너지원을 이용하여 수소를 생산하려는 다양한 기술들이 연구되고 있으나 화석연료가 가지고 있는 장점을 극복하기가 쉽지 않아 상당기간 동안 화석연료 개질 공정을 통해 제조된 수소가 공급될 것으로 예상되고 있다. 수증기 개질의 상용공정은 대개 30~50만 톤 규모로 운영되고 있으며 기술의 성숙도가 아주 높고, 현재는 촉매의 성능 및 안정성을 높이기 위한 연구들이 진행되고 있다. 부분 산화의 경우 고순도 산소를 이용하는 기술이 개발되고 있으며 이산화탄소 개질의 경우 탄소 침적방지 기술 개발이 진행되고 있다.-5-부생수소는 석유화학공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 나오는 것이다. 예를 들어, 프로필렌은 액화석유가스, 즉 LPG 고분자전해질 수전해, 고체산화물 수전해 등으로 나뉘는데, 현재 상업적으로 개발되어 사용되는 방법은 알칼리 전해질을 이용한 물전기분해 기술이다. 고분자 전해질 물전기분해의 경우 알칼리 수전해보다 에너지효율이 높다는 특징이 있다. 재생에너지를 기반으로 수전해를 통하여 수소를 생산할 때는 이산화탄소가 발생하지 않기 때문에, 친환경적으로 각광을 받고 있지만, 경제성 확보가 숙제로 남아있다. -6-2. 수소에너지를 통한 탈탄소화의 미래2-1 수소에너지의 전망과 미래전세계 천연가스 개질 수소 시장은 2020년 1.029억 달러에서 2024년 1.291억 달러로 연평균 5.9% 성장할 것으로 전망하고 있으며, 전세계 수전해 수소 시장은 84억 달러에서 176억 달러로 연평균 20.3% 성장할 것으로 전망된다. 특히, 전세계 신규 수전해 설비 설치 현황은 2018년 이전 10MW 규모에서 2019년 이후 급격히 증가하여, 2023년에는 무려 1,433MW 규모의 수전해 설비 신규 설치가 계획되었다.국내 정책으로는 정부가 수소경제 활성화를 위한 수소 생산, 저장, 운송, 활용 분야의 목표 및 정책 방향성을 제시한 ‘수소 경제 활성화 로드맵’을 발표했다. 수소 경제란, 수소를 에너지원으로 사용하여 석탄, 가솔린, 가스 등의 화석연료를 대체하는 것을 의미한다. 정부는 수소 생산 분야를 화석연료 기반 개질 수소에서 재생에너지 기반 수전해 수소 생산으로의 전환과 2040년까지 수소 생산량은 연간 526만 톤 규모로 확대하고, 가격은 kg당 3000원 수준으로 인하하는 것을 목표로 설정했다.또한, 탈탄소화는 석탄, 석유, 천연가스 순으로 단위 질량당 탄소의 수가 적어지는 것을 의미하는데, 수소를 에너지원으로 활용하는 것은 에너지의 탈탄소화의 개념과 연관 지어 생각 할 수 있다. 미래학자 제레미 리프킨은 그의 저서 수소혁명에서 수소는 결국 재생에너지와 연결하여 생산하게 되며 이에 탄소연료는 막을 내릴 것이라고 언급했다.그림5. 전세계 신규 수전해 설비 설치현황 및 계획 출처: KIST019년 정부는 올해까지 수소 충전소 310곳을 구축하겠다고 발표했지만, 전국에 있는 수소 충전기는 아직 120여 곳에 불과하다.따라서, 환경 보호를 위해 수소차를 선택한 시민들이 더는 불편함을 겪지 않도록 세밀한 대안 마련이 필요하다고 생각한다. 부생수소 중심의 생산 방식을 수전해, 화석연료 개질, 바이오매스 등의 생산 방식으로 전환하는 기술을 발전시키는 것이 하나의 대안이다. 현재 우리나라는 부생수소 사용량이 절대적으로 높은 탓에 유가의 영향을 불가피하게 받는다. 고유가 현상으로 수소 생산량이 감소하면 환경 보호를 위해 수소차를 선택한 시민들이 그 피해를 받게 된다. 보다 안정적인 수소 공급과 시민들의 편의를 위해서 정부와 기업은 수소제조시스템의 핵심기술을 개발하는 데 힘써야 한다.전 세계적으로 화석연료가 아닌 재생에너지원을 이용한 수소생산 기술 개발에 많은 나라가 참여하고 있으며 앞으로도 많은 연구가 진행될 것이다. 그림 5가 전세계 신규 수전해 설비 설치현황 및 계획을 보여주고 있다. 많은 노력에도 불구하고 앞으로도 상당히 오랜 기간 동안 수소는 화 석 연료 기반으로 제조될 것으로 전망되고 있으며 현재 연구 개발되고 있는 기술들이 기존의 화석연료 기반 기술보다 경쟁우위를 가지려면 화석연료가 가지는 장점들을 극복할 수 있어야 한다.그렇기에 생산 관련 부문에서 수소 에너지를 효율적이며 안정적으로 생산, 활용할 수 있도록 기업별 협력이 필요하다. 국내 수소 관련 기업들은 시스템 구축, 기술 호환성, 트렌드 등에 대해 신속히 파악해야 하며, 정부는 이러한 스타트업 및 중소기업 생태계 활성화를 위해 힘쓰고, 대기업 등이 수소산업 발전을 할 수 있도록 선도할 필요가 있다.-8-참고 문헌1.KDB미래전략연구소 산업기술리서치센터 김신희(2020), 수소 생산기술 동향 및 시장 선점을 위한 기술 개발 전략2. 한국과학기술기획 평가원 김기봉, 김태경(2021), KISTEP 기술 동향 브리프 수소 생산3. 녹색기술센터 정책연구부 김기만, 정재형, 수소에너지 연료전지의 기MAT1
