지속 가능한 그린 수소 생산

다양한 수소 생산 방법 중에서 그린 수소는 지속 가능한 표준 방법입니다. 그린 수소는 태양광, 풍력, 수력 등 재생 에너지원을 이용해 생산하기 때문에생산부터 연소까지 탄소 중립적인 연료입니다. 이 점이 화석 연료에서 추출되는 그레이 수소를 비롯한 다른 유형의 수소와 차별화되는 점입니다.

전기분해는 전기를 사용해 물 분자를 수소와 산소로 분리하는 그린 수소 생산의 기초를 형성합니다. 그러나 용량, 효율성 및 비용 제약으로 인해 생산량을 빠르게 늘리는 데 어려움이 있습니다.

전기분해는 전해조 내에서 일어나는 전기화학 반응과 이온 이동의 과정입니다. 전해조에는 전해질로 분리된 두 전극, 양극과 음극이 있습니다. 전해질은 액체 용액(알칼리)이나 고체 막(PEM)으로, 이온의 통과를 촉진하는 동시에 전자의 흐름을 제한하며, 이온 전도도, 화학적 안정성, 전극 소재와의 호환성 등의 요소를 고려하여 신중하게 선택해야 합니다.

전해조 내에 있는 액체 상태의 물에 직류 전류가 가해지면 양극과 음극 사이에 전위차가 발생합니다. 양극에서 양전위로 표시된 물 분자(H₂O)는 산화 반응을 일으켜 전자를 잃게 됩니다. 그 결과 산소 기체(O₂), 양전하를 띤 수소 이온(양성자, H+)이 형성되고, 전자가 외부 회로로 방출되며, 이는 양성자 교환막(PEM) 전해조의 경우 다음과 같이 표시됩니다.

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

H+ 양성자는 전위 구배에 따라 전해질을 통해 음전하를 띤 음극으로 이동합니다. 음극은 환원 반응을 촉진하여 양성자가 외부 회로에서 전자를 쉽게 받아들여 전하를 중화시키고 이원자 수소 기체(H₂)를 형성합니다.

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

양극 산화와 음극 환원의 합계인 전체 전해 반응은 다음과 같이 표시됩니다.

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

이 프로세스의 효율성은 그린 수소 생산의 경제성에 큰 영향을 미치고, 다음과 같은 여러 요인이 효율성에 영향을 줍니다.

• 시스템 내에서 유지되고 정확한 측정이 필요한 작동 온도, 압력 및 물 순도
• 원하는 속도로 반응을 일으키는 데 필요한 과전압 
• 전해질 내 이온 이동 저항으로 인한 옴 손실 
• 전극 표면에서 반응물의 가용성을 좌우하는 질량 이동 한계 

이러한 변수들을 최적화하려면 신중하게 소재를 선택하고, 전극 아키텍처를 설계하고, 모든 관련 파라미터를 측정 및 제어해야 합니다. 현재 사용 가능한 다양한 전해조 기술 중에서 PEM 전해조와 알칼리 전해조는 기술적으로 가장 성숙하고 일반적으로 사용되는 전해조 기술입니다.

고체 고분자 막을 전해질로 사용하는 PEM 전해조는 액체 전해질을 사용하는 기술에 비해 높은 에너지 효율, 전력 입력 변동에 대한 빠른 응답 속도, 컴팩트한 설계 등 여러 가지 이점을 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 PEM 전해조는 태양광과 풍력 같이 전력 출력이 크게 달라질 수 있는 간헐적인 재생 에너지원과 통합하는 데 적합합니다. 또한 일반적으로 고순도를 중시하는 실험실과 기타 작업장에서 이 전해조를 선택합니다.

액체 전해질을 사용하는 알칼리 전해조는 효율은 떨어지지만 비용이 저렴하고 수명이 길며 PEM 방식보다 물 순도를 낮출 수 있습니다. 이러한 특성은 비용과 규모가 중요한 대규모 그린 수소 생산 시설에서 매력적인 요인입니다. 

개발 중인 다른 기술로는 고온 또는 고체 산화물 전기분해와 음이온 교환막 등이 있습니다. 각 기술은 수소 생산 기술 경쟁에서 용도에 따라 경쟁 역학 관계에 있습니다.

가치 사슬 전체에서 지속 가능한 연료로서 갖는 장점에도 불구하고 그린 수소 생산에는 몇 가지 과제가 있습니다.

먼저, 전기분해를 통한 생산, 특히 PEM 전해조를 통한 생산은 증기 메탄 개질이나 자동 열 개질을 통한 그레이 및 블루 수소 생산보다 비용이 더 많이 듭니다. 또한 수소는 천연가스와 기타 화석 연료보다 에너지 밀도가 낮으며, 프로세스에 수소로 전력을 공급하는 에너지 단위당 비용이 화석 연료로 전력을 공급하는 비용보다 높습니다.

전해조 스택의 효율은 약 70%로 높으며, 고체 산화물 전해조 전지(SOEC)와 같은 최신 기술로 효율성이 더 높아질 것으로 예상됩니다. 그러나 다른 모든 시스템과 마찬가지로 전반적인 플랜트 효율성은 사용 중인 기술뿐만 아니라 수소를 냉각, 건조, 처리, 압축하는 플랜트의 균형에 따라 달라집니다. 또한 전기분해를 확대하는 데 필요한 재생 에너지의 공급이 부족하기 때문에 추가적인 인프라 투자가 필요합니다.

또한 인화성이 높은 수소를 처리하기 위해 특별히 설계된 파이프라인과 저장 탱크 같은 특수한 인프라가 필요하기 때문에 수소의 수송과 저장은 물류적으로 복잡합니다. 뿐만 아니라, 수소의 고유한 특성으로 인해 주로 천연가스용으로 설계된 기존 인프라를 수소용으로 원활하게 전환하기가 어렵습니다. 수소 원자는 모든 원소 중 가장 작기 때문에 이원자 수소 기체의 누출을 방지하려면 최첨단 파이프라인, 밸브 및 개스킷 씰이 필요합니다. 또한 원자가 용기의 내부 구조에 들어가면서 여러 금속을 약화시켜 응력 임계치를 낮추고 부적합한 소재의 균열을 가속화할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하려면 전략적 계획 수립, 국가와 민간 이해관계자 모두의 재정적 지원 그리고 지속적인 기술 혁신이 필요합니다. 여러 경제적 걸림돌에도 불구하고 전해조 보급은 가속화되기 시작했습니다. 2022년 말까지 전 세계 수소 생산용 전해조 용량은 약 11 GW에 달했으며, 2030년에는 170-365 GW에 도달할 것으로 예상됩니다.

또한 전해조를 최적화하기 위한 노력 덕분에 향후 수십 년 동안 규모, 학습, 효율성 측면에서 비용을 낮추고 효율성을 높일 수 있을 것으로 예상됩니다. 이러한 노력에는 재생 에너지로부터 에너지 포집을 높이는 것과 함께 운영 중에 손실된 에너지를 회수하는 과정도 포함됩니다. 이러한 전환 과정에서 얻은 노하우와 발전에 힘입어 전해조와 반대로 작동하는 수소 연료전지 같은 인접 기술도 발전할 것입니다.

생산 이외에 전용 수소 인프라의 구축도 매우 중요합니다. 대체 동력원으로서 수소의 성장 가능성은 에너지를 유용한 형태로 분배하고 전환하는 데 필요한 메커니즘을 확장하는 데 달려 있습니다.

수소는 에너지 운반체로서의 다용성과 탄소 감축이 어려운 부문에서 탄소 배출을 줄일 수 있는 잠재력이 크다는 점 덕분에 향후 20~30년 동안 전 세계적으로 수요가 증가할 것으로 예상됩니다. 특히 수송 및 발전 산업은 화석 연료의 친환경적 대안으로 그린 수소 에너지를 도입할 준비가 되어 있습니다.

수송 부문에서는 그린 수소 연료전지가 트럭, 버스, 비행기 같은 탄소 중립적인 상업용 교통수단을 위한 유망한 솔루션을 제공합니다. 특히 배터리로 구동되는 전기 자동차가 주행 거리, 발전량 그리고 무게 측면에서 한계에 직면한 장거리 수송 부문에 이 솔루션을 적용할 수 있습니다.

산업 분야에서는 철강, 시멘트, 암모니아 생산 같은 에너지 집약적인 프로세스에서 수소가 화석 연료를 대체하여 탄소 발자국을 줄일 수 있습니다. 또한 전력 부문에서는 재생 가능 인프라를 확대하고 태양광 및 풍력 발전의 간헐성 문제를 해결하며 배터리의 에너지 밀도 및 열화 문제 없이 에너지를 저장하기 위해 그린 수소를 점점 더 많이 활용하게 될 것으로 예상됩니다.

대기 중 탄소 배출을 줄이기 위해천연가스 유통 시스템에도 수소를 혼합하고 있습니다. 가스 스토브, 난방 시스템, 의류 건조기 및 기타 가전제품은 최대 20%의 수소를 혼합하여 천연가스를 연소할 수 있지만, 가스 인프라에서 지정한 한계치에 따라서 혼합 비율이 제한되는 경우가 많습니다. 최신 가스 터빈 및 가스 엔진의 경우 이제 발전소의 연료원으로 천연가스에 최대 50%의 수소를 혼합할 수 있으며, 일부 소형 터빈은 천연가스 혼합 없이 최대 100%의 수소를 사용할 수 있습니다.

스페인의 다국적 유틸리티 기업인 이베르드롤라(Iberdrola)는 전 세계적으로 60개 이상의 그린 수소 프로젝트를 진행하며 수소 경제에 대한 확신을 드러내고 있습니다. 이 프로젝트들은 비료 생산, 그린 암모니아 합성, 고하중 수송 등 다양한 분야에 걸쳐 진행되고 있으며, 청정 에너지 솔루션으로서 그린 수소의 활용성을 보여줍니다.

특히 이베르드롤라는 유럽 최대 규모의 그린 수소 플랜트를 건설 중이며, 이 플랜트에서는 주로 비료용 암모니아를 생산해 탄소 집약적인 비료 산업이 환경에 미치는 영향을 줄일 것으로 기대됩니다. 이 획기적인 프로젝트는 가장 까다로운 분야에서도 탈탄소화를 실현할 수 있는 그린 수소의 잠재력을 보여줍니다.

정부 이니셔티브도 그린 수소 도입을 가속화하는 데 중요한 역할을 합니다. 미국 에너지부(DOE)의 HyBlend 이니셔티브 는 그린 수소의 발전을 위해 수소를 천연가스와 안전하게 혼합하여 기존 파이프라인을 통해 수송하는 방법을 연구합니다. 파이프라인 호환성, 소재 안전성, 비용 절감에 초점을 맞춰 그린 수소 유통을 보다 저렴하고 확장 가능하게 만듭니다.

그린 수소는 청정 에너지 혁명의 초석이며, 기술이 발전함에 따라 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다. 하지만 그 잠재력을 실현하려면 기존의 생산, 저장, 수송, 인프라 문제를 해결해야 합니다. 이를 위해서는 연구 개발에 대한 추가 투자, 공공 및 민간 기관 간의 전략적 협력, 정부의 정책적 지원이 수반되어야 합니다.

재생 에너지와 수소 인프라가 발전하고, 전기분해 효율성이 높아지고, 정책이 발전함에 따라 그린 수소 생산 비용을 낮춰 광범위한 도입을 가로막는 또 다른 주요 걸림돌을 해결해야 합니다. 더욱 지속 가능한 미래를 위해 전 세계 탄소 배출량을 줄이고, 야심 찬 프로젝트와 혁신적인 솔루션으로 수소 경제의 기반을 닦는 미래 지향적인 기업과 이니셔티브가 더 많이 필요합니다.