수소 생산

특히 재생에너지 전력으로 생성된 수소는 미래를 위한 에너지 운반체로 생각됩니다. 하지만 다른 생산 방식도 전 세계적으로 여전히 사용되고 있습니다. 이 방식이 얼마나 기후 중립적인지, 생산 후에 어떤 색의 수소로 분류되는지에 상관없이 그 화학적 특성은 동일합니다.

산업 규모에 따라 여러 가지의 생산 방식을 사용하여 수소를 생산할 수 있습니다. 생산 프로세스와 사용되는 에너지에 따라 수소는 특정 생산 방식의 기후 영향을 나타내는 다른 색으로 지정됩니다.

그린 수소는 태양광과 풍력 에너지와 같은 재생 가능한 에너지원의 전기만을 사용하여 물을 전기 분해하여 생성된 수소로, 전기분해 기술에 관계없이 수소가 생성되는 과정에서 탄소가 전혀 배출되지 않으므로 생산 방식이 기후 중립적입니다.

그레이 수소는 수증기 개질에 의한 화석 연료로부터 생성됩니다. 이 과정에서 대기로 방출되는 이산화탄소(CO2)가 온실 효과의 원인이 됩니다. 1t의 수소를 생산하면 약 10t의 이산화탄소가 발생합니다.

블루 수소는 그레이 수소와 같은 방식으로 생성됩니다. 하지만 생산 시 발생한 이산화탄소가 포집되어 영구적으로 저장됩니다. 이 기술은 탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture and Storage)으로 알려져 있습니다. CCS 기술을 사용하면, 수증기 개질 중에 발생한 이산화탄소가 대기로 방출되지 않습니다. 따라서 이 방법도 기후 중립적입니다. 탄소 저장의 장기적인 영향은 아직 밝혀진 바 없습니다.

청록 수소는 메탄을 열분해하여 생산된 수소로, 이 과정에서 고체 탄소가 발생됩니다. 청록 수소가 탄소 중립이 되려면 고온 원자로에 공급되는 열이 재생 가능한 에너지원에서 발생되어야 하며 탄소가 영구적으로 격리된 상태로 유지되어야 합니다.

수소는 자연에서 화학물의 형태로 존재하기 때문에 에너지를 촉매로 하여 수소가 풍부한 물질로부터 분해해야 합니다. 이 물질은 천연가스, 원유, 바이오매스, 물 및 기타 수소 함유 화합물과 같은 탄화수소가 될 수 있습니다. 전기, 화학, 또는 열에너지를 사용하여 해당 물질의 구성요소를 분리하여 순수한 수소를 얻을 수 있습니다.

전기분해의 원리는 간단합니다. 전해조에 전압을 가해 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O)로 분해합니다. 원리는 다음과 같습니다:

• 가장 기본적인 형태의 전해조는 음극(음전하)과 양극(양전하) 그리고 멤브레인으로 구성됩니다.
• 전체 시스템에는 펌프, 환기구, 저장 탱크, 전원공급장치, 분리기 및 기타 컴포넌트를 포함합니다.
• 전기는 고분자전해질막(PEM, proton exchange membrane)을 가로질러 양극과 음극에서 흐르고 물은 수소와 산소로 분리됩니다.
• 수소 분자는 포집 및 수집됩니다.

전기분해로 생성된 수소는 다음 단계(CCU, Carbon Capture and Utilization: 탄소 포집 및 활용)에서 메탄가스로 전환될 수 있습니다. 이 메탄가스는 가스 망에 공급되어 소비자에게 운송될 수 있습니다. 또는 가스 저장 시설에 저장될 수 있습니다. 합성 메탄(SNG, synthetic methane)을 생산하면 부산물로 물과 열이 발생합니다.

오늘날 생산되는 수소의 절반은 여전히 천연가스의 수증기 개질 방식으로 생산됩니다. 이 방법은 수증기를 사용해 천연가스를 수소와 이산화탄소로 분해합니다. 발생한 이산화탄소는 저장하거나 (CCS: 탄소 포집 및 저장), 다운스트림 산업 공정에서 사용할 수 있습니다 (CCU: 탄소 포집 및 활용).

메탄 열분해는 고온에서 천연가스나 바이오 메탄을 직접 수소와 고체 탄소로 분리하는 새로운 기술입니다. 이 방법은 비교적 적은 에너지가 필요합니다. 고체 형태로 결합되어 생성된 탄소는 산업적 규모로 추가 처리될 수 있습니다. 이 프로세스에서 바이오매스를 원료로 사용할 수 있습니다. 그리고 재생 가능한 에너지로부터 전기를 가동하면 온실가스가 전혀 발생하지 않습니다.

Power-to-x (P2X) 기술은 수소 생산 방식과 밀접하게 관련 있습니다. 이 기술은 미래에 지속 가능한 역할을 할 수 있는 에너지 개념을 지정합니다:

• P2X (Power-to-x) 프로세스는 전기, 물, 이산화탄소를 다른 물질로 전환합니다.
• P2G (Power-to-gas)는 수소 또는 메탄과 같은 기체 물질을 생산합니다.
• Power-to-chem은 산업 공정을 위한 화학 물질을 생산합니다.
• Power-to-fuel은 합성 연료(e-fuel)를 생산합니다.

따라서 기체 또는 액체 연료의 생산은 두 가지 생산 사슬: 수소 생산(power-to-gas)과 메탄 생산(power-to-liquid)으로 이루어져 있습니다.

재생 에너지 시설 운영업체, 에너지 공급업체, 가스 그리드 운영업체, 가스 유통업체, 플랜트 제조업체, 바이오매스 전환 플랜트 운영자는 수소의 잠재력으로 이점을 얻을 수 있습니다. 경험이 풍부한 TUV 라인란드 전문가는 다음과 같은 다양한 서비스를 제공합니다:

• 새로운 비즈니스 모델 개발 및 구축
• 기술 선택, 자금 조달 옵션 및 수익성 계산
• 수소의 안전한 취급에 대한 자격
• 탄소 발자국 및 그린 수소에 대한 수명 주기 평가 (LCA, Life Cycle Assessment), 컨설팅 및 인증
• 신규 수소 생산 공장 건설 감독
• 수소 생산 공장의 인수 시험, 적합성 평가 및 형식 검사
• P2G (Power-to-gas) 시스템에 대한 승인
• 효율성 및 가동률 보증을 위한 성능 입증
• 그린 수소 인증
• ISO 14001 인증: 환경경영시스템 및 지속 가능성
• ISO 50001 에너지 경영 시스템 인증