그린 이외 수소 컬러의 이해

수송이나 발전 같은 분야를 혁신적으로 바꿀 잠재력을 지닌 수소는 아직 개발 중인 미개척 에너지원입니다. 수소 연소 과정에서 온실가스(GHG)가 배출되지는 않지만, 수소의 생산에서 소비에 이르는 모든 프로세스에서 발생하는 환경 발자국은 그 과정에서 사용되는 에너지원에 따라 크게 달라집니다.

이러한 차이로 인해 색상으로 구분한 분류 체계가 만들어졌으며, 이를 통해 다양한 컬러의 수소를 구분하고 순 지속 가능성에 미치는 영향을 파악할 수 있습니다. 그린 수소는 글로벌 탄소중립 표준이지만, 그린 수소의 확장성은 인프라와 효율성 측면에서 상당한 도전 과제가 있습니다. 원자력을 이용한 수전해는 핑크 수소를 생성하고 수명 주기 동안 탄소중립을 유지하지만, 원자력에 의존한다는 점에서 다른 우려를 낳고 있습니다. 블루 및 청록 생산 방식은 경제성과 지속 가능성 사이에서 균형점을 찾아야 합니다. 블랙 수소, 브라운 수소, 그레이 수소는 경제성 측면에서 유리해 친환경적 방식을 대신하는 비용 효율적인 대안을 제시합니다.

블랙 수소와 브라운 수소는 주로 석탄에서 생산되며, 둘 다 석탄을 고온에서 산소 및 증기와 반응시켜 합성 가스를 생성하는 다단계 공정인 석탄 가스화를 통해 생산됩니다. 합성 가스는 여러 가스의 혼합물이며, 그 중 하나가 수소입니다. 

블랙 수소는 밀도가 높고 고등급으로 간주되는 역청탄을 연소해 생산되는 반면, 브라운 수소는 수분 함량이 높고 에너지 밀도가 낮은 덜 압축된 갈탄에서 생산됩니다. 

환경에 미치는 영향 측면에서 보면 블랙 및 브라운 수소 생산은 매우 유사하며 두 방법 모두 효율적인 편입니다. 그러나 탄소 포집 없이 화석 연료에 의존하기 때문에 수소 에너지의 지속 가능성 이점을 일부 상쇄할 수 있습니다.

석탄 가스화는 먼저 석탄을 분쇄하고 처리하여 불순물을 제거한 후 다음과 같은 단계를 거칩니다.

1. 건조 및 열분해(탈휘발화)

이 초기 단계에서는 석탄을 가열하여 수분과 휘발성 물질을 제거하고 석탄을 다른 원소와 물질로 분리해야 합니다. 약 200 °C (392 °F)에서 건조 과정을 거친 후 300 °C (572 °F)에서 700 °C (1,292 °F) 사이의 온도에서 열분해를 진행합니다. 열분해 과정에서 큰 석탄 분자는 주로 메탄(CH₄), 수소(H₂), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂), 타르 등 작은 기체 생성물로 분해됩니다.

2. 연소

석탄(C)의 일부는 열분해 후 고체 잔류물인 숯이 되며, 통제된 연소 반응에서 휘발성 가스 및 산소(O₂)와 반응합니다. 이 발열 반응은 후속 가스화 반응에 필요한 열을 제공합니다. 완전 연소와 부분 연소가 모두 발생해 이산화탄소와 일산화탄소가 생성됩니다.

C + O₂ → CO₂(완전 연소)
2C + O₂ → CO(부분 연소)

3. 가스화 반응

가스화는 환원 환경에서 남은 숯을 1,200-1,500 °C (2,192-2,732 °F)의 고온으로 증기(H₂O) 및 산소와 반응시켜 수소와 기타 가스를 생성합니다. 주요 가스화 반응은 다음과 같습니다. 

수성 가스 반응: C + H₂O ⇌ CO + H₂(흡열)
부두아르 반응: C + CO₂ ⇌ 2CO(흡열)   

이러한 반응은 주로 일산화탄소와 수소로 구성된 혼합물인 합성 가스와 이산화탄소 그리고 기타 미량 가스를 생성합니다.

4. 메탄화

경우에 따라 합성 가스의 메탄 함량을 높이기 위해 메탄화라는 추가 단계를 진행합니다. 그린 수소와 재활용된 CO₂ 또는 직접 공기 포집(DAC)에서 나온 CO₂를 사용하는 경우 이를 e-메탄이라고 부르기도 합니다. 이를 위해서는 촉매가 있는 상태에서 일산화탄소와 수소를 반응시켜야 합니다.

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O (발열)

5. 합성 가스 정제 및 업그레이드

원료 합성 가스에는 불순물이 포함되어 있어 사용 전에 제거해야 합니다. 이러한 정제 프로세스에는 일반적으로 다음과 같은 과정이 수반됩니다.

• 먼지 제거: 물리적 분리 기술을 사용해 입자상 물질을 제거합니다. 
• 황 제거: 황화수소(H₂S) 같은 화합물을 아민 스크러빙 이나 유사한 프로세스를 통해 제거합니다. 
• 이산화탄소 제거: CO₂를 포집하여 저장하거나 다른 산업 프로세스에서 활용합니다.

6. 수소 분리 및 처리

마지막 단계는 정제된 합성 가스 혼합물에서 수소를 분리하는 것입니다. 이를 위해 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 가장 일반적인 두 방법은 다음과 같습니다.

• 압력 변동 흡착법: 흡착제를 사용해 일산화탄소를 선택적으로 포집하고 정제된 수소는 남기는 방식입니다. 
• 막 분리법: 수소는 통과시키고 다른 가스는 유지하는 특수 멤브레인을 사용하는 방식입니다.

그레이 수소는 현재 산업계에서 사용되는 가장 일반적인 수소 유형으로, 증기 메탄 개질(SMR) 또는 자동 열 개질(ATR)을 통해 생산됩니다. 두 방법 모두 주로 메탄으로 구성된 탄화수소 공급 원료가 필요하며, 가장 많이 사용되는 원료는 천연가스입니다.

천연가스 확보 및 수소 추출

천연가스는 무취, 무색의 가스로, 주로 지표면 아래 석유 매장지 근처에서 발견됩니다. 수백만 년에 걸쳐 유기물이 강한 열과 압력에 의해 분해되어 형성된 이 다용도 에너지원은 가정과 산업에 연료를 공급하고 전기를 생산하는 데 사용되는 현대 사회의 기반이 되는 자원입니다. 또한 최종적으로 합성 섬유, 부동액, 페인트, 포장재, 샴푸, 로션, 비료 등의 제품이 되는 여러 화합물의 원료이기도 합니다.

천연가스는 저류층이라고 불리는 다공성, 투과성 암석층에서 발견되는데, 종종 불투과성 암석층 아래에 갇혀 빠져나가지 못하기도 합니다. 천연가스 저류층은 육지의 건조한 땅 아래 또는 해저 아래에 위치합니다. 천연가스 탐사에는 숨겨진 매장량을 정확히 확인하기 위한 최첨단 지질 조사, 탄성파 탐사, 탐사 시추가 필요합니다. 저류층이 확인되면 특정 지질 조건에 맞는 기술을 조합하여 추출 프로세스를 시작합니다.

가장 일반적인 추출 방법은 저류층에 시추공을 뚫어 갇혀 있는 가스가 지표로 흘러갈 수 있는 통로를 만드는 것입니다. 이 흐름은 종종 저류층 자체의 자연 압력에 의해 발생합니다. 가스가 추출되면 일반적으로 압력이 감소하기 때문에 펌프나 압축기와 같은 인공적인 양수 기술을 추가하여 생산을 유지해야 합니다.

수증기, 모래, 기타 가스와 같은 불순물을 동반하는 추출된 천연가스가 지표면에 도달하면 일련의 처리 단계를 거칩니다. 이 처리 단계는 불순물을 제거하고, 가치 있는 성분을 분리하고, 천연가스를 사용할 수 있도록 전처리하는 데 매우 중요합니다. 처리된 천연가스는 파이프라인을 통해 또는 특수 유조선에 압축(CNG) 또는 액화(LNG)된 형태로 실어 전 세계 소비자에게 수송됩니다. 

그레이 수소가 보급되는 이유는 천연가스가 전 세계적으로 풍부하기 때문입니다. 또한 SMR과 ATR은 석탄 가스화보다 덜 탄소 집약적이기 때문에 블랙 수소와 브라운 수소보다 선호도가 높습니다. 블루 수소는 탄소 포집, 수송 및 저장을 통합하여 SMR과 ATR을 한 단계 더 발전시키지만, 상당한 운영 비용이 발생합니다. 

수소 가치 사슬의 궁극적인 목표는 완전한 재생 에너지 시스템으로 전환하는 것이지만, 기존 발전소에서 수소와 천연가스를 혼합하는 것이 임시 해결책이 될 수 있습니다. 성공을 위해서는 고정밀 유량 측정기와 실시간 가스 분석기를 사용해 일관된 가스 혼합을 보장해야 합니다. 또한 수소는 국가 규정에 따라 최대 20%의 농도로 주거용 및 상업용 천연가스 공급에 혼합할 수 있습니다.

수소는 연소할 때 천연가스보다 친환경적이기 때문에 배출을 줄일 수 있습니다. 가전제품은 수소를 20%까지만 천연가스와 혼합하여 연소할 수 있지만, 발전소에서 사용되는 가스 터빈은 최신 모델의 경우 혼합 비율이 훨씬 더 높아 최대 100%의 수소를 연소할 수 있습니다.

혼합 방식을 사용하면 기존 인프라를 즉각적으로 완전히 교체하지 않고도 점차 청정 에너지원으로 전환할 수 있기 때문에 신규 발전소와 파이프라인에 막대한 자본을 투자할 필요가 없습니다.

이 전략의 성공 여부는 수소 공급원에 따라 크게 달라집니다. 그레이 수소, 브라운 수소 또는 블랙 수소를 혼합하면 생산 과정에서 발생하는 배출로 인해 제한적으로 환경에 영향을 미치지만, 재생 자원에서 생산된 그린 수소를 사용하면 전체 온실가스 배출량을 크게 줄여 탄소중립 목표를 달성할 수 있습니다.

수소 에너지 혁명이 진행되면서 생산 방식과 환경에 미치는 영향을 비롯해 다양한 유형의 수소를 이해하는 것이 중요합니다. 탄소중립 목표는 그린 수소이지만, 저탄소 수소는 블랙 수소, 브라운 수소, 그레이 수소와 함께 인프라, 연구, 에너지 다각화를 발전시키는 데 필수적입니다.

인류가 향후 수십 년간 기후 변화에 대응해 나가는 과정에서 전력의 연속성과 지속 가능성을 보장하려면 다양한 에너지원이 필요합니다. 극복해야 할 일부 걸림돌이 남아 있지만, 수소는 청정하고 다양한 용도에 사용되며 지속 가능한 에너지원으로서 그 잠재력이 높습니다.