수소는 어떻게 생산되나요?

산업이 지속 가능한 에너지원의 사용을 기후변화 대응을 위한 글로벌 대책에 포함함에 따라, 화석 연료를 대체할 수 있는 다목적 청정 에너지원으로 수소가 주목받고 있습니다. 그러나 수소 연료의 잠재력을 실현하려면 효율적이고 비용 효과적이며 환경적으로 책임 있는 생산 방법을 개발하고 적용해야 합니다. 

기존 화석 연료에 비해 수소의 발전 단위당 가격 경쟁력이 낮다는 단점은 대규모 도입을 가로막는 주요 요인입니다. 이에 따라, 조세 혜택 및 기타 정부 인센티브 가 수소 경제 발전에 중요한 역할을 하고 있는데, 이러한 정책이 생산 및 활용 비용을 일부 상쇄하는 데 기여하기 때문입니다. 

수소는 다양한 방식으로 생산될 수 있으며, 각 방법의 기술적, 경제적, 환경적 타당성은 상이합니다. 이 페이지에서는 일반적으로 사용되는 수소 생산 방식과 개발 단계에 있는 실험적인 방법을 간략히 소개합니다. 

수소는 에너지 운반체로서 다음과 같은 다양한 기술적 이점을 갖고 있습니다.

• 기존 연료 대비 단위 질량당 높은 에너지 함량 
• 연료 전지에서 사용될 경우 탄소를 배출하지 않을 가능성 보유 
• 장기 저장 시 에너지 손실이 적어 배터리와 비교했을 때 상당한 이점 제공 
• 운송 및 에너지 저장을 포함한 다양한 분야에서 활용 가능

그러나 산업에서 널리 채택되기 위해서는 인프라 구축과 비용 문제를 중심으로 산재한 여러 과제를 해결해야 합니다.

수소는 무연 휘발유와 비교했을 때 질량 기준으로는 에너지 밀도가 높지만, 부피 기준으로는 밀도가 낮습니다. 질량을 기준으로 했을 때 수소는 휘발유의 약 3배에 달하는 에너지 밀도를 가지고 있으므로 장거리 운송처럼 무게가 중요한 역할을 차지하는 분야에서 활용도가 높습니다.

그러나 부피 측면에서는 밀도가 낮기 때문에 기체 수소에 압력을 가하거나 극저온 기술을 사용해 액화하는 등 안전하게 저장하기 위한 방법을 추가적으로 고려해야 합니다. 이러한 방법은 밀도를 높일 수 있으나 수소를 통제 가능한 상태로 전환하여 저장하는 과정에서 운영상의 복잡성과 추가적인 에너지 소비가 요구되므로 이에 따른 특수 인프라가 필요합니다. 또한, 수소의 가연성과 작은 분자 크기로 인한 누출 가능성때문에 가치 사슬 전반에서 철저한 안전 관리가 필요합니다. 

현재 산업에서 가장 널리 사용되는 그레이 수소는 증기 메탄 개질(SMR)과 자동 열 개질(ATR)이라는 두 가지 열화학 공정을 통해 생산됩니다.

증기 메탄 개질과 자동 열 개질 모두 메탄(CH₄)을 주성분으로 구성된 탄화수소 공급 원료인 천연 가스를 주로 사용합니다. 증기 메탄 개질 공정에서는 메탄이 예열된 후 개질기 내부에서 촉매의 도움으로 고온의 수증기(H₂O)와 결합됩니다. 반면 자동 열 개질은 개질기 내부에 수증기와 지정된 양의 산소 가스(O₂)를 투입하여 연소 반응을 유도합니다. 증기 메탄 개질과 달리 자동 열 개질은 메탄 개질 공정에서 외부 열원을 필요로 하지 않습니다. 

극한의 온도에 도달하면 두 공정 모두 개질기 내에서 촉매의 작용을 통해 메탄과 물 분자의 해리를 촉진하고 화학 결합을 끊습니다. 이 열분해 공정을 통해 생성된 제품 가스 스트림에는 일산화탄소 및 소량의 이산화탄소와 함께, 수소가 포함됩니다. 생성된 탄소 가스는 일반적으로 개질기 하류의 흡착층에서 포집되며, 수소는 챔버를 통해 이동한 후 저장되어 필요 시 사용할 수 있습니다. 

이산화탄소가 대기 중으로 방출되는 공정을 통해 생산된 수소는 “그레이 수소”라고 합니다. 반면, CO₂가 격리되면 “블루 수소”로 분류됩니다.

자동 열 개질은 외부 열원을 필요로 하지 않기 때문에 증기 메탄 개질보다 에너지 효율이 우수합니다. 또한 개질기 내부에서 산소 투입량을 조절함으로써 일산화탄소 배출량을 크게 줄이고, 증기 메탄 개질보다 순수한 이산화탄소 흐름을 생성할 수 있어 블루 수소 생산에 이상적입니다. 그러나 자동 열 개질은 연소 반응의 모니터링 및 제어가 복잡하여, 안전상의 위험도가 높은 공정입니다. 

블루 수소의 환경적 타당성은 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술의 효과성과 확장 가능성에 의해 결정되는데, 현재 이와 관련한 연구 및 개발이 지속적으로 진행되고 있습니다.

청록 수소는 천연가스를 900°C(1652°F) 이상의 고온에서 직접 가열하는 메탄 열분해 공정을 통해 생산됩니다. 이 과정에서 메탄은 수소 가스와 고체 탄소로 분해되며, 고체 탄소는 기체 상태보다 상대적으로 쉽게 포집할 수 있습니다.

메탄 열분해 공정에 필요한 열을 태양열, 지열 등 재생 가능한 에너지원에서 공급하면 청록 수소의 친환경성이 더욱 향상됩니다. 다만, 이러한 방식을 사용할 수 있다고 하더라도 아직 연구 및 개발 초기 단계에 있으며, 대규모 실증을 통해 사용성과 포집된 탄소의 영구 저장 가능성을 검증할 필요가 있습니다.

그린 수소는 태양열, 풍력, 수력 등 재생 가능한 에너지를 활용한 수전해 공정을 통해 생산되며, 지속 가능한 수소 생산 방식의 대표적인 사례로 간주됩니다.

수전해는 전기에너지를 이용하여 물(H₂O) 분자를 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분리하는 공정입니다. 전해조는 양극과 음극이라는 두 개의 전극과, 전극 사이의 이온 흐름을 촉진하는 전도성 용액인 전해질로 구성됩니다. 

시스템을 통해 직류 전류가 흐르면, 전자를 받아들이는 음극에서 환원 반응이 일어납니다. 음극으로 유도된 전자들이 이동하고 남은 공간은 전해질에 있는 음전하를 띤 음이온이 채웁니다. 양극에서 산화 반응이 일어나며 전자를 방출하고, 전해질에서 양전하를 가진 양이온들이 양극으로 이동합니다. 

음극에서는 양전하를 띤 수소(H+) 원자가 전자와 결합하여 수소 기체를 형성하고, 양극에서는 물 분자에서 전자가 분해되면서 산소 기체를 방출하고 음극으로 이동하는 수소이온을 보충합니다. 

수전해 공정을 통해 물은 수소와 산소 가스 분자로 분리됩니다. 그린 수소는 저장되는 반면, 산소는 아무런 해를 끼치지 않고 대기 중으로 방출됩니다. 

여분의 재생 가능한 에너지가 있을 때, 그린 수소는 필요시 전력망에 공급할 수 있도록 지속 가능한 방식으로 수소를 조달하는 방법을 제공합니다. 배터리에 저장된 전력과 달리, 저장된 수소는 시간이 지나도 분해되지 않고 특히 계절별 또는 장기 에너지 저장에 유용합니다.

그러나 열역학 법칙에 따르면 수소 생산을 위한 전기 분해에 필요한 에너지는 제품에서 얻을 수 있는 에너지보다 더 큽니다. 현재 미국 국립재생에너지연구소의 추정에 따르면 수전해의 효율은 약 70~80% 수준이며, 이는 공정을 실행하기 위해 투입된 재생에너지의 일부가 결과물인 수소의 잠재 에너지로 사용 가능하다는 것을 의미합니다.

추가로, 수전해 기반의 수소 생산 인프라는 아직 초기 단계에 있어 널리 보급되기 위해서는 추가적인 개발과 효율성 향상이 요구됩니다. 

원자력, 광촉매 물분해, 생물학적 및 생화학적 방법 등 수소를 생산하는 데 사용될 수 있으나 아직은 일반적이지 않은 생산 방법도 몇 가지 있습니다.

원자력을 이용한 수소 생산
원자력을 이용한 전기분해는 잠재적으로 “핑크 수소”라고 불리는 무탄소 수소를 대규모로 생산할 수 있는 잠재력을 보유하고 있지만, 아직 개발 단계에 있습니다. 원자력 발전소는 지속적인 가동을 통해 수소 생산에 필요한 안정적인 에너지원을 제공하므로, 재생 에너지를 사용할 시 간헐적으로만 에너지를 조달할 수 있는 문제를 해결할 수 있지만, 원자력 안전성, 방사성 폐기물 처리, 핵확산 가능성과 같은 대중의 우려가 기술 도입의 주요 장애물로 작용하고 있습니다.

광촉매 물분해
태양의 에너지를 직접 활용하는 광촉매 물분해는 태양광을 흡수하는 반도체 물질을 사용하여 전기 없이 물 분자를 수소와 산소로 분해합니다. 이는 식물의 광합성을 모방한 방식으로, 광자가 광촉매 반도체와 충돌할 때 전자를 여기시켜 화학 반응을 유도합니다.

이 방법은 아직 대규모 상용화 준비가 이루어지지 않았으며, 비용 효율적인 광촉매 물질을 개발하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 그러나 초기 시험에 의하면 전기분해보다 효율이 훨씬 높은 것으로 드러났습니다. 

생물학적 및 생화학적 수소 생산 
미래에 수소 생산에 사용될 가능성이 있는 또 다른 방법으로는 생물 광분해가 있습니다. 자연계에 존재하는 조류 및 남조류의 광합성 능력을 활용하는 이 방법은 수역에서 수소를 생산합니다. 생물량 또는 수역에서 수소 생산을 촉진하기 위해 효소 반응을 촉매로 활용할 수 있습니다. 

아직 실험 단계에 있지만, 수소 생산의 한계와 가능성을 탐구하는 것은 수소 경제 성장에 중요합니다. 산업에서 발생하는 온실가스의 감축을 위한 효율적이고 실행 가능한 기반을 다질 수 있기 때문입니다. 

수소를 효과적으로 생산하고 사용하려면 경제적, 기술적, 환경적 요소를 고려한 의사결정이 필수적입니다. 다양한 수소 생산 방법이 개선되고 종류가 증가하면, 여러 분야에서 수소의 활용도가 증가할 것입니다. 

현재는 증기 메탄 개질 또는 자동 열 개질을 이용한 그레이 수소 생산 방식이 가장 일반적이지만, 정부의 세금 인센티브를 통해 탄소 포집 기술을 사용하여 환경에 미치는 영향을 완화하는 블루 수소 생산이 증가하고 있습니다. 재생 에너지를 이용한 전기분해 방식으로 생산되는 그린 수소는 보다 지속 가능한 솔루션을 제시하지만, 확장 가능성과 비용 효율성을 보장하기 위해서는 추가적인 기술 발전이 필요합니다. 

메탄 열분해와 광촉매 물분해 등 새롭게 등장한 방법들은 수소 생산에 추가적으로 사용할 수 있는 가능성을 제시하지만, 아직 초기 단계에 있어 추가적인 연구와 개발이 필요합니다. 여러 종류의 생산 방식을 포용하는 다각적인 접근 방식과 더불어, 지원 정책 및 지속적인 혁신은 수소가 지속 가능한 에너지의 초석으로서 잠재력을 발휘하는 데 필수적입니다.