수소(H₂)란?
원자번호 1이며 비금속 원소인 수소(H₂)의 순물질은 실온에서 기체상태의 H₂로 존재하며 우주의 75스로를 구성하고 있는 흔한 원소이다. 수소는 불에 타는 가연성 연료인데 수소가 연소할 때 폭발음과 함께 무색의 불꽃을 내며 탄다. 이때 수소와 산소가 반응하게 되면서 물 분자가 형성된다.
순수한 수소, 산소 불꽃은 자외선과 맨눈으로는 거의 볼 수 없으며 상당한 밝은 빛을 방출한다. 그렇기 때문에 수소 가스의 누출을 감지하기 위해서는 불꽃 감지기가 필요하다고 한다.수소를 냉각하여 액상이 되면 그 부피가 기상에서의 부피의 700분의 1로 줄어든다고 한다. 이러한 이유에서 수소는 가벼운 무게와 높은 에너지 함량을 원료로 요구하는 로켓이나 우주선의 추진 연료로 사용되고 있다.
수소의 용도 및 장점
- 로켓, 잠수함, 전기공업, 유리공업 추진제에 사용
- 항공기 부품검사에 사용
- 철 구조물, 제철소, 알루미늄 용접에 사용
- 수소연료자동차 사용
- 조명공업, 광섬유에 사용
- 수소연료전지에 사용
- 핵무기에 사용
- 태양열 발전기에 사용
수소는 현재의 화석연료나 원자력 등이 따를 수 없는 장점을 갖고 있기 때문에, 수소에너지는 미래의 궁극적인 대체에너지원 또는 에너지 매체(carrier)로 꼽히고 있다. 또한 수소는 공기 중에서 연소 시 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는 공해물질이 전혀 배출되지 않으며, 직접연소를 위한 연료나 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하다.그 밖에도 수소는 지구상에 무한히 존재하는 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있다는 장점이 있다.
수소에너지의 안전성
수소는 현존하는 가장 안전한 에너지 중 하나로서 이미 오랜 기간 다양한 분야에서 사용되어 왔다. 수소는 공기보다 14배 이상 가벼워 외부 누출 시에도 공기 중에 빠르게 희석 및 확산되기 때문에 화재 발생 가능성도 매우 낮다. 국내에서는 석유화학, 반도체 등 여러 산업에서 이미 수십년간 사용되어 왔다. 또한 산업계와 규제기관에서는 수소를 더욱 안전하게 사용하기 위한 기술과 제도를 꾸준히 연구 개발하고 있다.
일각에서는 '수소폭탄'을 떠올려 우려를 하기도 하지만 우리가 실생활에서 활용하는 수소는 자연 상태의 '경수소'인 반면, 수소폭탄은 이와 다른 구조의 '중수소', '삼중수소'로 만들어진다. 중수소나 삼중수소는 일반 자연 상태에서는 거의 존재하지 않으며, 수소폭탄을 만들기 위해서는 약 1 억°C 이상의 온도로 가열해 핵융합 만응을 일으켜야 한다. 즉, 수소폭탄은 인위적인 절차를 거쳐 만들어지는 것으로 흔히 사용하는 수소와는 전혀 다른 종류이다.
수소를 냉각하여 만든 액화수소는 기체 상태의 수소보다 훨씬 안전하다. 액화수소는 상온에서 기체로 존재하는 수소를 영하 253℃의 극저온으로 냉각하여 액체 형태로 만든 수소이다. 기체수소에 비해 부피가 800분의 1로 줄어 수소의 수송과 보관이 용이해 경제적이다. 또한 일반 대기압 수준으로도 저장이 가능해 기체수소 대비 매우 안전하게 취급될 수 있다. 아울러 기체 수소 대비 충전 속도도 빨라 미국, 일본, 독일 등 해외에서는 약 250개소 이상의 액화수소 충전소가 운영되는 등 액화수소 보급이 활발하게 진행되고 있다.
수소 에너지 추출방법
수소를 추출하는 방법은 정유 및 제철 공장 등의 부생수소를 활용하는 방법, 화석연료나 바이오매스로부터 메탄가스 등을 개질하여 얻거나 신재생에너지를 활용한 물의 전기분해 방식 등 크게 세가지로 나눌 수 있다.
1) 부생수소
부생수소는 석유화학공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 나오는 것으로, 나프타를 전환하는 개질공정(정유공정)에서 발생한다. 예를 들어 프로필렌은 액화석유가스, 즉 LPG(Liquefied Petroleum Gas)에서 수소 분자를 제거한 것인데, 이를 생산하는 공정에서 수소가 발생하게 된다.
2) 천연가스 개질
천연가스 개질 방식은 천연가스를 고온, 고압의 수증기로 분해하는 방식으로, 세계적으로 가장 많이 사용하고 있는 방법이다. 황 성분이 제거된 천연가스(CH₄)에 열과 촉매를 가해 고농도의 수소를 얻을 수 있는데, 천연가스와 수증기(H₂O), 이산화탄소(CO₂)를 반응시켜 수소(H₂)를 생산한다.
3)전기분해
태양광, 풍력과 같은 신재생에너지로 생산한 전기를 물에 가하면 수소와 산소로 분해되는데, 이 때 고순도의 수소를 얻을 수 있다.
현재 가장 널리 사용되는 것은 석유화학산업이나 제철산업에서 발생하는 부생수소, 즉 백색수소(White hydrogen)이다. 부생수소는 가격이 가장 저렴하지만, 공급량에 한계가 있다. 갈탄을 가스화하여 생산하는 수소인 갈색수소(brown hydrogen)가 있고, 수소생산단가는 낮지만, 수소 생산과정에 이산화탄소 및 오염물질의 배출이 대량으로 발생한다. 이 이산화탄소를 포집저장 처리하여 생산한 수소를 청색수소(blue hydrogen)라 부른다. 이로 인해 수소생산단가는 상승하게 되며, 포집저장된 이산화탄소의 해결이 어려운 문제이다.
기존 전력망에서 공급받은 전력으로 물을 전기분해하여 생산한 수소를 황색수소(yellow hydrogen)라고 한다. 수소생산과정에서는 이산화탄소 배출이 없지만, 전력생산과정에서 탄소배출이 발생하므로 사용하기 어려운 기술이다. 녹색수소(green hydrogen)는 태양광이나 풍력으로 생산된 전력을 이용하여 물을 전기 분해하여 생산된 수소이다. 재생에너지의 간헐성과 높은 전력비용으로 수소생산단가가 높으며, 대량생산도 용이하지는 않다. 마지막으로 원자력 발전으로 생산한 전력을 이용하여 물을 전기분해하여 생산한 수소를 자색, 핑크, 적색 수소라고 부른다.
수소시장의 현재와 미래
글로벌 수소생산 규모가 2020년 1296억 달러에서 연평균 9.2%씩 성장해 2025년에는 2014억달러에 이를 것이라는 전망이 나왔다. 지난해 무역협회는 독일, 미국, 일본, 중국 등 주요국들의 수소정책을 담은 '수소산업 경쟁력 강화를 위한 정책 연구' 보고서를 발간해 글로벌 성장 추이를 예측했다.
특히 수전해 설비 규모가 2030년까지 연평균 86%씩 증가해 그린수소 중심으로 글로벌 수소시장이 움직일 것이라고 분석했다. 보고서에 따르면 에너지 블룸버그 뉴 에너지 파이낸스는 그린수소가 2033년에는 블루수소를 뛰어 넘고, 2040년에는 그레이수소보다 저렴해 질 것이라고 내다봤다.
주요국의 생산 현황 및 정책동향에 대한 분석도 내놨다. 2020년 기준 글로벌 1위 수소 생산량(274억 달러, 점유율 21.1%)을 보유하고 있는 중국의 경우 석유화학시설 확대로 2025년에는 427억달러 규모까지 성장할 것으로 전망했다.
2020년 기준 글로벌 2위 수소시장(232억 달러, 점유율 17.9%)을 확보한 미국은 풍부한 천연가스 생산량을 기반으로 2025년 359억달러 규모로 성장할 것으로 내다봤다.
이외에도 일본, 독일, 호주 등 수소산업을 선도하고 있는 각국 정책방향이 그레이수소에서 청정(그린, 블루)수소로 전환되는 흐름도 확연하게 나타나고 있다고 보고서는 분석했다. 국가별 환경에 맞춰 그린수소 혹은 블루수소로 기술 개발을 추진하고 있다는 것이다.
특히 친환경자동차의 하나인 수소연료전지차는 전 세계적으로 37,400대가 보급되었으며, 한국(12,342대, 2021년 4월 기준), 미국(10,068대), 중국(7,227대), 일본(5,185대), 독일(738대) 순으로 한국이 보급 대수의 33%로 차지하며 세계 1위이다. 수소연료전지차의 충전소 보급을 2020년 310기, 2040년 1,200기 이상으로 확충하여 차량 보급속도를 향상하고 있다.
세계적으로 수소전기차 시장은 급속히 증가할 것으로 전망하고 있다. 세계 수소연료전지차의 보급대수는 [세계 수소연료전지차 시장의 현황 및 전망]에서 보듯이 2019년 24,047대에서 2025년 약 140만대, 2030년 800만대로 10년 사이 약 3~400배로 증가할 것으로 예상한다.
수소에너지의 가격
블룸버그의 자료에서 생산비용은 2030년부터 최소비용이 그린수소가 가장 저렴해지고, 2050년에는 최소부터 최대값까지 그린수소가 가장 값싼 수소가 된다.
IEA의 분석에 따르면 현재 그레이수소는 1kg당 1.0~2.2$, 블루는 1.5~3.0$, 그린은 3.0~7.2$의 비용이 든다. 다만, IEA 역시 태양광 발전 비용과 수전해 설비 비용이 감소할 것이라 전망했으며, 여기에 탄소세가 본격적으로 적용되기 시작하면, 석탄·석유·천연가스 등 화석연료를 이용해 만드는 그레이·블루수소는 가격이 상승할 수 밖에 없다.
2021년 6월 미국 정부는 ‘에너지 어스샷 이니셔티브’를 발표하면서, 2030년까지 청정수소 생산비용을 1kg당 1달러 이하로 낮추는 것을 목표로 했다. 이는 그린수소 생산에 대한 수요와 기술 투자를 대폭 확대할 것이라는 계획하에 진행된다. 이를 위해 세계 수전해 장치 시장 규모는 2020년 0.936GW에서 2025년 5GW, 2030년 40GW로 급증할 것으로 예상되고 있다. 해외에서는 2030년까지 세계 수소 생산량 1100만톤(69GW급)중 그린수소는 70%, 블루수소는 30%로 예상한다.
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