수소기술
일반특성
수소기술 수소는 지구상에 존재하는 가장 가벼운 원소로써, 무색·무미·무취로 상온에서 기체(H2) 상태이지만, 일반적으로 지구상에 순수한 분자 상태로 거의 존재하지 않고, 물과 같은 화합물 상태로 존재함. 수소는 분자량이 가벼워 단위 중량당 큰 부피와 강한 확산성을 가지고 있으며, 단위 질량당 열량은 높으나, 강한 환원성(가연성)의 성질을 가지고 있음. 공기 중에서 자연발화온도는 500℃이고, 인화 및 폭발범위는 각각 4~75%, 18.3~59%로써, 메탄보다 발화온도는 낮고 폭발범위는 넓은 특성이 있으며, 또한 기화점은 ？252.8℃로 매우 낮아 취급이 어려운 점이 존재함. 최근 수소는 연소 후 CO2나 오염물질을 배출하지 않아 대체에너지로 주목받고 있지만, 앞선 특징으로 인해 에너지로 사용하기 위해서는 생산, 저장, 운송, 분배, 사용 단계에서의 많은 기술적 과제를 해결해야 함
수소의 분류(원료 및 공정 기준)
❍ 수소를 생산하는 방법은 원료와 원료를 처리하는 방법에 따라 15가지로 구분하는데, 원료는 크게 화석연료(탄화수소)와 재생원료(바이오매스, 물)로 구분함
- 화석연료로 수소를 생산하는 방법은 공통적으로 탄화수소에 열을 가해 탄소와 수소를 분리하는 기법이 주로 적용되며, 세부적인 방식에 따라 4가지로 구분함
● 탄화수소 열분해* : 플라즈마 등을 이용하여 고온(750~2,000℃)의 열을 가하여 탄소와 수소를 분리하는 방법으로써, CO2 발생이 적다는 장점이 있음
* 상세 내용은 EG-TIPS의 수소 생산기술 ‘플라즈마 이용 메탄 열분해’ 참조
● 탄화수소 개질 : 탄화수소에 열과 수증기 또는 산소를 공급하여 수소를 분리하는 방법으로써, 스팀개질, 자열개질, 부분산화 3가지 방식*이 있음
* 상세 내용은 EG-TIPS의 수소 생산기술 스팀메탄개질, 자열개질, 부분산화를 참조
- 재생 원료 기반 수소 생산방법은 원료에 따라 바이오매스와 물로 구분할 수 있으며, 물을 이용해 수소를 생산하는 방법은 열분해, 광분해, 전기분해가 있음
● 물 열분해* : 물을 고온의 열을 가하여 수소와 산소로 직접 분리하는 방범임
* 상세 내용은 EG-TIPS의 수소 생산기술 ‘4세대 원자로를 이용한 원자력 수소생산’ 참조
● 광분해 : 태양광을 흡수해 전기를 생성하는 물질을 이용해 물의 전기분해를 통해 수소와 산소로 분리하는 방법임
● 전기분해* : 물에 전기를 가해 물을 수소와 산소로 분리하는 방법이며 전해질에 따라 알칼라인, 고체산화물, 고분자전해질로 구분할 수 있음
* 상세 내용은 EG-TIPS의 수소 생산기술 ‘알칼리수 전기분해에 의한 수소생산’, ‘고체산화물 전해조’, ‘고분자 전해질 막 전기분해’ 참조
-
수소의 생산 원료 및 공정 기준 분류
출처S. Shiva Kumar, V. Himabindu, "Hydrogen Production by PEM Water Electrolysis – A review", Materials Science for Energy Technologies, 2 (2019) 442–454
- 바이오매스를 이용해 수소를 생산할 수 있는 방법은 생물학적 방식과 열화학적 방식으로 구분할 수 있으며,생물학적 방법은 광분해, 발효, 광합성 발효가 있으며,
열화학적 방식은 가스화, 열분해, 연소, 액화 등이 있음
● 생물학적 광분해 : 광합성 메커니즘을 이용해 CO2는 고정하고, 수소를 생산하는 조류를 이용한 방법임
● 혐기 및 광합성 발효 : 혐기 발효는 빛과 산소가 없는 혐기적 조건에서 유기물을 분해하여 수소를 생산하는 방법이고, 광합성 발효는 빛이 있고 산소가 없는
혐기적 조건에서 유기물을 분해하여 수소를 생산하는 방법임
● 가스화 : 건조된 바이오매스를 저산소 환경에서 가열하여 수소, 일산화탄소 등으로 합성가스를 생성하고 이를 수성가스 전환반응을 통해 수소를 생산함
● 열분해 : 가스화 방식과 유사하며, 바이오매스를 무산소 상태에서 고온의 열을 가하여 탄소와 수소를 분리하는 방법임
수소의 분류(원료, 에너지원, CO2 배출 기준)
❍ 수소 생산에 사용하는 원료, 에너지원, CO2 배출량에 따라 10가지로 구분함
- 녹색 수소 : 재생에너지 전기를 이용하여 물 전기분해 공정을 통해 생산한 수소를 말하며, CO2 배출이 없음
- 청색 수소 : 화석연료를 원료로 하며, 증기 개질을 통해 수소를 생산하지만 CCS(탄소포집 및 저장) 기술을 적용하여 CO2를 포집 저장함으로써, 소량의 CO2만 배출함
- 회색 수소 : 화석연료를 원료로 하며, 증기 개질을 통해 수소를 생산하며, 개질 과정에서 발생하는 CO2는 대기 중으로 배출함
- 흑/갈색 수소 : 역청탄(흑색)이나 갈탄(갈색) 등의 석탄을 원료로 하며, 가스화 공정을 통해 수소를 생산하며, 가스화 과정에서 발생한 CO2는 대기 중으로 배출함
- 청록색 수소 : 천연가스 열분해로 수소를 생산하고, 탄소는 고체로 배출하기 때문에 일반적인 개질 방식보다 CO2 배출량이 적음
- 보라색 수소 : 원자력발전소에서 생산한 열과 전기로 물을 고온으로 가열한 다음 전기분해하여 수소를 생산하며, CO2 배출은 없음
- 분홍색 수소 : 원자력발전소에서 생산한 전기로 물을 전기분해하여 수소를 생산하며, CO2 배출은 없음
- 적색 수소 : 원자력발전소에서 생산한 열로 물을 열화학 분해하여 수소를 생산하며, CO2 배출은 없음
- 황색 수소 : 상용전기를 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하며, 상용전기의 전력배출계수에 따라 CO2 배출량은 달라짐
- 백색수소 : 자연적으로 발생하는 수소를 나타냄
수소의 분류-원료, 에너지원, CO2 배출기준
| 수소 색깔 | 원료 | 1차 에너지원 | 생산공정 | CO2 배출 |
|---|---|---|---|---|
| 녹색 수소 (Green) |
물 | 재생에너지 전기 | 물을 전기분해하여 수소 생산 | 없음 |
| 청색 수소 (Blue) |
천연가스 | 천연가스 | 탄소포집 및 저장이 접목된 메탄증기개질(SMR) 수소 생산 | 소량 |
| 회색 수소 (Grey) |
천연가스 | 천연가스 | 메탄증기개질(SMR) 수소 생산 | 다량 |
| 흑/갈색 수소 (Black/Brown) |
역청탄, 갈탄 | 석탄 | 석탄 가스화 공정을 통한 수소 생산 | 다량 |
| 청록색 수소 (Turquoise) |
천연가스 | 천연가스 | 천연가스 열분해로 수소 생산 탄소는 고체로 배출 |
소량 |
| 보라색 수소 (Purple) |
물 | 원자력 (열, 전기) |
원자력 열과 전기로 물을 열화학, 전기분해로 수소 생산 | 없음 |
| 분홍색 수소 (Pink) |
물 | 원자력 (전기) |
원자력 전기로 물을 전기분해하여 수소 생산 | 없음 |
| 적색 수소 (Red) |
물 | 원자력 (열) |
원자력 열로 물을 열화학 분해하여 수소 생산 | 없음 |
| 황색 수소 (Yellow) |
물 | 상용전기 | 물을 전기분해하여 수소 생산 | 배출 (전력배출계수) |
| 백색 수소 (White) |
- | 자연적으로 발생하는 수소 | 없음 |
| NO. | 내용 | 다운로드 |
|---|---|---|
| 1 | PEM (Proton exchange membrane) 연료전지 발전 기술 | 다운로드 |
| 2 | 바이오매스 연소 발전 기술 | 다운로드 |
| 3 | CCS-AUSC(Advanced Ultra Supercritical) 석탄 화력 발전 기술 | 다운로드 |
| 4 | AUSC(Advanced Ultra Supercritical) 석탄 화력 발전 기술 | 다운로드 |
| 5 | CCS공정 포함 천연가스 복합 가스터빈 발전 기술 | 다운로드 |
| 6 | 수소 이용 개방형 가스터빈 발전 기술 | 다운로드 |
| 7 | 대규모 태양광 발전 기술 | 다운로드 |
| 8 | 해상 풍력 발전기술 | 다운로드 |
| 9 | 육상 풍력 발전기술 | 다운로드 |
