수소 제조기술

왜 배우는가: 수소연료전지차의 연료를 어떻게 얻는지는 차량의 친환경성과 연료 공급 비용을 함께 결정한다. 수소 제조방법은 같은 주제가 여러 회차에 걸쳐 반복 출제된 개념이다.

출제 이력: 제137회 1교시 9번, 제123회 1교시 10번, 제110회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수소 제조기술은 화석연료, 물, 바이오매스 등 원료에서 수소를 분리하거나 합성하는 기술의 총칭이다. 수소는 자연에서 단독 원소로 거의 존재하지 않으므로 다른 물질에서 떼어내거나 합성해야 한다. 이때 쓰는 원료와 에너지원에 따라 제조 과정의 탄소 배출량이 달라지므로, 수소연료전지차의 친환경성은 차량 자체뿐 아니라 수소를 어떻게 만드는지에 따라 결정된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 수증기 개질(SMR): 천연가스의 주성분인 메탄을 고온의 수증기와 촉매 반응시켜 수소를 얻는 방법이다.
• 부생수소: 석유화학·철강 공정에서 주산물이 아니라 부산물로 발생하는 수소이다.
• 수전해: 물을 전기분해하여 수소와 산소로 나누는 방법이다.
• 석탄 가스화: 석탄을 산소·수증기와 반응시켜 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 얻는 방법이다.
• 바이오매스 가스화: 목질계 바이오매스를 같은 원리로 가스화하여 합성가스를 얻는 방법이다.
• 열분해: 산소를 차단한 상태에서 탄화수소를 가열하여 수소와 고체 탄소로 분해하는 방법이다.
• 수성가스 전환반응: 개질 과정에서 생긴 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 수소를 추가로 얻는 반응이다.
• 그린수소: 재생에너지 전력으로 수전해하여 얻은 수소이며, 제조 과정의 온실가스 배출이 적은 수소이다.

2. 개념 풀이

수소 제조기술은 수소를 원료에서 분리하거나 합성하여 연료로 공급할 수 있는 상태까지 만드는 공정 기술의 총칭이다. 제조 방식은 원료가 화석연료인지, 물인지, 바이오매스인지에 따라 나뉘고, 공정 에너지원이 열인지 전기인지에 따라 다시 나뉜다. 이 정의에서 중요한 것은 수소가 에너지원이 아니라 에너지를 담아 옮기는 에너지 운반체라는 점이다. 따라서 제조 과정에 투입한 에너지와 발생한 온실가스를 함께 따져야 수소의 실질적 친환경성을 평가할 수 있다.

제조 원리는 화학 결합을 끊는 방식에 따라 이해하면 된다. 수증기 개질은 탄화수소와 물의 수소 원자를 촉매 위에서 재배열하는 반응이며, 대표 식은 CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ 이다. 여기서 생긴 일산화탄소는 CO + H₂O → CO₂ + H₂ 식의 수성가스 전환반응으로 한 번 더 처리하여 수소 수율을 높인다. 이후 생성가스에서 이산화탄소와 잔여 불순물을 제거하는 정제 단계를 거쳐 연료전지에 쓸 수 있는 순도의 수소를 얻는다.

전기 에너지로 결합을 끊는 수전해는 물을 2H₂O → 2H₂ + O₂ 로 분해하므로, 소비 전력이 재생에너지에서 왔는지 화력발전에서 왔는지가 탄소 배출을 좌우한다. 같은 수소라도 전력원이 다르면 제조 단계의 탄소 배출이 크게 달라지는 이유가 여기에 있다. 주요 방식의 특징은 다음 표와 같이 원료와 에너지원 기준으로 비교한다.

위 표에서 보듯 제조 방식마다 원료와 탄소 배출 구조가 다르다. 실무에서는 이 차이를 기준으로 방식을 선택한다.

수증기 개질은 현재 상업적으로 가장 많이 쓰이는 수소 제조 방식이다. 공정이 성숙하여 대량 생산에 유리하지만, 화석연료 원료를 쓰므로 탄소 포집 없이는 온실가스 저감 효과가 제한된다.

그린수소는 재생에너지 전력으로 수전해하여 얻은 수소이며, 온실가스를 줄이는 방향의 핵심 수소이다. 반면 화석연료 개질로 얻고 이산화탄소를 포집하지 않은 수소는 그레이수소로 구분하며, 이는 수소 색상 분류의 기준이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

수소 제조기술이 중요해진 이유는 크게 세 가지이다. 첫째, 수소연료전지차는 주행 중 물만 배출하지만, 수소를 화석연료 개질로 얻으면 제조 단계에서 이산화탄소가 발생한다. 즉 차량의 무공해성과 수소 공급 체계의 탄소 배출은 별개의 문제이므로, 제조 기술이 함께 개선되어야 한다.

둘째, 수소는 부피당 에너지 밀도가 낮아 운반과 저장이 어렵다. 그래서 어디에서 어떤 방식으로 만들지에 따라 수소 저장과 충전 인프라의 설계가 달라진다. 중앙에서 대량으로 만들어 운반하는 방식과 충전소 가까이에서 소규모로 만드는 방식 중 무엇이 유리한지가 제조 기술 선택의 중요한 기준이 된다.