<관련 포스팅>
[수소 산업] 수소연료전지 원리와 구조, 종류 (Fuel Cell)
[수소 산업] 수소 관련 기업 정리 (수소 생산, 수소 충전소)
[수소 에너지/연료전지] 수소, 연료전지 산업 밸류체인별 관련주, 국내/해외 기업 총정리!
1. 수소 에너지 장단점
최근 몇 년간 전 세계적으로 탄소 중립, 넷제로(Net-Zero) 정책과 환경 규제가 쏟아지면서 태양광, 풍력을 사용한 청정 에너지 관련 산업과 2차전지 및 전기차 산업이 부흥하고 있습니다.
그러나 이런 친환경 에너지 또한 여러가지 한계점을 갖고 있습니다.
태양광 및 풍력을 통해 전력에너지를 생산하는 방법은 우선 ▲날씨 및 지리환경적 영향을 많이 받고, ▲시간대별 발전량 변동(간헐성)이 크고, ▲발전원이 분산 설치되어 있으며, ▲발전원과 사용처의 지리적 미스매치로 ▲전력 전송을 위한 장거리 송배전망 설치가 필요합니다.
즉, 생산된 에너지를 전송하기 위해 전력망을 새로 구축해야하며, 생산된 전기를 저장하는데 비용이 많이 듭니다.
현재는 2차전지 배터리나 ESS(Energy Storagy System, 에너지저장시스템) 인프라를 구축해 생산된 에너지를 저장하고 있으나, 2차전지 특성상 시간이 지날수록 방전되기 때문에 ▲장기간 저장이 어려우며, ▲무게가 무겁고, ▲전력 밀도 향상에 한계가 있으며, ▲배터리를 생산, 폐기할 때 환경오염이 발생한다는 단점들이 있습니다.
이러한 문제로 비행기, 중장비, 조선, 대형 화물차 등의 대형 운송 산업이나 철강, 비철금속, 시멘트, 발전 등 고열이 필요한 전통 산업에는 아직 2차전지 배터리 사용이 제한되고 있습니다.
그러나 수소를 통한 에너지 발전의 경우 수소만 지속적으로 공급할 수 있으면 산업별 자가 발전이 가능합니다.
또한 수소는 물, 유기물, 화석연료(천연가스) 등을 사용해 생산이 가능하므로 연료가 사실상 무한하며, 높은 에너지 효율과 매우 가볍기 때문에 선박, 항공, 중장비 등에서도 사용이 가능합니다.
또한 수소만 잘 저장할 수 있으면 수소연료전지를 통해 필요할 때 바로 발전해서 사용하기 때문에 에너지 손실 없이 장기간 저장 및 운송이 가능합니다. (전력망은 운송하면서 지속적은 에너지 손실이 발생합니다)
또한 기존 구축된 천연가스 파이프라인을 그대로 사용할 수 있어 발전원과 수요처를 연결하는 새로운 인프라 구축이 불필요 하다는 장점도 있습니다.
반면 수소 에너지의 단점으로는 기체로 존재하고 매우 가볍기 때문에 이를 압축해서 안정적으로 보관, 운송하는데 높은 기술이 필요하며, 아직 수소 생산에 비용이 많이 들어간다는 단점이 있습니다.
또한 물을 전기 분해하는 수전해 방식을 사용해 수소를 생산할 경우, 전기가 필요하기 때문에 어쩔수 없이 기존 재생에너지 사용이 필요하다는 한계가 있습니다.
2. 수소 산업 밸류체인
수소 산업의 밸류체인은 크게 ▲생산, ▲저장, ▲운송, ▲충전, ▲활용 다섯 단계로 이루어져 있습니다.
수소 생산 시 사용되는 에너지를 공급하고 수소를 생산하는 단계를 업스트림(Up-Stream), 수소 트레이딩, 운송 및 저장하는 단계는 미드스트림(Mid-Stream), 수소를 유통하고 소매 판매 및 활용하는 단계를 다운스트림(Down-Stream)으로 구분합니다.
■ 수소 생산
수소는 생산 중 이산화탄소(CO2) 발생량에 따라 그린 수소, 청록 수소, 블루 수소, 그레이 수소로 구분하고 있으며, 각기 다른 생산 방식을 갖고 있습니다.
- 수전해 방식(전기분해) : 그린 수소
CO2가 전혀 발생하지 않는 그린 수소를 생산하는 방식입니다.
수전해 설비를 통해 물(H2O)을 전기분해하면 양극(+)에 산소원자가, 음극(-)에 수소원자가 모이게 되며, 이를 통해 고순도의 수소를 추출할 수 있습니다.
물이라는 풍부한 자원을 사용하고 CO2를 전혀 생산하지 않기 때문에 궁극적인 기술 목표이나, 전기를 사용하기 때문에 어쩔수 없이 태양광, 풍력 등 기존 신재생에너지 사용이 동반되어야 한다는 한계가 있습니다.
또한 아직 기술 성숙도가 낮아 생산 단가가 비싸다는 단점이 있습니다.
수전해 설비는 사용되는 전해질에 따라 PEM, AEC, AEM, SOECs 등으로 구분됩니다.
- 고온 열분해(플라즈마) 기술 : 청록 수소
메탄(NH4)과 같은 천연가스와 같은 화석연료를 고온반응기인 플라즈마 개질기에 통과시켜 청록 수소를 생산하는 방식으로, 아크 플라즈마 기술과 열 플라즈마, 마이크로파 플라즈마 기술 등이 있습니다.
화석연료를 사용하지만 이산화탄소가 아닌 고체탄소(카본 파우더)로 분해되기 때문에 블루수소 대비 좀 더 친환경적입니다.
생산 중 발생된 고체탄소는 타이어의 원료인 카본블랙이나 이차전지의 음극제의 원료인 인조 흑연, 그래핀 생산에 활용될 수 있습니다.
음식물 쓰레기, 배설물, 하수 등 유기부산물에서 발생한 바이오매스, 바이오가스 (바이오메탄올)로 생산된 천연가스로도 청록 수소 생산이 가능합니다.
또한 수전해 방식 대비 적은 전력량으로 생산이 가능하다는 장점도 있습니다.
그러나 대량 생산이 어렵고 천연가스 비용에 영향을 크게 받는다는 단점이 있습니다.
- SMR + CCS (이산화탄소 포집 기술) : 블루 수소
SMR(Steam Methan Reforming) 기술을 통해 그레이 수소를 생산 시에 발생하는 이산화탄소(CO2)를 포집하여 저장하는 CCUS(Carborn Capture Utilization and Stroage, CCS) 기술을 접목하여 이산화탄소를 제거하는 기술입니다.
CCUS 기술은 기존에 발전소, 철강, 시멘트 등 대규모 이산화탄소를 발생하는 산업에서 이산화탄소를 포집하는데 사용하고 있는 기술로, 포집된 이산화탄소는 시멘트 등 건설자재, 타이어, 반도체 가스 등의 소재로 사용 가능하며, 잉여 이산화탄소는 땅속에 다시 집어넣어 저장하거나 유전 및 가스전에 주입해 석유/가스 생산 효율을 높임과 동시에 저장하는데 사용되어집니다.
그린수소로 가기 위해 현재 가장 경제성 있는 중간 단계 기술로 연구 및 활용되고 있습니다.
다만 CCUS 시설을 구축해야하기 때문에 생산 비용이 올라갑니다.
- SMR 기술 : 그레이 수소
SMR(Steam Methan Reforming) 기술은 고온의 스팀을 활용해 천연가스, LPG 등 화석연료 속 메탄을 개질하는 방법으로 수소를 생산하는 방식입니다.
고순도 수소 추출을 위해 정제하는 기술이 필요하며 대량생산이 가능하기 때문에 현재 생산되는 대부분의 수소는 SMR 방식으로 생산된 그레이 수소 입니다.
이외에 석유화학 및 제철 산업에서 특정 공정 중 중간 산출물로 발생되는 부생 수소를 활용하는 기술들도 있습니다.
■ 수소 운송/저장
가장 가벼운 원자이며 기체 형태로 존재하는 수소의 특성상 운송과 저장 기술은 매우 까다롭고 비용이 많이 듭니다.
현재는 주로 기존 천연가스 파이프라인을 활용해 수소를 혼소하여(섞어서) 공급하거나 튜브 트레일러를 통해 공급하거나 암모니아, LOHC, 액화수소 형태로 바꿔 운송, 저장하고 있습니다.
- 튜브 트레일러 운송
기체 상태의 수소를 고압으로 압축한 후 수소 튜브(탱크)에 저장하여 운송하는 방식입니다.
주로 수소 생산지나 수소 터미널에서 가까운 수요처(충전소, 산업체)로 유동적 공급이 가능합니다.
수소를 고압으로 압축하여 손실 없이 안전하게 운반할 수 있는 수소 튜브 제조 기술이 핵심이며
탄소 섬유 복합재로 제작한 Type4 탱크 제조 기술이 상용화되고 있습니다.
수소 탱크 종류 및 기술 내용은 아래 포스팅 참고 부탁드립니다.
[수소 산업] 일진다이아 주가 전망 및 기업 분석 (수소 탱크 관련주)
- 파이프라인 운송
수소 전용 파이프라인 혹은 기존 천연가스 파이프라인을 활용한 운송 방식으로, 근거리에서 대규모로 안정적인 공급에 적합한 방식입니다.
기체 상태로 운송해야 하기 때문에 고압으로 압축하는 과정이 필요합니다.
주로 수소 생산처에서부터 주변 발전소 및 수소 이용 산업체로 배관망을 구축하여 사용합니다.
인프라를 구축해야하기 때문에 초기 CAPEX 비용이 많이 소요되며 고압 가스를 전달해야하기 때문에 관련 인허가 확보 및 주민 동의 등이 필요합니다.
- LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier)
톨루엔 등의 유기화합물인 액상유기운반체(LOHC)를 활용해 수소를 화합물 형태로 변환시켜 운송한뒤, 이를 다시 탈수소 과정을 통해 수소로 추출하여 사용하는 방식입니다.
대량의 수소를 장거리까지 안전하게 운반할 수 있다는 장점이 있습니다.
수소 화합물의 합성/분해 시설을 추가로 구축해야하고 LOHC 원료의 생산 규모가 아직 크지 않으며, 수소 추출 속도가 느려 현재는 대규모 상용화가 어려운 상황입니다.
- 액화 수소 방식
기체인 수소를 -253℃로 낮춰 액화시켜 액체 형태로 탱크로리, 튜프 트레일러 등을 통해 운송 및 저장하는 방식입니다.
기체일 때보다 부피가 1/800 수준으로 줄어들기 때문에 많은 양의 수소 운반이 가능합니다.
-253℃의 극저온으로 냉각시켜 유지해야 하기 때문에 에너지 사용 비용이 많이 들고, 저장, 운송 중 증발되어 손실이 발생할 수 있어 아직 경제성이 확보되지 않고 있습니다.
다만 최근 액체 수소를 다시 기화시키면서 발생되는 냉열 에너지를 재활용하는 방안들이 많이 늘어나면서 생산 비용을 감소하고 있는 추세입니다.
- 액상 암모니아 운송 및 크래킹
하버-보슈법으로 수소에 질소를 첨가해 암모니아(NH3)로 변환해서 운송 및 저장하는 방식입니다.
수요처로 운송된 암모니아는 크래킹 시설에서 600℃의 온도로 가열해 수소를 분리한 후, 수소 정제 시스템인 PSA에서 불순물을 제거해 고순도의 수소를 추출합니다.
액화 수소 대비 높은 온도에서 변환이 가능하며, 단위 부피당 높은 수소 저장이 가능하고, 대규모 저장이 가능하며, 기존 구축된 암모니아 저장/운송 인프라를 그대로 사용할 수 있다는 점에서 현재 가장 상용화가 빠르게 이루어지고 있는 기술입니다.
다만 암모니아에서 다시 수소로 재분해하는 크래킹 시설 구축 비용이 크고, 아직 크래킹 공정 기술의 연구개발이 더 필요하며, 암모니아 거래 가격에 민감하다는 단점이 있습니다.
■ 수소 충전
수소 충전소는 수소 생산 시설에서 트레일러나 파이프라인을 통해 수소를 직접 공급받는 중앙공급방식(Off-Site)과 천연가스(CNG, LNG)를 공급받아 직접 수소를 개질해 제공하는 현지공급방식(On-Site)로 구분됩니다.
■ 수소 활용
수소는 에너지로 사용되는 것 뿐만 아니라 수소 그 자체로도 사용처가 매우 다양합니다.
특히 현재 탄소 중립에서 가장 거리가 먼 산업인 제철 및 석유화학, 발전 산업에서 특히 수소를 활용한 넷 제로 달성에 열을 올리고 있습니다.
또한 최근 데이터센터 등의 대량의 전력을 사용하는 건물이나 비행기, 선박, 산업용 차량 등의 대형 수송용 산업에 연료로 사용이 가능합니다.
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