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수소경제를 위한 수소 생산 방법과 문제점
게시물ID : science_67910짧은주소 복사하기
작성자 : 이름없는자(가입:2013-01-08 방문:195)
추천 : 0
조회수 : 741회
댓글수 : 2개
등록시간 : 2019/03/18 16:07:59
요즘 정부에 수소차 등 수소경제를 내세우는데 그러면 수소를 산업적으로 생산하는 방법이
무엇이 있는지 또 어떤 문제들이 있는 지 알아보자.

1) 천연가스 개질
천연가스를 촉매를 사용해서 분해/개질해서 수소를 뽑아낼 수 있는데 
이게 현재 산업적으로는 수소를 대량생산하는 가장 경제적이고 현실적 방법이다.
다만 이 개질하는 과정에서  온실가스인 이산화탄소와 아황산가스가 나오니까 
천연가스를 그냥 연료로 발전이나 차량을 운행하는 거나 다름없고 
또 수입해야 하고 유한한 화석연료인 천연가스에 의존하기는 마찬가지이다.
게다가 공장에서 개질과정을 거치니 천연가스 그냥 쓰는 것 보다 에너지 효율도 낮고 
또 개질하는 공장시설과  과정이 따로 필요하기 때문에 투자비나 생산비가 들어가니
생산된 수소의 가격도 같은 에너지의 천연가스보다 당근 훨씬 비싸다.

즉 굳이 천연가스를 원료로 쓸거면 왜 굳이 비효율적으로 수소로 변환해서 쓰느냐는 거다.
그냥 천연가스 자동차를 보급하면 되쟎아? 이미 LNG 충전소는 전국에 충분히 있고....
또는 수소를 중간에 끼우지 말고 그냥 천연가스를 연료로 하는 천연가스 발전소나 
천연가스 고온 연료전지로 발전을 해서 그 전기로 전기차를 굴려도 되는 거고.
즉 사실상 천연가스 이용이나 다름없어서 수소경제의 장점을 전혀 살릴 수 없다.

2) 전기분해
물을 전기분해해서 산소와 수소로 분리해 수소를 생산하는 방법.
이게 이산화탄소도 나오지 않고 제일 환경적으로 클린한 방법이고 수소경제의 장점을
가장 잘 살릴 수 있는데 문제는 경제성이 없다. 전기분해는 에너지 효율이 낮아서
전기분해 수소 생산비는 천연가스를 개질 수소 값의 2배 이상으로 매우 비싸다.

하지만 친환경이기 때문에 미국등 해외에서 수소차 충전소는 대부분 수소차 충전소에 
자체에서 전기분해로 수소를 생산해 충전한다. 가격은 수소 1 kg 당 18 달러 정도. 
전기값이 비싼 한국에서는 당연히 더 비싸겠지.
참고로 수소 1 kg 으로 수소승용차 100km 조금 넘게 운행할 수 있고 
연료탱크에 5-6 kg 정도 충전하고 연간 200 kg 정도를 소모할 것으로 예상된다.

그런데 문제는 비싼 전기로 수소를 만들어 차를 굴릴 거면 굳이 왜 수소를 만들어
연료를 쓰냐는 원초적인 문제가 있다. 그냥 배터리 전기차 쓰면 되쟎아? 
배터리 전기차는 100km 운행에 들어가는 연료비가 2.4 달러 정도.
미국에서 갤런당 3달러, 25 MPG 승용차의 연료비는 100km당 8달러 정도이다.
즉 전기분해 수소차는 연료비가 전기차에 비해 무려 7-8 배, 휘발유차의 2배나 들어간다.

3) 부생수소 
석유를 정제하면 나오는 나프사를 화학공장에서 분해해서 플라스틱이나 화학섬유 등을 
만드는 화학원료을 만드는데 그 과정에서 공짜로 수소가 나온다. 
이게 부생수소라는 건데 지금 산업적으로 파는 수소는 대부분 이 부생수소를 
정제해서 반도체나 각종 수소가 필요한 화학공장 등에 파는 거다.
이런 부생수소는 주로 울산 여천등 대규모 화학공장에서 생산되는데 
서울 등 소비지까지 수송비 등 파는 값이 비싸니까 그냥 자체적으로 
보일러 연료로 소모해 버리는 경우도 많다. 부생수소는 생산비는 싼데 수송비가 비싸다.

그런데 이게 다른 거 생산하느라 나오는 부산물에 불과하니 생산량이 한정되어 있다.
부생수소 생산을 늘이려고 따로 수소만 증산을 할수는 없다는 것이다.
또 지금도 수소가 쓰이는 산업적 수요처가 따로 있으니 이걸 자동차용으로 
돌리는 것도 한계가 있고 국내에서 생산되는 부생수소 생산량의 1/3 정도를 
자동차용으로 돌린다하더라도 연간 몇 십 만대 정도의 수소 승용차 굴릴 수 있는 
정도에 불과하고 그 이상 넘어가면 1) 2) 번 방법으로 따로 수소를 생산해야 한다.
우리나라에 굴러다니는 자동차는 대략 2천만대니 극히 일부만 이용가능하다.

4) 원자력 분해
원자력 발전소를 열심히 돌려서 싼 전기를 생산하고 그 전기로 전기분해해 수소를 
생산하는 방법이 있는데 그 방법은 2)번 전기분해 과 마찬가지로 그 전기를 
직접 전기차로 굴리지 왜 수소로 변환해서 쓰냐는 문제가 나온다.

또 특수한 초고온가스로(VHTR, Very High Temperature Reactor) 라는 신세대 원자로에서는 
섭씨 800도 고온에서 직접 물을 분해해서 화학적으로 수소를 생산 할 수 있는데 
문제는 이거 연구와 실용화에는 지금부터 시작해도 최소 20년은 걸려야 된다는 거다.
일본 미국등 선진국에서도 소규모 연구는 되고 있지만 상용에 착수한 경우는 없다. 
또 이것도 원자력발전소이기 때문에 비싼 원자력 발전소 건설비 문제나 
원자력 안전문제나 핵폐기물 문제는 다른 원자로 발전소나 마찬가지고.

이런 원자력 수소의 가격은 대체로 부생수소를 그냥 보일러 연료로 
사용하는 경우와 맞먹는 즉 kg 당 2.5-3달러 정도.
또 그렇게 싸게 생산을 해도 수요지에서 먼 원자력발전소에서 나온 수소를
어떻게 소비지까지 수송해야 하는냐는 문제가 있다.

5) 수소 수송의 문제
사실 수소경제의 문제점은 생산이나 수소값이 아니다. 생산은 위의 1)-4) 방법으로 
공장이나 발전소에서 생산하거나 해도 그걸 소비지로 운반비가 너무 비싸다.
예를 들어 포항 앞바다에서 수소가 천연가스처럼 공짜로 펑펑 솟아나도 경제성이 없다.

수소는 초고압으로 압축해서 운송해야 하는데 공짜나 다름 없는 부생 수소를 
생산지인 울산이나 여천 또는 수소를 생산할 LNG 기지가 있는 충남 보령에서 
서울까지 운반하는 비용이 수소 생산비의 3배나 된다. 

LNG 천연가스는 20톤 짜리 탱크로리면 LNG 차 1000대 정도는 충전할 양을 
도심의 LNG 충전소 까지 수송할 수 있는데 수소는 도심 진입도 안되는 
40톤 짜리 특수차량인 수소 튜브트레일러로 겨우 250-500 kg 밖에 운송이 안되고 
그거면 수소자동차 40-100대 정도 밖에 충전하지 못한다. 비용도 물론 엄청 비싸고.

또 수소 파이프라인을 건설하려고 해도 초고압에 또 수소는 금속을 침식(수소취성)
하는 성질이 있어서 파이프라인 건설비나 유지비가 비싸서 경제성이 없다. 
그래서 세계적으로 장거리 수소 수송 파이프라인은 건설된 사례가 없다.

그래서 외국의 수소차 충전소는 수소를 공장에서 생산해서 배달하는게 아니고 
바로 충전소 자체에서 전기 분해로 생산해서 충전하는 방식이다.
미국 토요다 미라이 수소차 중전소에서는 하루에 80 kg 정도를 생산한다.
그게 생산비는 비싸도 수송비는 들지않으니 훨씬 싸게 먹힌다.
그게 수소 kg (수소차 100km 운행 가능) 18달러이다.
그런데 그렇게 전기분해로 수소차 굴릴 거면 배터리 전기차 굴리는게 
훨씬 에너지 사용효율이 높고 경제적이라는 2) 번의 문제가 걸린다.

우리나라는 천연가스 충전소나 파이프라인은 잘 발달되어 있으니까 
그보다는 LNG 충전소나 수소충전소에서 천연가스를 자체 분해해서 
수소차에 충전하는게 더 낫다. 온실가스나 아황산 가스가 발생하기는 하지만 
아무래도 전기분해 보다는 가격이 싸질 테니.
하지만 역시 1) 번의 문제와 같은 문제점을 가지고 있다.

천연가스를 수소로 개질하는 설비는 대규모 설비가 아니라도 가능하다.
우리나라면 LNG 충전소를 확장해서 수소생산 설비를 만드는 것도 가능하다.
물론 대규모 개질 설비보다는 효율성이 훨씬 떨어지는 하지만.
물론 도심에 그런 수소생산 시설을 만드는 거는  도시 한복판에 
여수 석유단지 같은 정유소 화학공장을 짓는 거나 마찬가지니 
근처 주민들의 반대가 극심하다는 문제가 있다.

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