수소 생산 방식 이해하기(그린, 블루, 그레이, 브라운)

  수소에너지가 왜 화석연료의 대체에너지로 얘기가 되고 있는지 알아보고자 합니다.

  세계적 기후변화로 인해 국제사회 미래의 비상등이 켜졌죠. 자연계에서는 지구 평균기온 1도씨를 올리는데 만년이란 시간이 걸렸지만 화석연료 기반의 산업화 이후 200년 만에 인류가 지구 평균기온 1도씨를 올리고 말았죠. IPCC 제6차 보고서에 인류의 활동이 산업화 이후 지구 평균기온을 올리는데 미친 영향은 명백하다고 명시되어있습니다. 국제사회는 아름다운 지구를 후손들에게 물려줘야 할 대안을 제시해야 하며, 그 대안으로 화석연료 대체에너지로써 수소 산업 생태계가 제시되고 있습니다.  그 첫 번째 이유는 수소라는 원소는 어디에나 존재(우주에 약 75% 차지)하며, 지리학적인 에너지 쏠림현상이 없습니다. 두 번째 이유는 친환경 에너지라는 장점이 있습니다. 수소를 사용하여 에너지를 만들면 이산화탄소 발생이 전혀 없습니다. 다만 아직까지는 대량생산을 통한 생산비용, 기술개발이 완벽하지 않아 여러가지 장벽들이 있지만 각국에서 수소 산업 생태계를 조성하기 위해 필사적으로 움직이고 있죠. 이와 관련하여 오늘날까지의 수소생산방식을 나누어 보면 크게 그린 수소, 블루 수소, 그레이 수소, 브라운 수소가 있으며 차이점을 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

 

그린 수소

  현재까지 가장 친환경적인 수소에너지이며, 즉, 태양광, 풍력 등 신재생에너지에서 생산되는 전기를 이용하여 물을 전기분해 함으로써 수소를 생산하는 방식으로 이산화탄소 배출이 전혀 없는 것이 특징입니다. 다만 현재 기술로써는 생산단가가 높아 상용화하기에는 여전히 부족한 상황이 현실입니다. 아래는 물의 전기분해의 이해를 돕기 위한 그림입니다. (원소기호 H는 수소이며, O는 산소입니다. 즉, 물은 2개의 수소와 1개의 산소로 이루어져 있죠. )

그린수소의 생산방식

물의 전기분해 즉, 수전해 방식은 크게 3가지 형태로 나뉠 수 있습니다. 알칼리 수전해(AEC, Alkaline Electrolysis Cell), 고분자 전해질 수전해(PEMEC, Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell), 고체산화물 수전해(SOEC, Solid Oside Electrolysis)로 전해질 종류에 따른 방식으로 나뉘고 있습니다. 

 

•   알카라인 수전해 : 1900년대 초부터 기술이 개발되어 왔으며, 현재는 신재생에너지로 얻은 전기는 불안정한 전기 출력을 가지고 있기 때문에 안정적으로 수전해가 될 수 있도록 하는 차세대 기술 개발이 진행 중입니다. 
•   고분자 전해질 수전해 : 알카라인 수전해와 마찬가지로 신재생에너지는 불안정한 전기출력을 발생시키기 때문에 안정적은 작동을 위해 운전 범위를 확대하고, 내구성 및 부식성을 향상하는 기술 개발이 진행 중입니다. 
•   고체산화물 수전해 : 다른 수전해 방식보다 효율이 좋으나, 기술개발이 미흡한 상황이며, 미국이나 유럽의 정부기관 같은 연구소에서 집중적으로 기술개발이 진행되고 있습니다. 
• 이외에도 광분해(광전기화학, 광촉매, 광생물학), 열분해(열화학 사이클, 레독스 사이클), 원자력(초고온 가스로)등의 수소생산기술개발이 진행되고 있습니다.

 

 

 

블루 수소(그레이 수소 + CCS)

  그레이 수소를 만드는 공정에서 발생되는 이산화탄소를 포집하는 기술(CCS, Carbon Capture Storage)을 사용하여 탄소배출을 줄인 수소를 일컬어 블루 수소라고 합니다. 그레이 수소와 마찬가지로 여전히 화석연료를 이용한 산업이 지속되기 때문에 완벽히 친환경적이지 않으나, 현재는 경제성 및 생산단가가 낮다는 점이 장점입니다. 결국 그레이 수소의 생산단가의 장점과 이산화탄소 포집을 이용한 온실가스 저감 가능이라는 두 마리 토끼를 잡은 듯이 보입니다. 하지만 완벽하게 100% 포집을 할 수 있는 기술은 현존하지 않으며, 수소를 생산하기 위해 화석연료를 지속적으로 태워야 하며, 이산화탄소 포집의 후처리 문제가 있기 때문에 태생적으로 완전 친환경적인 수소 생산방식이 아니라는 점을 기억해야 합니다. 다만 현존하는 수소 생산 방식 중에서는 그린 수소 이전의 수소 생산기술로 인정되고 있는 기술적 의미는 있죠. 

블루 수소의 생산방식

그레이 수소

  그레이 수소는 기존 화석연료 기반의 산업을 이용하여 수소를 생산하는 방식으로 크게 개질 수소와 부생수소로 나뉘고 있습니다. 기존의 산업을 이용하기 때문에 수소생산을 위한 대대적인 신규 설비 투자가 필요 없으나, 온실가스의 주범인 이산화탄소가 발생되는 공정임에 친환경적인 수소라고는 말할 수는 없습니다. 

그레이 수소의 생산 방식

 

•   개질 수소 : 고온, 고압의 수증기와 천연가스를 반응시켜 물 분자에 있는 수소(H2)를 분리하는 개질 방식이며, 개질이란 탄화수소의 구조를 변화시켜 품질을 높이는 조작 방식입니다. 대표적으로 수증기 개질 반응을 보면 CH4 + H2O = CO + 3H2의 화학식을 갖으며 고온의 수증기와 천연가스를 혼합의 반응으로 생산되어 지고 있죠. 장점으로는 수소 생산을 위해 설비 투자가 필요 없으며, 현 산업생태계 공정에서 수소가 생산되기 때문에 생산단가 및 경제성이 높습니다. 다만 화석연료 산업 생태계를 유지하기 때문에 지속적으로 이산화탄소가 배출되는 단점이 있습니다. 
•   부생수소 :  폐가스를 이용하기 때문에 신규 설비 투자가 필요 없며, 석유화학 공정에서의 부산물로 발생되기 때문에 수소의 생산량 한계가 있습니다. 또한 순수한 수소를 생산하기 위해서는 추가 기술적인 설비가 필요한 한계점이 있죠. 앞서 언급한 것처럼 그레이 수소의 최대 단점은 여전히 지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출을 하는 공정이란 점입니다. 통상 그레이 수소 1톤 생산을 위해서는 이산화탄소 약 10톤이 배출된다고 알려져 있으며, 실제 2021년 기준 우리나라의 경우 부생수소를 이용한 1MW급의 연료전지 기술개발을 통한 실증사업을 진행하고 있습니다.

 

브라운 수소

  석탄, 갈탄 등의 화석연료를 고온, 고압으로 가스화를 시켜 수소를 생산하는 방법을 사용한 것이 브라운 수소입니다. 수소 생산 방식 중 이산화탄소가 오히려 많이 발생하기 때문에 기후변화 대응을 위한 친환경 대체 에너지로써는 의미가 없습니다. 

 

  수소는 기존 산업의 화석연료의 대체 에너지로써, 활용성 측면에서 적합한 에너지로 평가받고 있습니다. 단기적으로는 그레이 수소, 블루 수소를 통해 수소 생태계를 만들어 나가야겠지만, 전 세계적 기후위기를 극복하기 위해서는 친환경적인 수소 생산이 필수적이며, 세계 각국에서는 수소 생산 방식에 있어서 궁극적으로 경제성을 장착한 그린 수소 생산을 목표로 두고 있으며 탈 탄소 산업화를 이루고자 노력하고 있습니다.