신기한 수소경제

테슬라의 일론 머스크는 수소연료전지는 바보전지라며 수소차시대는 오지 않는다고 장담했다현대차는  2013년 세계최초 양산수소차 투싼부터 시작해서 꾸준히 수소연료전지차를 만들어 왔다 수소는 연료가 비싸고 폭발의 위험성도 있었으며 인프라도 시장도 없었기 때문에 많은 사람들이 정몽구회장에게 차라리 전기차를 만드시라고 말했다 그런데 신기하게도 현대차는 지금까지 꾸준히 수소차를 만들었으며한국이 바라마지 않던 전세계 선두의 '퍼스트 무버'가 되었다 그러나 아직 일각에서는 경제성있는 수소의 추출이 불가능한데현대차뿐만 아니라 이제 정부까지 퍼스터 무버에 취해 나선다고 난리이다 사실 풍력과 태양광은 나라 전체를 고슴도치와 전광판으로 만들어도 한국경제를 탄소중립이 되게 하지는 못할 것이라는 생각이다결국 죽으나 사나 수소에 올인할 수 밖에 없다 경제성 있는 수소는 결코 쉬운 문제가 아닌데 어찌 될 것인지 참 궁금하다 어쩌면 나라의 운명?이 걸렸을지도 모르는 일이다   그래서 수소에 대해 1차 한번 정리해 보았다 < 수소의 생산방법 >1. 개질수소 : 천연가스, 석탄등을 고온.고압으로 분해해서 나오는 수소2. 부생수소 : 석유화학이나 철강공정에서 부수적으로 나오는 수소3. 수전해수소 : 물을 전기분해해서 나오는 수소 ※ 전세계적으로는 개질수소가 가장 높은 비율을 차지하고 있으나   우리나라는 석유화학공업이 발달되어 있어 부생수소가 90%로 가장 높다※ 부생수소는 저렴하지만 생산량이 제한적이고   수전해수소는 친환경적이지만 생산비용이 너무 높다는 단점이 있다1. 부생수소포집 및 천연가스 개질형태 수소인프라 구축 - 2020.7.28  대산석유단지에서 부생수소를 원료로 사용하는 세계최초의 상업용   수소연료전지 발전소가 가동을 시작하였다    설치된 연료전지 114대를 통해 연간 16만가구분 40만MWh의 전력을 생산한다  - 수소 Kg당 8천원 --> 20% 인하를 목표함 : 약 6천원- 평택수소생산시설 (국산기술에 의한 개질수소) 2. 수소경제위원회 1차 - 소규모 생산기지 40개, 수소충전소 2030년 660개, 수전해충전소 2021년 구축 - 신재생에너지 활용 그린수소 생산 클러스터3. 수소경제위원회 2차 - 수소발전 의무화 제도 도입 : RPS제도보완, 2040년까지 연료전지 8GW 달성  (발전용연료전지기업 : 두산퓨얼셀, 예스퓨얼셀, 미코) - 추출수소 경쟁력확보 : 수소제조시설에 도시가스사 공급과 가스공사 직공급 허용  - 개질수소 인프라기업 : 현대로템, 제이엔케이히터, 한국가스공사 - 수소시범도시 기본계획 및 수소도시법 제정  - 수소모빌리티, 수전해수소생산, 기업 : 이엠코리아, 현대로템, 효성화학, 에스에너지 - 수소승용차 및 수소트럭 보조금증액 : 현대차  - 수소전문기업선정, 특화단지 지정 : 미코, 이엠코리아, 제이엔케이히터4. 수소와 암모니아 - 수소는 운송시 다른 화합물로 변환이 필요하다 - (캐리어별 운송수단 : 암모니아, 톨루엔, 액화수소) - 수소의 Value-Chain : 그린수소의 확대와 수전해공법의 비용절감이 핵심이다  < 탄소배출유무에 따른 수소의 생성공법의 구분 > - Grey 수소( 천연가스, 석탄등의 개질수소, 부생가스) : 96% - Green수소 (신재생발전에 의한 수전해공법) : 4% - 수소는 지구상에서 가장 많이 존재하는 원소이나 화합물형태로만 존재한다 - 따라서 이를 분해하여 수소를 얻기 위해서는 에너지(전기)가 필요하다 - 즉, 수소의 경쟁력 우위요건 : 오로지 생산비용 절감이다  < 수소경제에서 암모니아의 부각 > - 암모니아(NH3)는 질소에 3개의 수소원자가 결합한 혼합물이다 - 생산과정 : 메탄올/천연가스/LPG/나프타 --> 암모니아 --> 질산/비료 - 전방제품인 비료의 생산 원재료로 가장 많이 합성되는 물질이며 생산/저장/운송 기술이 상용화되어 글로벌 교역제품에 해당된다 - 수소의 저장과 수송의 용도로 활발히 기술이 개발되고 있다 4-1. 수소생산 관점측면의 암모니아 - 수소경제 활성화의 변수 : 가격 - 수소 수전해 설비의 비용구조 : 전력비용 80%, 기타 20% - 결합화합물 분해는 결합된 화합물을 분해하여 수소를 생산하는 기술이다 - 암모니아와 LOHC(MHC, 액체유기 수소화합물)가 대표적이다 < 암모니아 수소분해방법 > 가. 열분해법 : 400도이상의 고온을 위한 촉매제 사용비용이 증가한다 나. 알칼리 금속 아미드법 : 높은 전압효율을 위한 전해질이 필요하다 다. 알칼리 수전해법 : 알칼리 금속 아미드법의 저렴한 전해질을 이용하여 상온에서 전기분해가 가능하여 경제성에서 잠재력이 높다 - 전력비용을 고려한 이론상 전압 - 암모니아 전기분해 : 0.077 V , 수전해발전 1.230 V - 수소생성속도는 : 암모니아 전기분해가 수전해보다 3.8배 더 빠르다 - 암모니아 : 1kw당 0.01350nm3/ min , 수전해 0.00347nm3/ min - IRENA(국제재생에너지기구)는 글로벌 수소발전시장의 연평균 성장률을 +5%로 전망 - 수소경제 활성화는 수소가격 하락이 필요 : 2040년 3천원 - 수소적용가격 : 상용차와 난방용 4~6달러, 승용차는 4달러미만 4-2. 수소의 생성공법의 암모니아  - Grey 수소 ( 천연가스48%, 석유30%, 석탄18% 의 추출수소 : 정유,화학설비의 부생가스 ) : 96% - Green수소 (신재생발전에 의한 수전해, 원자력에 의한 열화학, 고온수전해 ) : 4% ★ 현재 상용화된 화석연료(천연가스, 석탄등)에서 수소생산은 온실가스에서 자유롭지 못하다 ★ 이론상 암모니아 분해후 질소와 수소만이 생산되고 이산화탄소 배출이 없다 - 암모니아를 합성하는 공정에서 태양광이나 풍력등 재생에너지를 활용하여 생산하고 다시 분해하여 수소를 생산 할 경우 이산화탄소 배출문제가 없는 Green수소가 가능하다  ★ 열화학/ 고온수전해 방법이 탄소배출제로에 가장 부합하나 전력비용이 높다 ★ 현재 수소의 운송비용을 고려한 최종거래가격은 평균 13달러로서 상용화에 부담이 크다 - 따라서 상대적으로 전력비용이 낮은 재생에너지발전소 주변에서 상용화가 빠를 전망이다 - 수소수요는 발전소와 철강등 특정산업에 한정될 가능성이 높다 (화학 65%, 정유/철강 25%, 기타 10%)  < Green 수소생산 > - 수전해는 물을 전기분해하여 수소와 산소로 나누는 기술이다 물을 분해하는데 사용하는 전해질의 종류에 따라 1) 고온 수증기 전해법 : 기술적 성숙도가 떨어짐 2) 양성자 교환막 전해법 : 분리막의 유지비용이 높다 3) 알칼리 수전해법 : 기술성, 효율성에서 가장 상용화 가능성이 높다 - 최근 수전해설비 대형화로 capex를 절감시 비용감소효과가 큰 PEM공법중심으로 확대중이다 ※ 개질수소(화석연료기반 추출수소)에 비해 생산비용이 3배가량 높다 따라서 수전해수소의 활용을 위해서는 신재생에너지원에서 저가 전력공급이 가능해야한다 ※ 또한, 수전해 설비는 계속 확대중이나 저가 전력공급과 함께 고비용절감 기술개발이 관건이다 4-3. 에너지 운송관점의 암모니아  - 수소의 순환공정 : 물 --> 수소생산 --> 연료 및 연소 --> 물 - 수소는 운송방법에 따라 액체와 기체로 나뉜다 - 단거리 수소운송 : 액체와 기체 - 장거리 수소운송 : 액상 - 암모니아 수소캐리어가 가장 경제성이 높다 - 암모니아 경쟁우위 요소 : 1) 1,500km이상 장거리 운송에서의 효율적 2) 기존 운송인프라 사용가능으로 투자 Capex가 불필요 3) 수소운송과 연료전지의 연료로 활용이 가능 - 현재의 수소충전소는 기체의 형태이다 - 장거리운송은 액상수소가 효율성이 높은데 향후 국가간 교역량이 증가시 암모니아 결합의 액상수소의 활용도가 높아지겠다 4-4. 국내 수소시장 현황 - 2019년 기준 국내 석유화학단지는 192만톤의 수소생산능력을 보유 - 외부판매 잉여 부생수소는 28만톤임 ( 그중 수소경제 활용은 5만톤 ) < 정부의 수소경제로드맵은 2040년까지 526만톤 계획 > - 70%는 부생수소, 수전해, 해외수입 - 30%는 천연가스, 석탄등 화석연료 추출수소 ※ 석유화학단지 부생수소의 잉여물량은 2040년까지 10만톤불과(필요량의 2%) < 2030년까지 20%를 재생에너지로 조달하기 위한 계획량 > - 태양광과 풍력증설 규모는 22년 43Gw, 25년 113Gw - 113Gw규모의 경우에 생산가능한 수소는 약 250만톤임 ※ 이러한 수소생산계획을 달성하기 위해서는 태양광/풍력 에너지의 추가설치 또는 수전해 수소생산/LNG추출수소의 신규공업이 필요하다