독일 Thyssenkrupp Steel Europe 제철소의 용광로에서 쇳물이 흐릅니다. 크레딧: Sean Gallup/Getty
백열의 액체 철의 강은 결코 멈추지 않습니다. 스웨덴 최북단에 있는 이 철강 공장에서는 밤낮으로 90미터 높이의 거대한 용광로 바닥에 있는 구멍에서 금속이 쏟아져 나옵니다. 마찬가지로 가차 없이 이산화탄소의 흐름이 꼭대기에서 뿜어져 나옵니다.
CO 2 는 용광로가 삼키는 석탄의 폐기물입니다. 여기 Luleå에 공장을 소유하고 있는 회사인 SSAB의 CTO인 Martin Pei는 철강을 만드는 데 사용되는 철 1톤당 이 용광로는 1.6톤의 CO 2 를 배출한다고 말합니다. 세계에는 수백 개의 유사한 용광로가 있으며 대부분 배출량이 더 많습니다. 산업에서 다른 에너지 집약적 단계를 추가하면 철강 제조가 어떻게 세계 온실 가스 배출량의 7%를 유발하는지 분명해집니다.
그러나 Luleå 용광로에서 몇 백 미터 떨어진 곳에 탄소 오염이 훨씬 적은 철을 만드는 더 작은 용광로가 있습니다. 이 파일럿 기술은 석탄을 수소로 대체하고 수증기만 방출합니다. "이것은 강철을 만드는 새로운 방법이며, 이를 통해 원칙적으로 모든 이산화탄소를 제거할 수 있습니다."라고 Pei는 말합니다.
수소에서 철강으로의 경로는 완전히 무공해가 아닙니다. 철을 강철로 변환하는 다른 단계에서는 여전히 약간의 CO 2 를 방출하므로 철광석을 채굴해야 합니다. 그럼에도 불구하고 지난해 이 현장은 수력, 원자력, 풍력 등 스웨덴의 풍부한 저탄소 전력을 이용해 만든 수소를 이용해 세계 최초로 '친환경 철강'을 생산했다. 시범 공장은 SSAB가 2016년에 스웨덴 유틸리티 회사인 Vattenfall 및 국영 광산 회사인 LKAB와 함께 설립한 합작 투자 회사인 HYBRIT가 소유하고 있습니다.
강철을 만드는 원료인 해면철은 화석 연료를 사용하지 않고 스웨덴 룰레오에 있는 HYBRIT 공장에서 생산됩니다. 크레딧: Steffen Trumpf/dpa/picturealliance
강철을 친환경적으로 만드는 것은 수소가 세계 경제를 탈탄소화하는 데 도움이 될 것으로 기대되는 방법 중 하나일 뿐입니다. 일부에서는 수송 연료로 수소를 사용한다고 선전했지만 배터리와 전력이 이미 보다 효율적인 저탄소 솔루션을 제공하고 있는 해당 부문이나 난방 분야에는 큰 영향을 미치지 않을 것입니다. 오히려 수소의 가장 큰 기여는 플라스틱 및 비료 생산에서 탄화수소 정제에 이르는 산업 공정을 정화하는 것입니다. 이러한 산업은 전통적으로 탈탄소화하기가 더 어렵다고 여겨져 왔으며 언론, 투자자 및 정책 입안자들의 관심을 덜 받았습니다.
수소는 에너지 생산에도 사용할 수 있습니다. 수소로 만든 액체 연료는 언젠가 항공 여행과 운송을 가능하게 할 것입니다. 그리고 수소는 전력망의 탈탄소화에도 도움이 될 수 있습니다. 잉여 태양력이나 풍력은 가스를 만드는 데 전용될 수 있으며, 그런 다음 다른 산업 공정에 사용되거나 단순히 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 방식으로 수소는 경제의 다양한 부문 간의 다리 역할을 할 것으로 예상됩니다.
수소를 연료로 과장하면 순 제로 목표를 위태롭게 할 위험이 있습니다.
"수소는 그것을 생산할 수 있는 방법과 그것을 사용할 수 있는 방법이 다재다능하기 때문에 독특합니다.
순 제로 배출 목표를 달성하기를 열망하는 정책 입안자들은 특히 미국과 유럽 연합에서 수소에 대한 대대적인 추진을 시작했습니다. 어떤 경우에는 저탄소 수소의 가격을 보조하고 있습니다. 다른 경우에는 수소 생산자 또는 이를 사용하는 산업에 세금 공제를 제공합니다.
그 결과 부분적으로 수소 프로젝트에 대한 투자가 호황을 누리고 있습니다. 브뤼셀의 산업 그룹인 수소 위원회(Hydrogen Council)는 이미 발표된 수백 개의 대규모 수소 프로젝트가 2030년까지 미화 2,400억 달러의 투자 가능성이 있다고 추정합니다. 위원회는 2050년까지 수소 및 수소 기술 시장이 연간 2조 5000억 달러의 가치가 있을 것이라고 생각합니다.
이제 분석가들은 전 세계가 세기 중반까지 수소 생산이 5~7배 증가할 것으로 예상합니다('수소 공급원' 참조). 이것은 세계의 탄소 발자국을 줄이는 데 도움이 될 것입니다. 그러나 Luleå 파일럿에서와 같이 CO 2 배출량 을 추가하지 않고 수소 자체를 얻는 경우에만 가능합니다 .
출처: IEA 세계 에너지 전망 2022
과대 광고는 이전에 수소를 둘러쌌습니다. 하지만 이번에 투입된 금액은 많은 전문가들에게 정말 이륙할 것임을 암시하고 있습니다. 전환에는 새로운 기술이 필요하지 않다고 분석가들은 말합니다. 과학적 진보가 속도를 높이는 데 도움이 될지라도 이미 시도되고 테스트되었습니다.
콜로라도 주 볼더에 있는 지속 가능성 싱크 탱크인 RMI(Rocky Mountain Institute)의 경제학자 올렉시 타타렌코(Oleksiy Tatarenko)는 “수소 혁명이 일어나고 있습니다.
어디서부터 시작해야 할까요?
수소 생산은 이미 상당한 규모의 오염 산업입니다. 국제 에너지 기구(IEA)는 매년 약 9400만 톤의 가스가 만들어지는 것으로 추산합니다. 거의 모든 것이 천연 가스와 같은 화석 연료에서 나옵니다. 천연가스의 메탄(CH4 ) 은 산소와 반응하여 수소분자와 CO2로 변한다 . 그런 다음 후자는 대기 중으로 배출됩니다. 매년 9억 톤 또는 세계 CO 2 배출량의 2% 이상이며 인도네시아와 영국의 총 연간 배출량과 비슷합니다. 분석가들은 이 오염된 수소를 '회색'이라고 부릅니다.
세계가 이미 만들고 있는 수소는 필수 산업의 화학 처리 단계에 주로 사용됩니다. 예를 들어 비료의 성분인 암모니아(NH 3 )를 만들기 위해 공기 중의 질소와 혼합됩니다. 석유화학 정제소는 수소를 사용하여 석유에서 황을 제거하거나 석유의 더 큰 탄화수소를 더 작은 탄화수소로 분해합니다. 그리고 화학 산업에서 수소는 메탄올(CH 3 OH) 과 같은 엄청난 양의 제품을 만드는 데 사용되며, 이는 차례로 수많은 다른 화학 상품의 합성에 사용됩니다.
과학자들은 '엄청난' 미국 기후 법안을 환영하지만 더 강력한 조치를 요구합니다
"수소를 기후 변화의 해결책으로 제시하기 전에 먼저 수소를 기후 변화의 문제로 다루어야 합니다." 에너지 컨설턴트이자 런던 소재 Liebreich Associates의 CEO인 Michael Liebreich가 World 10월 네덜란드 로테르담에서 열린 수소 회의.
화석 연료에서 수소를 만들 때 방출되는 CO 2 중 일부는 깊은 지질학적 저장소에 포집되어 지하에 저장될 수 있습니다. 이렇게 탈탄소화된 수소를 '파란색'이라고 합니다. 그러나 블루 수소를 비판하는 사람들은 그것이 모든 CO 2 배출을 막는 것은 아니며, 블루 수소를 만드는 것은 천연 가스를 계속 추출하는 것을 의미하며, 이는 고유한 환경적 단점을 수반한다고 지적합니다.
수소를 만드는 또 다른 방법은 거의 완전히 무탄소일 수 있습니다. 이것은 200년 된 물 전기분해 기술입니다. 전해조 는 촉매 도금된 전극 사이에 전류를 흐르게 하여 H 2 O에서 H를 추출합니다. 이 프로세스에 전력을 공급하는 데 사용되는 에너지가 재생 가능한 경우 결과 제품을 녹색 수소라고 합니다. 녹색 수소는 탄소배출이 전혀 없거나 최소한 그에 근접할 가능성이 있습니다.
깨끗한 수소로의 전환 속도를 결정하는 중요한 요소는 전해조의 비용이 될 것입니다. IEA, 청정 에너지 분석가인 BloombergNEF 및 기타 조직은 전해조가 수작업으로 제작되는 것이 아니라 점점 더 자동화되는 조립 라인에서 만들어지기 때문에 2030년까지 2/3 이상으로 급격히 떨어질 수 있다고 예측합니다.
소규모 수소 발전소에서 전기분해; 녹색 수소를 공급하는 회사인 Apex Energy의 공장 관리자인 Guido König가 사진을 찍었습니다. 출처: Jens Büttner/dpa-Zentralbild/Picture Alliance
애널리스트들이 세제혜택 등의 보조금 없이도 현재 킬로그램당 5달러 안팎에서 미래에는 킬로그램당 1달러로 떨어질 것으로 애널리스트들이 예측하는 이유다. 그렇게 되면 kg당 1달러 미만으로 만들 수 있는 회색 수소와 경쟁할 수 있습니다(유럽에서 발생한 것처럼 전쟁이 천연 가스 가격을 인상하지 않는 경우). 그럼에도 불구하고 여러 연구에서는 수요가 급증함에 따라 앞으로 수십 년 동안 수소 수요의 상당 부분을 블루 수소가 충족해야 할 것이라고 예측합니다.
변환에는 막대한 양의 재생 가능 에너지가 필요합니다. 전해조의 효율성이 100%라면 오늘날 사용되는 회색 수소를 녹색 수소로 교체하는 데 매년 재생 가능한 자원에서 3,000테라와트시(TWh) 이상의 전기가 필요합니다. 실제로 필요한 전기는 4,500TWh 이상일 가능성이 높습니다. 이는 미국이 1년 동안 생산하는 것과 비슷합니다. 더욱이 IEA는 세기 중반까지 순배출 제로 세계라는 시나리오에서 청정 수소의 연간 전기 요구량이 14,800TWh로 증가하는 미래를 구상하고 있습니다.
그럼에도 불구하고 청정 에너지는 놀라운 속도로 성장하고 있습니다. 예를 들어 2024년까지 BloombergNEF는 전 세계가 매년 거의 1TW의 태양광 패널을 생산할 수 있는 능력을 갖게 될 것으로 예상합니다. 이것만으로도 오늘날 연간 전기 수요의 7분의 1을 충족할 수 있습니다. 전반적으로 세계의 저배출 전력 공급량은 세기 중반까지 이미 3배 이상으로 설정되어 있다고 IEA는 밝혔습니다. 하지만 2050년 순 제로 세계를 위해서는 훨씬 더 공격적인 확장이 필요합니다( go.nature.com/3nxtvhj 참조 ) . .
강화
산업의 모든 탄소 분출기 중에서 강철은 가장 큰 것 중 하나이며 수소가 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 분야입니다. Pei는 사람들이 이 과정에서 수년 동안 수소를 사용하려고 시도했지만 규모를 확장할 수 없었다고 말합니다. 그러나 2016년, 대부분의 국가가 지구 온난화를 산업화 이전 수준보다 2°C 미만으로 유지하겠다고 약속하는 파리 기후 협정에 서명했을 무렵 Pei는 SSAB에서 수소 연구를 주도하기 시작했습니다. 탄소를 제거하는 강철이 스웨덴이 파리 약속을 이행하는 데 중요하다는 것은 분명했습니다. SSAB는 주요 철강 생산업체는 아니지만 스웨덴 CO 2 의 10%를 차지 합니다. "모든 사람들은 SSAB가 이러한 배출을 없애는 데 성공하지 못한다면 스웨덴도 성공하지 못할 것이라는 것을 알고 있었습니다."라고 회사 대변인 Mia Widell은 말합니다.
강철을 만드는 데 있어 가장 어려운 문제는 철광석에서 철을 추출하는 것과 관련이 있다는 것입니다. 철광석은 본질적으로 녹이고 산화된 형태의 철을 함유하고 있습니다. 용광로에서는 이 녹에서 산소 원자가 제거되어 액체 상태의 철이 남습니다. 이를 위해 광석을 코크스(석탄 파생물) 또는 목탄과 함께 녹입니다. 이 연료의 주요 기능은 실제로 광석을 녹이는 것이 아니라 암석을 녹이는 것보다 열역학적 비용이 6배 이상 큰 화학적 환원 과정에서 광석에서 산소 원자를 잡는 것입니다. 이 과정은 막대한 양의 CO 2 방출로 이어집니다 .
SSAB는 배출된 CO 2 를 포집 하여 지하에 저장하는 것과 같은 아이디어를 고려했지만 비용이 너무 많이 든다는 결론을 내렸습니다. 대신 수소 경로를 선택했습니다. 수소는 용광로의 1,500°C 이상 대신 600°C에서 발생하는 철의 직접 환원(DRI)이라는 공정에서 고체 철광석의 펠릿 내부로 확산되어 산소를 제거할 수 있습니다('친환경 철강' 참조). ).
출처: HYBRIT/Boston Metal에서 발췌
DRI는 HYBRIT가 이 공정에 수소를 사용하기 오래 전에 존재했습니다. 오늘날의 강철 중 일부는 천연 가스를 사용하여 이러한 방식으로 만들어지지만 깨끗한 수소를 사용하면 피할 수 있는 탄소 배출로 이어집니다.
HYBRIT의 Luleå 실험은 매우 성공적이어서 SSAB는 고로 가동 중단 날짜를 2045년에서 2030년으로 앞당기기로 결정했다고 Pei는 말합니다. HYBRIT는 Luleå에서 북쪽으로 200km 떨어진 마을인 Gällivare에 최초의 풀 사이즈 공장을 짓고 있으며 연구 결과를 공개하여 전체 산업을 위한 모멘텀을 창출하기를 희망한다고 그는 말합니다. Luleå에서 차로 30분 거리에 있는 H2GreenSteel이라는 스톡홀름 기반의 신생 기업은 훨씬 더 큰 공장을 짓기 시작했으며 사전에 150만 톤의 제품을 판매했다고 말합니다.
제련소는 수십 년 동안 지속되기 때문에 에너지 분석가들은 국가들이 파리 협정의 목표를 달성하려면 철강 산업이 즉시 새로운 용광로 건설을 중단하고 대신 수소 사용이 가능한 직접 환원로를 교체해야 한다고 말합니다. 대부분이 초기에 천연 가스를 사용하더라도 향후 30년 동안 수소 공급이 증가하는 동안 점차적으로 탄소 발자국을 줄일 수 있을 것입니다.
“탄소 예산에 새로운 용광로를 위한 공간이 없습니다.
샌프란시스코에 있는 비정부 기구인 글로벌 에너지 모니터(Global Energy Monitor)에 따르면 중국과 인도에서는 새로운 용광로가 계획되고 있지만 많은 철강 제조업체가 DRI 경로를 택하고 있습니다. 그러나 작업이 너무 방대해서 BloombergNEF를 포함한 일부 조직에서는 일부 용광로가 세기 중반에도 여전히 활성화될 것이며 탄소 포집이 배출량을 줄이기 위해 배치되어야 할 것이라고 예측했습니다.
원칙적으로 철강 생산은 완전히 전기화되어 수소를 만들 필요가 없어 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다고 Dell은 말합니다. 전기 분해는 산화철을 분해할 수 있으며, 매사추세츠 주 워번에 있는 Boston Metal과 같은 몇몇 신생 기업은 이것을 철강 제조에 사용하려고 시도하고 있습니다. 그러나 현재로서는 수소가 선두 주자입니다. Dell은 "수소 접근 방식의 주요 이점은 진정으로 깨끗한 제강을 만드는 데 필요한 신기술의 증분이 가장 적다는 것입니다."라고 말합니다.
수소 다리
장기적으로 지구 온난화 둔화에 대한 수소의 가장 큰 기여는 전기, 건설, 제조 및 운송과 같은 이질적인 활동을 가로지르는 다리 역할을 할 수 있습니다. 핀란드 라펜란타-라티 공과대학(Lappeenranta-Lahti University of Technology)의 에너지 시스템 분석가인 크리스티안 브라이어(Christian Breyer)는 말한다.
이 상호 연결된 웹에서 중요한 노드는 전기 생산이 될 것입니다. 여기에서 수소는 재생 가능 에너지의 잘 알려진 단점을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 풍부하지만 시간과 계절에 따라 고르지 않게 퍼지며 종종 예측할 수 없습니다. 이것은 지역이 그것 없이 장기간 계획하는 것을 까다롭게 만듭니다.
전기 자동차와 배터리: 세계는 어떻게 충분히 생산할 것인가?
예를 들어, 유럽의 춥고 어두운 겨울에 일주일 동안 바람이 불지 않을 경우 미래의 전기 그리드에서 수요와 공급의 균형을 맞추려는 시뮬레이션을 연구하는 연구원들은 계획을 세워야 합니다. 과학자들은 이 현상에 대해 대략 '어두운 침체'로 번역되는 독일어 단어 Dunkelflaute 라는 이름을 가지고 있습니다.
배터리는 한 시간에서 다음 시간까지 수요와 공급의 균형을 맞추는 데 도움이 되지만, 일부 연구에 따르면 바람과 태양광의 비율이 그리드 전기 혼합의 80%를 넘어서면 Dunkelflauten 에 탄력적인 그리드를 만드는 데 엄청난 비용이 듭니다(참조: , 예를 들어, JD Jenkins 외 Joule 2 , 2498–2510; 2018 ). 고려 중인 한 가지 해결책은 가장 고요한 겨울에도 그리드를 확보할 수 있는 충분한 추가 풍력 터빈을 건설한 다음 일년 내내 수소를 만드는 데 사용하는 것입니다. 이 수소는 철강 공장이나 운송, 선적 및 수출을 위한 액체 연료로 산업 고객에게 판매될 수 있습니다.
1년 중 특히 어려운 시기에 천연 가스로 작동하는 것과 유사한 터빈에서 전기를 태워 전기를 다시 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 전기는 원래 수소를 만드는 데 투입되었습니다.
이것이 원자력 발전소 건설이나 아마도 지열 에너지 확장과 비교할 때 마지막 20%의 전기를 탈탄소화하는 가장 비용 효율적인 방법인지는 분명하지 않습니다. 최적의 혼합은 국가마다 다를 수 있으며 유엔 국제 재생 에너지 기구와 같은 조직의 지역별 연구를 제안합니다.
신화와 오해
수소에는 무수히 많은 응용 분야가 있지만 모든 문제에 대한 최상의 솔루션은 아닙니다. 승용차의 경우 배터리는 수소 탱크를 운반하고 에너지를 다시 전기로 변환하는 것보다 더 효율적이고 비용이 적게 드는 솔루션이기 때문에 이미 경쟁에서 크게 승리했습니다.
수소를 사용하는 것이 이치에 맞지 않는 또 다른 영역은 가정 난방용 연료입니다. 수소가 천연 가스로 만든 회색이면 단순히 지구 온난화를 가중시킬 뿐이라고 영국 글래스고에 있는 스트래스클라이드 대학의 토목 공학자인 Rebecca Lunn은 말합니다. 그녀와 다른 사람들은 9월에 발표된 영국 NEPC(National Engineering Policy Center) 연구에서 가정 난방을 수소의 문제적 용도로 표시했습니다( go.nature.com/3ut5mj5 참조 ).
그러나 재생 가능 에너지로 생성된 전기로 만든 친환경 수소라 하더라도 열을 빨아들여 100%보다 훨씬 더 높은 효율에 도달하는 히트 펌프와 같이 직접 가정 난방에 전기를 사용하는 것이 최대 6배 더 효율적입니다. 외부에서 안으로.
NEPC 연구를 이끈 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 공정 시스템 엔지니어링 연구원인 닐레이 샤(Nilay Shah)는 배출량을 가장 빨리 줄이기 위해 정책은 주택 단열 개선에 우선순위를 두어야 합니다.
수소 예측
저탄소 수소에 대한 투자는 지난 몇 년 동안 치솟았지만 올해의 사건들은 진정한 호황으로 보이는 것을 촉발시켰습니다.
미국에서는 인플레이션 감소법(Inflation Reduction Act)에 따라 녹색 수소 1kg당 3달러의 세금 감면과 가스에 대한 기타 여러 정책 및 자금 지원이 도입되었습니다. 유럽에서는 우크라이나에 대한 러시아의 침략이 새로운 긴박감을 불러일으켰습니다. 3월에 유럽 위원회는 2030년까지 연간 천만 톤의 H 2 를 생산하고 추가로 1천만 톤을 수입한다는 목표를 세웠습니다. 다른 많은 주요 경제국들은 수소 용량을 개발하기 위한 국가 전략을 세웠습니다.
RMI 경제학자 패트릭 몰로이(Patrick Molloy)는 “모든 것이 변했습니다. 특히 미국의 세금 감면으로 인해 녹색 수소의 비용이 위치에 따라 회색 수소의 대략 kg당 $1 이하로 떨어졌습니다('청정 수소의 비용' 참조). 이것은 이미 수소 기반 강철, 암모니아 및 액체 연료를 화석 연료와 경쟁할 수 있게 만들었다고 RMI는 계산합니다.
출처: IEA 글로벌 수소 검토 2022; 블룸버그NEF 분석
보조금이 없으면 녹색 강철과 같은 청정 수소 제품은 여전히 더러운 등가물보다 비쌀 수 있습니다. HYBRIT와 H2GreenSteel은 제품의 예상 비용을 공개하지 않습니다. 조 바이든 미국 대통령 행정부가 작년 12월 통과된 행정 명령에서 청정 구매 조항에 따라 이행하겠다고 약속한 것처럼 정부도 친환경 철강을 구매하는 정책을 채택할 수 있습니다.
IEA는 2030년까지 전 세계 수소 수요가 20~30% 증가할 것으로 예상합니다. 지금까지 파이프라인에 있는 저탄소 수소 프로젝트는 그 중 약 4분의 1만 다루기에 충분할 것입니다. 이는 수소 확장 계획이 아직 충분히 야심차지 않다는 것을 의미합니다. 세계가 세기 중반까지 탄소배출 제로를 달성하려면 2030년까지 약 1억 8000만 톤의 수소 생산이 필요하며 그 중 절반은 탄소 배출이 적습니다.
그러나 Tatarenko는 2030년에 전 세계 녹색 수소 생산이 필요한 수준에 도달할 수 있다는 것은 의문의 여지가 없다고 말했습니다.
다른 사람들은 수소에 대한 압박이 결국 비친환경적인 종류를 부추기고 따라서 CO 2 배출량을 비뚤게 증가시킬 수 있다고 경고합니다. 특히, 유럽연합 집행위원회가 고려 중인 논란의 여지가 있는 조치는 녹색 수소에 대한 유럽연합의 정의를 약화시켜 부분적으로 화석 연료에서 생성된 전기로 생산할 수 있도록 하는 것입니다.
수소를 수용하도록 경제를 재편하는 것은 사회적 반향을 불러일으킬 것입니다. 보조금과 대규모 투자에도 불구하고 일부 지역의 중공업은 여전히 경쟁에서 불리할 것입니다. 수소는 석탄보다 더 비싸고 기술적으로 운송하기 어렵기 때문에 철강 제조와 같은 산업은 수소를 저렴하게 생산할 수 있는 장소로 더 가까이 이동해야 할 수도 있다고 Dell은 말합니다. "그들은 다른 나라에 있을 수도 있습니다."
이 문제와 기타 정치적 문제가 전환 속도를 늦출 수 있지만 더 이상 해결할 수 없는 문제는 없다고 그녀는 덧붙입니다. Dell은 "이러한 전환은 전적으로 고소득 국가와 신흥 경제국 모두에서 우리의 기술 및 경제적 역량 내에서 이루어집니다."라고 말합니다.
네이처 611 , 440-443 (2022)
도이: https://doi.org/10.1038/d41586-022-03699-0
최신 날짜: