수소기술의 개념과 현황 알아보기

 

수소기술의 개념과 현황

수소는  우주의 75%를 차지하는 원소로서 크기가 작고 가벼운 것이 특징입니다.
1839년 수소와 산소를 반응시켜 전류를 생산한 것이 수소기술의 시초입니다.
에너지 생산 후 물만 배출하므로 환경 친화적이지만만 화합물 형태로 존재하므로 가공이 필요합니다.

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1.  수소생산 기술

 

수소생산 기술은 화석연료, 폐자원 및 바이오매스, 물 등의 원료로부터 열화학반응, 전기분해 등의 방법을 통해 수소를 생산하는 기술입니다. 수소 생산 기술은 수소를 안정적으로, 효율적으로, 그리고 경제적으로 생산하는 기술을 의미합니다.

 

 

 

1. 증기 개질 (Steam Methane Reforming, SMR):
   • 천연가스나 메탄과 수증기를 이용하여 화학 반응을 통해 수소를 생산하는 방법으로, 경제적이지만 CO2를 발생시키는 단점이 있습니다.
2. 수전해 분해 (Electrolysis):
   • 전기 에너지를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 방법으로, 재생 가능 에너지와 연계하여 사용될 경우 친환경적인 수소를 얻을 수 있습니다.
3. 알칼라인 전해분해 (Alkaline Electrolysis):
   • 알칼라인 전해액을 사용하여 전기 분해를 통해 수소를 생산하는 방법으로, 비교적 저렴한 비용으로 생산 가능하지만 효율성이 낮습니다.
4. 고온 고압 수전해 분해 (High-Temperature High-Pressure Electrolysis, HTPEM):
   • 고온, 고압 환경에서 전해분해를 수행하여 효율적으로 수소를 생산하는 방법으로, 높은 온도와 압력에서 운영되어 성능이 향상됩니다.
5. 평화적 핵분열 (Nuclear Thermochemical Process):
   • 핵 분열 반응을 이용하여 열을 발생시키고, 이 열을 이용하여 수소를 생산하는 방법으로, 핵분열로 인한 방사선 문제 등이 고려되어야 합니다.
6. 바이오가스 및 생물합성 기술:
   • 유기 폐기물, 바이오매스, 미생물 등을 이용하여 수소를 생산하는 생물합성 기술로, 친환경적이며 재생 가능한 원료를 활용할 수 있습니다.

 

2. 수소저장 운송기술

• 수소 저장 기술은 안전하게, 효율적으로, 그리고 운송 가능한 형태로 수소를 저장하는 기술을 의미합니다. 수소는 가스 상태로 자체적으로 운송이 어려우므로, 저장 기술은 수소의 안정적인 보관과 운송에 핵심적인 역할을 합니다. 수소의 형태에 따라서 저장 기술이 달라집니다. 
  
• 액체수소
  기체 상태의 수소를 극저온(-253도씨)에서 액화하여 저장하면, 기체수소 대비 부피가 1/800로 감소하며 기화 즉시수소를이용할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 단열기술‧증발 방지 등이 기술개발과제로 남아있습니다.
• 암모니아
  수소와 질소가 결합하여 암모니아(NH3)로 변환하면, 기체수소 대비 부피가 1/1,348로 감소합니다. 그러나 이후 분해하여 고순도의 수소를 얻는 크래킹 과정이 기술개발과제로 존재합니다.
• 액상수소 저장
  기체상태의 수소를 상온·상압과 유사한 온도 및 압력에서 유기화합물 형태로 변환하여 저장하는 차세대 기술입니다.

수소 운송 기술은 수소를 안전하게, 효율적으로, 경제적으로 운송하는 기술을 의미합니다. 수소는 가스 상태로 존재하며, 공기 중에서 빠르게 확산되기 때문에 특별한 주의가 필요합니다. 이에 따라 수소의 운송은 다양한 기술과 방법을 활용하여 이루어집니다. 주요 수소 운송 기술은 다음과 같습니다.

 

• 해상운송
  해외에서 생산된 액체수소의 대량 운송에 필요한 화물창을 위해 극저온 소재, 구조 및 단열 기술, 핵심기자재가 개발 중에 있습니다.
• 육상운송
  고압 기체 상태의 수소를 수소 충전소, 산업용 수요처 등에 운송하기 위해 기체수소 튜브트레일러 복합재 용기를 개발 중에 있습니다.
• 배관망 이송 수소 수요량이 많고 수요지와 생산시설이 인접한곳 에 수소를 운송하는 방식으로 현재 석유화학단지(울산, 여수, 대산)을 중심으로구축되고 있습니다.

 

3. 수소 활용(수송‧발전) 기술

 

• 수소 활용 기술은 수소를 에너지로 변환하거나 다양한 산업 분야에서 수소를 활용하는 기술을 포함합니다. 주로 수소 활용은 클린 에너지 소스로서의 특성을 고려하여 수행됩니다. 다양한 수소 활용 기술의 예시는 다음과 같습니다:

1. 수소 연료전지 (Hydrogen Fuel Cells):
   • 수소를 산소와 반응시켜 전기를 생성하는 기술로, 이를 통해 전기차나 발전소 등에서 에너지를 공급합니다.
   • 고효율, 저온에서의 운전 가능, 배출물은 물이라는 환경 친화적인 특성을 가지고 있습니다.
2. 수소 동력 기관 (Hydrogen Internal Combustion Engine):
   • 수소를 연소하여 열에너지를 생성하는 내연기관을 이용한 기술로, 일반적인 연료를 사용하는 내연기관과 유사하게 동작합니다.
   • 수소 연소의 경우, 대기 중에서 발생하는 배출물은 주로 물과 열이며, 친환경적인 특성을 가지고 있습니다.
3. 수소 생산 및 저장 기술:
   • 수소를 생산하는 기술로는 수전해 분해, 증기 개질, 바이오 가스화 등이 있습니다.
   • 수소를 안전하게 저장하는 기술은 압축, 액화, 흡착, LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) 등이 있습니다.
4. 수소를 활용한 산업 프로세스:
   • 수소는 화학 산업에서 원료로 사용되거나, 금속 제련, 전기 전도체 제조 등 다양한 산업 프로세스에서 활용됩니다.
   • 이러한 사용은 기존의 화석 연료를 대체하고 친환경적인 생산 프로세스를 도입하는데 도움을 줍니다.
5. 수소를 활용한 열 가공:
   • 수소는 고온에서의 가공이 필요한 산업 분야에서 열 에너지로 활용됩니다.
   • 각종 금속 제련, 금속 가공, 유리 제조 등에서 사용되어 화석 연료를 대체하는데 활용됩니다.
6. 수소를 이용한 열 변환:
   • 수소를 연소시켜 생기는 열에너지를 활용하여 발전하는 과정이나 공장에서의 열 에너지를 전기로 변환하는 등의 기술이 있습니다.

• 수소 활용 기술은 지속 가능한 에너지 소스로서의 특성을 갖추고, 친환경적이며 다양한 분야에서 응용될 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 현재 이 분야에서의 연구와 기술 개발은 계속 진행되고 있습니다.