개질수소

개질수소(改質水素, reformed hydrogen)는 천연가스(CH₄)를 역으로 전기분해하여 얻어낸 수소를 말한다. 천연가스에서 수소를 얻어내기 위한 과정에서 전기분해를 위한 엄청난 전기에너지가 소모되며, 또 이러한 에너지는 화석연료(CH₄)를 발전하여 만들어낸다. 한마디로 개질수소는 천연가스를 위한, 천연가스를 이용한 수소이다.

개질수소의 장단점

개질수소의 경우 현재 1t을 생산하는 데 이산화탄소 약 10t이 배출되는 것으로 알려졌다. 부생수소, 개질수소 모두 온실가스인 이산화탄소 배출이 많아 '회색수소'로 불린다. 개질수소를 비판하는 사람들은, "천연가스에서 수소를 추출하면 발열손실 60%, 송전손실 4%가 발생해 전체 에너지의 35%만 사용된다"며 "천연가스와 전기를 그냥 쓰면 이것보다 효율이 높은데, 굳이 수소로 전환하면서 에너지 손실이 꽤 크게 발생한다"고 주장한다.

수소연료는 천연가스보다 3배의 연료 효율을 보인다. 회색수소 단계는 그린수소로 나아가기 위한 필수적 과정이라는 입장이다. 전 세계적으로 물에서 수소를 분해하는 그린수소는 현재 기술개발이 안 되어 있고 상업성이 떨어진다. 독일, 일본 등 선진국들이 그린수소 개발을 선도하는 가운데, 개질수소가 회색수소라는 이유로 손놓고 아무것도 하지 않으면 에너지 경쟁력 저하로 결국에는 더 어려운 상황에 직면할 수 있다는 반론도 있다.

​개질수소의 경우 대한민국에 대형 추출기가 없다는 비판이 있지만 현재 현대로템㈜ 등 기업들이 뛰어들면서 경쟁력을 쌓고 있다. 개질수소 생산 과정에서 나오는 이산화탄소를 저장하거나, 산업에 활용하는 '블루수소' 등 대안적 기술도 있다.

2021년 5월 탄소배출을 동반하는 부생수소와 개질수소 글로벌생산량은 연7000만톤, 시장규모는 1500억 달러에 이른다.

천연가스 개질

탄화수소의 개질 방식 비교

개질(reforming)이란 촉매 반응을 이용하여 탄화수소(메탄) 연료를 수소를 포함하는 가스로 전환하는 과정을 의미하여 이때 생산된 수소 함유 가스를 합성 가스 또는 개질가스라 부른다.

천연가스 개질에는 SMR(Steam Methane Reforming; 증기메탄개질) 기술이 2020년 현재 가장 저렴한 수소 생산 방법으로 정착되어 활용되고 있다. SMR을 통해 천연가스(CH₄)에서 H₂와 CO 또는 CO₂를 분리하게 되며, CCS를 적용할 경우, 화석연료 기반의 청정 수소(Blue Hydrogen)로 전환할 수 있다. 천연가스 개질기술에는 자열식(ATR; autothermal reforming), 수첨해(using water as an oxidant and a source of hydrogen), 산화법(partial oxidation: using oxygen in the air as the oxidant) 등이 있다. ATR은 화석에너지(천연가스 등 탄화수소)원에서 수소를 추출하기 위해 개발된 기법으로, 원료물질에 산소와 증기를 공급하여 탄화수소 일부를 산화시킨 후, 촉매 개질을 거쳐 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)로 구성된 합성가스를 생산하고, 이후 합성가스에서 CO 및 CO₂를 분리하여 순수 수소를 생산하는 방식이다.

2018년 수소 생산에 투입된 천연가스 규모는 205bcm(세계 천연가스 소비: 6%)에 달하였으며, 수소 생산에서 개질수소의 비중은 76%에 달하였다.

미국, 유럽국가 등 세계 주요 국가의 수소 생산은 천연가스 개질(SMR·ATR 등)을 통해 이루어지고, 특히, 천연가스 공급여건이 좋은 국가들이 높은 생산 역량을 보유하고 있다.

• 2020년 미국은 10백만톤(MtH₂)(1차에너지 소비의 1%) 규모의 수소를 생산하며(기존 천연가스 인프라 활용), 대규모 중앙집중식 천연가스 개질(SMR) 설비를 통해 수소의 95%를 생산하고 있다.

- (생산기술) 천연가스 개질(SMR)은 가장 일반적인 수소 생산방식으로 세계적으로 경제성과 대규모 수소 생산 기반에 적합한 기술로 평가되고 있다.

- (주요 활용부문) 개질수소는 석유 정제·화학 산업의 중간원료(feedstocks)로 사용되어 주로 암모니아(Ammonia) 및 메탄(Methane)으로 전환되었다.

SMR(Steam Methane Reforming; 증기메탄개질)

메탄을 개질하는 방식은 크게 수증기를 사용하는 방법, 산소를 이용하는 방법으로 크게 구분될 수 있다. 전자는 수증기개질이며 메탄을 비교적 고온(600~800℃)에서 수증기와 반응시킨다. 후자는 부분산화라고 하며 공기에서 산소를 분리 후 이를 약 400~500℃ 정도에서 메탄과 반응시킨다. 수증기개질 및 부분산화에 의해서 메탄은 수소와 일산화탄소의 혼합가스인 합성가스로 전환되며, 이 중 일산화탄소에 다시 수증기를 가해 일산화탄소를 다시 수소를 전환하는 수성전환반응이 진행돼 부가적인 수소와 약간의 이산화탄소가 생성된다. 최종적으로 생성된 가스는 분리 및 정제하여 고순도의 수소를 생산하게 된다.

현재 메탄 개질은 대부분 수증기개질 방식을 사용하게 되는데, 이는 오랫동안 화학공업에서 중요한 메탄올 및 암모니아 합성 시 필요한 기초 원료인 합성가스를 메탄 즉 천연가스 개질로부터 생산해 왔고, 이 때문에 이에 대한 공정 개발 및 개선이 오랜 동안 진행되어 왔기 때문이다.

그러나 수증기개질을 위해서는 고온의 온도가 필요하여 이는 곧 에너지 소모가 많다는 의미로 또한 처음 시작 시점부터 수소가 생산되는 시점까지 초기 가동시간이 많다는 단점이 있으므로, 이를 개선하기 위한 공정 최적화 또한 필요하다는 숙제를 안고 있다.

국내 현황

300 N㎥ h급 천연가스 개질기 운전사진

국내의 수소 생산의 대부분은 화학공정 등에서 부산물로 나오는 부생수소인데 이 부생수소는 대부분 회수하여 공정에 재사용되며, 극히 일부만이 파이프라인이나 튜브트레일러에 20㎫(200bar) 정도 압축돼 유통되고 있다. 그러나 수소는 단위 부피당 무게가 가장 가벼운 기체이기 때문에 튜브트레일러 1개의 모듈로는 약 200㎏의 수소의 저장·운송만이 가능하다.

이로 인해 부생수소가 생산되고 있는 지역(울산, 여수, 서산(대산))외에는 운송료 부담으로 인해 실제 수소판매가격이 비싸지게 된다. 이 점 때문에 수소를 필요로 하는 산업은 대부분 부생수소가 나오는 울산 등 화학단지에 위치해, 필요한 수소를 파이프라인으로 공급받아 사용한다. 그러나 이외 지역에서는 튜브트레일러를 통해서 수소를 공급받아 사용할 수밖에 없어 운송료 부담이 큰 편이다.

이런 수소사용의 문제를 해결하기 위해서 도시가스 배관이 연결된 곳 혹은 바이오가스가 생산되는 곳에 소규모의 개질기를 설치하여 현지에서 직접 수소를 생산하고, 공급하는 온사이트 수소생산 방식이 하나의 전략이 될 수 있다.

이 같은 목적을 위해서 시간당 약 100~ 300N㎥의 수소를 생산할 수 있는 개질기 설계·제작이 필요하며, 전통적인 개질기 설계와 비교해서 그 설치 공간이 제한적이므로 개질기, 수소정제장치 등을 하나로 패키지화하는 특별한 설계·제작 기술이 요구된다.

현재 현지생산형 개질기술 및 개질기는 주로 일본과 한국을 중심으로 개발돼 실증 운전 중이다. 일본의 경우 오사카가스에서 'Hyserve'라는 상표명으로 시간 당 30·100·300N㎥ 생산이 가능한 천연가스 개질기를 개발해 상용화 했다. 또 미쓰비시 화공기계(MKK)에서도 'Hygeia'라는 상표명으로 시간 당 50·100·200N㎥ 생산이 가능한 천연가스 개질기를 내놓고 있다.

국내는 서울 상암동 노을공원 주변에서 발생하는 매립지가스를 정제하여 바이오메탄을 생산 후 이를 개질해 수소를 생산·저장 후 수소차에 공급하는 상암 수소충전소가 운영 중이다. 상암 수소충전소에서 바이오메탄 개질에 사용되는 개질기는 SK energy에서 설계한 것으로 시간 당 30N㎥의 수소를 생산할 수 있다.

가스공사 가스연구원에서는 30N㎥/h의 수소생산이 가능한 개질기를 설계·제작해 인천 송도 인수기지 내에 수소 및 HCNG(수소와 천연가스를 혼합 후 압축한 가스) 충전소를 설치하여 실증운전을 수행하고 있다.

또 제이엔케이히터㈜에서는 국가 R&D과제의 지원으로 시간 당 300N㎥의 수소생산이 가능한 개질기 설계 및 제작 완료 후 한국과학기술연구원에 설치하여 실증운전을 수행한 바 있다.

또한 'HIIS'라는 상표명으로 시간 당 120N㎥ 의 수소 생산이 가능한 천연가스 개질기를 자체기술로 설계 및 제작 완료하여 충남 당진공장 내에서 성능시험 중이며, 이를 올해 4월까지 천연가스 개질 방식의 온사이트형 수소충전소를 구축해, 국내 최초로 상용운전 할 계획이다. 또한 240N㎥/h의 수소생산이 가능한 개질기의 설계·제작이 진행 중이며, 오는 6월에 최근 경남 창원 성주동 수소충전소에 설치하여 실증 운영할 계획이다.

참고자료

• 천연가스를 이용한 수소 제조 기술 현황 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200510103463010.pdf
• 에너지 이슈 페이퍼 - http://www.keei.re.kr/keei/download/KEIB_210802.pdf
• 천연가스의 수증기 개질에 의한 수소 제조 기술 특허동향 - https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200710736976806.pdf
• 이승환 제이엔케이히터㈜ 수소에너지사업부 차장, 〈기고 수소생산의 필요한 개질기술 소개〉, 《가스신문》, 2019-01-07

같이 보기

• 수소
• 수소연료
• 바이오메탄
• 탄화수소
• 천연가스
• 그린수소
• 블루수소
• 부생수소

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