수소 응용 산업분야

그린 수소

태양광, 풍력, 수력과 같은 재생에너지를 통해 생산되는 수소를 말합니다. 생산과정에서 이산화탄소 등의 온실가스를 배출하지 않으므로 가장 친환경적인 에너지원으로 평가됩니다.
그린수소는 재생에너지원으로 얻은 전력을 이용하여 물을 전기분해하여 생산합니다.

그레이 수소

석유화학 및 철강 산업에서 발생한 부생수소와 천연가스에서 얻은 추출수소(개질수소)를 통칭하며 오늘날 수소를 생산하는 방식 가운데 가장 높은 비중을 차지합니다. 수소 1톤을 생산하는 데 10톤의 이산화탄소를 배출하기 때문에 궁극적인 청정 연료로 볼 수 없습니다.

블루 수소

천연가스로부터 생산되지만, 생산과정에서 배출되는 이산화탄소를 포집 및 저장하여, 이산화탄소 배출량을 감소시키며 얻는 수소를 말합니다. 그린 수소와 함께 청정 수소로 분류됩니다.

청록 수소

천연가스를 고온의 반응기에서 열분해하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 고체상태로 분리하여 생산한 수소를 말합니다. 플라즈마를 이용한 열분해 기술을 통해 생산됩니다. 고체 탄소는 과립으로 저장되었다가 나중에 재사용될 수 있습니다.

레드/핑크 수소

녹색수소와 마찬가지로 전기분해를 통해 생산되는데 원자력 발전 시 생성되는 전기와 증기를 활용하여 수소를 만듭니다. 탄소 중립적이지만 안전하게 보관해야 하는 방사성 폐기물을 생성합니다.

수소를 생산하는 기술은 다양합니다. 현재는 주로 이산화탄소를 생성하는 화석 연료의 증기 개질을 통해 얻고 있지만 기후중립으로 인해 전기분해 방식이 점차 많은 주목을 받고 있습니다. 수전해 기술을 사용할 경우 수소와 산소만 생산되기 때문에 오염물질이 전혀 배출되지 않습니다.

업계에서 가장 많이 알려진 전기분해 유형은 알칼리 전기분해(AEC), 양성자 교환막 전기분해(PEM) 및 고체 산화물 전기분해(SOEC) 방식입니다. 모든 과정에서 물은 수소와 산소로 분리되며, 멤브레인과 전해질의 선택에 따라 기술에 차이가 있습니다.

알카라인 전기분해 (AEC)

알칼리 전기분해는 가장 일반적으로 사용되는 기술입니다. 촉매제로 수산화칼륨(KOH)을 이용하고 이미 대규모로 이용 가능합니다. 낮은 투자 비용과 긴 수명 외에도 해로운 원자재가 실제로 사용되지 않습니다. 주요 단점은 부하를 변경할 때 역학이 낮다는 것입니다.

양성자 교환막 전기분해 (PEMEC)

알칼리 전기분해에 비해 양성자교환막 전기분해는 훨씬 더 오래되었지만 산업적 규모에서도 이용 가능합니다. 중심 구성 요소는 양성자 교환막입니다. 이는 산소와 수소의 두 생성물이 혼합되지 않도록 하여 수소의 순도를 높여줍니다. PEM 전기분해를 통해 빠른 부하 변경과 컴팩트한 디자인이 가능합니다. 반면에 촉매재료가 고가입니다.

고체 산화물 또는 고온 전기분해 (SOEC)

물은 증기로 시스템에 공급됩니다. 이는 최대 85%의 매우 높은 효율성을 달성할 수 있음을 의미합니다. 셀은 최대 900 C의 온도에서 작동합니다. 고체 세라믹 재료가 전해질 역할을 합니다. SOEC의 또 다른 장점은 CO 전기분해를 통해 합성 가스를 생산하는 데에도 적합하다는 것입니다. 그러나 온도가 높으면 부하 변화 능력이 낮고 재료 요구 사항이 높아집니다.

수소를 저장하는 기술은 다양합니다. 물리적 저장 장치는 중량 및 부피 에너지 밀도가 더 높습니다. 재료 기반 저장을 통해 관리 가능한 압력과 온도에서 보관할 수 있습니다. 가장 관련성이 높은 두 가지 기술은 진공 단열 탱크에 최대 700bar의 압력에서 기체 수소를 저장하고 -253 C에서 액체 수소를 저장하는 것입니다. 다른 기술에는 금속 수소화물 저장, LOHC 또는 암모니아나 메탄올과 같은 화학 물질 저장이 포함됩니다.

수소는 다양한 산업 분야에서 사용될 수 있습니다. 화학적 특성으로 인해 수소가 필요하기 때문에 업계에서 가장 높은 수요가 예상됩니다. 가능한 응용 분야에는 암모니아 및 메탄올 생산 또는 철강 및 시멘트 생산이 포함됩니다. 운송에 대한 수요도 높아질 것으로 예상됩니다. 이 방법은 배터리가 사용되기 어려운 곳, 즉 부하가 높고 주행 거리가 긴 곳이면 어디든 수소가 사용됩니다. 여기에는 항공우주, 해양 응용 분야 및 운송도 포함됩니다.

수소는 단 하나의 양성자와 하나의 전자로 구성됩니다. 따라서 이는 가장 작고 가벼운 원소이므로 다양한 재료를 통해 매우 빠르게 확산됩니다. 기본 재료, 압력, 온도 및 노출 기간에 따라 이는 수소 취성을 초래하여 부품의 조기 피로를 초래할 수 있습니다. 케이블을 단단하고 안전하게 유지하려면 해당 애플리케이션에 적합한 재료와 적절한 구성 요소 설계를 선택하는 것이 필수적입니다.

탄소 함량이 낮고 니켈 함량이 높은 고합금 오스테나이트 크롬-니켈강은 수소 사용 분야에 사용하기에 가장 적합합니다. 낮은 탄소와 증가된 니켈 함량으로 인해 이러한 강철은 입계 부식에 대한 저항성이 매우 높아지고 소위 수소 취성을 크게 방지합니다.

수소 취성이란 물질의 격자 구조에 원자 수소가 침투하여 저장되는 현상을 말합니다. 이로 인해 인성이 저하되어 균열 형성으로 인해 조기 피로가 발생하거나 균열 전파가 크게 가속화되고 갑작스러운 재료 파손이 발생할 수 있습니다. 수소의 취성은 재료, 압력, 온도 및 기타 여러 영향 요인에 따라 크게 달라집니다.