수소차 원리, 수소는 어디서 얻을까?

오늘은 제 전공에 대해서 다룰 기회가 되겠네요.

저는 화학공학을 전공한 사람으로서 공학적 사고(?)를 하려고 노력하는 사람입니다.

수소차, 수소경제가 요즘 두드러지는데 수소차의 원리와 수소는 어디서 얻는지 궁금증을 이해해보려고 합니다. 수소경제가 점점 다가오고 있습니다.

수소차, 수소발전 등 수소산업은 빠른 속도로 변모하고 우리에게 다가오고 있는데요.

수소산업은 수소 생산, 저장, 운송, 활용까지 전반에서 다른 산업과 연계되며 부가가치를 낼 수 있습니다.

수소는 어디에서 얻는가?

수소

원자량 1.0094g/mol

녹는점 -259.14도

끓는점 -252.87도

형태 무색기체

수소는 기체중에 분자량이 작기 때문에 같은 온도일 경우 분자 확산 속도가 기체중에서도 빠른 편입니다. 때문에 열전도율이 좋아 발전기 등 냉각재로 사용합니다.

그렇다면 수소를 다 어디서 얻는걸까요?

공기 중에는 질소, 산소, 이산화탄소 등 순수한 수소가 포함되어 있습니다. 공기 중의 수소를 분리해서 사용하는 걸까요?

당연히 아니겠죠.

수소는 주기율표에서 볼 수 있듯이 기호 1번으로 기호는 H, hydrogen으로 쓰이며 우리가 쓰는 수소는 2개가 짝을 이뤄 수소 분자인 (H₂) 상태입니다. 공기 중 순수한 수소 분자(H₂)의 개수는 전체 공기 분자 수의 고작 0.000053%밖에 되지 않기 때문에, 공기 중에서 수소를 분리하는 건 경제적으로 합리적이지 않습니다.

이외 많은 물질들은 수소를 포함하고 있습니다. 물 H₂O, 메탄 CH₄에 H는 모두 수소를 뜻합니다.

수소가 필요할 때는 이렇게 수소를 가지고 있는 다른 분자로부터 수소 분자 H₂를 어떻게 분리해 낼지가 관건입니다.

수소 생산 방식은 총 3가지

3가지 방식은 부생수소, 개질수소, 수전해 인데요.

부생수소

우리나라 수소 생산의 대부분은 석유화학 공정에서 발생하는 부생수소 입니다. 부생수소는 부산물 개념으로 생성되는 수소라는 뜻인데 ‘나프타 크래킹’, 염소와 가성소다를 생산하기 위한 ‘식염 전해 공정’, 또는 제철 산업 등에서 부차적으로 수소가 발생됩니다. 이를 모아 배관이나 튜브 트레일러로 수송하는 과정을 거칩니다.

부생수소는 우리나라 수소산업의 대부분을 차지하는데 약 90%로 현재 수소차 수소 충전소 대부분이 부생수소용 시설을 갖추고 있습니다.

부생수소 운반을 위해서는 ‘튜브 트레일러’ 수소 전용 화물차가 필요합니다. 튜브 트레일러에는 압축 수소를 넣을 수 있는 튜브를 이용해 운송하게 됩니다.

하지만 이런 부생수소는 생산되는 수소의 대부분은 자체적으로 소비되기 때문에, 수소차 및 연료전지 발전용으로 사용할 수 있는 양은 점차 모자라게 될 것입니다.

수소경제가 더 발전하기 위해서는 부생수소에만 기댈 수 없는 상황인데요. 그렇다면 수소를 무한정 생산하는 방법은 없을까요?

개질수소

지금 세계적으로 가장 많이 쓰이는 수소 생산 방법입니다. 우리나라를 포함해 세계 곳곳에서 생산 하는 비율을 차지하는 게 개질수소입니다. 개질수소는 천연가스를 이용해 수소를 생산하는 방법입니다.

앞서 언급한 메탄이 주 성분인 천연가스를 고온 고압의 수증기로 분해해 수소로 바꿀 수 있습니다. 개질수소는 수소경제 시대에 가장 현실적인 방법으로 꼽히고 있습니다.

또한 개질수소는 튜브트레일러 운반을 생략할 수 있고  현장에서 바로 생산이 가능합니다. 인천 가스안전공사에서는 천연가스 개질 방식 수소 충전소가 운영되고 있고 올해에는 김해에 지어질 예정입니다.

현장에서 소규모로 수소를 생산하는 충전소를 ‘온 사이트’ 수소충전소라고 일컫는데요 이 온사이트 수소충전소가 많아져야 할 것입니다.

현재는 국내 수소산업과 수소경제는 상용화 초기 단계입니다.

 

‘수전해’, 그리고 미래 기술 ‘광촉매’

물에는 수소 원자가 두 개씩 존재하고 지구 표면의 75%는 물로 덮여 있는 점을 감안하면  물을 수소연료로 쓸 수 있어야 할 것입니다.

‘수전해’는 물을 전기 분해 해서 수소를 생산하는 방법입니다. 이산화탄소 배출이 전혀 없고, 전력만 공급 가능하다면 운영할 수 있는 등 많은 장점이 있습니다.  아직은 효율이 충분하지 않아 생산 단가가 비싼 단점이 있습니다. 이외 ‘광촉매’는 전 세계적으로 뜨거운 기대를 받고 있는 기술입니다. 전기 대신 빛을 이용해 물 분자를 수소와 산소로 분리하는 기술인데요. 태양에너지를 화학결합으로 저장한다고 말할 수 있습니다. 수전해보다 공정이 더욱더 간단해질 것이라고 기대하고 있지만 아직 상용화 단계는 아닙니다.

지금 전 세계는 물로 수소를 만드는 기술에 대한 연구가 한창이에요. 수소 포집 기술을 적극적으로 개발하고 있고, 작년 한해 동안 물 분해 촉매 관련 특허는 70건이나 출원되었습니다. 

수소전기차에 사용되는 수소에너지 | 현대자동차그룹

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