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탄소중립 수소혁명
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탄소중립 수소혁명

  • 이순형
  • |
  • 쇼팽의서재
  • |
  • 2022-01-05 출간
  • |
  • 420페이지
  • |
  • 152 X 225 mm
  • |
  • ISBN 9791197546020
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북스크린영상으로 만나보는 한 권의 책 이야기

출판사서평




신·재생에너지를 수소로 전환해 사용하는 시대가 도래했다.인류는 이제100년에 한 번 오는 산업혁명의 출발선에 서 있다.
우리나라는 수소 연료전지차,수소 연료전지 발전 등 수소 활용 부문에서 경쟁력을 확보했다.반면,수소 생산,저장·운송 기술 및 수소충전소 등 주요 인프라는 주요국에 대비해 부족하다.수소를 에너지원으로 보급 활성화하기 위해서는 수소 활용과 인프라 확보의 불균형을 해소해야 한다.수소생산-저장·운송-활용의 밸류체인이 조성되어야 비로소 새로운 에너지 패러다임으로 나아갈 수 있다.
아무리 태양광,풍력발전 등이 보급되어도 극심한 변동성은 피할 수 없다.신·재생에너지는 날씨에 의한 전력량 변동이 심하며,태양광은 밤에 전력을 생산할 수 없다.즉 전력 품질이 불량하면 아무리 풍부해도 쓸 수 없다.일정 시간에 많이 발전된 전력을송전할 수 있는 전력계통이 부족하여 큰 문제점으로 대두되고 있다.
그렇기 때문에 태양광발전 등이 원전을 보완할 수는 있어도 대체는 무리다. 탈원전을 외치는 것은 간단하지만, 그와 동시에 원전 없이도 에너지원을 확보하는 방안을 구체적으로 제시해야 한다.
석탄은 수소원자 대 탄소원자의 비율이 1대 1~2이다. 석유는 수소원자 2개에 탄소 원자 1개가 결합한 구조로, 수소:탄소의 비율이 1대 0.5이다. 천연가스는 수소원자 4개에 탄소 원자 한 개가 결합해 수소:탄소의 비율 1대0.25이다. 다시 말해 에너지원의 변화와 함께 기술 진보로 CO₂방출을 줄여왔다. 지난 140년 간 주요 에너지 단위당 탄소방출량은 연 평균0.3%씩 감소한 것으로 추정되었다. 그러나, 방출량 감소에 비해 사용량이 크게 증가하면서, CO₂배출량은 꾸준히 늘었다. 전체 CO₂방출 자체는 증가했다.
미국 경제학자 제러미 리프킨은 저서 ‘수소혁명’에서 “탈탄소화의 여정 끝에 수소가 있다”고 했다.
향후 수소산업의 핵심은 어떻게 저렴한 수소를 대량 수요에 대응하느냐에 있다. 철강 조선 화학 반도체 등 에너지 다소비 공업에 소요되는 화석연료 에너지를 대체하는 수소를 어떻게 만들어내느냐이다. 석유화학 공정에서 부산물로 나오는 수소는 온실가스가 배출되는 그레이 수소이다. 블루수소는 천연가스나 석탄 등 화석연료를 개질해 만들어 낸다. 또한 개질 공정에서 배출되는 CO₂를 포집 저장 활용하는 CCUS기술이 선진국을 중심으로 활발하게 개발되고 있다.
수소 생산 기술의 궁극은 그린수소이다. 물(H₂O)을 전기분해해 얻는 수소이다. 독일과 일본, 미국 세 나라가 보유한 기술이다. 그러나 상용화 하기에는 경제성이 부족하고, 기술력도 효율성도 떨어진다. 최근 한국에서도 선진국 수준의 수전해 기술개발에 성공해 주목받고 있지만, 완전히 실용화 하기에는 향후 몇 년이 더 걸릴 것이다.
수전해 공정에 소요되는 전기를 어떻게 만들어 내느냐가 특히 중요하다. 친환경 에너지 생산을 위해 CO₂를 내뿜는 화력발전으로 만든 전기를 수전해 등에 활용하는 것은 의미가 없다. 그린수소 생산에 CO₂배출이 없는 전기를 이용해야 진정한 의미의 탈탄소(무턴소) 에너지라고 할 수 있다.
저렴한 수소의 공급은 수소사회로 나아가는 지름길이다. 미국은 2030년까지 수소 1㎏ 가격을 현재보다 80%가량 낮춰 1달러 선에 공급하고, 일본은 2050년까지 수소 가격을 1㎏당 2달러 내외로 낮출 계획이다. 수소에너지 관련, 세계적 흐름을 보면 세계수소위원회는 2050년에 이르러 수소가 최종 에너지 소비량의 18%를 차지하고 승용차 4억대와 상용차 2,000만대가 수소에너지를 사용할 것으로 전망하고 있다. 이는 세계 자동차 시장의 약 20%를 차지하는 수치이다. 시장 규모 또한 2.5조 달러(약2,940조 원)에 이르고, 일자리 또한 3,000만 개에 이를 것으로 내다본다.
최근 대형 원전 설비의 대안으로 등장한 것이 소형모듈원전(SMR)이다. 수소생산에 필요한 무탄소 전기와 저렴한 전력을 공급하는 수단으로 부상하고 있다. 300MW 이하의 일체형 소형원전이 보다 확산할 것이다. 우리나라는 2030년 이전 한국형 SMR설계를 끝낼 계획을 갖고 있다. 2021년 말 혁신형SMR개발을 공식화했고 국회에는 SMR포럼이 설치됐다. SMR글로벌 시장은 2035년 65~85GW에서 2050년2000GW이상 급성장할 것으로 전망한다. 마이크로소프트 창업자 빌 게이츠는 이미 2006년 설립한 원전기업 테라파워를 통해 SMR개발에 집중해왔다. 하지만, 우리나라에서는 규모에 관계 없이 시민 환경단체를 중심으로 원자력에 대한 반대운동이 거세기 때문에 향후 주만수용성에 대한 수많은 토론이 있어야 할 것이다.
바야흐로 포스트 화석연료의 시대가 열리고 있다. 이는 에너지 고갈 문제, 환경 보전 문제를 넘어 글로벌 질서를 재편한다는 점에서 중요한 의미가 있다.
지금까지 에너지원 보유 내지 접근성이 곧 글로벌 권력을 의미했다. 19세기 영국은 석탄을 선점하며 성장했고, 20세기 미국은 석유를 선점하며 성장했다. 하지만, 수소에너지 세계에서 수소는 어디에서나 추출할 수 있다. 어디에나 있는 수소를 어떻게 생산하고, 유통하고, 저장하고 활용할 것인가 하는‘기술’의 선점이 가장 중요하다. 이 때문에 미국과 중동 등 특정 국가에 몰려있는 화석연료 중심의 세계가 뒤흔들릴 것이다.


목차


들어가면서 ㆍ004
서문 ㆍ 009

[제1장 총론]

탈탄소 사회 실현의 첫 걸음 ㆍ 026
1차 에너지원의 전기화 ㆍ 전기의 국가 간 이동이 가능해진다 ㆍ 로열 더치 쉘의 저탄소화 전략보고서 ㆍ 쾌적한 주거와 친환경 오피스 공간
수요-공급을 연결하는 에너지 공급망 ㆍ 039
에너지 공급망과 사회 인프라 ㆍ 에너지 공급망의 효율성 향상 ㆍ 태양광 에너지의 프로슈머전망
새로운 전력 공급 ‘마이크로그리드’ ㆍ 048
마이크로그리드의 상용화 ㆍ 미국 블랙아웃의 교훈 ㆍ 수소에너지 기반의 마이크로그리드
전력의 수소화 전환 - Power to Gas (P2G) ㆍ 054
P2G 기술을 선도하는 독일 ㆍ 1차 에너지와 2차 에너지의 역전 ㆍ 일본의 수소에너지 저장 기술 ㆍ 한국의 기술력은?
에너지 공급망의 회복탄력성 ㆍ 062
회복탄력성 - 공급망의 필수 요소 ㆍ 분산형 에너지 보급과 수요의 관계성 ㆍ 안정적인 전력 공급의 중요성

[제2장 생산과 인프라]
수소사회 구현을 위한 인프라 ㆍ 072
‘나무를 보고 숲을 보지 못하기 쉽다’ ㆍ 수소사회는 장기적 비전 ㆍ 가정용 연료전지의 기술개발 ㆍ 수소연료전지 자동차 ㆍ 우리나라 수소충전소의 보급 현황
수소에너지의 가치 ㆍ 087
수소경제의 개화 - 확산 단계 ㆍ 수소에너지에 대한 의문과 답변 ㆍ 암모니아가 수소에너지의 운반체 ㆍ 암모니아 - 수소 화합물을 연료로 사용 ㆍ ‘그린암모니아’의 경제성
셰일가스로 수소 대량 생산 ㆍ 099
셰일가스는 무엇인가 ㆍ 수압파쇄 및 수평굴착 기술 ㆍ 셰일가스 매장지와 매장 추정량 ㆍ 에너지 대기업들의 ‘골드러시’ ㆍ 셰일혁명이 가져올 에너지 변화 ㆍ 셰일혁명으로 인한 국제질서 변동
셰일가스의 수소 분리 공정 ㆍ 110
수증기 개질 ㆍ 부분산화 개질과 자기열 개질 ㆍ 플라즈마 개질 ㆍ 다양한 수소 분리 공정 ㆍ고순도 수소 정제 공정
천연가스를 기초로 하는 수소 생산과 공급 ㆍ 123
자동차용 연료가 수소경제 선도한다 ㆍ 21세기 수소 제조는 합금으로 결정 ㆍ 온사이트형(현지 생산) 수소 제조 ㆍ 일본의 온사이트형 수소충전소 ㆍ 새로운 수소 제조 기술
석탄으로 수소 대량 생산 ㆍ 137
석탄에 대한 인식 전환 필요 ㆍ 석탄가스화에 의한 수소제조 ㆍ HyPr-RING법에 의한 수소생산 기술 ㆍ 수소 원료로서 석탄의 잠재력
석유 정제에 의한 수소 생산 ㆍ 147
석유화학 플랜트의 수소제조 ㆍ 국내 에너지 메이커들의 대변신

[제3장 CCUS와 수소생산]
CCUS 기술은 탄소중립의 ‘게임체인저’ ㆍ 158
CCUS 기술의 의미와 배경 ㆍ 글로벌 CCUS 프로젝트 현황 ㆍ CCUS 기술력의 현주소와 한계 ㆍ 미국의 선도적인 CCUS 기술 ㆍ CCU와 CCS 경제성 및 공공성
PSA 공법에 의한 초고순도 수소 ㆍ 174
PSA 정제의 원리 ㆍ 국내 고순도 수소 생산 현황 ㆍ PSA 공정과 신공법 비교
열화학적 저온 수소생산 ㆍ 180
열화학적 물분해의 원리 ㆍ M-Redox 사이클의 가능성 ㆍ 독일의 청록수소 그린수소 투자
광합성 미생물 수소생산 ㆍ 189
혐기 발효는 무엇인가 ㆍ 해양 미생물 ‘NA₁’의 등장 ㆍ 바이오매스(Biomass)
태양광 물 분해에 의한 수소생산 ㆍ 196
광전기화학의 발달 ㆍ 좋은 광전극이 필요 ㆍ 광촉매 개발의 세계적 동향 ㆍ 솔라 반응 시스템의 개발

[제4장 암모니아 경제의 개막]
수소경제의 ‘징검다리’ 암모니아의 등장 ㆍ 212
암모니아 연소 메커니즘 ㆍ 발전용 가스터빈 연료 ㆍ 석탄화력 발전과 암모니아 혼소 기술 ㆍ 천연가스/암모니아의 혼소 실험
암모니아의 생산과 활용 ㆍ 225
암모니아가 재등장한 배경 ㆍ 암모니아의 전기화학적 생산 ㆍ 암모니아 엔진 개발 ㆍ 암모니아 추진 선박의 상용화
무탄소 암모니아 공급 프로세스 ㆍ 243
무탄소 암모니아의 제조 현황 ㆍ ‘그린암모니아’ 생산의 다양한 가능성 ㆍ 암모니아 제조의 신기술 개발 ㆍ 수송과 저장에 필요한 기술 ㆍ 암모니아 이용 기술의 현황 ㆍ 무탄소 암모니아의 제조 비용
수소에너지의 새로운 운반체 암모니아 ㆍ 260
액화수소의 운반체 역할 ㆍ 액화수소 기술의 혁신 자기냉동법 ㆍ 메틸시클로헥산(MCH) ㆍ
초고순도 액화수소와 메틸시클로헥산 ㆍ 수소운반체 암모니아의 장단점
수소에너지 운반체 공급망 ㆍ 274
공급망 구축의 요건 ㆍ 공급망 구축 기술의 성숙도 ㆍ 수소 에너지 도입 비용 ㆍ 수소 운반체 무탄소 암모니아 ㆍ 국제에너지기구 IEA 보고서
무탄소 암모니아 생태계 구축 ㆍ 284
그린암모니아 컨소시엄’(GAC) ㆍ GAC 로드맵이 국제 표준 ㆍ 글로벌 기업들의 암모니아 생산 동향 ㆍ 블루 암모니아의 개발

[제5장 수소경제, 수소사회]
수소경제 생태계 구축을 위한 과제 ㆍ 296
‘무탄소 암모니아’ 시장의 특징 ㆍ ‘무탄소 암모니아’의 경쟁력 ㆍ 한국의 수소 생산 단가 ㆍ ‘무탄소 암모니아’ 생태계 구축 ㆍ 전략적 이노베이션 창조프로그램(SIP) ㆍ 수소사회를 지향하는 인류의 노력
압축수소 용기의 기술적 과제 ㆍ 309
수소의 저장방식 ㆍ 화학적 저장방식 ㆍ 액체수소 저장 방식에 대하여
일본 수소 생태계 구축의 전망 ㆍ 314
2017년 수립한 수소에너지 전략 ㆍ 대량공급 인프라의 구축 ㆍ 2030년 수소충전소 5000개
건설 ㆍ 일본의 축압용기 개발 현황 ㆍ 국내 축압용기 개발 현황 ㆍ 강철제 고압 축압용기의 개발
수소흡장합금을 이용한 수소 저장 ㆍ 332
수소흡장합금의 효용성 ㆍ 합금 실용화에 대한 연구 개발 ㆍ 연료전지 스쿠터 ㆍ 수소흡장합
금의 단점
수소연료전지 시대가 열린다 ㆍ 339
고체 원형 연료전지 ㆍ 분말 형태의 수소화칼슘 개발 ㆍ 고체 수소연료전지의 미래 ㆍ 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) ㆍ 고체산화물 연료전지 (SOFC)
자동차용 수소연료전지의 미래 ㆍ 356
주행거리와 충전시간 ㆍ 수소연료전지 vs 리튬이온 배터리 에너지 밀도 비교 ㆍ 수소차의 기술적 난제
수소차와 배터리 전기차의 효율 ㆍ 367
FCEV와 BEV 가운데 어느 쪽이 우세할까 ㆍ FCEV와 BEV의 에너지 효율 ㆍ 세계 자동차 메이커들 수소차에 올인
가정용 연료전지의 개발 전망 ㆍ 376
가정용 연료전지 개발의 시초 ㆍ 연료처리장치 및 촉매의 개발
수소엔진의 가능성과 한계 ㆍ 382
수소엔진의 개념 ㆍ 유럽시장의 수소엔진 개발
수소발전소 기술의 가능성 ㆍ 388
수소발전이 중요한 이유 ㆍ 수소발전소의 가동 ㆍ 원전 이용한 ‘그린수소’ 생산 ㆍ 소형 모듈 원전 SMR의 장점과 단점 ㆍ 수소생산에 특화된 SMR ㆍ 토륨 원자로에 대한 기술적 분석
수소사회를 향한 인프라 확충 ㆍ 404
국내 수소충전소 현황 ㆍ 원천 기술 확보의 중요성
수소경제와 탈원전 정책의 조화 ㆍ 409
신·재생에너지의 저조한 생산성 ㆍ 2030년 글로벌 원전 능력 ㆍ 수소 2050년 3000조 시장
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