수소는 청정에너지로써 앞으로 전 세계의 에너지 및 환경문제를 해결할 수 있는 유일한 대안으로써 여겨지고 있다.
기존 대부분의 화석연료는 다량의 환경오염물질을 배출하는데다 언젠가는 고갈될 수밖에 없는 유한한 자원이기 때문이다.
수소는 그 자체로 무한에 가까운 에너지 자원으로써 환경오염이 없으며, 연료전지의 출현으로 전기에너지로 전환이 쉽다는 장점 때문에 미래의 에너지원으로써 관심이 집중되기 시작하였다.
연료전지가 개발되기 전까지 수소는 단지 산업의 원료로 이용되거나 공정 열을 얻기 위한 연료로 사용되었을 뿐 그 에너지원으로서의 큰 의미를 가지지 않았으나 최근 연료전지의 실용화 추세에 따라 청정에너지원으로서 가치를 가지게 되었다.
따라서 전 세계적으로 연료전지 시스템에 수소를 좀더 효과적으로 제조하고 공급할 수 있는 기술을 개발하기 위하여 노력하게 되었다.
연료전지란 수소를 화학적인 반응에 의해 전기에너지와 열에너지로 바꾸는 장치로서 최근의 고분자 연료전지(PEMFC)를 중심으로 한 연료전지 관련기술의 향상은 연료전지 시스템의 신뢰성을 높여주었으며 또한 연료전지를 이용한 소형 열병합 발전시스템과 수소연료전지 자동차의 상용화를 촉진하고 있다.
이에 따라 연료전지 시스템에 수소를 공급하기 위한 소형 수소제조장치의 개발과 수소연료전지 자동차에 수소를 공급해 주기 위한 수소스테이션용 수소제조장치 개발이 필수적이 상황이 되었다.
일반적으로 수소를 대량으로 얻을 수 있는 방법으로 화석연료의 개질방법과 화학공정의 부산물로 생기는 수소를 회수하는 방법을 들 수 있다.
이중 화석연료의 개질방법으로 석탄이나 코크스를 가스화하거나 나프타 또는 천연가스와 같은 탄화수소의 수증기개질, 부분산화, 열분해를 통하여 수소를 제조하는 방법이 있으며 이중 탄화수소의 수증기 개질방법은 현재 상업적으로 가장 많이 이용되고 있는 방법이다.
부산물 회수법으로는 석유화학공업의 부생수소, 식염전해 부생수소, 철강 부생수소를 회수하는 방법이며 이 외에도 물을 전기분해 하거나 암모니아의 분해하는 방법이 사용되고 있다.
최근 원자력을 이용하는 방법으로 VHTR(Very High Temperature Reactor)를 이용한 수소제조 방법이이 시도되고 있다.
또한 신재생에너지를 이용하는 방법으로 태양광, 풍력 등을 이용한 물의 직접분해, 바이오메스 분해를 통한 수소제조 등을 들 수 있는데 이러한 신재생 에너지원을 이용하여 수소를 제조방법은 인류가 나가야 할 궁극적인 방향으로 여겨지고 있다.
그러나 신재생에너지를 이용하는 방법은 여러 가지 기술상의 제약조건 들로 인하여 향후 수십 년 간은 수소 수요의 대부분은 천연가스와 같은 기존 화석연료의 개질을 통하여 공급될 수밖에 없을 것으로 보고 있다.
현재 전 세계 수소 수요의 반 정도가 천연가스의 개질을 통하여 충족되고 있으나 국내의 경우 유통되는 수소는 대부분 석유화학공정의 부산물로 생성되는 부생수소를 이용하고 있다.
부생수소의 대부분은 파이프라인을 통해 공급되기 때문에 부생수소의 대부분은 자체적으로 소비되고 있는 실정이며 이중 일부가 정제과정을 거친 후 충전과정을 거쳐 시중에 공급되고 있는 상황이다.
수소는 대체적으로 유통과정에서 여러 단계의 작업을 거치면서 원가가 상승되기 때문에 파이프라인을 통한 공급보다는 카트리지 또는 실린더로 공급할 경우 가격이 훨씬 높아지게 된다.
따라서 현재의 상황에서는 연료전지 또는 수소스테이션 등과 같은 수소를 연속적으로 공급하는 방법으로 천연가스의 개질을 이용하여 현지에서 수소를 공급하는 방법이 주류가 될 전망이며 이외에 액체수소 또는 전기분해방식이 이용될 것으로 보고 있다.
탄화수소 계통의 연료를 수소로 변환시키는 개질공정에는 다양한 방법이 있다.
이중 수증기 개질방법은 탄화수소와 고온증기의 증기를 촉매 상에서 반응시켜 수소와 일산화탄소의 혼합가스를 얻는 방법이다.
수증기 개질반응은 흡열반응이기 때문에 반응을 진행시키기 위해 외부로부터 많은 양의 에너지를 공급해 주어야 한다.
또 다른 개질방법으로 촉매 부분산화방법을 들 수 있는데 이 방법은 탄화수소에 공기를 이론연소 공기량 이하로 공급하면서 촉매 상에서 반응시키는 방법으로 반응속도가 빠른 것을 장점으로 들 수 있으나 50% 이하의 낮은 수소농도가 얻어지는 것이 단점이라고 할 수 있다.
이 외에도 수증기 개질반응과 부분산화반응을 조합한 오토써멀 개질방법은 부분산화반응과 수증기 개질반응을 조합한 반응으로서 부분산화방법의 빠른 기동의 장점을 살릴 수 있을 뿐만 아니라 스팀을 공급함으로써 부분산화반응으로 인한 고온부의 생성 억제를 통하여 촉매 수명을 높일 수 있고 반응기 제어가 쉽다는 장점이 있다.
이 외에도 열 또는 플라즈마를 이용한 메탄 직접분해 방법과 메탄과 이산화탄소의 반응을 이용하는 이산화탄소 개질반응 그리고 수증기 개질반응과 이산화탄소개질반응을 조합한 혼합개질방법 등이 있다.
수증기 개질반응을 이용한 수소제조 장치는 보통 탈황반응기, 개질반응기, 고온 전환반응기 및 저온 전환반응기 등 기본적으로 4개의 반응기로 구성되며 최근 들어서는 고온 및 저온 전환반응기를 하나로 통합하는 방법이 개발되고 있다. 이러한 수소 제조장치를 고분자 연료전지에 적용하기 위하여서는 일산화탄소를 ppm레벨로 제거하기 위한 선택적 산화반응기인 PROX(preferential oxidation)반응기가 추가적으로 설치되어야 하며, 또한 고순도 수소제조를 위해서는 PSA(pressure swing adsorption)와 같은 별도의 정제설비가 필요하게 된다.
그 외 필요한 유틸리티 설비로는 개질반응기에 반응열을 공급해 주기 위한 열원과 각 반응기의 열 밸런스를 맞추어 주기 위한 열교환기, 그리고 수증기 제조를 위한 스팀보일러 등이 필요하며, 반응기의 온도와 운전조건을 맞추어 주기 위한 제어시스템 등으로 구성된다.
수소연료전지 자동차에 수소를 공급해 주기 위한 수소스테이션은 이러한 수소제조장치 외에 정제장치, 압축장치, 디스펜서, 유틸리티설비, 제어설비 및 안전설비 등으로 다양한 분야의 기술들이 조합된 복합적인 시스템이라고 할 수 있다.
세계적으로 미국, 일본 그리고 유럽을 중심으로 수소제조관련 연구 및 다양한 수소인프라 구축사업이 추진되어 왔으며 수소제조분야는 일본이 선도를 하고 있는 상황이다.
일본의 경우 수소제조장치 기술은 연료전지와 연계하여 사용할 수 있는 소형 수소제조장치와 수소 스테이션용 중형급의 수소제조장치로 양분되어 개발되고 있다.
특히 가스업계에서는 계통전원과 연계하여 건물의 급탕 및 난방을 목적으로 하는 연료전지 열병합발전 시스템을 정부의 환경정책과 연계하여 미래에 가능성이 있는 기술로 인식하고 있을 뿐 아니라 가스수요 확대에 도움이 되기 때문에 고효율의 분산형 전원시스템 개발의 일환으로 천연가스를 높은 효율로 수소로 변환시키는 기술에 관하여 적극적인 연구개발이 이루어지고 있다.
이의 일환으로 고분자형 연료전지를 가정용 열병합발전시스템으로 적용하기 위한 2000년 ‘밀레니엄 프로젝트’에서는 이러한 고체 고분자형 연료전지의 실용화에 필요한 생산기술, 비용 저감기술, 양산화 기술 등을 포함하는 고효율 연료전지 시스템 실용화기술개발 사업이 시작되었다.
이를 위하여 탄화수소의 개질기술 개발이 병행되어 시작되고 있으며 연료전지용 수소제조장치의 기술개발 분야로는 탈황제 개발, 일산화탄소 저감촉매 개발, 개질촉매 성능향상, 시스템의 컴팩트화 및 개질효율 향상 그리고 배열이용기술 개발 등을 들 수 있으며 이용형태에 맞는 시스템 개발을 진행하고 있다.
미래의 장기전망에 따르면 2010년 전후 가정용 및 자동차용 연료전지 상용화가 확대되면서 수소에너지 시대 진입하며 초기시장은 미국, 일본 등 선진국 시장 중심으로 성장하고 이후 2020년에 수소시대로 전환이 본격적으로 이루어지며 2040년에 선진국을 중심으로 수소에너지 사회로 전환될 것으로 예상하고 있다.
최근 미국은 에너지안보와 환경보호를 위해 수소개발의 필요성을 강조하고 수소경제로의 진입을 시도하고 있으며 이에 따라 2020년까지 수소연료전지 자동차의 가격경쟁력 확보를 주요목표로 하고 있다. 국내의 경우에도 수소관련 기술은 2010년에는 1,000억불이 넘는 산업을 파생할 것으로 예상되는 미래 핵심사업 중 하나로 여겨지고 있다.
국내의 수소인프라 구축을 위한 수소에너지 관련기술개발은 이제 시작단계라고 할 수 있으며 2003년부터 과기부 주도로 고효율 수소제조, 저장, 이용기술 확보를 위한 프론티어 연구개발사업이 시작되었으며 정부에서는 연료전지 분야를 10대 차세대 성장동력 산업의 하나로 선정하여 2004년부터 수소 연료전지 기술개발에 박차를 가하고 있다.
관련 연구로 한국가스공사, (주)SK와 한국에너지기술연구소 및 KIST를 중심으로 탄화수소의 개질을 이용하는 개질기 개발관련 연구가 본격적으로 이루어지고 있으며 최근 GS칼텍스에서도 수소스테이션 실증연구사업에 참여하는 등 앞으로 에너지관련 공기업은 물론 민간기업과의 연계를 통하여 에너지 분야 연구개발이 확대될 것으로 보고 있다.
이미 수소 에너지 시대는 시작 되었다.
성숙한 수소경제를 뒷받침하기 위한 새 인프라 구축은 매우 복잡한데다 많은 비용이 소요될 것이다.
그러나 필요성과 열의만 있다면 수소경제 인프라 건설은 10년 안에 가능할 것이며 수소경제는 세계적인 에너지 네트워크의 구성과 차세대 산업혁명을 일으킬 것이라고 내다보고 있다.
또한 본격적으로 수소시대를 열기까지는 많은 방해요소와 난관들이 있을 것으로 보고 있다.
특히 연료전지 발전시스템과 수소연료전지 자동차의 보급은 에너지사업의 규제완화와 더불어 전력사업과 가스사업의 울타리가 사라짐으로써 기존의 발전 및 에너지 관련업계에 적지 않은 영향을 줄 것으로 보고 있다.
비록 최근의 환경문제와 에너지 문제로 인하여 새로운 수소경제 체계로 점차 가고 있지만 단독적이 아닌 기존 에너지관련 시스템과 기업들과 조화로운 개발이 이루어져야 할 필요성이 있다.
이에 따라 수소경제의 미래가 결정되고 새로운 에너지 체계와 더불어 정치 및 사회기구에도 근본적 영향을 미치게 될 것이다.
결론적으로 수소 제조기술은 수소에너지 중심사회 구현에 필요한 미래형 핵심기술로서 안전하고 효율적이며 재순환이 가능한 청청에너지원 수급체계 및 활용 시스템을 구축하는 수소대체효과를 가져오며 경제적 효과로서 수소에너지관련 신에너지 산업을 창출하고 관련 산업을 활성화하는데 기여하고 또한 수소 인프라 구축과 연료전지의 실용화를 앞당기고 경쟁력 강화에 기여할 것으로 보고 있다.
이에 따라 국외 선진국의 경우 미래 에너지원 개발을 위하여 장기적으로 수소에너지 개발에 대한 연구가 꾸준하게 이루어져 왔고 현재 수소제조 및 인프라 구축관련 높은 수준의 기술력을 보유하고 있다.
국내의 경우 연구개발 수준의 소규모적인 연구는 계속적으로 이루어져 왔으나 수소경제시대를 대비하기 위한 수소제조연구는 최근에 들어와서야 이루어지고 있는 상황이다.
최근 고유가 상황과 대체에너지의 필요성으로 인하여 수소에너지관련 연구에 많은 연구비가 투자되고 있지만 단발성이 지속적인 정책적 지원과 꾸준한 연구개발 노력이 이루어 져야 할 필요성이 있다.
이렇게 함으로써 수소 관련분야의 전문적인 연구인력 양성과 관련 산업을 육성할 수 있는 효과가 있을 것이며 앞으로 다가올 수소시대에 우리나라도 선진국들과 어깨를 나란히 할 수 있을 것이다.
