수소 생성

수소 가스는 여러 산업적 방법으로 생산된다. 현재 전 세계 수소 공급량의 거의 대부분은 화석 연료로부터 생산된다. 대부분의 수소는 수증기 개질을 통해 만들어지는 회색 수소이다. 이 과정에서 수소는 수증기와 천연가스의 주성분인 메테인 사이의 화학 반응을 통해 생성된다. 이 과정을 통해 1톤의 수소를 생산하면 6.6~9.3톤의 이산화탄소가 배출된다. 이러한 배출량의 상당 부분을 제거하기 위해 탄소 포집 및 저장이 사용될 때, 이 제품은 블루 수소로 알려져 있다.

그린 수소는 일반적으로 물의 전기 분해를 통해 재생 가능 전기로 생산되는 것으로 이해된다. 덜 빈번하게, 그린 수소의 정의에는 바이오매스와 같은 다른 저탄소원으로부터 생산된 수소가 포함된다. 그린 수소 생산은 현재 회색 수소 생산보다 비용이 많이 들고, 에너지 전환 효율이 본질적으로 낮다. 다른 수소 생성() 방법으로는 바이오매스 가스화, 메테인 열분해, 지하 수소 추출 등이 있다.

2023년 기준으로, 전용 수소 생산의 1% 미만이 저탄소 수소, 즉 블루 수소, 그린 수소, 바이오매스에서 생산된 수소이다.

2020년 전 세계적으로 정유, 하버법을 통한 암모니아 생산, 일산화 탄소 환원을 통한 메탄올 생산 등 다양한 용도로 약 8천 7백만 톤의 수소가 생산되었다. 글로벌 수소 생산 시장은 2022년 1,550억 달러로 평가되었으며, 2023년부터 2030년까지 연평균 성장률 9.3%로 성장할 것으로 예상된다.

 개요 
분자 수소는 콜라 시추공에서 발견되었다. 천연 저장소에 얼마나 많은 분자 수소가 존재하는지는 불분명하지만, 적어도 한 회사는 수소 추출을 위한 시추에 특화되어 있다. 암석권의 대부분의 수소는 물에서 산소와 결합되어 있다.

원소 수소를 제조하려면 화석 연료나 물과 같은 수소 운반체의 소비가 필요하다. 전자의 운반체는 화석 자원을 소비하고 수증기 개질(SMR) 과정에서 온실 가스 이산화탄소를 생산한다. 그러나 더 새로운 메테인 열분해 과정에서는 온실 가스 이산화탄소가 생산되지 않는다. 이러한 과정은 일반적으로 화석 연료 외에 추가적인 에너지 입력이 필요하지 않다.
섬네일|수소 생산 공정인 천연가스 수증기 개질의 투입물과 산출물을 보여준다. 기준으로 탄소 격리 단계는 상업적으로 사용되지 않는다.
후자의 운반체인 물을 분해하려면 일부 1차 에너지원(화석 연료, 원자력 또는 재생 가능 에너지)에서 생성된 전기 또는 열 입력이 필요하다. 풍력 및 태양 에너지 발전과 같은 재생 가능 에너지원을 사용하여 물의 전기 분해로 생산된 수소를 그린 수소라고 한다. 온실가스 배출이 없는 메테인 열분해를 통해 천연가스에서 얻어지는 경우 터쿼이즈 수소라고 한다.

온실 기체 배출과 함께 화석 연료에서 파생되는 경우 일반적으로 회색 수소라고 한다. 이산화탄소 배출의 대부분이 포집될 경우 블루 수소라고 한다. 석탄에서 생산된 수소는 갈색 또는 검은색 수소라고 할 수 있다.

 생산 방법에 따른 분류 
수소는 그 기원을 나타내기 위해 다양한 색으로 지칭되기도 한다(아마도 회색이 "오염된 수소"를 상징하기 때문일 것이다).

 현재 생산 방법 
 수증기 개질 – 회색 또는 파란색 

수소는 천연가스를 사용하는 수증기 개질 (SMR)을 통해 산업적으로 생산된다. 생산된 수소의 에너지 함량은 원래 연료 에너지 함량의 약 74%이다. 이는 생산 과정에서 일부 에너지가 과도한 열로 손실되기 때문이다. 일반적으로 수증기 개질은 온실가스인 이산화탄소를 배출하며, 이를 회색 수소라고 한다. 이산화탄소가 포집 및 저장되는 경우, 생산된 수소는 블루 수소로 알려져 있다.

수증기 메테인 개질(SMR)은 천연가스, 주로 메테인(CH4)과 물에서 수소를 생산한다. 이는 산업용 수소의 가장 저렴한 공급원이며, 전 세계 수소의 거의 50%를 차지한다. 이 과정은 니켈 촉매 위에 증기가 존재하는 상태에서 가스를 로 가열하는 것으로 구성된다. 그 결과로 흡열 반응은 일산화탄소와 분자 수소(H2)를 형성한다.

수성 가스 전이 반응에서 일산화탄소는 증기와 반응하여 추가적인 H2를 얻는다. WGSR 또한 촉매가 필요하며, 일반적으로 산화 철 또는 다른 산화물 위에 있다. 부산물은 CO2이다. 원재료 (천연가스, 나프타 등)의 품질에 따라 생산되는 수소 1톤은 9~12톤의 CO2를 배출하는데, 이는 포집될 수 있는 온실가스이다.

이 과정에서 고온 증기(H2O)는 메테인(CH4)과 흡열 반응하여 합성가스를 생성한다.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

두 번째 단계에서는 약 에서 수행되는 저온 발열 반응인 수성 가스 전이 반응을 통해 추가 수소가 생성된다.

CO + H2O → CO2 + H2

본질적으로 산소 (O) 원자는 추가적인 물 (증기)에서 벗겨져 CO를 CO2로 산화시킨다. 이 산화는 반응을 유지하는 데 필요한 에너지도 제공한다. 공정을 구동하는 데 필요한 추가적인 열은 일반적으로 메테인의 일부를 연소하여 공급된다.

 물로부터 

화석 연료를 사용하지 않고 수소를 생산하는 방법은 물 분해 공정, 즉 물 분자 (H2O)를 구성 요소인 산소와 수소로 분리하는 것을 포함한다. 물 분해를 위한 에너지원이 재생 가능하거나 저탄소인 경우, 생산된 수소는 때때로 그린 수소라고 불린다. 이 전환은 여러 가지 방법으로 달성할 수 있지만, 모든 방법은 현재 화석 연료 기반 생산 방법보다 더 비싸다고 간주된다.

 물의 전기분해 – 그린, 핑크 또는 노란색 

수소는 고압 전기분해, 저압 물 전기분해 또는 고온 전기분해 또는 탄소 보조 전기분해와 같은 다양한 신흥 전기화학 공정을 통해 만들 수 있다. 그러나 현재 물 전기분해의 가장 좋은 공정은 70-80%의 효과적인 전기 효율을 가지고 있어, 1kg의 수소를 생산하려면 (비에너지가 143 MJ/kg 또는 약 40 kWh/kg인) 50~55 kWh의 전기가 필요하다.

세계 일부 지역에서는 수증기 메테인 개질 비용이 평균적으로 수소 가스 가압 비용을 제외하고 kg당 1~3달러이다. 이는 Nel Hydrogen 및 IEA의 기사에서 언급되었듯이 전기 분해에 대한 경쟁 우위를 가져올 수 있는 조건들을 검토하면서 이미 많은 지역에서 전기 분해를 통한 수소 생산이 비용 경쟁력을 가지고 있음을 의미한다.

소량(2019년 2%)은 전기와 물을 사용하는 전기분해로 생산되며, 수소 1kg 생산에 약 50~55 킬로와트시의 전기를 소비한다.

alt=Hydrogen production via Electrolysis graphic|섬네일|upright=1.35|수소 생산 및 온실가스 배출 없는 물의 전기분해의 투입물과 산출물을 보여주는 그림
물의 전기 분해는 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 것이다. 2020년 현재, 수소 생산량의 0.1% 미만이 물 전기분해에서 나온다. 물의 전기분해 효율은 70~80%인 반면 (20~30% 전환 손실) 천연가스 수증기 개질의 열효율은 70~85%이다. 전기분해의 전기 효율은 2030년 이전에 82~86%에 도달할 것으로 예상되며, 이 분야의 발전이 빠르게 계속됨에 따라 내구성도 유지될 것이다.

물 전기분해는 에서 작동할 수 있는 반면, 수증기 메테인 개질은 의 온도를 필요로 한다. 두 방법의 차이는 사용되는 1차 에너지에 있다; 전기 (전기분해용) 또는 천연가스 (수증기 메테인 개질용). 물이라는 쉽게 구할 수 있는 자원을 사용하기 때문에 전기분해 및 유사한 물 분해 방법은 과학계의 관심을 끌었다. 수소 생산 비용을 줄이기 위해 전기분해를 가능하게 하는 재생 가능한 에너지원이 목표가 되었다.

고체 산화물 전해조 전지(SOEC), 고분자 전해질 막 전기분해 전지(PEM), 알칼리 전해조 전지(AEC)의 세 가지 주요 전해전지 유형이 있다. 전통적으로 알칼리 전해조는 투자 면에서 더 저렴하지만 (일반적으로 니켈 촉매를 사용한다), 효율이 떨어진다. 반대로 PEM 전해조는 더 비싸지만 (일반적으로 값비싼 백금족 원소 금속 촉매를 사용한다), 효율이 더 높고 더 높은 전류 밀도에서 작동할 수 있어, 수소 생산량이 충분히 크다면 더 저렴할 수 있다.

SOEC는 일반적으로 정도의 고온에서 작동한다. 이러한 고온에서는 필요한 에너지의 상당 부분이 열에너지로 제공될 수 있으며, 이를 고온 전기분해라고 부른다. 열에너지는 산업 폐열, 원자력 발전소 또는 집중형 태양열 집열기를 포함한 다양한 원천에서 공급될 수 있다. 이는 전기분해에 필요한 전기 에너지의 양을 줄여 생산되는 수소의 전체 비용을 절감할 가능성이 있다.

PEM 전해 전지는 일반적으로 미만에서 작동한다. 이러한 전지는 비교적 간단하고 다양하게 변화하는 전압 입력을 수용하도록 설계될 수 있다는 장점이 있어, 태양 전지와 같은 재생 가능한 에너지원과 함께 사용하기에 이상적이다. AEC는 최적으로 높은 전해질 농도(KOH 또는 탄산 칼륨)와 높은 온도, 종종 근처에서 작동한다.

 산업 생산량 및 효율성 
현대 수소 발생기의 효율은 수소의 표준 온도 압력을 가정할 때 수소의 표준 부피당 소비되는 에너지(MJ/m3)로 측정된다. 발생기가 사용하는 에너지가 적을수록 효율이 높아진다. 100% 효율적인 전해조는 수소 1kg당 를 소비할 것이다. . 실제 전기분해는 일반적으로 회전식 전해조를 사용하며, 여기서 원심력이 가스 거품을 물에서 분리하는 데 도움이 된다. 15 bar 압력의 그러한 전해조는 를 소비할 수 있으며, 수소차에 사용하기 위해 수소를 압축하는 경우 추가로 를 소비할 수 있다.

기존 알칼리 전기분해의 효율은 약 70%이지만, 최대 82%의 효율을 가진 고급 알칼리 수전해조가 있다. 높은 열값의 사용을 고려하면 (열로 인한 비효율은 촉매에 필요한 증기를 생성하기 위해 시스템으로 다시 전달될 수 있으므로), PEM 전기분해의 평균 작동 효율은 약 80%이며, 가장 현대적인 알칼리 전해조를 사용하면 82%이다.

PEM 효율은 2030년 이전에 약 86%로 증가할 것으로 예상된다. PEM 전해조의 이론적 효율은 최대 94%까지 예측된다.

섬네일|upright=1.8|다양한 천연가스 가격에서의 H2 생산 비용 (세금 미포함 $–gge)
2020년 현재, 전기분해를 통한 수소 생산 비용은 약 3~8달러/kg이다. 수소의 산업 생산을 고려하고, 현재의 최적 물 전기분해 공정(PEM 또는 알칼리 전기분해)이 70~82%의 효과적인 전기 효율을 가지고 있음을 감안할 때, 1kg의 수소를 생산하려면 (비에너지가 143 MJ/kg 또는 약 40 kWh/kg인) 50~55 kWh의 전기가 필요하다. 미국 에너지부의 2015년 수소 생산 목표에서 정한 kWh당 0.06달러의 전기 비용을 기준으로 할 때, 수소 비용은 kg당 3달러이다.

미국 에너지부의 2020년 수소 목표 가격은 2.30달러/kg이었으며, 이는 kWh당 0.037달러의 전기 비용이 필요했는데, 이는 많은 지역에서 최근 풍력 및 태양광 발전 구매 전력 계약(PPA) 입찰가를 고려할 때 달성 가능하다. 2021년, 미국 에너지부는 10년 안에 1kg의 수소를 1달러(USD)에 생산하는 목표, 즉 2031년까지 1달러/kg(‘1 1 1’로 알려짐)을 달성하기 위한 수소 에너지 어스샷(Hydrogen Shot)을 수립했다. 이 낮은 가격은 미국에서 약 1.50달러/kg인 천연가스 기반 수소 가격과 경쟁하기 위해 선택되었다. 이에 비해 2020년 전기분해 수소의 기본 비용은 약 5달러/kg이었으며, 수소샷 목표를 달성하려면 80%의 비용 절감이 필요하다.

IRENA.ORG의 보고서는 현재 산업용 수소 생산이 kg당 약 53~70 kWh를 소비하며, 이는 약 45 kWh/kg 까지 줄어들 수 있다는 광범위한 사실 보고서이다. 전기분해를 통한 수소 생산에 필요한 열역학적 에너지는 33 kWh/kg으로, 탄소 포집을 통한 수증기 개질 및 메테인 열분해보다 높다.
수증기 메테인 개질(SMR)을 통한 수소 생산에 비해 전기분해의 장점 중 하나는 수소를 현장에서 생산할 수 있어 트럭이나 파이프라인을 통한 비용이 많이 드는 운송 과정을 피할 수 있다는 것이다.

 화학적 보조 전기분해 
전기분해 전압을 줄이는 것 외에도 전기분해 전지의 온도를 높이는 것을 통해 연료(탄소/석탄과 같은, 메탄올, 에탄올, 폼산, 글리세롤 등)을 반응기의 산소측에 도입함으로써 전해조에서 생성되는 산소를 전기화학적으로 소비하는 것도 가능하다. 이는 필요한 전기 에너지를 감소시키고, 나머지 에너지가 이 방식으로 제공될 경우 수소 비용을 40~60% 미만으로 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

탄소/탄화수소 보조 수전해 (CAWE)는 저등급 및 고황 석탄, 바이오매스, 알코올, 메테인(천연가스)과 같은 다양한 탄소원에서 화학 에너지를 사용하는 데 있어 에너지 집약도가 낮고 깨끗한 방법을 제공할 수 있으며, 이때 생성된 순수 CO2는 분리할 필요 없이 쉽게 격리될 수 있다.

 바이오매스에서 수소 – 그린 
바이오매스는 가스화를 통해 합성가스로 전환되며, 합성가스는 수성 가스 전이 반응 (WGSR)을 통해 수소로 추가 전환된다.

 기타 화학 공정의 부산물로서의 수소 

염소 및 가성 소다의 산업적 전기분해 생산은 상당량의 수소를 부산물로 생성한다. 안트베르펜 항구에는 이러한 부산물로 전력을 공급받는 1MW 규모의 시범 연료 전지 발전소가 2011년 말부터 가동 중이다. 과잉 수소는 종종 수소 핀치 분석으로 관리된다.

철강 생산 과정에서 코크스 가스에서 발생하는 가스는 부피 기준으로 60%의 수소를 포함하는 합성가스와 유사하다. 수소는 코크스 오븐 가스에서 경제적으로 추출될 수 있다.

 기타 화석 연료 방법 
 부분 산화 
천연가스와 고중량 탄화수소로부터의 수소 생산은 부분 산화를 통해 이루어진다. 연료-공기 또는 연료-산소 혼합물이 부분적으로 연소되어 수소와 일산화탄소가 풍부한 합성가스가 생성된다. 그 후 수성 가스 전이 반응을 통해 일산화탄소(및 물)로부터 더 많은 수소와 이산화탄소가 얻어진다. 이산화탄소를 공동 공급하여 수소 대 일산화탄소 비율을 낮출 수 있다.

부분 산화 반응은 리포머 또는 부분 산화 반응기에서 화학량론적으로 불충분한 연료-공기 혼합물 또는 연료-산소 혼합물이 부분적으로 연소될 때 발생한다. 열 부분 산화 (TPOX)와 촉매 부분 산화 (CPOX)는 구별된다. 화학 반응은 일반적인 형태로 나타난다.

2 CnHm + nO2 → 2n CO + mH2

난방유와 석탄에 대한 이상적인 예시는 각각 C12H24와 C24H12의 조성을 가정할 때 다음과 같다.
C12H24 + 6 O2 → 12 CO + 12 H2
C24H12 + 12 O2 → 24 CO + 6 H2

 플라스마 열분해 
크베르네르 공정 또는 크베르네르 카본 블랙 및 수소 공정(CB&H)은 노르웨이의 동명 회사에서 1980년대에 개발한 플라스마 열분해 방법으로, 액체 탄화수소(CnHm)로부터 수소와 카본 블랙을 생산한다. 공급 에너지의 약 48%는 수소에, 40%는 활성탄에, 10%는 과열 증기에 포함되어 있다. 이 과정에서는 CO2가 생성되지 않는다.

이 공정의 변형은 2009년에 플라스마 가스화 내에서 메테인과 천연가스로부터 수소, 열, 탄소를 생산하기 위한 플라스마 아크 폐기물 처리 기술을 사용하여 제시되었다.

 석탄 
석탄에서 수소를 생산하기 위해 석탄 가스화가 사용된다. 석탄 가스화 공정은 증기와 산소를 사용하여 석탄의 분자 결합을 끊고 수소와 일산화 탄소의 기체 혼합물을 형성한다. 석탄 연소에서 얻은 가스보다 석탄 가스화에서 얻은 가스에서 이산화탄소와 오염 물질을 더 쉽게 제거할 수 있다. 다른 전환 방법으로는 저온 및 고온 석탄 탄화가 있다.

석탄의 열분해(산소 없는 가열)로 생성된 코크스 오븐 가스는 약 60%의 수소를 함유하고 있으며, 나머지는 메테인, 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아, 분자 질소 및 황화 수소(H2S)이다. 수소는 압력 스윙 흡착 공정을 통해 다른 불순물과 분리될 수 있다. 일본 철강 회사들은 이 방법을 통해 수소 생산을 수행해 왔다.

 석유코크스 
석유코크스도 석탄 가스화를 통해 수소가 풍부한 합성가스로 전환될 수 있다. 생성된 합성가스는 주로 코크스 원료의 황에서 유래한 수소, 일산화 탄소 및 H2S로 구성된다. 가스화는 거의 모든 탄소원에서 수소를 생산하는 한 가지 옵션이다.

 방사선 분해 
핵 방사선은 방사선 분해를 통해 물 분자를 파괴할 수 있다. 남아프리카 공화국의 음포넹 금광에서 연구자들은 자연적으로 발생하는 고방사선 지역에서 박테리아를 발견했다. 새로운 계통형의 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum)이 지배적인 이 박테리아 군집은 주로 방사선 분해로 생성된 수소를 먹고 있었다.

 열분해 
물은 약 2500°C에서 자발적으로 해리되지만, 이 열분해는 일반적인 공정 배관 및 장비에는 너무 높은 온도에서 발생하여 상업화 가능성이 상당히 낮다.

 바이오매스 열분해 
열분해는 열분해 온도에 따라 저온 완만 열분해, 중온 고속 열분해, 고온 섬광 열분해로 구분된다. 주요 에너지원은 주로 태양 에너지이며, 광합성 미생물의 도움을 받아 물이나 바이오매스를 분해하여 수소를 생산한다. 그러나 이 공정은 수소 수율이 상대적으로 낮고 운영 비용이 높다. 이는 산업적으로 실행 가능한 방법이 아니다.

 원자력 보조 열분해 
고온가스로(HTGR)는 대규모로 물을 분해하여 수소를 생산하는 가장 유망한 CO2 없는 핵 기술 중 하나이다. 이 방법에서는 물 분해를 위한 황-요오드 사이클 열화학 사이클과 고온 증기 전기분해(HTSE)가 핵 수소 생산의 주요 공정으로 선택되었다. S-I 사이클은 세 가지 화학 반응을 따른다.

분젠 반응: I2+SO2+2H2O→H2SO4+2HI

HI 분해: 2HI→H2+I2

황산 분해: H2SO4→SO2+1/2O2+H2O

IS 사이클을 이용한 HTGR의 수소 생산율은 약 0.68 kg/s이며, 발전소 단위 건설 자본 비용은 1억 달러이다.

 열화학 사이클 

열화학 사이클은 순수하게 열원 (열)과 화학 반응을 결합하여 물을 수소와 산소 성분으로 분해한다. 사이클이라는 용어는 물, 수소, 산소 외에 이러한 공정에서 사용되는 화학 화합물이 지속적으로 재활용되기 때문에 사용된다. 전기가 부분적으로 입력으로 사용되는 경우, 결과적인 열화학 사이클은 하이브리드 사이클로 정의된다.

황-요오드 사이클 (S-I 사이클)은 약 50%의 효율로 물에서 수소를 생성하는 열화학 사이클 공정이다. 이 공정에서 사용되는 황과 요오드는 회수 및 재활용되며, 공정에서 소비되지 않는다. 이 사이클은 약 950°C의 매우 높은 온도를 가진 모든 열원에서 수행될 수 있으며, 집광형 태양열 발전 시스템 (CSP)과 같이 초고온 원자로에 의한 수소 생산에 적합한 것으로 간주되어, 일본의 고온공학시험로에서 연구되고 있다. 고온과 약간의 전기를 모두 사용하는 다른 하이브리드 사이클도 있는데, 예를 들어 구리-염소 사이클은 반응 단계 중 하나에서 전기화학 반응을 사용하기 때문에 하이브리드 열화학 사이클로 분류되며, 530°C에서 작동하고 효율은 43%이다.

 페로실리콘 방법 
페로실리콘은 군사적으로 기구용 수소를 빠르게 생산하는 데 사용된다. 화학 반응은 수산화 나트륨, 페로실리콘, 물을 사용한다. 발전기는 트럭에 실을 수 있을 만큼 작고 소량의 전력만 필요하며, 재료는 안정적이고 불연성이며, 혼합될 때까지 수소를 생성하지 않는다. 이 방법은 제1차 세계 대전 이후로 사용되어 왔다. 무거운 강철 압력 탱크에 수산화 나트륨과 페로실리콘을 채우고 닫은 다음, 통제된 양의 물을 추가한다. 수산화물이 녹으면서 혼합물을 약 93°C로 가열하여 반응을 시작하고, 규산 나트륨, 수소, 증기가 생성된다.

 광생물학적 물 분해 
섬네일|upright|수소 생산을 위한 조류 생물반응기

생물학적 수소는 조류 생물반응기에서 생산될 수 있다. 1990년대 후반에 조류가 황이 부족하면 산소 생산, 즉 일반적인 광합성에서 수소 생산으로 전환한다는 사실이 발견되었다. 현재는 7~10%의 에너지 효율 (햇빛을 수소로 전환하는 것) 장벽을 넘어섬으로써 경제적으로 실현 가능한 생산이 이루어지고 있는 것으로 보인다. 시간당 1리터 배양당 10~12ml의 수소 생산율을 보인다.

 광촉매 물 분해 

물 분해 과정을 통해 태양 에너지를 수소로 전환하는 것은 깨끗하고 재생 가능 에너지 시스템을 달성하는 가장 흥미로운 방법 중 하나이다. 그러나 이 과정이 광전지와 전해 시스템을 사용하는 대신 물에 직접 부유된 광촉매에 의해 보조된다면, 반응은 단일 단계로 이루어지며 더 효율적으로 만들 수 있다. 그러나 현재 시스템은 상업적 구현을 위한 성능이 낮다.

 바이오수소 경로 
바이오매스와 폐기물 흐름은 원칙적으로 바이오매스 가스화, 수증기 개질 또는 생물촉매 전기분해 또는 발효 수소 생산과 같은 생물학적 전환을 통해 바이오수소로 전환될 수 있다.

수소 생산 방법 중 생물학적 경로는 잠재적으로 에너지 집약도가 낮다. 또한, 재생 가능한 자원으로서 농업 바이오매스와 같은 다양한 폐기물 및 저가치 물질을 생화학적 또는 열화학적 경로를 통해 수소를 생산하는 데 활용할 수 있다. 그럼에도 불구하고 현재 수소는 주로 화석 연료, 특히 비재생 가능한 자원인 천연가스에서 생산된다. 수소는 가장 깨끗한 연료일 뿐만 아니라 특히 비료, 석유화학 및 식품 산업을 포함한 여러 산업에서 널리 사용된다.

생화학적 수소 경로는 암발효 및 광발효 공정으로 분류된다. 암발효에서는 탄수화물이 엄격한 혐기성 및 조건부 혐기성 세균을 포함한 발효 미생물에 의해 수소로 전환된다. 이론적으로 최대 4 mol H2/mol 포도당이 생산될 수 있다. 이 과정에서 당은 휘발성 지방산 (VFA) 및 알코올과 같은 부산물로 전환될 수 있다. 광발효 박테리아는 VFA에서 수소를 생성할 수 있다. 따라서 암발효에서 형성된 대사산물은 광발효의 원료로 사용되어 전체 수소 수율을 향상시킬 수 있다.

효소 촉매 공정은 일반적인 설탕 자일로스를 수소로 전환하며, 이론적 수율의 거의 100%를 달성한다. 이 공정은 새로운 폴리인산염 자일룰로키나제 (XK)를 포함한 13개의 효소를 사용한다.

 발효 수소 생산 

발효 수소 생산은 유기 기질을 수소로 발효 전환하는 것이다. 다양한 세균 집단이 혐기성 소화와 유사한 세 단계를 포함하는 다중 효소 시스템을 사용하여 이러한 전환을 촉진한다. 암발효 반응은 빛 에너지를 필요로 하지 않으므로 낮과 밤 내내 유기 화합물에서 수소를 지속적으로 생산할 수 있다. 광발효는 암발효와 달리 빛이 있을 때만 진행된다. 예를 들어, 로도박터 스페로이드 SH2C를 이용한 광발효는 일부 지방산을 수소로 전환하는 데 사용될 수 있다.

발효 수소 생산은 녹조류에 의한 직접적인 생체 광분해, 시아노박테리아에 의한 간접적인 생체 광분해, 혐기성 광합성 박테리아에 의한 광발효, 혐기성 발효 박테리아에 의한 암발효를 통해 이루어질 수 있다. 예를 들어, H. salinarium과 같은 혐기성 광합성 박테리아를 E. coli와 같은 수소화 효소 공여체와 결합하여 수소를 생산하는 연구가 문헌에 보고되어 있다. 엔테로박터 에어로게네스는 또 다른 수소 생산균이다.

 효소 수소 생성 
다양한 효소 경로가 당에서 수소를 생성하도록 설계되었다.

 생물 촉매 전기분해 
섬네일|미생물 전기분해 전지

암발효 외에도 전기 수소 발생 (미생물을 이용한 전기분해)도 또 다른 가능성이다. 미생물 연료 전지를 사용하면 폐수나 식물을 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 생물촉매 전기분해는 생물학적 수소 생산과 혼동해서는 안 된다. 후자는 조류만을 사용하고, 조류 자체가 즉시 수소를 생성하는 반면, 생물촉매 전기분해는 미생물 연료 전지와 다양한 수생 식물를 거쳐 이 과정이 일어난다. 여기에는 큰물피막이, 코르드그래스, 벼, 토마토, 루핀, 조류 등이 포함된다.
섬네일|미국 육군 연구소에서 개발한 나노갈바닉 알루미늄 기반 분말

 나노갈바닉 알루미늄 합금 분말 

알루미늄 합금 분말은 물과 접촉하면 반응하여 수소 가스를 생성한다. 이론적 수율의 100%로 수소를 생성하는 것으로 보고되었다. 이 과정은 경제적이지 않다.

 천연 수소 
섬네일|북미 대륙 중앙 열곡대

수소는 또한 지하에 자연적으로 존재한다. 화이트 수소 또는 골드 수소라고도 불리는 이 천연 수소는 석유 및 천연가스와 같은 화석 연료와 유사한 방식으로 우물에서 추출할 수 있다.

화이트 수소는 북미 대륙 중앙 열곡대에서 재생 가능한 수소경제를 위해 대규모로 발견되거나 생산될 수 있다. 물을 뜨거운 철분이 풍부한 암석으로 펌프질하여 수소를 추출할 수 있다.

 실험적 생산 방법 
 메테인 열분해 – 터쿼이즈 
섬네일|수소 생산 공정인 메테인 열분해의 투입물과 산출물을 보여주는 그림
용융 금속 촉매를 통해 메테인 기포를 통과시키는 1단계 공정으로 메테인(천연가스)을 열분해하는 것은 2017년 실험실 조건에서 시연되었고 현재 더 큰 규모로 테스트되고 있는 "온실가스 없음" 수소 생산 접근 방식이다. 이 과정은 고온 (1065°C)에서 진행된다. 수소 1kg을 생산하는 데 약 18 kWh의 전기가 공정 열로 필요하다. 메테인의 열분해는 다음 반응 방정식으로 표현할 수 있다.

 (g) → C(s) + 2 (g) ΔH° = 74.8 kJ/mol

산업 품질의 고체 탄소는 제조 원료로 판매되거나, 아스팔트 포장에 포함되거나, 매립될 수 있다.

메테인 열분해 기술은 2023년 현재 여러 회사에서 초기 개발 단계에 있다. 상업화되기 전에 극복해야 할 장애물들이 있다.

 생물학적 생산 

발효 수소 생산은 유기 기질을 생물 수소로 발효 전환하는 것으로, 혐기성 소화와 유사한 세 단계를 포함하는 다중 효소 시스템을 사용하는 다양한 세균 그룹에 의해 나타난다. 암발효 반응은 빛 에너지를 필요로 하지 않으므로 낮과 밤 내내 유기 화합물에서 수소를 지속적으로 생산할 수 있다. 광발효는 암발효와 달리 빛이 있을 때만 진행된다. 전기 수소 발생은 미생물 연료 전지에서 유기물로부터 수소를 생산하는 데 사용된다.

생물학적 수소는 조류 생물반응기에서 생산될 수 있다. 1990년대 후반에 조류가 황이 부족하면 산소 생산, 즉 일반적인 광합성에서 수소 생산으로 전환한다는 사실이 발견되었다. 생물학적 수소는 조류 외의 다른 공급원료를 사용하여 생산할 수도 있으며, 가장 일반적인 공급원료는 폐기물 흐름이다. 이 과정에는 탄화수소를 먹고 수소와 CO2를 배출하는 세균이 관여한다.

 생물 촉매 전기분해 
일반적인 전기분해 외에도 미생물을 이용한 전기분해 또한 가능하다. 생물촉매 전기분해는 미생물 연료 전지와 다양한 수생 식물 를 거친 후 수소가 생성된다. 여기에는 큰물피막이, 코르드그래스, 벼, 토마토, 루핀, 조류 등이 포함된다.

 고압 전기분해 
고압 전기분해는 물 (H2O)에 전류를 통과시켜 산소 (O2)와 수소 가스 (H2)로 분해하는 물의 전기분해이다. 표준 전해조와의 차이점은 약 120~200 바 (1740~2900 psi, 12~20 MPa)의 압축 수소 출력을 가진다는 점이다. 전해조 내부에서 수소를 압축하는 화학적 압축 과정을 통해 외부 수소압축기의 필요성이 제거되며, 내부 압축의 평균 에너지 소비량은 약 3%이다. 유럽 최대의 (1,400,000 kg/a, 고압 수전해, 알칼리 기술) 수소 생산 공장이 핀란드 코콜라에서 운영 중이다.

 고온 전기분해 
수소는 고온 전기분해(HTE)를 통해 열과 전기의 형태로 공급되는 에너지로부터 생성될 수 있다. HTE에서는 에너지의 일부가 열의 형태로 공급되므로, 에너지가 열에서 전기로, 그리고 다시 수소로 두 번 변환될 필요가 줄어든다. 따라서 수소 생산에 필요한 에너지가 잠재적으로 적을 수 있다. 핵열을 사용하여 물에서 수소를 분리할 수 있다. 고온(950–1000°C) 가스 냉각 원자로는 핵열을 사용하여 열화학적 수단으로 물에서 수소를 분리할 가능성이 있다. 고온 전기분해는 실험실에서 수소 1kg당 108 메가줄 (열)로 시연되었지만, 상업적 규모에서는 아니다. 또한, 이는 연료 전지에 사용하기에 부적합한 저품질의 "상업용" 수소이다.

 광전기화학적 물 분해 

광전지 시스템으로 생산된 전기를 사용하여 수소를 생산하는 것은 가장 깨끗한 방법이다. 물은 전기분해(인공 광합성이라고도 하는 광화학전지 (PEC) 공정)를 통해 수소와 산소로 분해된다. 윌리엄 에이어스는 에너지 전환 장치에서 1983년 직접 물 분해를 위한 최초의 다중 접합 고효율 광전기화학 시스템을 시연하고 특허를 냈다. 이 그룹은 현재 "인공 잎" 또는 "무선 태양열 물 분해"로 불리는 직접 물 분해를 저렴한 박막 비정질 실리콘 다중 접합 시트를 물에 직접 침지하여 시연했다.

수소는 다양한 촉매로 장식된 전면 비정질 실리콘 표면에서 발생했으며, 산소는 후면 금속 기판에서 발생했다. 다중 접합 셀 위에 있는 Nafion 멤브레인은 이온 이동 경로를 제공했다. 그들의 특허는 또한 비정질 실리콘 및 실리콘 게르마늄 합금 외에도 직접 물 분해를 위한 다양한 다른 반도체 다중 접합 재료를 나열한다. 대학과 광전지 산업에서는 고효율 다중 접합 셀 기술 개발을 위한 연구가 계속되고 있다. 이 과정이 광전지 및 전해 시스템을 사용하는 대신 물에 직접 부유된 광촉매에 의해 보조된다면, 반응은 단일 단계로 이루어져 효율을 향상시킬 수 있다.

 광전기촉매 생산 
토마스 난(Thomas Nann)과 동앵글리아 대학교 팀이 연구한 방법은 인듐 인화물(InP) 나노입자 층으로 덮인 금 전극으로 구성된다. 그들은 계층 구조에 철-황 복합체를 도입했고, 이를 물에 담그고 소량의 전류와 함께 빛을 조사했을 때 60%의 효율로 수소를 생산했다.

2015년 파나소닉은 질화 니오븀 기반의 광촉매를 개발하여 햇빛의 57%를 흡수하여 물의 분해를 통해 수소 가스를 생산할 수 있다고 보고했다. 이 회사는 "가능한 한 빨리" 상업적 적용을 달성할 계획이며, 2020년 이전에는 아니다.

 집광형 태양열 
물을 수소와 산소로 해리시키려면 매우 높은 온도가 필요하다. 이 과정을 가능한 온도에서 작동시키려면 촉매가 필요하다. 물을 가열하는 것은 물 집광형 태양열 발전을 통해 달성할 수 있다. 스페인의 알메리아 태양열 발전소에 위치한 100킬로와트급 시범 플랜트인 하이드로졸-2는 햇빛을 이용하여 물을 가열하는 데 필요한 800~1,200°C의 온도를 얻는다. 하이드로졸 II는 2008년부터 가동 중이다. 이 100킬로와트급 시범 플랜트의 설계는 모듈형 개념을 기반으로 한다. 그 결과, 이 기술은 사용 가능한 반응기 단위를 늘리고 적절한 크기의 헬리오스탯 필드(태양 추적 거울 필드)에 플랜트를 연결함으로써 메가와트 범위로 쉽게 확장될 수 있을 것이다.

 열화학 생산 
물 분해에 사용될 수 있는 열화학 사이클은 352개 이상이며, 이 중 산화 철 사이클, 산화 세륨(IV)-산화 세륨(III) 사이클, 아연-산화 아연 사이클, 황-요오드 사이클, 구리-염소 사이클 및 하이브리드 황 사이클, 알루미늄-산화 알루미늄 사이클과 같은 약 12개 사이클이 전기 없이 물과 열로부터 수소와 산소를 생산하기 위한 연구 및 테스트 단계에 있다. 이러한 공정은 고온 전기분해보다 효율적일 수 있으며, 일반적으로 LHV 효율은 35%~49% 범위이다. 석탄이나 천연가스의 화학 에너지를 이용한 수소의 열화학적 생산은 직접적인 화학 경로가 더 효율적이기 때문에 일반적으로 고려되지 않는다.

어떠한 열화학적 수소 생산 공정도 생산 수준에서 시연된 적은 없지만, 여러 공정이 실험실에서 시연되었다.

 크베르네르 공정 
크베르네르 공정 또는 크베르네르 카본 블랙 및 수소 공정(CB&H)은 노르웨이의 크베르네르 회사에서 1980년대에 개발한 방법으로, 메테인, 천연가스, 바이오가스와 같은 탄화수소(CnHm)로부터 수소를 생산한다. 공급 에너지의 약 48%는 수소에, 40%는 활성탄에, 10%는 과열 증기에 포함되어 있다.

 자연 발생 수소 추출 – 백색 수소 
 현재 수소는 주로 암모니아와 메탄올 생산 및 석유 정제에 사용되는 산업 원료이다. 처음에는 수소 가스가 편리한 저장소에 자연적으로 존재하지 않는다고 생각했지만, 이제는 그렇지 않다는 것이 입증되었다. 쿨리코로주 부라케부구 근처에서 현재 수소 시스템이 개발되어 주변 마을에 전력을 공급하고 있다. 최근 몇 년간 대륙성, 육상 지질 환경에서 자연적으로 발생하는 수소의 추가 발견이 이루어졌으며, 이는 에너지 전환 노력을 지원하는 천연 또는 자연 수소라는 새로운 분야로 가는 길을 열어주고 있다.
섬네일|북미 대륙 중앙 열곡대
백색 수소는 북미 대륙 중앙 열곡대에서 재생 가능한 수소 경제를 위해 대규모로 발견되거나 생산될 수 있다. 물을 뜨거운 철분이 풍부한 암석으로 펌프질하여 수소를 생산하고, 이 수소를 추출할 수 있다.

 환경 영향 
대부분의 수소는 화석 연료에서 생산되어 이산화탄소 배출을 초래한다. 이 기술로 생산된 수소는 배출물이 대기로 방출될 때 회색 수소, 탄소 포집 및 저장 (CCS)을 통해 배출물이 포집될 때 블루 수소로 설명된다. 블루 수소는 미국의 상류 및 중간 단계 메테인 누출률과 수증기 메테인 개질기 (SMR)에 이산화탄소 포집 설비를 갖춘 생산을 가정할 때, 가스나 석탄을 태워 열을 얻는 것보다 20% 더 많은 온실가스 발자국을 가지며, 디젤을 태워 열을 얻는 것과 비교하면 60% 더 많다고 추정되었다.

자가열 개질기 (ATR)를 사용하여 이산화탄소를 통합 포집하면 만족스러운 에너지 효율에서 더 높은 포집율을 달성할 수 있으며, 수명 주기 평가 결과 이산화탄소 포집이 적용된 SMR에 비해 이러한 플랜트의 온실가스 배출량이 더 낮게 나타났다. 유럽에서 이산화탄소 통합 포집이 적용된 ATR 기술은 천연가스 연소보다 온실가스 발자국이 더 낮다고 평가되었다. 예를 들어, H21 프로젝트의 경우 천연가스의 이산화탄소 집약도 감소와 이산화탄소 포집에 더 적합한 반응기 유형으로 인해 68%의 감소가 보고되었다.

재생 가능 에너지원에서 생산된 수소는 종종 그린 수소라고 불린다. 재생 가능 에너지원에서 수소를 생산하는 두 가지 방법이 실용적이라고 주장된다. 하나는 수전해를 통해 수소를 생산하는 데 전력을 사용하는 파워 투 가스를 사용하는 것이고, 다른 하나는 매립 가스를 사용하여 수증기 개질기에서 수소를 생산하는 것이다. 풍력이나 태양 에너지 발전과 같은 재생 가능한 에너지원에서 생산된 수소 연료는 재생 연료이다. 원자력을 통해 전기분해로 생산된 수소는 때때로 그린 수소의 하위 집합으로 간주되지만, 핑크 수소라고도 불릴 수 있다. 오스카르스함 원자력 발전소는 2022년 1월 상업용 핑크 수소를 하루에 몇 킬로그램 단위로 공급하는 계약을 체결했다.

 현재 생산 비용은 회색 수소와 블루 수소가 kg당 1~1.80달러, 그린 수소는 2.50~6.80달러로 추정된다.

2022년 현재 전 세계적으로 9,400만 톤의 회색 수소가 주로 천연가스와 같은 화석 연료를 사용하여 생산되고 있으며, 이는 상당한 온실가스 배출원이다.

 수소 사용 

수소는 수소화 분해를 통해 무거운 석유 분획을 가벼운 분획으로 전환하는 데 사용된다. 또한 방향족화 공정, 수소화 탈황 및 하버법을 통한 암모니아 생산 등 다른 공정에도 사용된다. 하버법은 전 세계 식량의 47%를 재배하는 데 사용되는 합성 질소 비료 생산의 주요 산업 방법이다.

수소는 지역 전력 생산을 위한 연료 전지 또는 잠재적으로 운송 연료로 사용될 수 있다.

수소는 산업 염소 생산의 전기분해에 의해 부산물로 생산된다. 비싼 기술이 필요하지만, 수소는 냉각, 압축 및 정제되어 현장에서 다른 공정에 사용되거나 파이프라인, 실린더 또는 트럭을 통해 고객에게 판매될 수 있다. 대량 수소 생산의 저렴한 방법의 발견 및 개발은 수소경제의 확립과 관련이 있다.

 같이 보기 

 암모니아 생산
 인공 광합성
 바이오수소
 수소 분석기
 수소압축기
 
 수소취성화
 수소 누출 시험
 수소 파이프라인 운송
 수소 정제기
 수소 안전
 수소 센서
 수소저장
 수소충전소
 수소연료탱크
 수소 탱커
 수소 기술
 수소 밸브
 산업 가스
 액체 수소
 차세대 원자력 발전소 (부분적으로 수소 생산용)
 Hy4Heat
 레인 수소 생산자
 린데-프랑크-카로 공정
 지하 수소 저장

 각주 

 출처 

 추가 자료