수소제조 시 배출되는 CO₂처리기술에도 주목해야
온실가스 감축 위해선 탄소포집·저장기술 중요
플라즈마 CO₂전환장치 등 합성가스 생산기술 유효
연간 10만톤 CO₂포집, 수소 4000톤 생산 가능
수소 산업에 오래 종사하면서 항상 고민하고 해결해야 하는 문제가 온실가스와 수소와의 관계이다. 수소는 연소를 시키든 수소연료전지에 사용하든 오로지 물만을 배출하는 완전히 친환경 자원이란 건 맞지만 그 수소를 생산하는 과정에서 온실가스를 이미 배출한다는 모순점을 가지고 있다. 수소차와 수소충전소 보급이 급속도로 전개되는 현 시점에서 이를 점검하는 것은 시의적절하다고 본다.
수소제조공정에서의 온실가스 배출
흔히 천연가스인 CH₄를 이용하는 개질기라고 불리는 수소제조장치의 경우 수소 1㎏을 생산할 때 약 5㎏의 이산화탄소를 배출한다. 여기엔 개질하는 과정에서 들어가는 전력에 의한 이산화탄소 배출량은 고려하지 않은 것이니 이보다 이산화탄소를 더 많이 배출한다고 봐야한다. 수전해 장치의 경우에도 수소 1㎏을 생산하기 위해 약 6㎾ 이상의 시스템 소비전력이 필요한데 전력의 탄소배출계수 0.467㎏CO₂/㎾인 것을 고려하면 2.8㎏의 CO₂를 배출하게 되어 개질기에 비해 상대적으로 적지만 결코 친환경적이라 할 수는 없다.
가장 수소를 친환경적으로 생산하는 방법은 재생에너지의 전기를 이용해 물을 전기분해하는 방법이다. 이는 수소에너지저장시스템(HESS) 시스템으로 활용할 수 있다. 가장 친환경적인 HESS는 태양광이나 풍력이 생산하는 전기로 물을 전기분해하여 수소를 제조하고 이를 다시 연료전지를 통해 전기로 전환하는 일종의 에너지 순환시스템이다.
태양광, 풍력에 만드는 전력의 간헐성과 변동성을 가장 효과적으로 대응하는 데는 HESS는 필수적인 에너지 저장시스템이라 할 수 있지만 전체적인 시스템 효율이 30%에 이르기 어렵다는 문제점을 안고 있다. 유럽의 수소제조는 대부분 이러한 방식을 채택하는데 우리나라는 3020 정책이 완성이 되는 시점에서 이러한 수소제조방식이 상용으로서 대두될 것으로 본다.
이처럼 어떠한 수소생산 방식도 온실가스로부터 자유롭지 않으며 이를 해결하지 않고서는 수소사회로의 성장에 한계를 노출될 것이다.
온실가스감축 대응 위한 기술의 한계
탄소포집기술은 지난 2015년 파리에서 채택된 197개국이 참여한 기후변화협약을 계기로 급속도로 대두되고 있는 분야이다. 우리나라도 2030년 8억 5060만톤 BAU 대비 37% 감축한 5억 3587만톤으로 연간 약 3억톤의 온실가스 배출을 감축해야하는 자발적 협약을 제시한 바 있다. 이를 달성하기 위한 정부와 산업계의 노력이 다양하게 이루어지고 있는데 재생에너지 3020 이행계획이나 석탄화력발전 폐기와 같은 정책도 모두 이를 준수하기 위한 방법들이라고 할 수 있다.
아울러 직접적으로 온실가스를 줄이기 위한 기술로 탄소포집 및 저장(CCS) 기술도 국가 프로젝트로 다양하게 진행되고 있다. 보령화력, 하동화력, 당진화력발전소 등에 탄소포집 설비를 설치하고 실증하였으나 포집한 이산화탄소를 처리할 방법에 한계가 있어 포집한 이산화탄소를 다시 배출하고 있어 더 이상 하나의 산업으로 이어가지 못하는 것은 매우 안타깝고 아이러니 한 상황에 처해있다. 이것 외에 CCS 기술이 가지는 한계 중 또 하나는 우리나라는 포집한 이산화탄소를 저장할 지층 구조를 가진 곳이 없다는 것이다. 다시 말해 CCS 기술을 해외로 수출하지 않는 한 우리나라에서는 CCS 기술이 무용하다는 것이다.
CCS 기술을 활용하여 이산화탄소를 포집하고 처리(운송, 저장)하는 데는 아무런 부가가치 창출 없이 오롯이 비용만을 치러야 하는데 그 규모는 이산화탄소 톤당 100~120달러 정도이고 매년 비용을 지불해야 하니 온실가스 배출업체 고민을 짐작할 수가 있다.
탄소자원화 기술의 대두를 보면서
국가 전략과제로 폐광산 채움재를 생산이나 저농도 CO₂ 복합탄산염 제조와 같은 탄소광물화 프로젝트들이 진행되고 있는데 이들 모두 경제성 확보가 어렵다는 문제를 가지고 있다. 정부가 목표한 온실가스 의무 감축이 대책도 없이 흘러가는 느낌이 들고 별다른 해법을 제시하지 못하는 가운데 리카본의 플라즈마 이산화탄소 전환장치를 이용한 합성가스 생산 기술은 매우 유효한 대책이라 할 수 있으며 현재 대구에서 파일럿 플랜트 구축을 진행 중이다.
리카본의 저온 플라즈마를 이용한 이산화탄소 분해는 아래 그림의 에미션 블레이드라고 하는 플라즈마 반응기 내에서 다음과 같은 화학식 반응으로 일어난다.
CO₂ + CH₄ => 플라즈마 => 2CO + 2H₂
에미션 블레이드는 아래와 같은 구성으로 이루어지며 일반 가정용 전자레인지용으로 사용되는 마그네트론에서 2.45Ghz의 마이크로파를 생성하고 이를 통해 약 700도 내외의 저온 플라즈마를 형성, 이산화탄소와 메탄의 혼합가스가 일산화탄소와 수소의 합성가스로 분해가 된다.
리카본의 PCCU(Plasma Carbon Conversion Unit)라고 하는 플라즈마 이산화탄소 전환 장치는 위의 에미션 블레이드를 300개 직병렬로 배열하여 선박용 40피트 크기 컨테이너 안에 들어가도록 구성한다.
하나의 모듈이 처리하는 이산화탄소의 양은 연간 약 4000톤이며 이를 적절히 배열하게 되면 대용량의 이산화탄소를 처리할 수가 있게 된다. 이러한 모듈형 구성은 배터리 전기 저장장치인 ESS나 수소연료전지 발전기 모듈을 구성하는 것과 유사하다.
적용분야와 수소생산기지로의 활용
이산화탄소의 주발생원은 철강산업, 발전산업, 화학산업, 시멘트산업 등인데 이들 대부분은 기간산업으로 규모를 줄이기가 힘들어 비용을 감수하고서도 이산화탄소를 처리해야만 하는 산업이며 음식물이나 하수 처리장 등도 이산화탄소와 메탄가스 같은 주요 온실가스 발생원이다. 특히 충청남도, 울산광역시는 화력발전소나 제철공장과 화학공장들이 밀집된 지역으로 이러한 온실가스 발생원으로 인한 미세먼지나 환경오염 문제가 심한 지역으로 분류할 수가 있다.
리카본의 이산화탄소 처리 플랜트가 수소생산기지로의 활용에 대한 가능성을 알아보면, 예를 들어 시멘트 사업장에서 연간 10만톤의 이산화탄소를 처리할 경우 리카본 시스템에서는 연간 약 4,000톤의 수소를 생산하며 일일 11톤의 수소를 생산하는 것이 된다. 이는 현재 구축 운영하는 일일 250㎏/H2 수소충전소를 44개소를 운영할 수 있는 양으로 수소생산기지라 하는데도 전혀 무리가 없다.
수소제조 공정의 CO₂ 제거시스템 구성방안
메탄 개질 방식의 수소제조는 다음과 같은 간단한 공정으로 이루어진다.
CH₄ + H₂O => 3H₂ + CO
-> CO + H₂O => H₂ + CO₂
전체적으로 CH₄ + 2H₂O => 4H₂ + CO₂가 된다.
메탄 개질기의 경우 결국 메탄 한 분자에서 수소 두 분자가 나오면서 동시에 이산화탄소도 한 분자가 나오게 된다. 나오는 이산화탄소를 포집, 저장하지 않는 한 메탄개질을 통해 수소를 만드는 것은 청정한 수소제조라고는 할 수가 없는 것이다.
아래 그림은 개질기에서 나오는 이산화탄소를 제거하면서 수소생산량을 늘이는 개질기와 리카본 시스템과 결합된 구성을 도식화 한 것이다.
투입되는 원료는 메탄으로 동일하나 개질기에서 나오는 이산화탄소나 다른 이산화탄소 배출원에서도 받아 함께 처리가 가능한 구성을 나타낸다.
수소경제사회로의 이행에 기여하는 길
화석연료 기반사회에서 수소사회로 가는 데 있어 최대 난제인 화석연료의 연소나 전환 과정에서 나오는 이산화탄소는 리카본의 플라즈마 탄소전환장치를 활용하여 해법을 찾을 수가 있다. 이러한 플라즈마 탄소전환 기술은 국내 여러 연구기관에서 연구개발을 진행하고 있으며 리카본이 가장 빠르게 상용화 수준에 접근한 것이라 할 수 있다.
리카본은 2018년 5월부터 대구광역시, 한국가스공사, GIR, 대구환경공단, 대성에너지, 포트래치, 에스퓨얼셀 등과 함께 대구 상리동의 음식물처리장에 설치·운영하는 파일럿 플랜트를 통해 이산화탄소는 자원화가 가능하다는 것을 확인할 수 있을 것이며 리카본 시스템의 전환효율 또한 타 연구기관 기술 대비 매우 우수하다는 것을 입증해 보일 것이다.
리카본은 수소제조 공정뿐 아니라 발전, 철강, 시멘트, 화학공정 등 모든 이산화탄소 배출업체와의 협력을 통해 기후변화협약을 가장 효과적으로 달성할 수 있는 솔루션을 제시할 것이다.