녹색수소 생산 솔루션

일반적으로 수소는 크게 두 가지 방식으로 연료로 사용될 수 있습니다. 이를 태워 열을 생산할 수도 있고, 수소 연료전지에 공급해 전기를 생산할 수도 있습니다. 좋은 소식은 일단 청색 또는 녹색 수소가 생산되면 다양한 용도로 사용될 수 있다는 것입니다.
수송:수소는 이미 일본에서 버스와 기타 대중교통 수단에 연료를 공급하는 데 사용되고 있습니다. 또한 화물 트럭과 열차에 동력을 공급하는 데에도 사용할 수 있으며, 암모니아와 같은 수소 기반 연료는 항공 및 운송에 사용할 수 있습니다. 차량에 전력을 공급하기 위해 수소를 보다 광범위하게 사용하는 것은 수소 연료 전지 가격이 저렴해지고 수소 충전소가 보편화되는 것에 달려 있습니다.

발전:수소는 재생 가능 에너지원을 저장하고 장거리 운송할 수 있는 연료로 전환하는 데 사용될 수 있습니다. 수소와 암모니아는 가스 터빈과 석탄 화력 발전소에 사용되어 배출량을 줄일 수도 있습니다.

건물 난방:수소는 기존 천연가스 인프라를 통해 가정용 및 상업용 건물 난방용 천연가스를 대체할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 수소보일러와 가정용 수소연료전지는 추가 개발이 필요하지만 앞으로 중요한 역할을 할 수 있다.

산업:수소는 현재 다양한 중요한 산업 공정에서 사용되고 있습니다. 여기에는 석유 정제, 철강 제조, 금속 처리 및 다양한 화학 물질 생산이 포함됩니다.

회색수소와 달리 녹색수소는 원료와 에너지 공급 모두에서 완전히 재생 가능합니다. 원료 물질의 경우, 오늘날 녹색 수소는 일반적으로 전류를 사용하여 물을 수소와 산소의 구성 분자로 분리하는 전기분해라는 공정을 통해 물에서 생성됩니다. 이는 음극과 양극(양으로 대전된 전극과 음으로 대전된 전극)을 사용하는 전해조라는 장치를 사용하여 수행됩니다. 이 공정에서는 부산물로 산소(또는 증기)만 생성됩니다. 에너지 공급 측면에서 '그린수소' 자격을 얻으려면 전기분해에 사용되는 전력원이 풍력이나 태양에너지 등 재생에너지에서 파생되어야 합니다.

전해조에는 세 가지 주요 종류가 있습니다.알칼리성, 양성자 교환막(PEM) 및 고체 산화물. 이는 사용되는 전해질 물질의 특성에 따라 다릅니다. 알칼리 전해기는 알칼리성 염이 포함된 수용액을 사용하여 전기 전도성을 구현하는 반면, PEM 전해기는 고체 고분자막(전해질)을 사용합니다. 고체 산화물 전해조는 고체 세라믹 재료를 전해질로 사용하므로 더 높은 전기 효율과 훨씬 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 이를 통해 전기에 의존하지 않고 증기와 외부 열을 에너지원으로 사용할 수 있습니다. 따라서 고체 산화물 전기분해는 열이 일반적으로 덜 비싸고 때로는 특정 산업 공정의 부산물로 자연적으로 생성되기 때문에 운영 비용을 크게 낮출 수 있습니다.

몇 년 전만 해도 수소는 친환경 차량 발전을 위한 솔루션으로만 여겨졌습니다. 전기 자동차가 더 많은 관심을 끌면서 수소는 점점 더 다른 산업의 솔루션으로 여겨지고 있습니다.

수소의 수요는 석유 정제, 철강 제조, 시멘트 생산 등 다양한 목적으로 산업 및 제조 산업 전반에 걸쳐 사용이 확대됨에 따라 계속해서 증가하고 있습니다. 그러나 수소의 인기가 높아지면서 그린수소의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 놀랍게도 수소의 98%는 이산화탄소 배출 통제나 규제가 없는 화석 연료로 만들어집니다. 그러나 녹색수소는 이를 영원히 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

상업용 공장 생산 연기부터 휘발유 및 디젤 구동 자동차 배기 가스까지, 녹색 수소 생산은 다량의 이산화탄소를 대기 중으로 방출하는 화석 연료 에너지원의 필요성을 줄이거나 제거합니다. 데이터 센터 산업에서는 스토리지 시스템이 수소를 개발함에 따라 디젤 구동 백업 발전기 대신 수소를 사용하여 미래의 데이터 센터에 에너지를 공급할 수 있습니다. 결과적으로, 녹색 수소의 이점은 풍부하여 정부와 조직이 국가 에너지 안보를 강화하고, 연료를 절약하고, 전체 배출량을 줄이고, 자동차에서 광범위한 대중 교통 시스템에 이르기까지 운송 에너지 옵션을 다양화할 수 있게 해줍니다.

그린수소 기술은 이보다 더 좋은 시기에 도입될 수 없었습니다. 미국 에너지정보청(Energy Information Administration)은 전 세계 에너지 수요가 2050년까지 47% 증가할 것으로 예측합니다. 석유 및 석탄 에너지 생산 형태의 수요를 상쇄할 수 있는 유일한 방법은 녹색 수소와 같은 보다 친환경적인 방법을 채택하는 것입니다.

그리고 본질적으로 수소 생산을 탈탄소화한 기술적 혁신 덕분에 많은 기업이 녹색 수소를 활용하여 탄소 배출량을 줄이고 공격적인 ESG 목표를 달성하는 탄소 상쇄로 눈을 돌리고 있습니다.

녹색수소를 생성하는 과정에는 장점이 있습니다. 국제에너지기구(IEA)는 그린수소를 사용하면 전통적인 화석연료 방식으로 가스를 생산할 때보다 연간 약 8억3천만톤의 이산화탄소를 절약할 수 있다고 밝혔다. 이는 영국과 인도네시아의 1년 배출량을 합친 것과 맞먹습니다!

다른 신기술과 마찬가지로 그린 수소 붐이 확산되면서 극복해야 할 몇 가지 과제가 있습니다. 고려해야 할 몇 가지 문제에는 장기 가압 저장 솔루션 구축 외에도 프로세스 효율성 및 대규모 생산 비용이 포함됩니다. 도전 과제를 제쳐두고, 녹색 수소는 절실히 필요한 녹색 에너지의 대규모 생산 균형을 맞추는 데 도움이 될 수 있는 흥미로운 신기술입니다.

화석 연료에서 벗어나는 변화의 가장 큰 부분은 우리가 사용하는 석유와 가스로 구동되는 일부 일상 기계(예: 자동차, 지역 교통수단, 일부 국가의 주택 난방 장치)를 전기화하는 것입니다. 컴퓨터, 가전제품 등 이미 전기를 사용하는 사람들의 경우 원자력과 풍력, 태양광 같은 재생 가능 에너지가 석탄을 대체하고 있습니다.

그러나 너무 많은 에너지를 필요로 하는 일부 산업에서는 전통적인 재생 에너지가 수요를 충족할 수 없습니다. 문제가 되는 것은 이들 산업이 온실가스를 가장 많이 배출하는 산업이기 때문입니다.

전문가들은 그린 수소가 엄청난 잠재력을 갖고 있다고 말합니다.
에너지 분석가는 "풍력, 태양광, 원자력과 같은 에너지원에서 나오는 전기는 에너지 시스템의 탈탄소화에 필수적입니다. 하지만 그것만으로는 이를 할 수 없으며, 장거리 운송 및 중공업은 배출량을 줄이기 가장 어려운 곳입니다."라고 말했습니다. 국제에너지기구.

Remme는 CNN과의 인터뷰에서 "수소는 화학 및 철강 산업에 필수적인 공급원료를 제공하거나 비행기와 선박용 저탄소 연료에 중요한 성분을 제공하는 등 이러한 중요한 격차를 메울 수 있을 만큼 다재다능합니다."라고 말했습니다.

예를 들어, 비행기나 대형 선박을 작동하려면 너무 많은 에너지가 필요하므로 태양열이나 풍력에서 전기를 저장하는 데 사용되는 배터리는 선박에 비해 너무 크고 무거울 수 있습니다. 반면에 녹색수소는 액체 형태로 나올 수 있으며 더 가볍습니다. 배출가스 제로 상업용 항공기를 개발하고 있는 에어버스(Airbus)에 따르면, 그린 수소의 에너지 밀도는 오늘날 우리가 사용하는 제트 연료보다 3배 더 높습니다.

액체 녹색수소는 탄소를 전혀 배출하지 않지만 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 개방된 대기에서 연소되면 강력한 온실가스인 소량의 아산화질소가 방출됩니다. 그러나 연료전지를 통해 수소를 공급하면 물과 따뜻한 공기만 방출됩니다.

일부 소형 비행기는 수소 공급 연료 전지를 사용하여 비행할 수 있었지만 이 기술은 아직 상업적으로 확장되지 않았습니다.

현재 기후 목표를 달성하기 위해 모두가 노력하고 있습니다. 에너지 전환에는 실제로 큰 추진력이 필요합니다. 수소는 이에 중요한 기여를 할 수 있습니다. 예를 들어, 산업계의 CO2 감소, 항공기용 e-연료 및 건축 환경에서의 사용에 기여하기 위해 수소를 성공적으로 사용하려면 협력이 필수적입니다. 그러나 투자가 필요하고 질문이 있습니다.

수소란 무엇입니까?
수소는 우리 우주에서 가장 흔한 원소입니다. 정상적인 상황에서는 기체 상태이며 우리는 수소 기체(H2)를 말합니다. 수소는 또한 우리가 아는 가장 가벼운 가스이므로 단위 부피당 에너지 밀도(m3)가 낮습니다. 중량(kg)당 수소의 에너지 밀도는 kg당 120메가줄(MJ)입니다. 이는 천연가스(kg당 45MJ)의 거의 3배에 달하는 양입니다. 수소는 종종 가압됩니다. 그러나 수소가스를 가압(압축)하는 데에도 필요한 에너지(약 10%)가 필요합니다.

회색수소와 청색수소란 무엇인가요?
현재 전 세계적으로 생산되는 수소의 거의 대부분이 이른바 '회수수소'다. 현재 생산은 증기 메탄 개질(SMR)을 통해 이루어집니다. 여기서 고압 증기(H2O)는 천연가스(CH4)와 반응하여 수소(H2)와 온실가스인 CO2를 생성합니다. 네덜란드에서는 이러한 방식으로 약 0800만 톤의 H2가 생산되며, 40억 입방미터의 천연 가스를 사용하고 1,250만 톤의 CO2 배출량을 생성합니다.
'블루수소' 또는 '저탄소수소'라는 용어는 회색수소 생산 과정에서 배출되는 CO2의 대부분(80-90%)을 포집하여 저장하는 경우에 사용됩니다. 이를 CCS: 탄소 포집 및 저장이라고도 합니다. 이것은 북해 아래 빈 가스전에서 일어날 수 있습니다. 블루수소를 대규모로 생산하는 곳은 전 세계 어디에도 없습니다.

그린수소란?
'재생수소'라고도 불리는 그린수소는 지속가능한 에너지로 생산되는 수소이다. 가장 잘 알려진 것은 녹색 전기를 통해 물(H2O)이 수소(H2)와 산소(O2)로 분리되는 전기분해입니다. 네덜란드의 많은 당사자들이 이러한 메가와트 규모의 전해조를 실험하고 있습니다. 바이오매스의 고온 가스화 중에도 수소가 방출됩니다.

청록색 수소란 무엇입니까?
소위 용융금속 열분해 기술을 이용해 천연가스에서 생산된 수소를 '청록색수소' 또는 '저탄소수소'라고 부른다. 천연가스는 고체 탄소뿐만 아니라 수소 가스를 방출하는 용융 금속을 통과합니다. 후자는 예를 들어 자동차 타이어에서 유용한 응용 분야를 찾을 수 있습니다. 이 기술은 아직 실험실 단계에 있으며 첫 번째 파일럿 플랜트가 실현되려면 최소 10년이 걸릴 것입니다.

파란색과 녹색의 추가적인 근본적인 차이점은 무엇입니까?
생산 방법 외에도 여러 가지 주요 차이점이 있습니다.
전기분해를 통해 생산된 녹색 수소만이 바다와 육지에서 생산된 대량의 지속 가능한 전기가 우리 에너지 시스템에 적절하게 통합될 수 있도록 보장합니다. 오직 전기분해만이 전기를 (요청 시) 유연하게 수소로 변환한 후 저장할 수 있습니다.
또한, 대규모 전기분해 기술의 개발은 증가하는 전력 수요를 충족시켜 지속 가능한 에너지 성장을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다.
품질에도 차이가 있습니다. 그린수소는 순도가 높아 자동차 연료전지 등에 즉시 사용할 수 있다. 블루수소는 순도가 낮아 산업용으로 사용하기에 충분합니다.
블루 수소의 생산은 대규모로 상대적으로 저렴한 비용으로 산업을 '탈탄소화'하는 방법, 즉 CO2를 줄이는 방법입니다.

토양의 백색수소가 미래의 청정에너지원?
우리는 이미 회색, 파란색, 녹색 수소를 알고 있지만 이제 흰색 또는 천연 수소도 사용할 수 있는 것으로 보입니다. 그것은 천연가스와 마찬가지로 토양에서 나옵니다. 수소가 산소와 함께 연소되면 물만 방출됩니다. 백색수소는 풍력이나 태양광 발전(그린)으로 물을 전기분해해 만들면 미래의 중요한 에너지원이 될 가능성이 있는 지하의 천연수소다.
그런 다음 천연 재나 석탄(회색)으로 만들어지지 않으며 CO2(파란색)를 먼저 포집하지도 않습니다. 가스는 주로 화학 산업의 가열 공정과 철강 및 비료 생산에 사용됩니다. 화석 에너지에서 녹색 에너지로 전환하는 과정에서 태양광과 바람이 없는 기간 동안 전기를 저장하는 완충 장치 역할을 할 수 있습니다.

에너지 전환에서 수소는 어떤 역할을 합니까?
현재 에너지 믹스에서 약 20%는 전기 형태로 공급되고, 80%는 천연가스 또는 액체 화석 연료(휘발유, 디젤) 형태로 공급됩니다. 우리의 기후 목표는 가까운 미래에 이러한 상황을 크게 변화시킬 것입니다. 풍력과 태양광 발전으로 생산되는 전기의 비중이 급격히 늘어날 것입니다. 무거운 운송, 산업 및 항공의 고온 공정과 같은 다양한 응용 분야에서는 여전히 우수한 전기 솔루션이 부족하며 지속 가능한 가스가 여전히 필요합니다. 여기서 수소는 유용한 역할을 할 수 있습니다. 또한, 바람이 불고 흐린 순간을 대비해 대규모 저장 형태의 수소도 중요하다.

어느 국가에서도 수소 개발에 참여하고 있나요?
노르웨이, 호주, 모로코, 칠레, 사우디아라비아, 중국 및 일본과 같은 국가에서는 녹색 수소를 생산하기 위해 풍력, 태양광 또는 수력 발전을 통한 값싼 재생 에너지를 상당히 (잠재적으로) 이용할 수 있기 때문에 녹색 수소에 매우 적극적입니다. 그러나 이에 대한 예외는 에너지 공급을 수입에 크게 의존하고 있으며 (녹색) 수소를 대규모로 수입하는 전략을 개발한 일본입니다. 핵심 역할은 기술 개발에 있습니다. 네덜란드는 가스 및 전기분해 기술에 대한 지식, 북해 풍력 에너지의 큰 잠재력, 지속 가능성에 대한 강한 의지가 필요한 에너지 집약적 산업 덕분에 좋은 위치에 있습니다.

우리는 수소를 무엇에 사용할 예정인가요?
수소는 공정 산업에서 특히 중요합니다. 현재는 주로 비료 생산에 사용되지만 앞으로는 천연가스나 석탄을 사용하는 철강 생산과 같은 고온 공정에도 사용할 수 있습니다. 또한, 수소는 예를 들어 더 먼 거리를 이동해야 하고 전기 운전이 솔루션이 아닌 시외 버스에서 이동성 역할을 할 것입니다.

시민에게 수소는 어떤 의미인가요?
단기적으로는 그다지 드러나지 않을 것입니다. 예를 들어, 가정에서 수소를 사용하는 것은 이런 일이 발생한다면 오랜 시간이 지나야 할 것입니다. 대부분의 가정에서는 집단 히트 그리드나 전기 히트 펌프가 더 나은 솔루션을 제공합니다. 교통 부문에서는 수소차(현재 100대 미만)와 수소충전소(2018년 3개소)가 점차 늘어날 전망이다.

위험은 무엇입니까?
수소는 매우 가볍고 가연성이 높은 가스이며 최대 700bar의 압력에서 이동성에 사용됩니다. 다른 가스와 마찬가지로 생산, 운송, 사용 시 주의 깊게 취급하고, 전문업체에 맡기는 것이 중요합니다. 기존 가스 파이프라인에 수소를 사용하려면 실제로 수소가 실제로 어떻게 '거동'하는지 추가 조사하는 것이 중요합니다. 수소는 천연가스보다 가벼우며 밸브와 씰에서 더 쉽게 빠져나올 수 있습니다.

수소 연구 측면에서 TNO는 어떤 일을 하고 있나요?
TNO는 최첨단 응용 연구를 수행하는 독립 기관입니다. 수소에 대한 연구는 생산, 인프라 및 응용(전환 및 최종 사용)에 중점을 두고 있습니다. 2020년에 TNO는 이러한 주제와 관련된 50개 이상의 프로젝트를 수행했습니다. 이러한 프로젝트 선택에 대한 링크는 아래에서 찾을 수 있습니다(항목 15).

그린수소 개발은 어디까지 진행됐나?
2000년부터 2018년 사이에 약 230개의 전기분해 프로젝트가 가동되었으며 총 용량은 약 100MW입니다(출처: IEA 2019, The Future of Hydrogen). 2020년 전 세계 설치 용량은 200MW였으며 2023년 말에는 약 2,400MW였습니다. 이 수치는 우리가 이제 시작 단계에 불과하며 완전히 새로운 공급망을 개발해야 함을 보여줍니다.
더 큰 규모의 차세대 전기분해 시스템을 위한 재료와 부품을 개발하려면 새로운 회사, 새로운 공급업체, 새로운 제조업체가 필요합니다. 이는 네덜란드 하이테크 산업에 절호의 기회입니다. 유럽연합의 목표는 2030년까지 유럽연합에 40GW, 북아프리카에 40GW를 추가로 설치하는 것입니다. 이 목표를 달성하려면 기술 혁신과 실제 프로젝트의 속도를 모두 가속화해야 합니다.

전기분해로 인한 가장 큰 기술적 과제는 무엇입니까?
물 전기분해 측면에서 현재 이용 가능한 4가지 기술(AEM, SOE, PEM, 알칼리)이 있으며 각 기술에는 고유한 장점, 단점 및 성숙도 수준이 있습니다. 전기분해를 이용한 수소 생산에 관한 동영상을 시청해 보세요(새 창 또는 탭에서 열림)(다른 웹사이트 참조). 네 가지 기술 모두에 대해 세 가지 주요 연구 과제는 다음과 같습니다.
시스템과 관련된 자본 지출을 줄이기 위해
시스템 효율성을 향상시키기 위해
대규모 생산에 대한 장벽을 극복하여 2030년까지 연간 전 세계 전해조 생산 능력 30GW를 ​​달성할 수 있습니다.

제품은 중국 전역에서 판매되며 전 세계 국가로 수출됩니다. 미국, 독일, 모로코, 케냐, 사우디아라비아, 베트남, 알제리, 인도, 탄자니아, 대만 등 20개 이상의 국가와 지역에서 판매되었습니다. China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group 및 기타 유명 기업과 같은 유명 기업에 성공적으로 서비스를 제공했습니다. Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming 등 많은 녹색 수소 수소 수소화 스테이션이 녹색 및 수소 제조 프로젝트를 제공합니다.