수소 연료
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1. 개요
수소 연료는 수소를 에너지원으로 사용하는 기술을 의미하며, 수소는 다양한 방법으로 생산될 수 있다. 화석 연료를 이용한 수소 생산은 저렴하지만 이산화 탄소를 발생시키며, 재생 에너지 또는 원자력을 활용하면 친환경적인 수소 생산이 가능하다. 수소는 에너지 저장 및 운반체로 활용되며, 연료 전지, 가스터빈, 증기력 발전 등 다양한 방식으로 전력을 생산하는 데 사용된다. 그린 수소는 재생 에너지를 사용하여 물을 전기 분해하여 생산되며, 탄소 배출을 최소화한다. 수소 에너지 시장은 성장 잠재력이 높지만, 수소 생산 및 저장, 운송에 따른 비용과 기술적 문제, 그리고 수소의 안전성과 경제성에 대한 논쟁 등 해결해야 할 과제도 존재한다.
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| 수소 연료 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 수소를 연료로 사용하는 것 |
| 용도 | 운송 수단 (자동차, 기차, 항공기, 선박) 휴대용 발전기 고정식 발전 장치 |
| 장점 | 높은 에너지 효율 낮은 배출가스 |
| 단점 | 높은 생산 비용 저장 및 운송의 어려움 안전 문제 |
| 역사 | |
| 최초 개념 | 1820년, 윌리엄 로버트 그로브에 의해 개발된 연료 전지 |
| 초기 개발 | 20세기 초, 우주 탐사 프로그램에서 사용 |
| 상업적 관심 | 1970년대, 오일 쇼크 이후 대체 에너지원으로 주목 |
| 생산 | |
| 방법 | 천연 가스 개질 전기 분해 바이오매스 가스화 |
| 효율성 | 생산 방법에 따라 상이함 |
| 환경 영향 | 생산 방법에 따라 온실 가스 배출 가능성 존재 |
| 저장 및 운송 | |
| 방법 | 고압 기체 액체 수소 고체 수소 저장 물질 |
| 기술적 과제 | 높은 압력 또는 극저온 유지 필요 수소 취성 문제 |
| 연료 전지 | |
| 종류 | 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC) 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 인산 연료 전지(PAFC) |
| 작동 원리 | 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기 에너지 생성 |
| 효율성 | 40~60% (열병합 발전 시 85%까지 가능) |
| 응용 분야 | |
| 운송 | 수소 자동차 (연료 전지 자동차, 수소 내연 기관 자동차) 수소 기차 수소 항공기 수소 선박 |
| 발전 | 휴대용 발전기 고정식 발전 장치 (분산형 전원) 비상 전원 공급 장치 |
| 기타 | 열병합 발전 수소 스테이션 산업 공정 (철강 생산, 화학 공업) |
| 안전 | |
| 위험 요소 | 가연성 폭발성 수소 취성 |
| 안전 대책 | 누출 감지 시스템 환기 시스템 안전 교육 |
| 경제성 | |
| 생산 비용 | 높은 생산 비용이 상용화의 주요 장벽 |
| 인프라 구축 비용 | 수소 스테이션 등 인프라 구축에 막대한 투자 필요 |
| 정부 지원 | 각국 정부의 연구 개발 및 보급 지원 정책 중요 |
| 환경 영향 | |
| 배출 가스 | 연료 전지 작동 시 물만 배출 (생산 과정에서 배출 가스 발생 가능) |
| 온실 가스 감축 효과 | 화석 연료 대체 시 온실 가스 감축에 기여 |
| 지속 가능성 | 지속 가능한 수소 생산 방식 개발 중요 (예: 재생 에너지 기반 전기 분해) |
| 전망 | |
| 기술 개발 | 생산, 저장, 운송, 연료 전지 기술 개발 지속 |
| 정책 지원 | 각국 정부의 수소 경제 활성화 정책 확대 |
| 시장 확대 | 수소 자동차, 발전 등 다양한 분야에서 시장 확대 예상 |
2. 수소의 생산
수소는 에너지 반송파의 일종으로, 다른 에너지원을 통해 만들어진다. 에너지는 연료 전지에서 전력과 열을 생성하거나 엔진 연소에 사용될 수 있다. 어떤 경우든 수소는 산소와 결합하여 물을 형성하며, 수소 화염의 열은 새로 형성된 물 분자에서 나오는 방사 방출이다.
수소 에너지는 수소를 연소시켜 얻으며, 열량은 석유의 세 배이다. 물이 원료 또는 환원체로 사용되어 수송 및 저장이 용이하고, 무공해 연료로서 석유를 대체할 수 있는 청정 에너지로 여겨진다.[6] 수소 에너지 메커니즘은 인간을 포함한 동물의 에너지 대사와 식물의 광합성 등 대부분의 생명체가 생화학적으로 이용하는 에너지원이기도 하다.
수소 연료(수소 분자)는 다양한 에너지원을 통해 생산될 수 있다.
- 물을 전기 분해하여 수소를 생산할 수 있다. 이때 화석 연료나 원자력 등에서 생산된 전력을 이용할 수 있다.
2. 1. 화석 연료
석유, 천연 가스, 석탄과 같은 화석 연료에서 수증기 개질을 통해 수소를 생산할 수 있으며, 현재는 저렴하게 대량 생산되고 있다.[1] 석탄의 경우 석탄 가스화를 거친다.[1] 하지만 화석 연료를 사용하므로 이산화 탄소가 발생한다는 단점이 있다.[1]2. 2. 재생 가능 에너지
화석 연료나 원자력 등에서 나오는 전력을 이용하여 물을 전기 분해하면 수소를 만들 수 있다. 풍력 발전과 같은 재생 가능 에너지 전기를 쓴다면, 수소를 만드는 과정에서 이산화 탄소가 나오지 않는다.[1]2. 3. 원자력
원자력을 이용한 열화학 수소 제조법 (고온 가스 냉각로)으로 물에서 수소를 생산할 수 있다.[1]3. 수소 에너지 사회
에너지 반송파인 수소는 전력과 열을 연료 전지로 전달하고 생성하거나 엔진 연소를 통해 에너지를 얻을 수 있다. 수소는 산소와 결합하여 물을 형성하며, 수소 화염의 열은 새로 형성된 물 분자에서 방사 방출된다.
수소 에너지는 수소를 연소시켜 얻는 에너지로, 수소의 열량은 석유의 세 배이며, 물을 원료 또는 환원체로 사용하므로 수송이나 저장 면에서 안정적이다. 무공해 연료로서 석유를 사용하는 모든 분야에서 사용 가능하다는 점에서 청정 에너지로 여겨진다.[6] 수소 에너지 메커니즘은 인간을 포함한 동물의 에너지 대사뿐만 아니라 식물의 광합성 등 대부분의 생명체가 생화학적으로 사용하는 에너지원이기도 하다.
수소 분자를 산화·연소시킬 때 발생하는 수소 연료는 에너지원이 아니지만, 일본에서는 신에너지의 하나로 간주되어 '''수소 에너지'''라고도 불린다.[1]
3. 1. 그린 수소
그린 수소(Green hydrogen영어)는 물을 전기 분해하여 생성되는 수소를 말한다.[2] 그린 수소와 이산화 탄소를 합성하여 생성되는 합성 액체 연료는 디젤 연료나 가솔린 연료에 약 20% 혼합하는 것이 가장 효과적이며, LCA의 이산화 탄소 배출량의 대부분을 차지하는 주행 중 이산화 탄소 배출량을 실질적으로 0으로 할 수 있다고 한다. 이 합성 액체 연료의 장점으로는 현재 사용되고 있는 가솔린을 이용할 수 있다는 점, 합성 액체 연료 생성 공장을 설립함으로써 고용을 창출할 수 있다는 점이 있다.3. 2. 시장 전망
일본의 신에너지·산업기술종합개발기구는 2014년 7월 30일에 "수소 에너지 백서"를 발표했다. 2030년까지 일본 국내에서 1조엔 규모, 2050년에는 8조엔 규모의 시장 전개를 예측하고 있다.[3]3. 3. 문제점
수소는 자연 상태에서 생산되지 않으므로 다른 에너지원을 통해 생산해야 한다. 예를 들어 화석 연료를 변환하거나, 전기를 사용하여 물을 전기 분해하거나, 광촉매나 고온 가스 냉각로를 이용해 물을 분해하여 생산한다. 따라서 다른 에너지원에 의존하며, 해당 에너지원의 가격이 상승하면 수소 가격도 함께 상승한다.[6]수소의 저장, 운반, 취급에는 기존 화석 연료보다 인프라 정비 등에 더 많은 비용과 주의가 필요하다. 예를 들어, 수소가 금속 내부에 침투하여 금속을 약하게 만드는 수소 취성 문제가 있다. 또한 끓는점이 낮아 저온에서 저장하려면 단열 용기가 필요하고, 기체 상태로 보관하려면 고압 탱크가 필요하다.
화석 연료를 사용하여 수소를 생산하면 제조 과정에서 이산화 탄소가 발생한다.
수소를 연료로 사용할 때 내연 기관에서 사용하는 경우, 열량 당 비용은 기존 화석 연료가 더 저렴하다. 이는 수소 제조에 화석 연료가 원료나 에너지원으로 사용되기 때문에, 원래 화석 연료보다 비용이 높아지기 때문이다. 연료 전지를 통해 전기를 생산하는 경우에도, 발전 비용은 화석 연료를 사용하는 것이 더 저렴하다. 따라서 현재 상황에서는 수소 연료 사용이 오히려 에너지 낭비로 이어질 수 있다는 지적도 있다.[4]
재생 가능 에너지 (풍력, 태양광 발전)에서 잉여 에너지가 발생할 경우, 이를 활용하여 수소를 생산하면 에너지 이용 효율을 높일 수 있다.
그린 수소도 일반 수소와 마찬가지로 생산 비용이 높고, 생산 효율이 낮다고 알려져 있다.
3. 4. 수소 에너지에 관한 의견
수소는 질량당 에너지 밀도가 가솔린의 3배로 높지만, 저장 및 운반이 어려워 경제성이 떨어진다는 의견이 있다.[4] 그러나 연료 전지는 에너지 효율이 가솔린차보다 높고, 에너지 밀도가 높아 가솔린차보다 경제적이라는 반론도 있다.수소는 연소해도 지구 온난화의 원인이 되는 이산화 탄소를 전혀 배출하지 않지만, 수소 자체를 연소했을 때만 이산화 탄소를 배출하지 않을 뿐, 제조 과정에서 화석 연료를 사용하면 이산화 탄소가 발생하고, 수소의 운반 및 보존에도 에너지가 소모된다는 의견이 있다.[4]
그러나 배기에 포함된 황산화물 등의 환경 부하 물질( 질소 산화물 제외)을 전혀 배출하지 않는다는 점이 있다. 특히, 화력 발전 외에 원자력 발전, 풍력 발전, 수력 발전 등으로 보충한 분의 에너지만큼, 이산화 탄소나 환경 부하 물질이 적어진다는 점을 꼽는다. 또한, 송전이나 변압 시의 손실을 고려하면, 전기 자동차 등과 비용은 다르지 않다는 의견도 있다.
4. 수소를 사용한 발전
일단 만들어지면, 수소는 에너지 반송파(제1의 다른 수단으로 생성된 에너지, 즉 저장소)이다. 에너지는 전력과 열을 연료 전지로 전달하고 생성하거나 엔진 연소를 실시할 수 있다. 각자의 경우 수소는 산소와 결합하여 물을 형성한다. 수소 화염의 열은 새로 형성된 물 분자에서 방사 방출이다.
수소를 사용한 발전 방법에는 가스터빈 발전, 증기력 발전, 연료 전지 발전 등이 있다.[5] 재생 가능 에너지로 만든 수소를 사용하면 석유나 천연 가스 등 화석 연료를 사용한 발전에 비해 이산화탄소(CO2) 배출량을 줄이고, 연료 수입 의존도를 낮출 수 있다. 따라서 연료 부족 문제 발생을 줄이고 안정적인 발전이 가능하다. 또한, 재생 가능 에너지의 단점인 날씨에 따른 발전량 변동 문제도 보완할 수 있다. 그러나 2021년 3월 기준으로, 화석 연료를 사용하여 수소를 만드는 것이 재생 가능 에너지로부터 수소를 만드는 것보다 저렴하여 화석 연료를 이용한 수소 생산이 주를 이루고 있다. 또한, 화석 연료를 사용하는 발전에 비해 발열량이 낮고 연소 속도가 빠르며, 수소 운반 및 관리에 많은 비용이 드는 등 해결해야 할 과제가 많다.
4. 1. 가스터빈 발전
수소를 사용한 발전 방법 중 하나로, 수소 또는 수소와 기타 연료를 태운 연소 가스로 터빈을 돌리는 방식이다.[5] 재생 가능 에너지로 만든 수소를 사용함으로써 석유나 천연 가스 등 화석 연료를 사용한 발전 방법에 비해 이산화탄소(CO2) 배출량이 매우 적고, 연료를 해외에서 수입할 필요가 없어 연료 부족 문제가 거의 발생하지 않아 안정적으로 발전할 수 있다. 또한, 재생 가능 에너지의 단점인 날씨에 따른 발전량 변동 문제를 보완할 수 있다. 그러나 2021년 3월 기준으로 화석 연료를 사용하여 수소를 만드는 것이 재생 가능 에너지로부터 수소를 만드는 것보다 저렴하기 때문에 화석 연료로 수소를 생산하고 있다는 점, 화석 연료를 사용하는 발전 방법에 비해 발열량이 낮은 점, 연소 속도가 빠른 점, 수소 운반 및 관리에 많은 비용이 든다는 점 등 많은 과제가 남아있다.4. 2. 증기력 발전
수소 또는 수소와 기타 연료를 연소시켜 발생한 증기로 터빈을 돌리는 증기력 발전 방식이다.[5]4. 3. 연료 전지 발전
수소를 사용한 발전 방법은 주로 다음 세 가지가 있다.- 수소 또는 수소와 기타 연료를 태운 연소 가스로 터빈을 돌리는 가스터빈 발전
- 수소 또는 수소와 기타 연료를 연소시켜 발생한 증기로 터빈을 돌리는 증기력 발전
- 수소와 산소의 화학 반응으로부터 전기를 발생시키는 연료 전지 발전[5]
재생 가능 에너지로 만든 수소를 사용하면 석유나 천연 가스 등 화석 연료를 사용한 발전에 비해 CO2 배출량을 줄이고, 연료 수입 의존도를 낮출 수 있다. 따라서 연료 부족 সমস্যার 발생을 줄이고 안정적인 발전이 가능하다. 또한, 재생 가능 에너지의 단점인 날씨에 따른 발전량 변동 문제도 보완할 수 있다.
그러나 2021년 3월 기준으로, 화석 연료를 사용하여 수소를 만드는 것이 재생 가능 에너지로부터 수소를 만드는 것보다 저렴하여 화석 연료를 이용한 수소 생산이 주를 이루고 있다. 또한, 화석 연료를 사용하는 발전에 비해 발열량이 낮고 연소 속도가 빠르며, 수소 운반 및 관리에 많은 비용이 드는 등 해결해야 할 과제가 많다.
5. 수소의 반응
일단 만들어지면, 수소는 에너지 반송파(저장소)이다. 에너지는 전력과 열을 연료 전지로 전달하고 생성하거나 엔진 연소를 통해 얻을 수 있다. 각 경우 수소는 산소와 결합하여 물을 형성한다. 수소 화염의 열은 새로 형성된 물 분자에서 방사 방출된다.
5. 1. 화학 반응
액체 수소를 산소와 화학 반응시켜 에너지를 얻는다. 이때 사용되는 산소는 액체 연료 로켓 엔진의 경우 액체 산소를, 연료 전지의 경우 공기 중 산소를 사용한다.[6]5. 2. 핵융합 반응
핵융합 반응을 위한 연료로 수소 동위체인 중수소나 삼중수소(트리튬)를 사용한다.[1] 핵연료의 일종으로, 토카막형 핵융합로에서는 삼중수소를 내부에서 생성하므로 외부에서 중수소와 리튬을 공급해야 한다.[1] 관성 핵융합로에서는 현재 중수소와 삼중수소를 사용할 예정이지만, 리튬의 가능성도 있다.[1] 이러한 기술은 현재 개발 단계이므로, 실제 연료로의 사용은 극히 미미하다.[1]참조
[1]
문서
天然には産出しないので、エネルギー源ではなく、電力などと同じくエネルギーの移送方法の一種と見なされる。さらに水素からアンモニアを化学合成し用いた場合は、移送方法が水素に比べて改善されるという見方がある。
[2]
문서
水を電気分解した際に、発生する水素のことである。
[3]
뉴스
水素エネルギー白書:「2050年には8兆円市場に」
http://mainichi.jp/s[...]
毎日新聞
2014-07-31
[4]
웹사이트
http://ruca-wanko.bl[...]
[5]
웹사이트
水素発電について
https://www.meti.go.[...]
資源エネルギー庁
2021-04-28
[6]
문서
"[참고](우리말샘) 수소에너지 등"
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