프라즈마 기술을 활용한 청록수소가 각광을 받고 있어

요즈음 ‘2050 탄소중립’이란 세계 각국들에게 부과된 최고의 당면과제이다. 이는 무엇보다 화석연료 사용을 중단하고 이를 다른 무탄소 청정에너지로 전환 시켜 나가는 일이 가장 우선되어야 할 핵심적인 과제이다. 그런데 최고의 환경선진국이라고 할 수 있는 EU국가들은 태양광 발전과 풍력 발전 등 재생에너지를 기반으로 탄소중립을 추진해 나가고 있다.

이미 전체 전력의 절반 이상을 실행시켜 햇볕이나 바람 등 자연력에 의해서 생산되는 재생에너지를 통하여 무탄소 청정에너지세상을 만들어 나가겠다는 국가 프로젝트사업을 추진하고 있다. 그렇지만 우리나라나 일본의 경우에는 인구밀도가 높고 좁은 국토로 재생에너지에 적합하지 않아 이를 기피하고 있다.

더욱이 재생에너지는 간헐적이며 소량생산에 그칠 뿐이어서 화석연료를 대체시키는 에너지원으로 역부족이다. 그래서 수소 경제를 앞당겨야 한다는 것인데 아직 기술 개발이 뒷받침되지 않고 경제성이 없어 사실상 주저하고 있는 실정이다.

최근 새로운 수소 생산방식으로 청록수소가 세계 각국에서 관심이 집중되고 있다. 이는 LNG가스를 바탕으로 CCUS(탄소 포집저장 활용)기술을 동원한 블루수소와 비슷하게 수소를 생산하는 방식이다.

즉 프라즈마 기술을 이용하여 탄소배출 없이 청록수소와 고체 탄소를 생산할 수 있어 값싼 수소를 대량 생산할 수 있을 것이라는 기대를 하게 한다. 그렇지만 상품화하기에는 아직까지 효율성이 낮아서 보조적인 기술개발이 요구되고 있다.

최초로 청록수소를 생산한 기업은 미국의 모놀리스(Monolith)이며 2020년 6월부터 본격적으로 청록수소를 생산하기 시작했다. 독자적으로 개발한 반응기로 천연가스를 열분해하여 청록수소를 생산하고 있는데 그 규모는 연간 수소 5,000톤, 고체탄소 15,000톤이라고 한다.

지난 2021년 12월, 미국 정부로부터 10억 400만달러 규모의 대출을 받아 연간 수소 6만톤, 고체탄소 18만톤이나 되는 제2생산 공장을 건설하고 있다.

최근 SK는 모놀리스와 국내 합작법인 추진에 합의하였는데 SK는 여기에서 청록수소 및 고체탄소를 생산하고 고체 탄소는 SK에서 생산 중인 리튬이온전지의 음극재 핵심 소재인 인조흑연에 사용할 계획이란다.

프라즈마란 온도를 1만도 올릴 수 있는 싱태에서 LNG가스를 청록수소와 고체 탄소로 만드는 기술이다. .보통 고체를 가열하면 액체로, 액체를 가열하면 기체로, 기체를 더 고온으로 가열하면 플라즈마 상태가 된다. 즉 기체에 에너지를 계속 가하여 높은 에너지 준위에 이르게 되면 기체분자는 원자로 해리되고, 전자와 양전하를 갖는 이온으로 이온화된다.

이때 전자와 이온들의 운동에너지가 재결합에너지보다 크면 전자와 이온들은 전기적인 중성으로 환원되지 않고 전기를 띤 전자와 이온화된 기체의 형태를 계속 유지하게 된다. 이렇게 전기를 띤 이온화된 기체와 중성 원자들이 서로 어울려 있는 준 중성의 이온화된 기체를 제4의 물질인 플라즈마라고 한다.

플라즈마 상태를 실현하기 위해서는 1만℃ 이상의 온도를 유지해야만 가능하다. 이 상태에서

고체를 액상으로 만들거나, 액상을 기상으로 만들기 위해서는 1분자당 0.01eV정도의 에너지를 가하면 된다. 그러나 전기적으로 중성인 원자를 분리 시켜 전자와 이온으로 분리하는데 1원자당 1~30eV(eV:전자볼트 로 입자물리학에서 쓰는 에너지의 단위다. 전자 하나가 1볼트의 전위를 거슬러 올라갈 때 필요한 에너지를 말한다)의 3000배 이상이나 되는 엄청난 에너지가 필요하다.

최근 유럽지역에서 활용하고 있는 청록수소와 비슷한 터키오스 수소가 부각되고 있다. 터키오스 수소는 고온인 섭씨 1,000~2,000℃에서 메탄을 열분해해서 생산된다. 이 수소는 메탄 분자 분해가 물 분자 분해보다 더욱 쉬워 전기분해로 만들어진 그린 수소보다 최대 8배나 적은 전기가 소모돼 생산 비용이 저렴한 것이 장점이다. 더욱이 열분해에는 물이 사용되지 않아 수질 처리에 비용을 투자할 필요가 없어 수소 1㎏ 당 생산비용은 더욱 저렴하게 된다. 또한 경제적 측면뿐 만 아니라 열분해는 무산소 상태에서 이뤄지기 때문에 어떠한 온실가스도 배출하지 않아 터키오스수소는 환경적인 측면에서도 탁월한 평가를 받는다.

최근 미국과 호주 독일 등이 메탄과 촉매를 이용하는 열분해를 연구중에 있지만 아직까지는 실험 또는 시연단계에 머물러 있다.

수소에는 부생수소, 그레이 수소, 블루수소, 그린 수소, 원자력 수소 등으로 구분된다.

LNG가스를 고온 및 고압에서 분해하며 만들어지는 개질(추출)수소는 재생에너지를 활용하여 수전해 방식으로 생산되는 그린 수소보다 3배에서 5배나 저렴하다. 그렇지만 수소 1kg당 5-7kg 탄소를 배출하는 것을 처리하는 CCUS기술을 활용해야 하기 때문에 어려움이 있다

부생수소는 석유화학·제철 공정의 부산물로 생산되기 때문에 저렴하지만 제한된 소량 생산에 그칠 수밖에 없다.

전문가들은 현재 수전해로 생산한 수소 가격은 독일 기준으로 1㎏당 6달러로 블루 수소보다 약 3배가량 높지만 2030년경에는 1㎏당 2.6달러 정도로 비용 경쟁력을 갖출 것으로 전망하고 있다. 앞으로 수전해 기술이 개발되어 저렴해지기 때문이다

앞으로 원자력 발전 과정에서 발생하는 열로 물을 열화학 분해해서 생산하는 레드 수소와 원자력의 열과 전기로 물을 열화학과 전기분해를 동시에 사용해서 얻는 퍼플수소가 값싼 수소를 대량 생산할 수 있다는 평가를 받고 있다. 그렇지만 현재 기술로는 원전에서 생산한 전력을 활용해 저온(100℃ 이하)의 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 핑크수소만 생산이 가능하다.

핑크 수소는 경수로형(LWR)에서 고분자전해질막연료전지(PEMFC) 기술을 활용해 생산할 수 있다. 이 경우 수소 생산에 사용된 전력의 단가가 낮고 운영율이 높기 때문에 재생에너지로 만든 그린수소 대비 경제성이 있다는 평가를 받고 있다.

그렇지만 900도 이상에서 운영되는 제4세대 원자로 기술이 개발되면 고온열을 이용한 퍼플수소도 생산이 가능해져 값싼 수소를 대량으로 생산할 수 있는 체제를 구축할 수 있다고 전망하고 있다. 현재 울주군의 원자력 수소 국가단지에서 계획하고 있는 원자력 수소는 제4세대 원전 (SOFC)기술이 상용화를 전제로 준비하고 있어 앞으로 기대가 된다.

국내 최고의 화석발전을 보유하고 있는 당진시에서 탄소중립을 성공적으로 실현 시켜 나가기 위해서는 불가피하게 수소생산시스템을 구축해야만 한다. 누가 값싸고 품질 좋은 수소생산기술을 선점하느냐에 따라서 수소경제의 경쟁력이 확보하게 될 것이다.

그런 의미에서 당진시는 탄소중립 스터디 그룹을 통하여 가장 효율적인 수소 생산방식을 선정하여 중앙정부의 지원으로 이를 완성시켜 나가는 일이 가장 큰 당면과제라고 할 것이다.