수소의 생산 방법: SMR, POX, ATR, 수전해(AEC, AEM, PEM, SOE)

효율・순도・탄소배출량 등 관점에서 SMR, POX, ATR 및 수전해 수소생산법이 주로 거론

수소는 지구 상에 존재하는 가장 가벼운 원소다. 질소와 산소가 대부분을 차지하는 자연상태의 대기 중에서 수소를 찾기 어려운 이유다. 자연상태에 존재하는 지구상의 수소는 모두 다른 원소와 결합(Bond)한 분자의 형태로 존재한다.

 

따라서 수소를 사용하기 위해서는 별도의 생산과정이 필요하며, 대부분의 생산공정은 수소원자를 포함하고 있는 천연가스(CH4)나 물(H2O) 등 원료 화합물에서 화학반응을 통해 수소(H2)를 추출(Extraction)하는 형태를 취한다.

 

이 과정에서 주요 관심은 효율과, 순도 그리고 탄소배출량에 집중된다. 수소 생산공정은 에너지소비가 동반되며 이는 경제성과 직결되기 때문이다. 현재 생산되는 상용 수소의 대부분이 기존 화학공정의 부산물인 이유다. 연소를 통한 난방열 생산을 위한 연료용도의 수소는 순도가 크게 중요하지 않으나, 수소 연료전지 (Fuel Cell)의 반응물로는 99.9% 이상의 고순도 수소의 투입이 필요하다. 탄소배출량은 최근 탈탄소 및 배출량 순제로 정책이 공격적으로 추진되면서 중요 관심사로 부상한 경우다. 녹색수소와 청색수소 생산을 위해 필수적인 관리요소다.

 

이런 요소들을 감안할 때, 상업적인 수소 생산방법으로는 SMR(Steam Methane Reforming, 스팀 천연가스 개질), POX(Partial Oxidation, 부분산화), ATR(Autothermal Reforming, 자가열 개질), 수전해(Electrolysis) 등이 주로 거론된다.

 

주요 수소생산 공정 비교

 

여기서 개질(Reforming)이란 탈수소화(Dehydrogenation) 혹은 수소첨가분해 (Hydrocracking) 등 열이나 촉매를 활용해 탄소사슬에서 수소를 떼거나 붙이는 화학반응으로 탄화수소(Hydrocarbon)의 분자구조를 변화시켜 원하는 목적물질을 얻는 과정을 통칭한다.

 

주요 수소 생산방법 및 원료 구분

 

SMR은 경제적・보평적이나 탄소배출 문제, POX는 부생수소 공급경로, ATR은 SMR+POX이나 고온 운전 필요

SMR은 섭씨 500~900도의 고온에서 천연가스(Methane)와 수증기(Steam)를 반응시켜 수소, 이산화탄소와 일산화탄소를 생산하는 공정이다. 수소가 주생산 목적물인 현행 공정 중 원가가 저렴해 가장 보편적으로 이용되나, 전형적인 탄소배출 공정인 한계가 있다. 각종 매체에서 추출수소로 부르는 방식이 이에 해당된다.

 

POX는 화석연료를 산소와 혼합해 반응기 내에서 부분 연소해 수소, 이산화탄소와 일산화탄소를 생산하는 공정이다. SMR이 산화제로 수증기를 사용하는 반면, POX는 완전연소보다 부족한 양의 산소를 산화제로 투입하는 공정으로 볼 수 있다. 이 공정은 질소를 제거한 고순도 산소의 투입이 필요하며, 석탄 등 화석연료 원료에 따라 탄소배출량의 차이가 크다. 다수 국가의 원유정제나 석유화학 공정에서 납사개질(Naphtha Reforming) 시 수소를 부산물로 생산하는 경우가 이에 해당되며, 열분해(Pyrolysis)와 함께 부생수소의 주요 공급경로다.

 

ATR은 전공정에서 SMR을 통해 수소를 생산한 후, 이를 후공정에서 산소와 산화반응을 통해 한번 더 개질한다. SMR과 POX를 조합한 형태다. 이 공정은 반응기 구조 상 SMR 대비 탄소포집이 더 용이한 이점이 있으나, 900~1,500도에 이르는 SMR보다 더 높은 고온 운전이 필요하다.

 

SMR, ATR, POX 공정 구조 및 비교

 

전력망 전력 사용 시 탄소배출량 SMR>수전해, PEM 수전해가 부하변동 유연성 및 CAPEX 개선 가능성 등으로 주목

수전해는 전력을 이용해 물을 산소와 수소로 전기분해하는 공정이다. 수소를 투입해 산소와 전자를 이용한 산소 환원반응 결과, 물과 전력을 생산하는 연료전지(Fuel Cell)와는 완전히 반대방향인 공정이다.

 

수전해 공정 자체에서는 이산화탄소가 발생되지 않으나, 화력발전 의존도가 높은 전력망(Grid)에서 공급되는 전력을 사용할 경우 총 탄소배출량은 오히려 SMR이나 POX보다 더 많을 수도 있다. 신재생에너지 발전원과 함께 녹색수소 생산의 주 고려 대상이 되는 공정이다.

 

상업화가 진행된 방식으로는 주로 AEC(Alkaline Electrolysis Cell, 알칼리 수전해법)와 PEM(Proton Exchange Menbrane, 양성자교환막 전해법 혹은 Polymer Electrolyte Membrane, 고분자형 수전해법)이 대두된다.

 

녹색수소 생산에 활용되는 신재생 발전자산은 간헐성으로 인해 부하 변동이 심한 특징이 있다. PEM은 반응시간이 빨라 수초~수십초 간의 빠른 부하변동에도 대응이 가능해 신재생 자산과 조합 시 유연한 운전이 가능한 장점이 부각된다. 뿐만 아니라 현행 AEC에 비해 설비투자비 규모는 크나, 상대적으로 높은 전류 밀도로 전해조 소형화가 가능해, 향후 CAPEX 규모 개선도 기대된다.

 

주요 수전해 공정 구조 및 비교 (AEC, AEM, PEM, SOE)