영국 수소도시 ‘H21 Leeds City Gate Project'

2030년까지 리즈(Leeds)시를 세계 최초로 ‘수소도시’로 전환하기 위한 ‘H21 Leeds City Gate Project’ 추진

□ 리즈시 세계 첫 ‘수소도시’로 전환 목표

  1) 2030년까지 LNG(천연가스) 기반 에너지 인프라를 100% 수소로 전환하는 ‘H21 리즈 시티 게이트’ 프로젝트 진행 중

  2) 2050년까지 온실가스 배출 ‘0’를 선언 > 이산화탄소 배출의 3분의 1을 차지하는 가스 기반 난방 시스템을 수소 기반으로 바꾸는 작업에 돌입

□ 보일러 제조사의 수소투자, 기존 가스 인프라를 활용

  1) 리즈시는 이미 1966~1977년까지 도시가스에 수소를 50% 함유하여 사용, 기존 천연가스 배관을 저압의 수소 배관으로 활용 가능함을 확인

  2)수소추출 등을 통해 도시 내 에너지를 수소로 100% 전환가능하다고 판단

□ 시민에게 미치는 영향을 최소화하면서 수소도시로의 전환

  1) 수소 저장은 동일 지역에 위치한 소금동굴을 이용하는 등 기존 인프라 및 자연을 활용

> 수소가 도시 전체를 위한 안전하고 환경 친화적이고 경제적으로 실행 가능한 난방 솔루션이라는 모델을 제시

[수소] 국외 수소 도시관련 프로젝트 사례1 (덴마크 에너지 인공선 롤란드 섬)

[수소] 국외 수소 도시관련 프로젝트 사례3 (네델란드 Netherlands Hystock Project)

덴마크 에너지 인공섬, 롤란드섬   

  가정용 수소 연료전지 시스템 실증을 위한 ‘Nakskov Hydrogen Society Project’ 사업을 추진
  * 롤란드(Lolland) 섬은 덴마크에서 네 번째로 큰섬으로 신재생 에너지의 집합소

□ 1980년대까지 죽어가던 섬, 하지만 ‘바람’을 이용한 해상풍력단지 조성

  1) 롤랜드 섬의 Nakskov 지역, 풍력을 활용(72기 풍력발전기, 60만MW생산)

  2) 수전해를 통해 수소를 생산 및 국내 공급

  3) 수소에너지를 저장하는 방법으로 수소연료전지를 선택

  4) 풍력발전으로 생산된 잉여전력을 주변 국가에 저렴하게 수출

□ 100가구, 작은 마을 베스텐스코브, 세계 최초의 '수소연료전지 마을'로 전환

  1) 수소배관을 통해 Vestenskov 지역의 가정에 수소를 공급

  2) 가정에 설치된 수소 연료전지를 통해 전기와 열을 생산해서 사용

    * 2020년 현재 35가구에 수소공급망 연결, 각 가구에 연료전지가 설치

□ 2020년 6월, 덴마크 의회 세계 최초 인공 에너지 섬 건설 결정

  1) 최종목표는 10GW의 전력생산, 최대 1000만 가구에 전력을 공급하는 양

>  재생에너지를 이용한 수소기반의 전력 및 난방 등 에너지 자립형 모델로 볼 수 있음

[수소] 국외 수소 도시관련 프로젝트 사례2 (영국 수소도시 ‘H21 Leeds City Gate Project')

[수소] 국외 수소 도시관련 프로젝트 사례3 (네델란드 Netherlands Hystock Project)

알칼리 수전해 관련기술 

- 전해질로써 알칼리 수용액을 이용하고, 수소 및 산소를 분리하기 위하여 별도의 분리막을 사용하는 기술 중심으로 유효 추출

- 알칼리 수전해용 수전해조, 전극 및 격막을 포함하여 세부구성에 관한 기 술은 유효로 추출

[특허 기술동향]

전체 시장국의 동향을 살펴보면, 거시적인 관점에서 접근 시, 분석 초기구간부터 2000년대 후반까지는 연 30건 내외의 다소 미약한 특허 출원활동을 보였으나, 2000년대 중반에 접어들면서 본격적인 출원활동을 보이면서 출원 건수가 증가하고 있다는 것을 알 수 있음. 또한, 최근 구간에서 전체적으로 출원활동의 증감을 반복하는 동향을 나타내고 있으나, 전반적으로 특허 출원이 활발하게 진행됨을 알 수 있음. 아울러, 일본 및 중국의 특허 출원동향과 유사한 동향을 나타냄에 따라, 현재 관련 기술에 대한 기술시장 주도권을 상기 국가가 가지고 있는 것으로 판단할 수 있음.

고분자전해질 수전해 관련기술

- 전해질과 분리막으로써 고체고분자 전해질(PEM) 막을 이용하는 기술 중심 으로 유효 추출

- 고분자 전해질 막, 막-전극 접합체를 포함하여 세부구성에 관한 기술은 유효로 추출

[특허 기술동향]

전체 시장국의 동향을 살펴보면, 고분자 전해질 수전해 관련기술(AB) 분야의 경우, 분석구간 초기에는 별다른 추세없이 출원 활동을 유지해오다가, 2000년대 후반에 들어서면서 출원건수가 점진적으로 증가하는 양상을 나타냄. 고분자 전해질 수전해의 경우, 전해질염 미사용으로 인하여 수소의 순도를 높이기 쉽고, 설계에 따라 고압운전이 가능한 시스템으로, 특히, 자동차용 수소충전소에 적합한 기술로서, 수소 충전소 인프라 관련 시장의 급성장에 따라서 관련기술이 급속히 발전한 것으로 파악됨.

고체 산화물 수전해 관련기술 

- 전해질과 분리막으로써, 수소 또는 산소이온 전도성을 갖는 산화물 막을 이용하는 기술 중심으로 유효 추출

- 고체 산화물 수전해 셀을 포함하여 세부구성에 관한 기술은 유효로 추출

[특허 기술동향]

전체 시장국의 동향을 살펴보면, 고체 산화물 수전해 관련기술(AC) 분야의 경우, 분석초기 구간인 1990년대에는 별다른 추세없이 간헐적인 출원 활동을 유지해오다가, 2000년대 중반에 들어서면서 출원건수가 점진적으로 증가하는 양상을 나타냄. 고체 산화물 수전해 관련 기술의 경우, 고효율로 높은 경제성을 확보할 수 있어 건물용, 대규모 발전용 등 다양한 응용범위로 적용 가능함에 따라 향후 높은 성장세가 예상됨.

탄소경제에서 수소경제로의 변화는 시작되었습니다. 

탄소경제란? 

석유 석탄 가스 등의 에너지원이 중심

에너지 공급은 중앙집충형으로 수급

자원개발 및 에너지 확보를 통한 지형적 한계 (우리나라 자원부족으로 대부분을 수입)

환경적으로는 온실가스 및 대기오염물질을 여과하여 공기 중으로 배출

수소경제란?

이산화탄소 제로를 위한 탈 탄소화 수소 중심

에너지 공급은 분산형 에너지 수급

기술개발을 통한 에너지를 확보, 규모의 경제를 통한 가격경쟁

환경적으로는 온실가스 배출이 적어 친환경적임

이제는 수소경제에서 부가가치를 창출해 주는 전반을 살펴 보도록 하죠.

오늘은 수소경제라는 숲 전체를 개괄적으로 설명해 드리고자 합니다. 

상세한 내용은 계속해서 설명드리도록 하겠습니다.

수소경제 전반의 흐름은

생산에서 부터 수소 저장, 수소 운송, 수소 활용

부분으로 크게 4가지 측면으로 볼 수 있습니다.

(수소생산, > 수소 운송 > 수소 저장 > 수소 활용)

수소 생산

분야에서는 부생수소(석유화학 공정과정에서 얻어지는 수소), 추출(개질)수소, 수전해수소(물을 전기분해하여 얻어지는 수소), 그리고 수입수소(해외에서 생산하여 수입해오는 수소) 로 분류가 가능합니다.

수소 생산 자세히 알아보기

수소 운송 및 저장

생산한 수소를 저장하거나 운송하는데 발생하는 사업들 입니다.

운송

파이프를 통해서 생산한 수소를 저장소로 옮기는 파이프라인 분야 (기체) - 근거리 수요처

생산한 수소를 튜브에 담아 고압 트레일러 트럭로 운송하는 분야 

수소를 액화하는 액화탱크로리 분야 - 원거리 수요처 액화수소 공급

저장

수소충전소에 수소를 충전하는 사업 (도심/외곽)

수소 활용

수소분야에서 우리나라가 가장 적극적으로 참여하고 있는 분야 입니다.

수소 모빌리티(수소차, 수소연료전지, 수소트램, 수소버스 등)- 전세계 수소차 보급률 1위 

산업용(기존의 수소 수요처)

발전용(연료전지 발전소, 수소터빈) 수소 활용

   수소경제는 전세계가 현재 기술의 초기 단계에 있으며, 최종 궁극적인 목표는 신재생에너지를 통한 탄소 제로화를 실천하고 새로운 성장 동력으로 창출하여 kg 당 수소 단가를 낮추어 석유와 같은 에너지원으로 사용하는 것을 목적으로 하고 있습니다.

  우리나라는 자원이 부족하고 에너지원의 해외의존도가 높은 나라이기에 한쪽으로 치우치지말고 수소경제 전반의 수소 생산, 저장, 운송, 활용 사업을 활성화 시켜서 에너지 자립도를 늘리고 친환경에너지로 국가의 신성장 사업으로 육성시켜야 한다고 생각해 봅니다. 

요즘 대체에너지로 신재생에너지로 전세계가 관심을 가지고 있는 분야가 수소 생산 입니다.

오늘은 수소 생산방법에 따른 용어를 공유하고자 합니다.

먼저 수소 생산 기술 의 분류는 어느곳은 3가지로 (그린수소, 그레이수소, 블루수소) 보는 곳도 있고

또는 4가지로 (그린수소, 브라운 수소, 그레이 수소, 블루수소)로 나누어 보는 관점이 있습니다. 4가지가 조금더 디테일하여 설명드리고자 합니다. 

그린수소

먼저 그린수소는 말그대로 가장 깨끗한 수소 생산 방식으로 재생에너지를 이용하여 발생된 전력을 가지고 수전해 방식을 통해 수소를 생산하는 방법입니다. 풍력이나 태양광과 같은 재생에너지 발전 전력을 이용하기에 온실가스 배출이 전혀 없습니다.

수전해 란? 물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생하는데 이 공정을 통해 수소만 추출하는 생산방식입니다. 이 수전해 기술은 아직 초기단계이며 기술의 상용화가 필요한 부분이기도 합니다. 

‘그린암모니아’ 최근 암모니아에서 고순고 수소를 뽑아내는 기술 개발(한국에너지기술연구원) 하였지만 암모니아를 수입해야한다는 전제가 깔려있기에 국내 자체적인 수소생산 기술이라고는 보기 힘들지만 그래도 탄소 발생은 전혀없는 생산 방식이자 아직까지는 수전해방식에 비해 값싼 생산방식 입니다.

@ 단 현재의 기술로는 재생에너지로 모을수 있는 전력량이 한계가 있기에 단가가 제일 높은 수소 생산 방식이기도 합니다.  이를 보완하기 위하여 전세계 각국들은 그 규모를 점차 많이 늘리고자 계획하고 있습니다. 

브라운 수소

브라운 수소는 석탄이나 갈탄 등을 고온와 고압에서 가스화 하여 수소가 주성분인 가스(합성가스)를 만드는 방식입니다. 

그레이 수소 

그레이 수소는 '개질수소'와 '부생수소'로 다시한번 분류하여 살펴볼 수 있습니다. 

개질수소란 ? 천연가스를 고온과 고압 수증기와 반응시켜 물에 포함된 수소를 추출하는 개질 방식의 수소 생산을 말합니다. 천연가스의 주요 선분인 메탄 CH4를 고온으로 반응시켜 수소를 추출하게 됩니다.

(CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2)

부질수소란 ? 석유화학 공정이나 철강등을 만들때 발생하는 부산물에서 나오는 수소를 의미합니다. 

@ 현재는 가장 가성비가 높은 추출방법으로 국내 수소생산 방식의 99%의 비중을 차지 하고 있지만

기술이 발전됨에 따라 이산화탄소 CO2가 발생이 되는 이 생산방식은 점차 줄어 들것이라고 예상합니다. 

블루수소 

블루수소는 그레이 수소생산과정에서 나오는 이산화탄소 CO2를 포집하고 저장하여 온실가스 배출을 줄인 수소를 말합니다.  기술적인 이해가 부족하여 블루수소의 경우 어떻 방식으로 생산되는지 공부가 조금더 필요한 부분이기도 하네요.

추가+ 블루수소는 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS) 기술를 이용한다고 하는데 업계에서는 CCUS 기술의 불확실성이 높다는 말도 나온다고 하네요. 대표적으로 포스코와 두산중공업이 블루수소를 생산하겠다고 발표한 가운데 그 추위를 지켜봐야 하겠습니다. 

틀린부분이 있으면 코멘트 부탁드립니다. 저도 공부중 ;)