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수소 생산기술 관련 내용 2번째 이야기입니다. 

첫 번째 이야기를 안 보고 오셨다면 아래 링크를 클릭하여 보고 오시면 2번째 글을 이해하는데 많은 도움이 될 것입니다. 

https://manyoung76.tistory.com/25

수소생산기술 

- Grey 수소:1) 부생수소

1) 부생수소

국내 수소 생산량은 정유공정에서 나오는 잉여수소가 가장 큰 비중 차지하고 있습니다. 

- 잉여수소는 납사를 방향족 화합물로 전환하는 잡사 개잴 공저에서 생산되는 막대한 양의 수소입니다. 

이수 소는 첨가 탈황 공정과 수소첨가 분해 공정에서 소모돼, 수소를 외부에 공급할 여력 부족합니다. 

-따라서 잉여 수소의 경우, 대부분 공정을 사용되고, 실제 에너지원으로서의 수소 확보는 부생수소입니다. 

-부생수소는 석유화학과 제철산업에서 주로 발생합니다. 

석유화학공정 중 부생수소가 발 생하는 공정

1) 납사에서 에틸렌, 프로필렌 생산하는 잡사 분해 공정

2) 염소와 가소소다 생산하는 클로르 알칼리(ca) 공정이 있습니다. 

국내 수소 생산량(좌)및 판매량(우)

Grey 수소 2) Hydrocarbon Reforming

■ Hydrocarbon Reforming

수증기 메탄 개질방식

- 세계적으로 거의 절반의 수소 생산은 천연가스가 원료이며, 미국의 경우, 95%의 수소는 메탄 개질법으로 생산되고 있습니다. 

- 천연개질법

1) 수증기 메탄 개질법(SMR:Stream , ethane reforming)

2) 부순 산화 방식(PO: Partial Oxidation)으로 구분됩니다. 

-수증기 매탄 개질법

수소 생산에서 가장 저렴한 방법이며 세계 총 수소 생산의 거의 절반을 이 방법으로 제조합니다. 

이는 천연가스의 주성분인 메탄(CH4), 프로판(C3 H8)등을 촉매를 통해 고온(700~1,000도) 고압(3~25 BAR 주 1)의 수증기와 반응해 수소를 제조하는 기술을 말합니다. 

-메탄과 수증기의 반응을 위해서는 열이 반드시 공급되어야 하는 흡열 성이 있습니다. 

이에 물-전기 전환 반응 단계에서 일산화탄소와 수증기는 촉매로 작용하면서 이산화탄소와 추가적인 수소를 생산하게 됩니다. 

PSA주 2 단계에서 이산화탄소와 다른 불순물 가스 스팀에서 제거되어 순수 수소가 생사 되는 것입니다. 

-이제 조방 법의 경우

수소가 메탄과 물 모두에서 분리되어 생산되기 때문에 수소 생산 효율이 높습니다.(65~75% 정도).

대략 수증기 개질기 하나에서 연간 소소 생산 100,000톤이 가능하며, 이는 약 100만 대 연료 전지차 공급이 가능한 수준입니다. 

- 이 제조법은 온실가스 발생량이 가솔린 자동차의 60% 정도로 이 역시, 상당량의 CO2가 발생합니다. 

또한 설비 자본 및 운영비 절감, 효율성 증진을 위해 공정 개선 및 시스템 디사인 개발, 촉매 개발 등이 필요합니다. 

■Hyerocarbon Reforming

부분산화 방식 부분산화 방식

- 부분산화 바식: 탄화수소를 이산화탄소와 물로 완전히 산화하는 방식을 말합니다. 

이때 필요한 산소 양을 제한하여 반응시켜 수소를 생산하는 방식

-천연가스와 석양의 산소와의 반응으로 이루어지고 수소와 이산화 탄소가 주요 산물입니다. 

-즉, 메탄가스는 산소가 소요될 때까지 빠른 연소가 이루어지며, 이로 인한 산물인 수소와 일산화탄소가 생성되는 반응으로 이뤄져 있습니다. 

- 부분산화는 발열성 프로세스로 열을 발산시키며, 수증기 개질법보다 빠르게 진해되는 프로세스이며 작은 원자로 용기(rector vesssel)가 쓰입니다. 

-또한 이 반응은 특정한 환경에서는 스스로 유지되고, 최소의 에너지 비용으로 높은 수준의 변환을 일으키는 장점이 있습니다. 

-반응 온 데 따라 수소와 일산화탄소 외에 co2, c, h2o 등이 1,200도 c까지 소량으로 나오며 공기를 산소원으로 사용할 시에는 NOx 배출된다는 단점이 있습니다. 

천연가스 개질에 의한 수소제조방법의 비교

■자 열개질 방식 자열 개질 방식

- 자 열개질 방식

수증기 메탄 개질과 부분산화 방식을 혼합한 반응을 말하며 수증기 개질 반응에 필요한 열량을 부분 산화 반응에서 고급합니다. 이때 생성물 중 H2/CO 비율과 반응 온도는 공급하는 스팀과 산소 양으로 조절 가능합니다. 

- 기본적으로 천연가스 등유기 원료와 증기가 개질기에서 산소 또는 공기와 직접 혼합됩니다. 

개질기는 용기 상단에 위치한 주입기와 연소, 촉매 반응이 일어나는 내오 라이닝(refractory lining) 압력용기로 구성됩니다. 

- 자 열개 진 곤 정조 건, 짧은 시작 시간 및 빠른 부하 변경, 다양한 공급원료 활용 측면에서 유연성이 높음, 이에 수지기 매난 개질보다 에너지 효율이 높고, 부분 산화 방식보다는 수소 수율이 높습니다.

- 현제는 암모니아 및 메탄올 합성을 위한 합성가스 제공을 위해 상업적으로 사용되고 있습니다. 

일반적으로 산화반응에 있어 순산소 또는 농축 산소를 사용하나 암모니아 합성용 수소 생산 시에는 공기 사용하게 됩니다. 

■가스화

가스화 방식

고체상 연료가 산소, 스팀과 반응하면서 수소가 포함된 합성가스로 전환됩니다. 

이 중에서 수소를 막(memvrane)을 통해 분리하거나, 흡착기를 통해 포집하는 방법 등이 있습니다. 

- 대규모 집중식 수소 제조에 가장 적합한 기술로 제조과정에서 이산화 탄소를 분리 포집할 수 있어 탄소저감에 유리하고 설계에 따라 전력생산도 가능합니다. 

-다만, 이산화탄소를 포집할 탄소 포집 기술과, 이를 저장 및 처리할 기술이 뒷받침되지 않으면, 이를 다시 배출시켜야 합니다. 

- 가스화기 상업화는 ge와 shell 이 하고 있습니다. ge가스화 장치는 1,350~1,500c에 운전 압력 100 atm, shell은 1,440~1,600oC에 운전 압력 20~40 atm입니다. 

- 수성가스 전환 반응(WGS)

가스화 반응 후 합성가스는 일산화탄소(건조 가스 기준) 10~60% 포함. 

이를 스팀 반응으로 이산화탄소와 수소 생성합니다. 수성가스 전환 반응 후단 수소 농도는 연료 종류, 개질 방법, 가스화기 종류 등에 영향받았습니다. 일반적으로 천연가스 연료에 수증기 개질 방법 사용할 때 , 수소 농도가 가장 높습니다. 

연료 종류별 수소 농도

여기까지 2번째 이야기였습니다. 

다음 글에서 추가적인 내용을 말씀드리도록 하겠습니다. 

오늘은 수소 생산기술에 관련 이야기하려 합니다. 

기본적인 취지는 자세한 기술 분석 및 이해를 통해 성장산업 속 중요한 소재 및 제품을 제대로 선택하기 위한 내용을 말씀드리겠습니다. 

이제 석유화학산업의 Spread Play 시대는 끝났다고 보아야 할것입니다. 점점 원유 베이스 화학 소재의 대한 가 동류는 감소할 것이고 성장산업에 대한 소재 개발 및 M&A가 지속될 것으로 보기 때문입니다. 

이미 석유 화학 산업의 프리미엄 요인은 EV베터리, 소소 경제 관련 소재, 태양광 관련 소재, 친환경 바이오 소재 등 

이 시장에 등장하였습니다. 

소소 경제에서 탄소섬유를 그린 뉴딜에서 간과했던 바이오 블라 스틱을 시장에 전망이 좋습니다. 그리고 그 기준은 항상 기술의 방향성이었습니다. 기술력 좋은 소재라고 다 성장산업이 되는 것은 아닙니다. 이에 깊은 기술 분석을 통해 성장산업 속 제대로 된 기업을 찾은 필요가 있습니다. 

차례(수소생산기술)

1. 수소생산기술 투자포인트
2. 국가별 수소 전략
3. 수소생산산 기술

1. 수소 생산기술 투자 포인트 

■ 수소 생산기술

- Fit for 55의 연장선상에서의 수소는 '탄소저감'이 핵심

-탄소저감 목적

-탄소저감 수소 에너지원

-ccs or ccus 설비 적용 수소 (블루 수소)부터 시작

-수소생산단가 그레이 수소 (석탄, $1.6~2.9/kg) 가격차이 크지 않음

-그린 수소 kg 당 $2.5~4.5로 아직 생산단가 높음

다만 그리 수소중 수전 해수 소 방식은 연료 전지와 설비가 겹칩니다. 

이에 모든 생태계에 적용 가능한 pemec에  주목하고 있습니다. 

- 결론을 말씀드리면 

1) 블루 소소 관련 기업이 우선 순의 그 안에 핵심을 ccus 갈 될 것입니다. 

2) 그리 수소는 수전해 소소 중 pemec에 주목

수소생산비용

2. 국가별 수소 전략

■수소 생산 관련 임프라에 집중해야 하는 이유

- 글로벌 주요 국가들이 바라보는 수소는 '탄소저감'에 있습니다. 

이에 블루 수소 이상의 수소 생산이 아니라면 의미가 없다는 생각입니다.

- 이러한 이유로 수소연료전기차, 발전용 전지 등은 아시아 국가에 대부분 정책 집중, 미국 , 유럽은 수소 생산 위주 정책 펼치고 있습니다. 

- 실제 발전용 연료전지도 대형 발전용 기준, 한국이 세계 보급량의 40%를 차지하고 있으며, 2020년 기준, 국가별 수소연료전지차 판매량을 살펴보면, 한국이 5,786대 수준으로 글로벌 수소 연료 전지차 시장의 50% 이상을 차지하고 있습니다. 

- 다만, ccs 등 블루 수소 및 그린 수소 프로젝트는 미국이 70% 이상, 유럽 20% 이상, 중국, 일본이 그 나머지 비중을 차지하고 있습니다. 

국내는 1개의 프로젝트를 시작하고 있습니다. 

3. 수소 생산기술

수소가 에너지원으로 각광받는 이유

연소할 때,, 공해물질 방충제로 원료 고갈 우려 제로 에너지 밀도 높고, 기술 실용화 가능성이 높습니다. 

- 수소 가스 제조기술

천연가스 , 석탄, 바이오매스의 분자구조에 포함되어 있는 수소를 열분해 , 전기분해, 광분해 등에 의해 분리합니다. 

- 현제, 글로 벌리 상용화 중인 공업용 수소 생산은 주로 탄화수소의 '수증기 메탄개질법'으로 이울어지고 있습니다. 

-국내의 경우, 대부분 수소 생산은 나프타 열분해를 통한 '부생수소'로 얻고 있습니다. 

수소가스 제조 방법

이번에는 수소생산 내용의 기본적인 내용을 알아보았습니다. 

다음 글에서는 여러 가지 방식의 수소 관련 내용을 다루도록 하겠습니다.