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[기획원고] 우주 구성 원소의 90% ‘수소’, 그 무궁무진한 잠재력을 산업에 적용하면?

우주 구성 원소의 90% ‘수소’, 그 무궁무진한 잠재력을 산업에 적용하면?

 

2021년 6월, 우리나라와 미국, 독일, 프랑스 등 전 세계 22개국이 수소경제 구현을 위한 ‘국제수소연료전지파트너십(IPHE, International Partnership for Hydrogen and Fuel cell in the Economy)’ 총회에 모였습니다. 총회에서는 수소경제와 관련된 정책 논의가 활발하게 진행되었는데요, 세계 여러 나라가 탄소중립을 달성하기 위한 핵심 수단으로 수소를 선택한 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. 그중 하나가 수소는 우주를 구성하는 원소 중 90%를 차지할 만큼 무궁무진한 자원이라는 것인데요, 지구 면적의 2/3를 덮고 있는 물 역시 수소원자로 이루어져 있어 부산물 없이 깨끗하게 쓸 수 있는 지속가능한 에너지입니다.

 

이러한 수소 에너지의 장점이 가장 잘 활용된 분야가 모빌리티입니다. 세계수소위원회는 2050년에 세계 자동차 시장의 20% 이상이 수소 에너지를 활용할 것으로 전망하고 있습니다. 국내 자동차 기업인 현대자동차는 ‘수소 비전 2040’을 내세우며 2028년까지 모든 차량에 수소연료전지시스템을 적용할 계획을 발표하기도 하였습니다. 최근 들어 수소연료전지의 활용 범위는 자동차 이외의 모빌리티 및 에너지 솔루션 분야까지 널리 확대되고 있는 추세입니다. 그 이유는 수소 에너지가 보관 및 운반에 용이하기 때문인데요, 트램, 기차, 선박, 항공 등 기존의 배터리보다 더 큰 대량의 에너지가 필요한 경우에도 수소를 활용할 수 있습니다. 이러한 수소의 장점은 모빌리티를 넘어 산업 현장에서도 유용하게 사용될 수 있습니다. 

 

  

 

새로운 수소연료전지와 수소모빌리티 개발로 수소사회로의 진입은 점점 더 빨라지고 있습니다. 자율주행 ‘트레일러 드론’(좌)과 ‘레스큐 드론’(우)은 수소연료를 사용합니다. Ⓒ현대차그룹

 


수소를 연료로 유리 생산에 성공 

 

2021년 8월, 영국의 유리생산업체 필킹턴(Pilkington)은 세계 최초로 수소를 연료로 한 건축 유리를 생산하는 데 성공했습니다. 1826년 설립된 필킹턴은 전 세계 24개국에서 유리를 생산하고 있으며, 세계 최초로 플로트(FLOAT) 공법에 의한 판유리 생산기술을 개발하여 현재까지 유리산업의 표준이 되고 있는 기업입니다. 그동안 필킹턴사의 세인트 헬렌스(St Helens facility) 공장에서는 천연가스를 사용하여 유리를 제작해왔는데요, 섭씨 1,600도의 용광로에서 유리 원료를 가열하는 과정을 통해 다량의 탄소가 배출됩니다. 필킹턴은 이 과정에 수소 연료를 활용하여 탄소 배출량을 줄이고자 했습니다.

 


필킹턴의 수소 연료 활용 유리 제작 시험 Ⓒtheconstructionindex

 

영국은 2050년까지 건설 공급망 전체의 탈탄소화를 목표로 하고 있습니다. 이를 위해서는 건축 필수 자재인 유리 제작 과정에서 탄소 배출을 줄이는 것이 선행되어야 합니다. 이번 필킹턴의 유리 제작 시험은 수소 연료를 사용하더라도 제품 품질이 떨어지지 않고 전체 생산과정이 안정적으로 작동한다는 것을 입증한 셈인데요, 수소가 기존의 천연가스를 대체하며 우수한 용융(고체가 열에 의해 액체가 되는 현상) 성능을 달성함으로써, 산업계에서 수소의 활용도를 보다 높였다는 평가를 받고 있습니다.  

 

독일 역시 수소 기반 유리 제조 프로젝트 ‘하이글래스(HyGlass)’를 실행하고 있습니다. 독일의 유리산업연방협회(BV Glass)는 유리의 용융에 사용되는 막대한 양의 천연가스를 수소로 대체하여 탄소 배출량을 감축하고 환경 유해성을 차단하는 계획을 추진하고 있습니다. 독일 정부는 이 프로젝트를 위해 자금을 지원하고 있으며, 독일 유리산업연방협회(BV Glass)는 가스·열 연구소(GWI)와 함께 천연가스의 대체재로 수소가 가능한지에 대한 적합성 평가를 시작했습니다. 에쎈(Essen)에 위치한 가스·열 연구소(GWI)에서는 천연가스와 수소 혼입의 비율에 따른 제품 품질을 평가하여 최적의 혼입 비율을 찾고, 실제 생산시설을 통해 실증을 진행하고 있습니다. 초기 연구 결과 천연가스를 수소로 100% 대체하더라도 제품의 품질은 떨어지지 않는다는 것을 증명하였는데요, 유리 제작에 사용되는 천연가스를 수소로 바꿀 경우 독일 내 유리 제조업체가 배출하는 연간 330만 톤의 이산화탄소를 줄일 수 있습니다. 

 


이산화탄소 배출 없는 친환경 공법으로 철을 생산

 

대표적인 탄소 고배출 산업인 철강 분야에서도 수소의 활용이 돋보입니다. 단순히 수소를 생산하고 운송하여 연료로 사용하는 것이 아니라 수소를 활용하여 ‘철강’을 만드는 ‘수소환원제철’ 기술을 이용하는 것입니다. 기존 철강 제조 공정은 ‘석탄환원제철’ 방식을 사용합니다. 철강의 원료인 철광석(Fe2O3)으로부터 철(Fe)을 생산하기 위해서는 석탄을 ‘환원제’로 사용하게 되고, 이 과정에서 이산화탄소가 다량 발생하게 됩니다. 철강 1t당 약 2t의 이산화탄소가 발생하는 만큼 철강 산업의 탄소 배출 감축이 중요할 수밖에 없는데요, ‘수소환원제철’은 말 그대로 철광석에서 산소를 분리시키는 환원제로 수소(H2)를 사용하는 것입니다. 이 제조 과정을 통하면 물과 함께 철이 생산되어 이산화탄소가 발생하지 않습니다. 

 

 


고로(용광로)를 통해 철강을 생산하는 경우 고로에 철광석과 석탄을 넣어 고온에서 녹이게 됩니다. 철광석에서 산소를 분리시키는 환원반응에서 많은 양의 CO2가 배출됩니다. 

반면, 수소환원제철은 철광석으로부터 철을 생산할 때 석탄이 아닌 수소를 활용하는 기술로, 수소(H2)가 철광석(Fe2O3)에서 산소를 분리시키는 환원제의 역할을 하여 

최종적으로 물(H2O)과 함께 철(Fe)이 생산됩니다. Ⓒposco

 

수소환원제철은 철강생산공정의 패러다임을 바꾸는 기술로 평가받습니다. 용광로(고로)에서 석탄과 철광석을 녹이는 공정이 없어지는 대신 철광석을 환원하여 환원철로 만드는 설비인 ‘유동환원로’라는 설비가 필요합니다. 

 

국내 기업인 포스코는 수소환원제철에 근접한 기술인 ‘파이넥스(FINEX, Fine Iron ore Reduction)’ 공정을 개발하였으며, 100% 수소를 사용하는 ‘수소환원제철’ 공정의 완비를 계획하고 있습니다. 다국적 철강기업인 아르셀로미탈(ArcelorMittal)과 사브(SSAB, S-wedish Steel AB) 등도 수소환원제철 기술을 활용한 제철소를 구축하여 탄소중립 달성을 위해 노력하고 있습니다. 

 

앞에서 살펴본 천연가스를 대체하는 수소연료와 석탄을 대신하는 수소환원제철의 사례는 탄소중립 달성에 있어 수소의 역할이 얼마나 중요한지를 잘 보여줍니다. 현재 전 세계 산업계는 업종별로 탄소중립을 위한 각고의 노력을 기울이고 있는데요, 수소 관련 신기술이 보다 다양한 산업 분야에 활용되어 기후위기 대응과 미래 성장동력 확보라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있기를 기대합니다. 

 

*참고자료

 

https://www.theconstructionindex.co.uk/news/view/pilkington-glass-production-fuelled-by-hydrogen

Pilkington glass production fuelled by hydrogen

 

http://kjmm.org/upload/pdf/kjmm-2021-59-1-41.pdf

수소 기반 환원 제철 공정과 전환 기술 

 

https://bit.ly/3nRar80

수소는 스틸을 타고 

 

https://eiec.kdi.re.kr/publish/naraView.do?fcode=00002000040000100009&cidx=13333&sel_year=2021&sel_month=05

수소에너지에 대해 궁금한 것 몇 가지

 

https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000000901/selectBoardArticle.do?nttId=15458&pageIndex=1&mno=sitemap_02&searchCnd=&searchWrd=

산업현장의 숨은 주역 촉매

 

https://www.sciencetimes.co.kr/news/%EC%B4%88%EB%A1%9D%EC%83%89-%EC%88%98%EC%86%8C%EB%A1%9C-%EC%B9%9C%ED%99%98%EA%B2%BD-%EC%A0%9C%EC%B2%A0%EC%86%8C-%EB%A7%8C%EB%93%A0%EB%8B%A4/

초록색 수소로 친환경 제철소 만든다

 

https://www.businessgreen.com/news/4036239/world-sheet-glass-produced-hydrogen-uk-plant

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'World first': Sheet glass produced with hydrogen at UK plant for first time

 

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출처 한국에너지정보문화재단

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