석유화학의 탄소 배출이 거의 없는 수소 - Blue Hydrogen

수소의 생산은 크게 3가지 정도의 경로를 이용하고 있으며,

실생활의 수소는 2가지만 이용하여 생산한다. 남은 한 가지의 원가가 높기 때문인데;

조금 자세히 보자.

 

1. 개질 수소

원유/천연가스 정제를 "수소 생산"을 위해서 실시한 수소를 말한다. 잘 알다시피 원유는 C,H,O,N,S 원자가 

(촌스- 로 기억하면 촌스럽;; ㅋㅋㅋ) 대부분을 차지하며, 그 중에서도 탄소가 대략 80% 정도 된다. 그 중에 H 원자만

떼어다가 쓰면 오죽 좋으련만, 얘네들은 대부분 탄소에 결합 되어 있다. 그래서, 떼어내려고 하면 주변에 있는 산소가 수소 자리를 메꿔 줘야 수소를 빼 내어 올 수 있다. 결론은 CO (일산화탄소) 또는 CO_2 (이산화탄소)를 발생시킬 수 밖에 없다.

그럼에도 불구하고, 현재 가지고 있는 시스템에서 생산이 가능하다 보니, 2022년 기준으로 원가가 높은 편은 아니다.

 

2. 부생 수소

일반적으로 원유/천연가서 정제 작업을 하다 보면 나오는 "폐가스"들이 있는데, 이 폐가스의 성분도 대부분 촌스(CHONS)이다. 그래서 폐가스로도 수소를 만들 수 있다. 다만, 원유나 천연가스를 그대로 사용하는 것이 아니다 보니, 기존 공정에 투입해서 수소를 생산하려면, 흔히 얘기하는 "전처리" 가 필요하다. 사전에 수소 생산을 방해하는 물질들을 걸러서 투입해야 한다는 뜻이다. 덕분에 생산원가가 상대적으로 조금 높지만, 폐가스 태워 버리느니 수소를 생산하겠다-는 면에서는 바람직하다. 부생수소도 생산량 대비 CO (일산화탄소) 또는 CO_2(이산화탄소)의 발생량이 거의 동일하다. CO_2 배출량에서는 큰 차이가 없는 수준이다.

 

3. 전기 분해

이 작업은 "물"을 원료로 한다. 흔히 아는 중학생때의 그 실험을 큰 스케일로 만들면 된다. 이론도 쉽고, 공정 기술도 있다.

그런데, 가장 어려운 것이 "전기"이다. 산업형태의 수소 생산은, 중학교 과학 실험 시간에 생산한 것과 비교하면 어마무시한

크기가 된다. 이 말은, 전력량도 어마무시하게 들어간다는 뜻이다. 그래서 전력 공급이 매우 중요한 요소이고 원가 요소이다. 전력량이 어마무시 들어가니, 원가가 가장 높다. 그래도 이렇게 생산하면 직접 CO_2를 배출하는 일은 없다. 근데, 전기 분해에 사용한 전기를 화력 발전소에서 만든다면, 화력 발전소에서 발생한 CO_2의 양은, 사실 개질 수소를 제조할 때와 별반 다르지 않다. Value Chain을 보면, 탄소배출량은 말짱 도루묵인데, 원가만 높아지는 형태가 되어 버린다.

 

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그러면 우리에게 탄소배출이 없는 수소 제조는 없을까? 

WEF

탄소배출량에 따라 수소를 또 다르게 3가지로 나누곤 한다.

그레이 수소(Grey hydrogen) - 개질 수소나 부생 수소 공정을 이용한 수소이며, 별도의 탄소 배출량 저감 장치가 없는 경우

블루 수소(Blue hydrogen) - 개질 수소나 부생 수소 공정을 이용한 수소이나, 별도의 CCUS (Carbon Capture, Utilisation and Storage)를 통해 탄소 배출량을 거의 없앤 수소.

그린 수소 (Green hydrogen) - 전기 분해 공정을 이용하되, 신재생에너지 발전을 이용하여 제조한 수소.

 

그레이 수소는 현재 생산하는 기술이니 별거 없고, 그린 수소 개념도 명확하다.

 

블루 수소는 도대체 어떤 기술들을 가지고 만들 수 있을까?

현재 여러가지 시도를 하고 있으며,

1. Aramco, SABIC Agri-Nutrient 의  Blue Hydrogen

2. LG Chem, Technip Energies 의 Blue Hydrogen 

정도를 비교 해 볼 수 있다.

 

매우 흥미롭게도, 두 방식은 "완벽하게" 다른 접근을 하고 있다.

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Aramco, SABIC Agri-Nutrient 의 접근은 "Blue Ammonia"  이다.

Blue Ammonia 의 개념은, "CO_2를 거의 배출하지 않는 Ammonia"라고 이해하면 좋다. 

이게 무슨 뜻인지 알려면, BASF (세계 최대 화학회사)의 역사까지 거슬러 올라가야 한다. 따라서 대략 생략하고 간단하게 얘기하면,

 

천연가스로부터 "개질 수소"를 만들면 CO_2가 발생하는데, 이 CO_2를 다른 공정에 사용 "Utilize" 하는 방식이다.

CCUS중 U에 집중한 전략

 

그리고 이 개질 수소로 "Ammonia"를 제조 하는 것이다. 그렇게 되면,

Blue Hydrogen(블루수소)로 만든 Blue Ammonia 가 된다.

(Ammonia는 수소기체와 질소기체를 고온 촉매에 통과시켜서 합성한다.- 하버보쉬법 응용)

 

이 CO_2 를 어디 응용하는지는 SABIC 내부 기밀이므로 여기에는 밝힐 수 없다.

(아쉽;; 하지만 산업계 사람들은 다 추정 할 수 있다. ㅋㅋㅋㅋㅋㅋ

왜냐하면, 이 공정을 2020년부터 가동 했기 때문이다.)

SABIC. com

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SHELL의 사진. 2019.April

LG chem과 협업하기로 한 Technip Energy (이하 T.EN) 은 폐가스(Flue gas)의 Solvent extraction 방법을 사용한다.

(2021년에 로얄더치쉘 과 CANSOLV 기술을 공유했는지, ADIP Ultra를 공유했는지는 정확하지 않다. 다만, LG chem이 Flue gas를 활용한다고 했으니, CANSOLV 또는 이와 유사한 기술을 사용 할 확률이 높다.)

 

LG의 NCC에서 나오는 폐가스를 일부 정제한 뒤, Absorber 를 이용하여 필요한 성분을 흡착하는데,

이 때 CO_2도 같이 흡착한다. 다음 공정에서 Absorber의 조건을 변경하여 (일반적으로는 dehydration) CO_2 흡착도를  동시에 떨어뜨려 수분을 배제한 CO_2만 선택적으로 뽑아낸다. (Flue gas 의 산성 따라, 초기의 Acid gas removal과 TEG dehydration이 기술적 장벽일 것으로 보인다.) 이 때 질소산화물 배출이 되는데, 공정에 SCR을 설치한다는 내용도 같이 발표했었다. 질소산화물 배출 총량 때문에 고민이 될 수도 있을 듯 하다. (대기통합법 등등)

 

이산화탄소를 선택적으로 뽑아 낸다고 해도, 불순물이 있게 마련이다. T.EN의 Treatment 를 그대로 사용할 지는 모르겠으나, 그 뒤로 Liquefaction을 한다면, 보관 까지는 어렵지 않게 가능 할 것 같다.

 

이 다음 Utilisation은 직접 아는 바 없어서 기사를 찾아 보니, .

 

태경케미칼에 "음료용 탄산" 또는 "드라이아이스용 탄산"으로 납품 - 영국의 타타케미컬에서 탄산나트륨으로 만들어 수입하고 공급하는 중이다. 따라서 수량 확대는 어렵지 않을 듯 하다. 이 방식이 되려면, 마찬가지로 탄산 나트륨으로 만들어 납품하는 형태가 될 수도 있다.

LG 케미토피아 블로그

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이런 방식으로 생산한  Blue Hydrogen 을 어디에 쓰냐고?

아마도 Green Hydrogen 기술이 완성 될 때 까지, 당신 주변의 수소전기차 충전을 담당할 것 같다.

 

Blue Hydrogen의 기술 개발을 탐탁치 않게 여기는 사람들도 많다. 여전히 석유화학공정이 필요하고, 탄소 이외의 다른 가스 배출은 유지되며, 수소 판매 단가를 낮출 때 까지 시간이 걸리기 때문이다. 

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- 개인의견

 

전기차와 수소차의 개발 의의는 미래 확장성이다. 이들을 "현재의 LCA"로 비교해서는 안된다.

현재의 LCA로 비교하는 전기차 수소전기차의 탄소배출은, 상황에 따라 내연기관차의 탄소배출량보다 많게 측정될 수 있다. 그 가능성을 염두에 두지 않은 것은 아니다. 다만,

"내연기관"에 머물러서는 탄소배출량을 미래에 급격히 줄일 방법이 "전혀" 없다는 점을 알아야 한다. 무언가를 소형기관에서 "태워서(burn)" 동력을 만드는 시대에서 "탄소배출"을 포함한 "질소산화물, 황산화물" 등의 Dust 를 피할 방법 또한 없다. 심지어 그들은 내가 가는길을 가기 때문에 내가 피할 수도 없다.

 

전기차와 수소전기차에 언급 한 것 처럼, 신재생에너지와 수소 경제의 필요성은 "미래 확장성"이다. 현재의 원가, 현재의 배출량, 현재의 관리 체계로 접근하는 것은 사람들을 꽤나 호도 하는 상황을 만들 수 있다. 미래에 "탄소배출"이라도 급격하게 줄일 수 있는 방법 중 가장 가능성이 높은 에너지는 어쨌든 "전기"이며, ESS의 "수소전지화" 작업은 "수소 보관 방법"의 개발과 "무탄소배출 수소 제조"의 개발에 따라 "배출량이 0으로 수렴할 수 있는 몇 안되는 방법이다.

 

경제논리, 무역장벽논리는 어쨌든 유효하고, 기술 발전이 얼만큼 이 장벽을 낮춰 줄 지는 아무도 모른다.

다만, 현재를 겨우 살고 있는 "기성세대 (노친네)"들이, 미래세대의 확장 가능성을 경제논리로 가치 절하하는 행동을 하지 않았으면 좋겠다. "그거 왜 하느냐"고 말하지 않는 것만 해도 훌륭하다. 미래 세대에 살지 않을 사람들은 제발 그들이 알아서 하도록 가만히 두자. 방해하지 말고.

 

-fin-