일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2020.12.25

수소 이용, 우선은 그레이 수소로 발판 다지기
일본 기업, 차기를 노리고 물분해 장치에 속속 참여

대량의 수소 이용이 시작되면, 다음으로 중요해지는 것은 그 수소는 어떻게 만들어지는가, 그리고 충분한 양을 확보할 수 있는가 이다. 전세계적으로 수소를 생산할 때 CO₂를 배출하느냐 하지 않느냐에 따라 이름에 ‘색’을 붙여 불러왔다.

구체적으로는 수소를 생산할 때 많은 CO₂를 배출하는 경우는 ‘그레이 수소’, 배출하는 CO₂를 대부분 회수해 저장하는 경우는 ‘블루 수소’라고 한다. 그리고 CO₂를 처음부터 거의 배출하지 않는 방법, 예를 들면 재생에너지로 물을 전기분해(수전해)해서 수소를 발생시킬 때는 ‘그린 수소’라고 부른다. 아직 기술의 실용성에 대해서는 명확하게 밝혀지지 않았지만 천연가스의 개질로 CO₂를 배출하지 않는 방법도 등장하기 시작했다. 미쓰비시중공업은 이를 ‘청록 수소(Turquoise Hydrogen)’라고 부른다.

만약 화력발전소에서 사용하는 대량의 수소가 그레이 수소라면, 발전소에서 CO₂가 배출되지 않아도 실질적으로는 대량의 CO₂를 배출하고 있는 것이 된다. 그럼에도 불구하고 국내의 어느 에너지기업은 처음에는 수소사회 실현의 기폭제 및 촉진제로서 그레이 수소를 이용하는 것도 어쩔 수 없다고 말한다. 또한 “우선은 수소를 유통시스템에 올리는 것이 중요하다. 그 후에 블루 수소를 늘리겠지만 최종적으로는 모두 그린 수소가 된다”라고 설명한다.

아울러 현재 일본에서 사용되고 있는 수소는 약 135만 톤 전후다. 가성소다(NaOH)를 생산할 때 얻어지는 수소 이외의 발생 프로세스에서는 CO₂를 배출하는 것으로 보이기 때문에 대부분이 그레이 수소가 된다.

수소의 양을 확보하기 위해 경제산업성 산하의 신에너지산업기술총합개발기구(NEDO)가 호주의 갈탄 개질을 통해 생산하려 하고 있는 수소도 처음에는 그레이 수소다. NEDO는 CO₂ 회수를 통해 블루 수소로 할 계획이라고 말하지만 실증실험에서는 아직 비용이 상당히 비싸다. 목표 비용이 가능해지는 것은 22년 이후가 될 것으로 보인다.

-- 수전해 장치에 일본 기업이 속속 참여 --
그린 수소를 제조하는 수전해 시장에서는 현재 노르웨이나 독일 기업이 군림하고 있지만 앞으로는 일본 기업도 활약할 것으로 보인다. 예를 들면 미쓰비시파워는 고체산화물연료전지(SOFC)를 역으로 돌리는 방법으로 수전해 모드(SOEC)가 되는 기술을 개발하고 있다. 미쓰비시파워의 모회사인 미쓰비시중공업은 노르웨이의 HydrogenPro에 출자했다. 도시바에너지시스템즈는 지금까지 고체고분자막(PEM)형 수전해 장치가 중심이었지만 SOEC도 전개하기 시작했다.

장치의 규모를 무기로 시장을 확보하려는 국내 업체도 나오기 시작했다. 아사히카세이다. 아사히카세이는, NEDO 등이 후쿠시마현 나미에초에 설치해 20년 7월에 본격 가동시킨 그린 수소 제조시설 ‘후쿠시마수소에너지연구필드(FH2R)’에, 가동 사례로서는 세계 최대 규모인 10MW급의 알카리 수전해 장치를 납품했다. 최대 1200Nm3/시(108kg/시)의 수소를 생산 가능하다고 한다.

아사히카세이는 이 그린 수소 사업이 앞으로 급속하게 확대할 것으로 보고 있다. “당사의 10MW의 수전해 장치는 1유닛으로서도 세계 최대다. 경쟁 타사에는 보다 큰 장치도 있지만 작은 (2M～4MW급의) 유닛을 복수 조합한 것이다. 당사는 전체로서 100MW나 그 이상의 규모도 상정해 10MW급 유닛을 개발했다”(아사히카세이 연구∙개발본부 다케나카(竹中) 기술정책실장).

-- CO₂ 프리의 천연가스 개질 기술이 실용화? --
천연가스(CH₄)의 개질을 통한 H₂ 생산은 지금까지 CO₂의 대량 배출을 피할 수 없었다. 그러나 CO₂ 대신에 공업적으로 가치가 있는 카본 재료를 직접 얻을 수 있는 천연가스 개질 기술이 등장하기 시작했다. 게임체인지가 될 수 있는 기술이다.

이 기술은 CH₄를 무산소하에서 열분해하는 것이다. 반응식은 CH₄→2H₂+C로 매우 단순하지만, 지금까지 실용화되지 못한 이유는 1400℃라는 고온으로 해야 했기 때문이다. 아이디어 없이 이렇게까지 고온으로 하면 대량의 전력이 필요하게 되고, 얻어진 H₂의 열량을 웃돌아 에너지를 추출할 수 없게 되고 만다.

상세한 내용은 밝히지 않고 있지만 미국 Monolith Materials는 이 과제를 플라즈마 열분해라는 방법으로 해결했다고 한다. 이미 양산 플랜트도 가동 중이다. 미쓰비시중공업이 20년 12월에 Monolith Materials에 출자했다고 발표했다.

실은 CH₄의 열분해에 주목하는 일본기업은 많다. IHI는 집광한 태양열을 열원으로 사용하는 연구를 추진하고 있다. 치요다화공건설은 호주 Hazer가 개발한 기술을 일본에서 전개하는 계약을 20년 2월에 체결했다. Hazer가 개발한 기술은 촉매로서 철광석을 사용함으로써 카본 재료로서 그래파이트(흑연)를 얻을 수 있다고 한다. “팔리는 재료를 생산함으로써 경제성이 성립된다”(치요다화공건설).

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