[UK BEIS Hydrogen Production Costs 2021 번역] #5 수소생산기술

본 장에서는 Element Energy가 2018년 말에 BEIS를 연구를 수행하면서 취득한 정보를 기반으로 함

 

 

1. CCUS - 메탄개질

 

SMR with CCUS(탄소포집 및 이용, 저장 설비(CCUS)가 있는 증기메탄 개질기)

• 증기메탄개질기(이하 SMR)는 천연가스에 고온증기를 가하여 CO와 수소가 혼합된 합성가스를 생산한 후 생산된 수소에서 CO2를 분리하는 공정임
• 보고서는 SMR 플랜트가 74%(HHV)의 변환 효율을 달성한다고 가정함
• 해당 공정의 CO2 배출 경로는 2곳이며 총 CO2 포집율은 90%임
• 첫 번째 경로는 개질 반응에서 수소와 함께 생성되는 CO2이고, 두 번째는 고온 증기를 제공 시 외부 열원에 의한 CO2임
• CO2 포집 과정은 전자의 경우 간단하나 연료 연소에서 CO2 포집은 질소와 분리되가 필요하여 상대적으로 포집이 어려움
• 전체 경로를 통해 포집되는 CO2는 총 배출량의 90% 수준임
• 일반적으로 100MW 규모의 설비가 주로 활용되나 본 보고서는 규모의 경제 효과를 보여주기 위해 2020~2050년 300MW 및 1,000MW 예시 또한 활용함
• 또한, 비교를 위해 LCOH를 추정하나 CCUS가 포함된 SMR은 CO2 운송 및 저장 인프라가 구축된 후에만 실제 적용이 가능함
• 기술수명은 40년으로 가정함

 

 

 

ATR with CCUS(탄소포집 및 이용, 저장 설비(CCUS)가 있는 자열개질 반응기)

• ATR(자열 개질기)은 SMR과 달리 '자체 가열'(자열) 방식으로 천연가스 일부를 연소시켜 흡열 개질 반응을 위한 열을 생성함
• 부분 연소를 위해 질소가 포함된 공기 대신 산소가 주로 활용되는 바, 이를 위해 추가 ASU(공기 분리 장치)가 필요하고 가동을 위해 추가 전력수요가 발생함
• 단, 연소 후 질소에서 CO2를 분리할 필요가 없어 비용이 상대적으로 낮음. 또한, 일부 전력은 개질기에서 나오는 수소와 CO2 혼합물 열을 통해 생성된 전기를 활용하기도 함
• ATR은 SMR 대비 높은 변환 효율을 가지며 CO2 배출경로가 한 가지만 있어 SMR보다 더 높은 CO2 포집률을 달성 가능
• 본 보고서는 84%(HHV)의 변환 효율과 95%의 CO2 포집률을 가정함
• 고온 열처리로 인해 ATR의 출력을 쉽게 켜고 끌 수 없으나 SMR과 달리 상승 및 하강하는 능력이 있으나 전해조보다 훨씬 느림
• 따라서 ATR은 일년 내내 일정한(보통 높은, 최대 95%) 부하율로 작동하는 생산됨
• 해당 기술은 100MW 설비용량이 가장 보편적이나 규모의 경제를 보여주기 위해 본보고서 추정에서는 300MW 및 1000MW도 반영함
• 기술의 기술 수명은 40년으로 가정함

 

 

ATR+GHR with CCUS(탄소포집 및 이용, 저장 설비(CCUS)가 있는 가스 가열식 리포머가 있는 자열개질 반응기)

• 가스 가열 개질기(GHR)는 메탄 개질기, 일반적으로 ATR에 추가되어 플랜트의 전체 전환 효율을 향상시키는 기술임
• ATR은 합성가스를 생산하기 위해 천연가스와 산소를 결합하고 CO2 배출량의 96%까지 쉽게 포집가능한 기술이며 86%(HHV)의 변환 효율^[1]을 가진다고 가정함
• GHR 공정은 개질기에서 나오는 수소와 CO2 혼합물의 열을 전기 생산에 사용할 수 없는 바, 외부전력에 의존하여 공정이 수행됨
• 표준 ATR과 마찬가지로 고온 열 공정은 ATR+GHR을 전해조에 비해 기동성은 낮으나 기동성 부하를 조절할 수 있는 역량을 가지고 있음
• 기술의 기술 수명은 40년으로 가정함

 

 

2. 전기분해

 

전기분해는 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 과정임

• 100MW 규모로 다양한 크기의 전기분해 장치 또는 플랜트를 건설할 계획이 있으며 이는 작은 스택을 병렬로 연결하여 구성됨
• 현재 표준 스택 크기는 5MW임

 

 

알칼리 전기분해

• 알칼리 전기분해는 약 90년간 운영된 성숙한 기술임
• 알칼리 전기분해는 물과 액체 전해질로 구성된 용액과 두 전극으로 구성되며 물은 수소와 산소로 분리됨
• Alkaline의 전기 변환 효율은 2020년 77%에서 2050년 82%로 증가할 전망임
• 알칼리 전기분해는 메탄 개질에 비해 기동성이 높으나 PEM(Proton Exchange Membrane)과 같은 다른 전해조 기술과 비교할 때 변동성 높은 재생에너지에 대한 응답속도가 느리다는 단점이 있음
• 즉, 재생 에너지원의 적용 시 기술적 어려움 및 비용이 상대적으로 높음
• 본 보고서는 계통 연결 및 전용 전원 및 출력제한 등 다양한 경우를 가정하며 각 가정 별로 부하계수(Load Factor)가 상이함.
• 본 보고서에서는 설계수명이 30년이며 10MW의 설비용량(더 작은 스택으로 구성)의 알칼리 전기분해 설비를 가정함

 

 

이온 전도성 고체 폴리머(Proton Exchange Membrane electrolysis)

• PEM(Proton Exchange Membrane)전기분해는 이온 전도성 고체 폴리머를 사용하여 물을 분해하여 수소를 생산하며 2020년 72%의 2050년에 최대 82% 에너지효율을 달성하는 것으로 가정함
• PEM은 급전 등에 신속하게 대응가능한 바, 재생에너지 활용에 적합함
• 저탄소 수소 생산을 위한 전용 풍력 발전소 또는 그리드에 대한 신속한 응답 제공과 함께 사용하는 데 이상적임
• Alkaline의 경우와 마찬가지로 이 보고서는 계통 연결, 전용 전원 및 축소된 전기를 포함한 다양한 경우를 가정함
• 또한, PEM 전기분해의 설계수명은 30년이며 설비용량은 10MW(더 작은 스택으로 구성됨)으로 가정함

 

 

고체 산화물 전기분해(Solid Oxide Electrolysis)

• 알칼리 및 PEM 전기분해는 모두 저온 전기분해인 반면, 고체 산화물 전기분해(SOE)는 고온 전기분해(섭씨 ~500도)를 사용함
• SOE는 아직 상업적으로 널리 이용되진 않으나 향후 대규모로 활용가능한 잠재기술로 분류되어 본 보고서에 포함됨
• SOE의 주요 장점은 온도가 높을수록 전기분해가 더 효율적이라는 점임
• 보고서는 2020년에 74%의 변환 효율을 가정하고 2050년에 최대 86%를 가정함
• 또한 폐열을 통해 온도를 생성할 수 있다면 100% 이상의 전기 효율을 달성 가능
• 본 보고서는 폐열 비용을 단순함을 위해 £0/MWh으로 가정하였으나 실제로는 폐열 비용이 더 비쌀 것으로 예상됨
• SOE의 미래 활용방안 중 하나는 원자력과 연계하는 방법임
• 2020년에서 2050년까지 30년 수명의 10MW 설비용량의(더 작은 스택으로 구성) SOE를 가정하였으나 현재는 MW 규모의 SOE는 현실에 적용되지 않음

 

 

CCUS - 바이오매스

• 바이오매스를 통한 수소 생산은 가스화 및 수소분리로 구분됨
• 가스화는 석탄이나 바이오매스와 같은 고체 공급원료를 공기, 산소 또는 증기를 포함하는 감소된 농도 대기(연소를 피하기 위해)에서 가열하여 합성 가스(합성 가스)를 생성하는 기술임
• 본 과정을 통해 생산된 합성가스에서 수소를 분리함
• 바이오매스 공급원료는 목적 재배 목본 작물(예: 밤나무), 목적 재배 초본 작물(예: 목초), 농업 폐기물, 상업 폐기물 및 건조 하수 폐기물을 포함한 거의 모든 유기 물질을 포함되나, 본 보고서에서는 단순화를 위해 바이오매스 목재 펠릿만을 공급원료로 가정함
• 바이오매스와 CCUS는 일반적으로 활용되는 기술은 아니므로 FOAK 프로젝트를 기준으로 비용을 추산함
• CCUS를 사용한 바이오매스 가스화 기술은 FOAK(First-Of-A-Kind) 프로젝트를 중심으로 비용을 추산함. 이는 FOAK와 NOAK(Nth-Of-A-Kind) 프로젝트를 구분할 만한 충분한 데이터가 없기 때문임
• 해당 기술의 주 설비용량은 100MW 규모이나 규모의 경제를 강조하기 위해 59MW와 473MW의 예시 또한 다룸
• 기술 수명은 30년으로 가정함

 

 

3. 그 외 기술

 

천연가스 부분산화(POX) 또는 수착강화개질(SER)을 사용한 소형수소생성(CHG)과 같은 최신 기술 또한 존재함

• 이러한 기술은 이전 기술에 비해 탁월한 효율성을 달성 가능함

 

 

단, 해당 기술은 아직 개발 단계인 바, 본 보고서에서는 고려되지 않음

 

 

저탄소 수소표준에 대해 E4tech 및 Ludwig-Bölkow-Systemtechnik(LBST)의 보고서에서 다룬 일부 기술은 본 보고서의 LCOH 추정시 고려되지 않으나 향후 이를 고려하여 추가적인 추정이 필요함

• 여기에는 잔류 혼합 폐기물을 공급원료로 사용하는 CCUS 가능 가스화, 음식물 쓰레기에서 생성된 바이오 가스를 사용하는 CCUS를 사용한 가스 개질 및 물과 소금에서 부산물로 H2를 생성하는 전해 공정인 클로르-알칼리 공정이 포함됨

---

[1] Jacobs가 2018년에 수행한 시뮬레이션 추정치를 기반으로 하며 GHR이 실증을 통해 입증되지 않은 바, 실제 효율 데이터는 아님. ATR에서 나오는 뜨거운 가스가 GHR에 들어갈 때 천연 가스와 증기의 혼합물을 가열하는 데 사용되기 때문에 높은 효율 달성이 가능함. GHR은 합성 가스(CO, CO2 및 H2), 미반응 메탄 및 증기의 혼합물을 생성하기 위해 부분적으로 개질됨.

 

 

---

[죽림다원] 매화차(7g)

[죽림다원] 매화차(7g) : TINGE OF SOUL