> 기획/특집
[기획] 초고온가스로 및 원자력수소기술개발 현황수소환원제철 기술 상용화시 대규모 수소시장 형성
i가스저널  |  webmaster@igasnet.com
폰트키우기 폰트줄이기 프린트하기 메일보내기 신고하기
승인 2012.08.06  
트위터 페이스북 미투데이 네이버 구글 msn
   
 
화석연료 자원 고갈로 인한 고유가와 온실가스 배출로 인한 환경문제가 전 세계적인 핵심 쟁점이 되고 있는 가운데 미래 청정에너지원인 수소와 이를 바탕으로 한 수소경제가 미래의 에너지의 중심축으로 큰 관심을 받고 있다.

수소는 지구 어디든 존재하지만 석탄, 석유, 천연가스와 달리 자유롭게 떠다니는 것이 아니라 화석연료나 물로부터 온실가스배출 없이 에너지를 생산해 수소를 분리해야 진정한 가치를 가진다. 그동안 수소를 생산하기 위한 다양한 방법들이 연구돼 왔지만 에너지와 환경이라는 두가지 문제를 동시에 해결할 수 있는 가장 효율적인 후보 가운데 하나가 원자력이다.

특히 초고온가스로에서 생산되는 고열을 이용하면 전기분해에 비해 효율적으로 수소를 대량으로 생산할 수 있다.

제4세대 원자로 중 안전성이 가장 우수한 것으로 평가된 초고온가스로는 900℃이상의 고열을 생산해 열화학적인 방법 혹은 고온전기분해방법으로 물을 분해하여 온실가스 배출 없이 경제적인 안전한 방법으로 대량의 수소를 생산할 수 있다. 또한 기술이 성숙된 고온가스로(출구온도 750℃)는 현재 고온 열/증기 공급시장 및 향후 증가될 합성 연료 생산에 이용 가능하고, 화석연료를 온실가스 배출 크게 감소한 에너지원으로 대체할 수 있다.

이에 이번호에서는 최근 한국원자력연구원 수소생산원자로기술개발부 김용완 부장이 발표한 내용을 토대로 기술개발이 한창인 원자력수소의 시장을 살펴봄과 동시에 초고온가스로에 대해 자세하게 살펴보기로 한다.

<편집자 주>

■ 원자력수소 시장 전망

원자력 수소시장에는 현재의 정유, 화공산업, 연료전지뿐만 아니라 향후 크게 수요가 급증할 것으로 예측되는 수소환원제철 등이 해당된다.

21세기에 들어서면서 미국은 온실가스 감소 및 화석연료 대체를 위해 수송 부문과 휴대 및 분산전원 용 연료전지의 확대를 위해 수소경제를 주창했고 이어 선진 여러 나라들이 수소경제 실현을 위해 많은 기술연구와 투자를 진행해 왔다. 하지만 최근 들어 하이브리드 자동차 와 전기자동차 개발 등으로 수소 관련 단기적인 연구는 주춤하고 있는 것이 사실이다.

미국의 경우 수소경제를 전체에너지의 28%를 소모하는 운송수단시장에 연료전지자동차를 사용한다는 전제에 크게 기초하고 있다.

한국의 경우 운송시장은 국내 에너지시장의 14%로 미국에 비해 낮은 편이며 오히려 산업체의 에너지가 큰 편에 속한다. 특히 미국에는 원광석 제철산업이 없지만 우리나라는 대규모 포항제철소나 현대재철이 존재해 또 다른 양상을 띌 수밖에 없는 구조이다.

제철산업은 원광석(산화물형태로 존재. Fe2O3, Fe3O4 등)에서 산소를 떼어내는 환원제로 탄소(유연탄)를 사용하고 있고 1톤 조강에 약 2톤의 이산화탄소(CO2)가 배출되고 있다. 그러나 환원재로 수소를 사용할 경우 이산화탄소의 배출은 거의 없어지고 대신 수증기가 배출되게 된다. 때문에 정책적으로 수소시장을 고려할 때 수송 분야에 관심이 큰 미국과 다를 수밖에 없는 것이다.

따라서 미국과 달리 한국은 수소자동차나 연료전지자동차가 지배적인 수소경제의 도래가 지연돼도 제철산업 등에서 수소경제의 연료전지시장 규모에 해당하는 대규모의 수소시장이 있기 때문에 조속한 수소생산기술 개발을 통해 산업에 활용하는 것이 매우 중요하다.
이처럼 미래의 수소환원 제철공정은 철광석에서 수소를 사용해 산소를 제거하기 때문에 CO2 배출 없이 물이 배출되는 청정체철 공정이라 할수 있다.

지난해 이러한 수소환원제철기술을 개발하기 위해 우리나라는 철강회사 컨소시엄이 ‘CO2 free 차세대 제철기술’이라는 사업을 계획하며 KISTEP에서 예비타당성평가를 완료한 바 있다. 또 이웃나라 일본은 ‘COURSE 50’ 프로그램을 통해 수소환원제철 개발 및 2050년까지 제철산업 CO2 배출 50% 삭감을 목표로 하고 있다. 유럽 연합도 ‘ULCOS’ 프로그램을 통해 수소환원제철, 배기가스 재사용 등으로 제철산업 CO2 배출 50∼60%를 삭감할 계획에 있다.

전문가들은 제철산업의 수소 수요는 집중된 공간에서 대량의 수소가 소모되기 때문에 운송 및 저장 비용 감소를 위해서 원자력수소를 활용하는 방안을 강구하고 있다.

현재 국내외의 수소수요와 단기적인 전망은 <표-1>과 같다. 석유화공산업에서 95%이상의 시장을 형성하고 있으며 천연가스수증기개질 나프타분해 등으로 생산하고 있다.

에너지경제연구원에서 지난 2010년 예측한 우리나라의 수소시장은 <표-2>와 같다. 이는 현존하는 연간 100만톤/년의 수요와 잠재적인 수소환원제철산업의 수요를 제외한 운송, 분산전원 등의 신규수요를 전망한 것이다.

수소환원제철이 완전 상용화되면 철강생산기준 연간 3,000만톤(‘08)으로 연간 160만톤의 수소가 필요하며 이는 초고온가스로 16GWt (UAE 수출원자로 크기 기준 약 4기)규모가 필요하다. 특히 이를 통해 온실가스는 연간 6,000만톤 이상 감축할 수 있게 되며 에너지 비용을 제외하고 탄소세(현재 20유로/톤 추정)만 고려해도 약 2조원이 절감될 수 있다.

산업용 공정열 시장

고온가스로 및 초고온가스로의 열을 산업용 공정열로 이용할 수 있는 산업분야를 온도 범위로 분류하면 석유정제(250~550℃), 석탄액화 및 가스화(400~900℃), 메탄올 등 합성연료 생산을 위한 수증기 개질(500~900℃), 유사 및 혈암 처리를 위한 고온증기 생산(300~600℃), 해수담수화(80~200℃) 등으로 다양한 분야에 사용할 수 있다.

수증기 개질이란 천연가스, 메탄, 가솔린 등과 같은 탄화수소를 수증기를 이용해 수소와 일산화탄소의 혼합물(Syngas)로 전환하는 것이다. 수증기 개질반응은 촉매를 사용하는 흡열반응으로 대략 온도 750℃, 압력 30bar 전후에서 진행돼 고온가스로의 열을 활용하기에 매우 적합하며 이 공정은 현재 수소를 생산하기 위한 공정으로 많이 활용되고 있고 메탄올 등 대부분의 합성연료생산을 위한 초기 공정으로 분류된다.

일본원자력연구개발 기구(JAEA)는 2000년대 초반에 고온가스로의 열을 이용해 천연가스 수증기개질공정에 공급하는 Mockup 실험을 성공적으로 수행한 바 있다. 이는 석탄을 가스화해 수소와 일산화탄소 혼합물인 Syngas를 생산하고 이를 액화시켜 메탄올이나 디메틸에테르(Dimethylether)등을 생산하는 공정으로 높은 온도의 공정열을 필요로 하며 고온가스로의 열을 이용할 경우 많은 화석연료를 대체할 수 있다.

새 유전 개발의 둔화 및 기존 유전의 고갈 등으로 2020년 이후에는 기존의 방법에 따른 석유 및 가스 공급 확대가 어려워질 것으로 예상 되고 있는 가운데 일반적인 유전유에 비해 탐사와 개발여건이 매우 나빠 관심 밖이던 사암유, 혈암유와 중질원유에 대한 개발 수요가 크게 늘어날 전망이다. 사암으로 부터 석유 적출 방법으로 가장 유력한 방법은 1969년 Imperial Oil사의 기술자인 Roger Butler가 개발한 SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage) 공정이다. SAGD 공정은 300~600℃ 및 20~40기압의 고온 고압 증기를 사암층에 직접 주입하여 오랜 기간 사암을 가열해 함유 석유의 점도를 낮춰 흐르도록 해 이를 파이프를 통해 지상으로 끌어올리는 방법으로 고온가스로를 사용해 고온, 고압의 증기를 생산, 주입하기에 적합하다. 고온가스로는 출력 규모가 400~600MWt로 산업체 열공급시스템에 적합하다. 특히 고온가스로가 가지는 고유안전성은 공정사업자 뿐만 아니라 대중 수용성에 강점이 있어 시장진입이 용이하다. 북미의 경우 화공, 저급석유채굴, 혹은 석탄액화시장의 85%를 원자력으로 대체할 경우 500MWt 원자로 약 310기 필요하다. 국내에서는 ‘09년 결성된 원자력수소협의체에서 산업체와 공동으로 조사한 결과에 의하면 <표-3>과 같다.

화공, 정유산업의 공정열의 100%를 원자력으로 전환 가정 할 경우 약 50GWt의 원자로가 필요하며 이 경우 연간 1억2,000만톤의 이산화탄소 배출을 감축할 수 있다.....
i가스저널의 다른기사 보기  
폰트키우기 폰트줄이기 프린트하기 메일보내기 신고하기
트위터 페이스북 미투데이 네이버 구글 msn 뒤로가기 위로가기
이 기사에 대한 댓글 이야기 (0)
자동등록방지용 코드를 입력하세요!   
확인
- 200자까지 쓰실 수 있습니다. (현재 0 byte / 최대 400byte)
- 욕설등 인신공격성 글은 삭제 합니다. [운영원칙]
이 기사에 대한 댓글 이야기 (0)
가장 많이 본 뉴스
1
[COMPANY NEWS] 효성화학, 특수가스사업부 소수지분 매각 추진
2
Linde, 분기 배당금 9% 확대
3
日 TNSC·Iwatani, 산업용가스 가격 두자릿수 인상
4
[생각하는 글] 불행은 ‘행복’ 옆에 있다.
5
Air Liquide, 글로벌파운드리에 고순도 질소 공급
6
가스안전公, ‘수소제품시험평가센터’ 개소
7
가스안전公 경기지역, 간부 간담회 및 가스안전캠페인 실시
8
범한퓨얼셀, 초고압 액체수소펌프 독점 공급계약 체결
9
[Click] 통합 바이오가스화 사업 대상 지자체 8개 선정
10
에기硏, “건물 에너지 관리 걱정 그만” 고장까지 실시간으로 관리한다
회사소개기사제보광고문의불편신고개인정보취급방침이메일무단수집거부청소년보호정책
회사 : i가스저널 | 제호 : 온라인가스저널 | 등록번호 : 서울, 아53038 | 등록일자 : 2020년 5월 7일 | 발행인 : 이락순 | 편집인 : 김호준
주소 : 서울시 강서구 마곡중앙4로 18 마곡그랑트윈타워 B동 702호| 전화번호 : 02-2645-9701 | 발행일 : 2020년 5월 7일 | 청소년보호책임자 : 이락순
Copyright © 2004 아이가스저널. All rights reserved.