수소란?

Korea Hydrogen Industry Association

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수소 정보

수소 원자
  • 주기율표의 가장 첫 번째(1족 1주기) 화학 원소
  • 원소기호: H , 원자 번호: 1
  • 수소원자는 지구상에 9번째로 풍부하며, 질량기준으로 우주의 75%를 구성
  • 수소원자는 가장 가볍고 무색의 원자이며, 1족 원소로서는 유일한 비금속 원소
  • 동위원소로 중수소와 삼중수소가 있음
  • 수소는 ‘물의 재료’로 독일의 Wasserstoff에서 유래
  • 두 개의 수소원자가 산소 원자와 결합해 물을 구성하는 원소
  • 석유와 석탄에는 탄화수소 형태로 있음
기체수소의 일반 물성
기체수소의 일반 물성
물성 단위 수소 메탄 프로판
화학식 H2 CH4 C3H8
분자량 2.0158 16.043 44.096
비중 공기=1 0.0695 0.55 1.52
가스밀도(상압, 20℃) ㎏/㎥ 0.0838 0.651 1.87
액체밀도(상압, 끓는점) ㎏/㎥ 70.8 422.4 582
임계온도 K 32.97 190.53 369.82
임계압력 MPa 1.293 4.604 4.250
임계밀도 ㎏/㎥ 30.1 162.8 217.0
끓는점 K 20.28 111.67 231.0
녹는점 K 13.81 90.69 85.46
삼중점 온도 K 13.8 90.694 85.5
증발잠열(끓는점) J/g 445 510.83 426
융해잠열(삼중점) J/g 58.2 58.5 95.0
정압비열(Cp)(상압,25℃) kJ(㎏·K) 14.4 2.31 1.67
정용비열(Cp)(상압,25℃) kJ(㎏·K) 10.2 1.72 1.46
점도(상압,20℃) Pa·s 8.8×10-6 10.8×10-6 8.1×10-6
열전도율(상압,20℃) W(m·K) 0.182 0.034 0.021(50℃)
총발열량/고발열량
GCV/HHV
MJ/㎥ 12.8 40.0 101.9
MJ/㎏ 142 55.9 51.8
진(眞)발열량/저발열량
NCV/LHV
MJ/㎥ 10.8 35.9 93.6
MJ/㎏ 120.0 50.1 47.6
발화온도(점) 공기중 : 572
산소중 : 450
공기중 : 580 공기중 : 460
가연한계 vol% 공기중 : 4.0~75.0
산소중 : 4.5~94.0
공기중 : 5~15
산소중 : 5~60
공기중 : 2~10
산소중 : 2~53
폭굉한계 vol% 공기중 : 18.3~59
산소중 : 15.0~90
공기중 : 6.5~12 공기중 : 2.6~7.4
질소와의 상호확산계수
(상압,20℃)
㎠/s 0.666 0.214
음속(0.101MPa,25℃) m/s 1,308 449 724(0.101MPa)
최소착화 에너지 mJ 0.02 0.28 0.25
소염거리 cm 0.064 0.22
폭발시 에너지 MJ/㎥ 9.3 32.3 94.3
이론혼합비(공기중) vol% 29.53 9.48 4.03
화염온도 공기중 : 2,045
산소중 : 2,660
공기중 : 1,875 공기중 : 2,112
연소속도(화학양론농동)
(0.1MPa)
m/s 공기중 : 2.65
산소중 : 14.36
공기중 : 0.4
산소중 : 3.9
공기중 : 0.43
산소중 : 3.9
물의 용해도(상압,20℃) ㎖(g)/ℓ 18.2 33 35.6

참고: D.R.Lide : CRC Handbook of Chemistry and Physics, 74th Ed., CRC Press, 2000.

수소에너지 필요성
수소에너지란?

수소분자 H2가 산소분자 O2와 반응하여 물 H2O가 될 때 방출하는 에너지를 말합니다. 수소에너지 H2 1몰(mol)당의 값은 H2 1몰과 O2 1/2몰이 갖는 에너지와 H2O(액체) 1몰이 갖는 에너지의 차로, 1atm, 25℃일 때 표준 엔탈피변화로 -285.830kJ , 표준 기브스(Gibbs)에너지 변화로 -273.183kJ입니다.

수소는 가까운 미래의 이상적인 에너지로 수소에너지를 중심으로 수소사회가 실현될 것이라 전망하고 있습니다. 수소사회는 수소가 에너지원의 중심으로 이용되어 모든 지역에 수소가 보급되어 이용·가능한 사회로, 수소를 연료로 수소전기차를 이용하고, 수소를 연료로 연료전지발전을 통해 전기와 온수를 가정, 건물, 공장에 공급하는 사회를 말합니다.
이처럼, 수소에너지는 청정한 무공해 에너지원이며, 수소를 전기로 변환하는 청정·고효율의 연료전지가 가능하기 때문에 수소에너지는 이상적인 에너지원입니다.

수소생산 기술

[ 수소생산 기술의 분류 ]

참조 : 2016년 신·재생에너지 백서

수소생산 기술의 분류
구분 방법 원료 에너지원 기술수준
화석연료 이용 수증기 개질 천연가스, LPG, 나프타 상용
이산화탄소 개질 천연가스 -
부분산화 중질유, 석탄 상용
자열개질 천연가스, LPG, 나프타 상용
직접개질 천연가스 상용
비 화석연료 이용 전기 분해 전기 상용
열화학 분해 고온열(원자력, 태양열) 연구중
생물학적 분해 물 또는 바이오매스 열, 미생물 연구중
광화학적 분해 태양광 연구중
개질기술

화석연료를 개질하여 수소를 추출하는 데는 일반적으로 수증기나 산소를 첨가하여 촉매 상에서 접촉분해하는 방법이 이용된다. 대표적인 개질 방식에는 수증기 개질방식, 부분산화방식, 자열개질방식이 있습니다.
수증기 개질방식은 탄화수소를 수증기와 반응시켜 물에 함유된 수소를 추출하는 방식으로 생성 중에 CO2의 생성비가 낮고 일정량의 탄화수소로부터 많은 양의 수소를 얻을 수 있다는 장점이 있지만 공정 온도가 750℃ 전후로 높아 에너지 소비가 많다는 단점을 가지고 있습니다.
CH4+H20 → CO + 3H2 메탄을 이용한 수증기 개질반응식
부분산화방식은 발열반응으로 외부가열이 불필요하며, 소정 온도에 도달할 때까지 가동시간을 단축할 수 있으나, 공기를 산소원으로 할 경우에는 질소 혼입에 따라 수소농도가 저하되는 단점이 있습니다.
CH4+1/2O2 ↔ CO + 2H2 원료가 메탄일 경우 반응식
CH4+2O2 ↔ CO2 + 2H2O 원료가 메탄일 경우 반응식
자열개질방식은 부분산화반응과 수증기개질반응의 2가지 반응에 의해 수소를 생산하는 방식이며, 부분산화방식의 좋은 가동성과 수증기개질방식의 효율성을 조합한 방식입니다.

[ 개질기술 구분 및 특성 ]

개질기술 구분 및 특성
구분 수증기개질 자열개질 부분산화
첨가제 수증기 산소(공기) 산소(공기)
반응 수증기개질방식 수증기개질반응과
부분산화반응
부분산화반응
가동성 느리다 빠르다
반응의 크기 크다 작다
개질 가스내의 수소농도 높다 낮다(공기 사용시)
온도제어성 쉽다 어렵다
수전해 기술

물을 전기분해하여 수소를 얻는 수전해 기술은 매우 고순도의 수소가 생산되며, 환경오염이 적다는 장점이 있으나, 고가의 전력비용이 수소제조과정에 발생하는 단점이 있습니다. 그래서, 국내 대부분 수소를 화석연료에서 제조하고 있습니다. 수전해 기술에는 알칼리 수전해와 고체고분자형 수전해법이 있습니다.
H2O → H2(g) + 1/2O2(g) 수전해 원리

가스화 기술

원료물질을 구성하는 주된 원소가 탄소와 수소이면 물과 산소를 첨가하여 가스화함으로써 일산화탄소와 수소를 생산할 수 있습니다. 가스화에 의해 수소를 제조할 경우 원료는 산소(공기)와 수증기(물)가 함께 가스화로에 투입되며, 가스화에 의해 발생한 고온 가스는 열 회수와 먼지 제거 및 탈황 후, 일산화탄소를 시프트 반응으로 수소와 이산화탄소로 만들고 분리공정을 거쳐 상용 수소로 제조합니다. 가스화 기술의 원료로 석탄, 바이오매스, 폐플라스틱 등이 있습니다.
CxHyOz + aO2 + bH2O → cCO + dCO2 + eH2 + fCnHm 주요 조성에 대한 가스화 반응식

열화학 분해 기술

열화학 분해 기술은 복수의 흡열반응과 발열반응을 조합한 열화학반응 사이클을 이용하여 물을 열 에너지만으로 수소와 산소로 분리하는 방법입니다.

부생수소 활용(제철소 부생가스)

제철소 부생가스는 코크스로에서 발생하는 COG(Coke Oven Gas), 제선과정에서 발생하는 BFG(Blast Furnace Gas), 제강공정에서 발생하는 LDG(Lintz Donawhitz Gas)가 있습니다. COG는 코크스로에서 석탄을 건류하여 코크스를 제조할 때 발생하는 가스로, 주성분은 수소와 메탄입니다. BFG가스는 고로에서 코크스를 환원제로 하여 철광석의 환원을 할 때 부생되는 가스입니다. 가스에 포함된 CO와 물의 시프트 반응으로 수소를 회수할 수 있습니다. LDG가스는 고로에서 제조된 선철을 전기로에서 강으로 제련할 때 선철 내의 탄소가 들어온 순산소와 반응하여 생성되는 가스로 주성분은 CO로 물과의 시프트 반응을 통해 수소를 회수할 있습니다.

[ 제철소 부생가스의 조성 ]

제철소 부생가스의 조성
H2 O2 N2 CO CO2 CH4 C2H4 C2H6 C3H4
COG 56.2 0.1 2.3 6.3 2.5 29.3 2.5 0.8 0.1
BFG 3.9 0.0 52.2 22.5 21.4 - - - -
LDG 1.1 0.1 13.9 70.9 14.1 - - - -
부생수소 활용(식염전해기술)

식염전해기술은 가성소다 제조 반응에서 양극에서 염소가스, 음극에서 가성소다가 생성됨과 동시에 수소가 발생합니다.
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2 식염전해 반응식
식염전해기술에 의해 발생되는 수소가스의 농도는 원리적으로 부산물이나 불순물을 함유하지 않기 때문에 순도가 높고, 다른 부생수소 가스와 같은 분리·농축 등의 과정이 필요 없습니다.

부생수소 활용(나프타분해공정)

탄소의 수가 4~9개로 구성된 나프타의 탄화수소(HC) 성분을 고온에서 분해하여 주 제품인 에틸렌, 프로필렌, 수소를 생산하고, 부산물로 메탄, 아세틸렌 등이 생산됩니다. 순도가 90%~96% 수소는 PSA(수소정제)공정을 통과해 99.99%의 수소로 생산됩니다.

부생수소 활용(프로판 탈수소 공정)

프로판 탈수소공정은 프로필렌 생산이 주 목적이며, 프로필렌을 생산함과 동시에 수소가 부생적으로 생산되는 공정입니다.
C3H8(프로판) ↔ C3H6(프로필렌)+H2(수소) 프로판 탈수소 공정

부생수소 활용(초산공정)

초산은 메탄올과 CO를 촉매와 함께 카르보닐화 반응을 하면 생성되는 물질로서, 초산 공정의 원료인 CO를 생산하기 위해 납사를 개질할 때 수소가 생성됩니다.

생물학적 수소제조 기술

생물학적 수소제조 기술은 다른 열화학 공정 또는 전기화학적 공정 기술에 비해 친환경적이며 에너지를 덜 소모하는 공정으로, 광합성에 의한 수소생산과 혐기발효에 의한 수소생산 2가지 구별할 수 있습니다. 광합성에 의한 수소생산공정은 주로 물로부터 수소를 생산하고 동시에 공기 중의 이산화탄소도 저감하는 특징을 가지고 있으며, 혐기발효에 의한 수소생산 공정은 유기 탄소원을 섭취하는 박테리아에 의한 발효를 통해 이루어지는 공정입니다.

물의 광분해 수소제조 기술

광촉매를 이용한 물의 광분해 수소제조 기술로 광촉매를 이용한 물의 분해반응에서는, 물이 수소와 산소로 분해되는 반응입니다. 이 때 광원으로 태양광이 이용되며, 태양에너지가 수소에너지로 변환되는 것이라 할 수 있습니다. 광촉매는 원리가 단순하고 복잡한 장치를 필요로 하지 않아 대규모로 개발할 수 있는 이점이 있으나, 현재 광촉매의 에너지 변환효율이 낮기 때문에 연구개발 중입니다.

국내 수소생산 현황

국내에서는 주로 정유 및 석유화학업체에서 나프타 분해공정 및 식염전해공정에 의해 수소를 생산하고 있습니다.

[ 지역별 국내 수소생산 능력 ]

지역별 국내 수소생산 능력
지역 생산 능력 (N㎥/hr)
울산 1,206,170
여수 820,000
대산 267,000
기타 135,000
합계 2,428,770

* 2016년 국내 수소 생산량 2,428,770N㎥/hr (수소생산 설비 연간 가동시간 8,000시간 가정 시 연간 약 164만톤)
전체 생산량 중에 14%인 약 23만톤은 외부 유통 및 관계업체에 판매되고 있음.