수소연료전지는 미래 에너지원으로 주목받고 있으며, 그 중 수소를 효율적으로 추출하기 위한 개질(Reforming) 과정이 중요한 역할을 합니다. 수소연료전지에서 개질 과정에 사용되는 연료는 다양하지만, 그 중에서도 가장 많이 사용되는 몇 가지 연료가 있습니다. 이 글에서는 LPG, 암모니아, 메탄올을 포함한 수소 개질에 적합한 연료를 소개하고, 각 연료의 특징과 장단점을 살펴보겠습니다.
1. 개질 과정이란?
개질은 주로 메탄(CH₄)이나 에탄, 프로판 등의 탄화수소를 수증기와 반응시켜 수소를 추출하는 방식입니다. 이 과정은 열과 촉매를 필요로 하며, 다음과 같은 주요 화학 반응이 일어납니다.
수증기 개질(Steam Reforming, SR): 탄화수소(주로 메탄)와 물을 반응시켜 수소와 일산화탄소(CO)를 생성하는 과정입니다.
CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
수성가스 전환(Water-Gas Shift, WGS): 개질 반응에서 생성된 일산화탄소가 추가로 수증기와 반응하여 더 많은 수소를 생성합니다.
CO + H₂O → CO₂ + H₂
이러한 방식으로 개질 과정을 거치면, 최종적으로 수소(H₂)를 얻게 되고 이 수소는 연료전지에 공급되어 전기를 생산하는 데 사용됩니다.
2. 천연가스 (Natural Gas)
가장 널리 사용되는 연료는 천연가스입니다. 주로 메탄(CH₄)으로 구성된 천연가스는 수소 생산에 매우 효율적입니다. 수증기와 메탄을 반응시켜 수소를 추출하는 수증기 개질(Steam Reforming) 방식은 현재 가장 상용화된 기술입니다.
장점: 수소 생산 효율이 높고, 경제적입니다.
단점: 온실가스(CO₂)가 배출됩니다.
천연가스는 전 세계적으로 널리 분포되어 있어 수소 생산을 대규모로 할 수 있는 가장 현실적인 선택입니다.
3. LPG (액화석유가스)
LPG(액화석유가스)는 주로 프로판(Propane, C3H8)과 부탄(Butane, C4H10)으로 구성된 연료입니다. 휴대성이 뛰어나고 인프라가 잘 구축되어 있어 이동형 수소 생산 장치나 소형 발전소에 적합합니다.
장점: 가볍고 휴대성이 높으며, 기존 인프라를 활용할 수 있습니다.
단점: 천연가스에 비해 수소 생산량이 적습니다.
LPG는 특정 상황에서 천연가스의 대안으로 사용될 수 있으며, 특히 소규모, 분산형 발전에 유리합니다.
4. 메탄올 (Methanol)
메탄올( CH3OH)은 낮은 온도에서 수소를 추출할 수 있는 연료로, 특히 소형 연료전지 시스템에 적합합니다. 메탄올 개질(Methanol Reforming)은 비교적 간단한 공정을 통해 수소를 생산할 수 있습니다.
장점: 낮은 온도에서 개질이 가능해 효율이 높고, 이동성이 좋습니다.
단점: 메탄올 생산 과정에서 에너지가 많이 소모되며, 일부 유해 물질이 발생할 수 있습니다.
메탄올은 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등 특정 연료전지 시스템에 적합해, 휴대용 및 소형 발전기에 자주 사용됩니다.
5. 암모니아 (Ammonia)
암모니아(NH₃)는 주목받는 차세대 수소 운반체로, 직접적으로 수소를 생산할 수 있는 연료로도 사용됩니다. 암모니아는 고온에서 분해되어 수소와 질소를 방출하며, 수소 생산 시 이산화탄소(CO₂)가 발생하지 않는 것이 큰 장점입니다.
장점: 이산화탄소를 배출하지 않는 청정 연료입니다.
단점: 높은 온도에서 분해가 필요하고, 질소산화물(NOx) 배출 가능성이 있습니다.
암모니아는 저장과 운반이 쉬워 수소 공급망의 일부로서 중요한 역할을 할 가능성이 큽니다.
6. 바이오가스 (Biogas)
바이오가스는 유기 폐기물에서 생성된 메탄을 주성분으로 하며, 천연가스와 유사한 방식으로 개질할 수 있습니다. 바이오가스를 이용한 수소 생산은 탄소 중립적인 에너지 생산 방식으로 평가받고 있습니다.
장점: 재생 가능 에너지원이며, 환경 친화적입니다.
단점: 수소 생산 효율이 상대적으로 낮고, 수집 및 정제가 필요합니다.
바이오가스는 특히 농업 지역이나 폐기물 처리장에서 얻을 수 있어, 지역 에너지 자립에 기여할 수 있습니다.
7. 프로판 (Propane)
프로판(C3H8)은 LPG의 주요 성분 중 하나로, 소형 발전소나 이동형 연료전지에 적합합니다. 특히 가정용이나 차량용 연료로 이미 널리 사용되고 있으며, 수소 개질용 연료로도 적용 가능합니다.
장점: 기존 인프라 활용이 가능하고, 다양한 형태로 사용 가능합니다.
단점: 메탄보다 수소 생산 효율이 낮습니다.
프로판은 작은 크기나 이동성이 중요한 상황에서 유용하게 사용할 수 있는 연료입니다.
8. 디젤 (Diesel)
디젤은 대규모 산업용 발전에 사용될 수 있는 연료로, 수소연료전지 발전소에서 수소를 추출하는 데도 사용할 수 있습니다. 디젤 개질은 고온에서 이루어지며, 다량의 수소를 생산할 수 있습니다.
장점: 대규모 수소 생산이 가능하고, 기존 디젤 인프라를 활용할 수 있습니다.
단점: 많은 양의 이산화탄소가 배출됩니다.
디젤은 아직도 많은 산업용 연료전지에서 사용되고 있으며, 특히 대규모 수소 공급이 필요할 때 유리합니다.
수소연료전지에서 개질 과정을 통해 수소를 생산할 때 사용할 수 있는 연료는 매우 다양합니다. 천연가스가 가장 많이 사용되지만, LPG, 메탄올, 암모니아 등의 대체 연료도 각각의 장점에 따라 사용됩니다. 환경적 요구와 기술 발전에 따라, 이들 연료는 점차 더 효율적이고 친환경적인 수소 생산을 가능하게 할 것입니다.