[논문]국내 수소 생산에 따른 CO2 발생량 분석

한자령; 박진모; 김요한; 이영철; 김형식

doi:10.7842/kigas.2019.23.2.1

국내 수소 생산에 따른 CO2 발생량 분석
Analysis of CO2 Emission Depending on Hydrogen Production Methods in Korea 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.2, 2019년, pp.1 - 8

한자령 (한국가스공사 가스연구원) , 박진모 (한국가스공사 가스연구원) , 김요한 (한국가스공사 가스연구원) , 이영철 (한국가스공사 가스연구원) , 김형식 (한국가스공사 가스연구원)

초록
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근래 환경 문제가 이슈화됨에 따라, 수소 에너지에 대한 관심 역시 빠르게 집중되고 있다. 특히 국내에서는 수소 에너지의 보급을 위하여 정부 주도 하, 수소전기차 및 수소충전소의 확산이 탄력을 받고 있다. 그러나 수소 에너지의 도입 취지에 부합하는, 실질적인 국내 환경성에 대한 기여도가 평가되어야 하지만, 기존 $CO_2$ 배출량 분석 방법의 대부분은 미국의 에너지 환경을 대표하여 개발되었으므로, 국내 현실에 그대로 적응하기에는 한계가 존재한다. 따라서 본 논문에서는 국내에서 수소 생산 시 배출되는 $CO_2$ 배출량을 평가하는 방식으로, 물질 수지 기반의 수치 계산 분석을 제안한다. 제안한 방법을 바탕으로 천연가스, LPG, 나프타를 원료로 개질 반응 및 전기분해, COG를 활용한 수소 생산 시 국내에서 발생하는 $CO_2$ 배출량을 분석하였다. 또한, 해당 결과를 GREET 프로그램 분석 결과를 비교하여 제안한 방법의 신뢰성을 확인해보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because of environmental pollution problem, interests in hydrogen energy has been concentrating sharply. Especially in Korea, the market related with fuel cell vehicles and hydrogen refueling stations is increasing actively under the government-led. However, the actual contributions to environmental improvement effect of hydrogen energy is required to be evaluated with representing reality. In this sense, lots of conventional analyzing tools have some limitations to adapt in Korea's situation directly. It is caused by the differences of raw energy market between the US and Korea. That is, most of analytic tools are developed by representing energy market of the US, where can produce variety of raw feed energy sources. Therefore, in this paper, we propose mass balance based numerical analyzing method, which is suitable for the actual hydrogen production process in Korea for exact evaluation of $CO_2$ emission amount in this country. Using proposed method, we has demonstrated reformed hydrogen from natural gas, LPG and naphtha, electrolysis-based hydrogen, and COG-based hydrogen. Furthermore, with the comparison of GREET program analysis results, robustness of numerical analysis method is demonstrated.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Electricity Energy Mix charts of Korea market and GREET program data.
그림 Fig. 2. Energy Mix Differences between Korea market and GREET program data.
표 Table 1. Composition of Coke Oven Gas
표 Table 2. Amount of CO₂ emission (kg-CO₂/kg-H₂) depending on hydrogen production methods in Korea
그림 Fig. 3. Comparison with numerical analysis results and GREET program analysis results.
표 Table 3. Amount of CO₂ emission(kg-CO₂/kg-H₂) depending on hydrogen production methods in Korea, analyzed GREET program

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내에서 수소 생산 시 그 방법별로 발생하는 CO₂ 배출량을 분석하였다. 이 때, 국가 온실가스 배출 통계가 국제기준 IPCC Guidelines 등에 따르며[14], 해당 기준에서 국가 인벤토리에 대해서는 국가 관할 지역으로 한정하고 있으므로[15], 원료에 대해 Production based CO₂ emission을 적용하여 해당 과정에서 발생하는 CO₂ 배출량을 제외하였다.
본 연구에서 분석한 국내 수소 생산 시 발생하는 CO2 배출량은 주요 에너지원을 수입하고 있는 국내 실정에 맞추어, 탄화수소 원료의 생산 시 발생 하는 CO2 배출량에 집중되어있던 그 전의 배출량 분석과 달리, 국내 환경에서 수소 생산 시 생산 공정에서 배출되는 실질적인 CO2량을 도출하고자 하였다.

가설 설정

하지만 앞서 논의한 바와 같이, COG 내 수소를 연료로 사용하지 않을 경우, 해당 공정에서는 추가적인 연료가 필요하다. 이때, 탄소수가 가장 낮은 천연가스를 연료로 소모한다고 가정하였고, COG 성분 중 수소를 제외한 나머지 hydrocarbon은 천연가스와 함께 연료로 가정하였다. 결론적으로, 국내에서의 수소 1kg을 생산하기 위해 COG를 활용할 시, 21.

제안 방법

따라서 본 분석에서는 나프타 대표 물질을 전체 조성 대비 물질 질량의 산술 평균을 활용하여 탄소수 6개인 n-Hexane으로 선정하였다 [17]. Pre-reforming 공정을 포함하여 나프타 대비 수소 생산의 stoichiometry 비를 19로 적용하여 공정 효율에 따라 총 투입된 원료 및 연료의 나프타 양을 토대로 CO₂ 배출량을 분석하였다.
또한, 나프타의 경우 원료 성분의 분자 형태가 길고 다양하므로 메탄으로의 전환 및 본 개질의 안정성 확보를 위해 Pre-reforming (예비 개질) 공정도 거치게 된다. 따라서 본 분석에서는 나프타 대표 물질을 전체 조성 대비 물질 질량의 산술 평균을 활용하여 탄소수 6개인 n-Hexane으로 선정하였다 [17]. Pre-reforming 공정을 포함하여 나프타 대비 수소 생산의 stoichiometry 비를 19로 적용하여 공정 효율에 따라 총 투입된 원료 및 연료의 나프타 양을 토대로 CO₂ 배출량을 분석하였다.
51kg 의 CO₂가 발생함을 GREET에서 제시하고 있다. 따라서 수소 1kg을 생산할 때 전기 56kWh가 소모됨을 적용하여, 총 28.56kg-CO₂/kg-H₂ 를 도출하였다.
배출량이 변화할 수 있다. 따라서본 분석에서는 공정 효율 LHV (Lower Heating Value) 62.2% 기준으로 고정하고[16], 천연가스를 대표하는 메탄 대비 수소 생산의 Stoichiometry 비 4를 적용하여 연료 투입량을 추정하였으며, 공정 효율에 따라 필요한 연료 및 원료를 합하여 총 투입된 천연가스 양을 토대로 CO₂ 배출량을 분석하였다.
5~5kWh의 전력 소모를 기준으로[18], 1kg의 수소를 생산 시 소모되는 전력량을 도출하였다. 또한, 에너지 관리 공단의 배출계수를 활용하여 국내 한전 전력망의 전기를 활용한 전기분해 수소 생산 시 발생하는 CO₂ 배출량을 분석 하였다.
마지막으로 COG의 경우, “Gaseous hydrogen from coke oven gas”에서 “GH2 production from coke oven gas”를 선택하여 결과를 도출하였다.
마지막으로, COG의 경우 GREET에서 제공하는 COG로부터 수소 생산 공정의 CO₂ 배출량을 적용 하였다. 이때, 발생하는 CO₂는 coking 공정, PSA (Pressure Swing Adsorption), 및 전달 각각의 에너지효율에 비례하게 배분하여 결과를 제공하고 있다.
가 고려되어야 한다. 본 분석에 서는 이와 같은 COG를 활용한 수소 생산의 한계 점을 고려하여, 추가로 제철공정에 투입되는 연료를 가장 탄소수가 낮은 천연가스로 적용하여, 국내에서 COG 공정을 활용한 수소를 생산 시 발생하는 CO₂ 배출량을 분석하였다.
본 연구에서는, GREET에서 제공하는 기술별 수소 생산 시 발생하는 CO₂ 량을 분석하기 위하여 활용하였으며, 이에 따라, WTP(Well to Pump)에서 생산에 해당하는 부분만을 취사선택하였다. 그러나 앞선 수치 계산과 달리, 프로그램에서 제공하는 원료의 한계로 인해 천연가스, COG, 전기분해를 활용한 CO₂ 배출량만을 분석할 수 있었다.
이때, 물질 수지를 활용한 계산적 방법 및 GREET 프로그램을 활용한 분석 결과를 종합하여 Fig. 2와 같은 최종적인 결과를 도출하였다.
또한, 국내 환경에서 천연가스 개질을 이용할 경우, 천연가스(Natural Gas)의 생산 보다는 액화 천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)의 수입에 따른 특수성이 고려되어야 한다. 이에 따라 본 분석에서는 LNG 기화 공정에서 발생하는 CO₂ 배출량을 추가로 고려하였다.
본 분석에서는 수소전기차로 대표되는 수소 시장을 고려하여, LPG 충전소에서의 수소 생산을 반영하도록 부탄을 LPG의 대표 물질로 선정하였다. 이에 따라 부탄 대비 수소 생산의 stoichiometry 비 13을 활용하여 연료 투입량을 추정하였으며, 공정 효율에 따라 필요한 연료 및 원료를 합하여 총 투입된 LPG 양을 토대로 CO₂ 배출량을 분석하였다.
량을 도출하고자 하였다. 이에 따라, LNG의 기화 과정에서 발생하는 CO₂, 전기분해를 위한 전기 생산 시 발생하는 CO₂, COG의 수소 연료를 대체할 천연가스 사용으로 인한 CO₂ 배출량과 같이 실질적으로 국내에서의 수소 생산 시 발생하는 배출량을 함께 고려하였다.
전기분해의 경우, “Compressed gaseous hydrogen from electricity”에서 전기 생산 시 발생하는 CO2 배출량을 선택하여 결과를 도출하였다.
또한, 생산된 수소가 국내에서 공급되는 과정은 생산 원료에 따른 차이점보다는 생산 위치에 따라 달라지므로 본 분석 대상에서는 제외하였다. 즉, 본 논문에서는 천연가스/LPG/ 나프타 개질, COG (Coke Oven Gas), 전기분해를 활용하여 수소를 생산할 때 발생하는 CO₂ 발생량 중점으로 분석 및 비교하였다.
천연가스의 경우, “Compressed gaseous hydrogen from natural gas”를 선택하였으며, 전체 흐름도 중, 천연가스 생산 시 발생하는 CO2 배출량 및 수소 생산 시 발생하는 CO2 배출량을 선택하였다.

대상 데이터

또한, LPG의 경우 주성분이 프로판과 부탄으로 구성되어 있는데, 국내에서는 주로 프로판을 가정용으로, 부탄을 차량용으로 활용한다. 본 분석에서는 수소전기차로 대표되는 수소 시장을 고려하여, LPG 충전소에서의 수소 생산을 반영하도록 부탄을 LPG의 대표 물질로 선정하였다. 이에 따라 부탄 대비 수소 생산의 stoichiometry 비 13을 활용하여 연료 투입량을 추정하였으며, 공정 효율에 따라 필요한 연료 및 원료를 합하여 총 투입된 LPG 양을 토대로 CO₂ 배출량을 분석하였다.

성능/효과

COG 조성(Table 1)을 이용하여 추정해 본 결과, 전체 공정에서 COG가 100 liter 발생 시 수소가 55liter(4.91g) 발생하며, 이와 함께 잔여 hydrocarbon을 모두 연료로 활용하였다고 가정할 때 0.07kg의 CO₂가 배출된다. 하지만 앞서 논의한 바와 같이, COG 내 수소를 연료로 사용하지 않을 경우, 해당 공정에서는 추가적인 연료가 필요하다.
47kg 의 CO₂를 배출함을 확인할 수 있다. 결론적으로, 국내에서 수소 1kg을 생산하기 위해 현재 한전 전력망의 전기를 활용할 시, 26.35kg의 CO₂가 발생한다. 그러나, 국내 전력에서 태양광 발전과 같은 CO₂-free 신재생 에너지의 비중이 증가하거나 별도로 신재생 전기를 생산하여 수소를 생산 시에는 배출되는 CO₂는 감소하거나 없을 것으로 전망된다.
이때, 탄소수가 가장 낮은 천연가스를 연료로 소모한다고 가정하였고, COG 성분 중 수소를 제외한 나머지 hydrocarbon은 천연가스와 함께 연료로 가정하였다. 결론적으로, 국내에서의 수소 1kg을 생산하기 위해 COG를 활용할 시, 21.48kg의 CO₂가 발생한다.
68몰이 발생한다. 결론적으로, 국내에서의 수소 1kg을 생산하기 위해 LPG 개질을 활용할 시, 15.03kg의 CO₂가 발생한다.
68몰이 발생한다. 결론적으로, 국내에서의 수소 1kg을 생산하기 위해 나프타 개질을 활용할 시, 15.02kg의 CO₂가 발생한다.
02kg의 CO₂가 발생함을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 국내에서의 수소 1kg을 생산하기 위해서 천연가스 개질을 활용할 시 11.39kg의 CO₂가 발생한다.
이때, 발생하는 CO₂는 coking 공정, PSA (Pressure Swing Adsorption), 및 전달 각각의 에너지효율에 비례하게 배분하여 결과를 제공하고 있다. 그 결과, 총 4.13kg-CO₂/kg-H₂를 도출하였다.
량을 분석하기 위하여 활용하였으며, 이에 따라, WTP(Well to Pump)에서 생산에 해당하는 부분만을 취사선택하였다. 그러나 앞선 수치 계산과 달리, 프로그램에서 제공하는 원료의 한계로 인해 천연가스, COG, 전기분해를 활용한 CO₂ 배출량만을 분석할 수 있었다.
따라서 GREET 분석에서는 LPG와 나프타를 활용한 수소 생산에 따른 CO₂ 배출량 결과를 확인할 수는 없지만, 물질 수지 기반의 계산 결과와 유사할 것으로 예상한다. 나아가, 개질 기술의 발전으로 인해 공정 효율이 증가할수록, CO₂ 배출량이 감소할 것으로 전망된다.
31kg-CO₂ /kg-H₂로, 매우 유사하게 나타났다. 따라서 GREET 분석에서는 LPG와 나프타를 활용한 수소 생산에 따른 CO₂ 배출량 결과를 확인할 수는 없지만, 물질 수지 기반의 계산 결과와 유사할 것으로 예상한다. 나아가, 개질 기술의 발전으로 인해 공정 효율이 증가할수록, CO₂ 배출량이 감소할 것으로 전망된다.
28kg의 CO₂가 발생함을 알 수 있다. 또한, GREET에서 제시하는 수소 생성 공정 자체에서 발생하는 10.88kg의 CO₂ 배출량을 합하여 총 12.16kg-CO₂/kg-H₂ 를 도출하였다.
52몰이 발생한다. 또한, 국내 천연가스의 경우 LNG를 수입하는 특수한 구조를 갖기 때문에, LNG의 기화 시 발생하는 CO₂를 포함하였으며, 2017년 한국가스공사 온실가스 배출 실적 및 천연가스 판매 실적에 근거하여, 1kg의 LNG 기화 시 0.02kg의 CO₂가 발생함을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 국내에서의 수소 1kg을 생산하기 위해서 천연가스 개질을 활용할 시 11.
또한, 국내 환경에서는 전기 생산 시, 석탄의 의존도가 매우 높아 해당 전기를 활용한 수전해 수소 생산 역시 환경적 이익을 얻을 수 없는 것으로 나타났다. 이는 조금 더 친환경적인 에너지 믹스를 갖는 GREET 데이터를 활용한 분석에서도 마찬가지 결과를 얻을 수 있었다.
전기분해를 활용하여 수소를 생산할 시, 수소 1kg당 전기 56kWh가 필요하다. 또한, 에너지 관리 공단의 배출계수를 통해 국내 전기 1kWh당 0.47kg 의 CO₂를 배출함을 확인할 수 있다. 결론적으로, 국내에서 수소 1kg을 생산하기 위해 현재 한전 전력망의 전기를 활용할 시, 26.
마지막으로, COG의 경우, 유일하게 물질 수지의 수치 계산적 분석 방법과 GREET 프로그램 분석 결과가 큰 차이를 보인다. 이는 GREET 분석에 서는 COG를 통한 수소를 By-Product로만 분류한 한계점이 존재하기 때문이다.
를 분석하기 위해서 우선 소모되는 전력량에 대한 기준이 필요하다. 본 연구에서는 수소 단위 부피당 약 4.5~5kWh의 전력 소모를 기준으로[18], 1kg의 수소를 생산 시 소모되는 전력량을 도출하였다. 또한, 에너지 관리 공단의 배출계수를 활용하여 국내 한전 전력망의 전기를 활용한 전기분해 수소 생산 시 발생하는 CO₂ 배출량을 분석 하였다.
분석 결과, 개질 기술을 활용한 수소 생산 시 발생하는 CO₂ 배출량은 수치적 분석에서 각각 12.47~ 15.03kg-CO₂/kg-H 2을 나타내어, 원료에 따라 천연 가스, LPG, Naphtha의 순서로 환경성이 좋은 것으로 보인다. 천연가스 개질기술 활용을 통한 수소 생산에 대하여 해당 수치 분석 결과와 GREET 프로그램 분석 결과를 비교하여 보았을 때, CO₂ 배출량 차이가 0.
원료로 투입된 LPG(부탄) 대비 생산되는 수소의 stoichiometric 비를 13으로 적용하여, 공정 효율 (58.2%)에 부합하도록 공정에서 추가 소모되는 연료로 LPG 투입량을 추정한 결과, 총 2.22몰의 LPG 가 필요함을 도출하였다. 즉, 수소 1몰을 생산하기 위해 CO₂ 0.
원료로 투입된 나프타(헥산) 대비 생산되는 수소의 stoichiometric 비를 19로 적용하여, 공정 효율 (60.4%)에 부합하도록 공정에서 추가 소모되는 연료로 나프타 투입량을 추정한 결과, 총 2.16몰의 나프타가 필요함을 도출하였다. 즉, 수소 1몰을 생산하기 위해 CO₂ 0.
원료로 투입된 천연가스(메탄) 대비 생산되는 수소의 stoichiometric 비를 4로 적용하여, 공정 효율 (62.2%)에 부합하도록 공정에서 추가 소모되는 연료로 천연가스 투입량을 추정한 결과, 총 2.07몰의 천연가스가 필요함을 도출하였다. 즉, 수소 1몰을 생산하기 위해 CO₂ 0.
03kg-CO₂/kg-H 2을 나타내어, 원료에 따라 천연 가스, LPG, Naphtha의 순서로 환경성이 좋은 것으로 보인다. 천연가스 개질기술 활용을 통한 수소 생산에 대하여 해당 수치 분석 결과와 GREET 프로그램 분석 결과를 비교하여 보았을 때, CO₂ 배출량 차이가 0.31kg-CO₂ /kg-H₂로, 매우 유사하게 나타났다. 따라서 GREET 분석에서는 LPG와 나프타를 활용한 수소 생산에 따른 CO₂ 배출량 결과를 확인할 수는 없지만, 물질 수지 기반의 계산 결과와 유사할 것으로 예상한다.
실질적으로 COG 공정에서 목표하지 않은 수소가 생산되기는 하나, 해당 수소를 공정의 연료로 활용하지 않을 경우, 동일 열량만큼의 대체 연료가 필요하다. 추가적인 연료의 연소 시 CO₂ 배출량이 급격히 증가하게 되고, 가장 탄소수가 낮은 천연가스(메탄)로 연료를 가정 하여 분석하여도 21.48kg-CO₂/kg-H₂라는 배출량이 도출되었다.

후속연구

일례로, 2015년 기준 독일의 신재생 전기는 전체 발전량의 30%라는 큰 비중을 차지하고 있으나, 그 중 풍력 발전에서 생산되는 전기의 약 70%가 활용되지 못하고 버려지고 있다. 향후 국가 전략에 따라 2050년까지 독일의 전체 전력량 중 70% 이상을 신재생 전기로 생산하게 되면, 버려지는 전력량은 막대할 것으로 예측된다. 이에 따라 독일은 신재생 전기 발전의 보급과 더불어 수소 에너지의 보급을 함께 촉진하고자 노력하고 있다[5].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GREET은 무엇인가?	GREET(Greenhouse gas, Regulated Emissions, and Energy use in Transportation)는 에너지의 생산 및 사용에 따른 온실가스 배출에 대해 분석하기 위하여 Argonne 국가 연구소에서 개발 및 배포한 프로그램이다.
	LPG의 주성분은 무엇인가?	2%를 기준으로 고정하였다[16]. 또한, LPG의 경우 주성분이 프로판과 부탄으로 구성되어 있는데, 국내에서는 주로 프로판을 가정용으로, 부탄을 차량용으로 활용한다. 본 분석에서는 수소전기차로 대표되는 수소 시장을 고려하여, LPG 충전소에서의 수소 생산을 반영하도록 부탄을 LPG의 대표 물질로 선정하였다.
	천연가스 개질을 활용한 수소 생산은 공정 효율에 따라 CO2 배출량이 변화하는 것을 보완하기 위한 분석방법은?	천연가스 개질을 활용한 수소 생산의 경우 공정 효율에 따라 CO2 배출량이 변화할 수 있다. 따라서본 분석에서는 공정 효율 LHV (Lower Heating Value) 62.2% 기준으로 고정하고[16], 천연가스를 대표하는 메탄 대비 수소 생산의 Stoichiometry 비 4를 적용하여 연료 투입량을 추정하였으며, 공정 효율에 따라 필요한 연료 및 원료를 합하여 총 투입된 천연가스 양을 토대로 CO2 배출량을 분석하였다.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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