[에너지신문] 과학기술정보통신부의 12대 국가전략 기술 육성(안)에는 특화 산업단지 구상에 울진원전수소산단이 포함 발표됐다. 이는 획기적이고 실용가능한 정책이라 생각한다. 울진지역은 우리나라에서 대형 원자력발전소가 집결한 지역인 동시에 관련 전문 인력이 많이 거주하고 있다.
원자력수소의 특징은 전력소비가 줄어든 심야시간의 잉여전력을 활용해 수소를 생산한다는 점이다. 수소생산의 고전적 방식은 수전해 방식이지만 아직까지 효율성이 낮아 수전해 방식의 개선과 활용기기, 장치개발이 필요한 상황이다.
반면, 원자력수소생산의 핵심 방식은 20여년전 유럽에서 활발하게 연구됐던 P2G(Power to Gas) 방식이나 G2L(Gas to Liquids) 또는 Lichte Bogen 아세티렌 방식 등으로 수소와 합성가스 및 올레핀(Olefin)계 탄화수소를 생산할 수 있는 메탄가스(C1 화학) 엔지니어링 방식으로, 향후 활발한 방식과 장치 개발 연구가 요구된다.
원자력수소 방식과 수전해 방식의 근본적인 차이점은 ‘원료’다. 수소생산 원료가 수전해의 경우 H2O(물)이며, 원자력수소는 CH4(메탄)이다.
이 방식의 또 다른 차이는 ‘방법’이다. 수전해 방식은 고전적이다. 많이 알려져있는 것처럼 물분해반응을 통해 수소를 생산한다. 이는 O-H결합체를 해리하기 위한 외부에너지 공급량이 높으며, 이미 많은 연구보고서와 특허가 존재한다.
반면 원자력 수소공정의 경우 수소원은 천연가스 또는 메탄가스이며, 메탄의 분자구조는 CH4으로, CH결합력이 OH결합력에 비해 적다는 점이다.
메탄의 해리는 해리와 합성이 동시에 발생하는 복합화학반응이며 생성물은 탄소(시그마탄소), 에티렌 그리고 아세티렌 등이 수소와 함께 발생한다. 때문에 생성물은 멤브레인 배관형 분리관을 이용, 수소만을 분리수거해야 한다.
혼합가스에서 특정 가스만을 분리하는 공정은 기계식과 화학적 공정이 있으며 고전적 플랜트산업에서는 기계식 장치‧설비를 조립한 분리공정을 선호하지만 최근 모듈형 설비에서는 화학적 분리공정인 금속촉매 멤브레인식 가스분리공정이 주목받고 있다.
그 원인은 외부제작 모듈을 조립식으로 설비 플랜트를 짧은 시간 내 완성시켜 장치건설 비용을 감축하기 때문이다.
그러나 취급해야할 가스량이 많을 경우 기계식 설비도 가능한 대안이라 생각한다. 분리한 수소는 용도에 따라 수송용, 석유탈황용, 수소환원제철용, 도시가스혼합용, 혼합가스터빈용, 연료전지발전용 등으로 구분해 공급한다. 수소 농도는 분리효율, 공정압력 시간 온도, 순환가스의 수소 함량 등에 영향을 받게 될 것이다.
메탄가스의 촉매에 의한 열해리 공정과 발생수소생성량 즉 수율은 반응공학적 시뮬레이션과 파이로트 시험 상용화를 위한 실제 원자력 발전단지에서의 원자로 개조와 실험이 필요하다.
이를 위한 공정흐름은 당연히 현재 가능한 프로그램과 데이터센터의 지원하에 새로운 연산방법으로 해결해야 할 것이다.
다음은 멤브레인형 배관반응로 성능 향상과 센서에 의한 계측 그리고 새로운 멤브레인 소재 개발이다.
합성수지계 소재는 낮은 온도에서만 가능한 소재다. 메탄 즉 LNG의 해리온도는 1000도이상으로 추측되기 때문에 고온소재를 찾아야 한다.
수소분리공정의 원천기술은 G2L(Gas to Liquids), 합성연료(e-Fuel) 공정이며, 이미 EU 과제로 10년 이상 연구해 왔다. 발표된 보고서도 1500개 이상이지만, 완성된 원천기술은 아니다.
그러나 도움이 되는 과학기술보고서다. 여기에 제시된 기술적 문제가 해결되면 상용화를 위한 목표에 근접하게 될 것이다.
현재까지 제안된 수소생산공정과 다른 공정의 차이점은 메탄가스(LNG)를 원료로 한 수소 대량 생산 공정은 아직까지 체계적으로 발표된 사례가 없는 것으로 알고있다.
원자력수소 생성 공정은 2가지 공정 이상이 존재하며 간단하게 직접 열해리공정과 간접법이 존재한다.
수소생성시 발생된 혼합가스로부터 수소분리공정은 PTG-Process(P0wer to Gas) & GTL-Process 및 Licht-Bogen Process(아세티렌공정)를 혼합한 Mix-수소가스혼합공정으로 탄소유도체와 수소를 다량 생산할 수 있는 실용화공정이다. 수소, 에티렌유도체로부터 수소를 분리하는 새로운 화학적 멤브레인공정이다.