가장 많이 사용하는 수소 생산 방법
수소는 미래 친환경 에너지의 핵심으로 주목받고 있지만, 현재 전 세계에서 사용되는 수소의 대부분은 천연가스를 이용해 생산됩니다.
많은 사람들이 “수소는 물에서만 만드는 것 아닌가?”라고 생각하지만, 실제로는 천연가스의 주성분인 메탄(CH₄)을 이용하는 방법이 가장 널리 사용되고 있습니다.
이번 글에서는 천연가스로 수소를 만드는 원리와 장단점을 쉽게 알아보겠습니다.
천연가스란?
천연가스는 땅속에서 얻는 화석연료입니다.
주성분은 메탄(CH₄)으로, 메탄은 다음과 같이 이루어져 있습니다.
- 탄소(C) 1개
- 수소(H) 4개
즉, 메탄에는 수소가 많이 들어 있기 때문에 수소를 생산하기에 적합한 원료입니다.
어떻게 수소를 만들까?
천연가스를 이용한 수소 생산은 수증기 메탄 개질(Steam Methane Reforming, SMR)이라는 방법을 사용합니다.
현재 가장 많이 활용되는 수소 생산 기술입니다.
생산 과정은 크게 세 단계로 나눌 수 있습니다.
1단계 : 천연가스와 수증기를 고온에서 반응시킨다
먼저 메탄(CH₄)과 뜨거운 수증기(H₂O)를 약 700~1,000℃의 고온에서 촉매와 함께 반응시킵니다.
이 과정에서 수소와 일산화탄소(CO)가 생성됩니다.
반응식
CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
2단계 : 일산화탄소를 다시 반응시킨다
생성된 일산화탄소(CO)에 다시 수증기를 반응시키면 수소가 더 많이 만들어집니다.
반응식
CO + H₂O → CO₂ + H₂
이 과정을 수성가스 전환 반응(Water-Gas Shift Reaction)이라고 합니다.
3단계 : 순수한 수소를 분리한다
마지막으로 생성된 혼합기체에서 수소만 분리하고 정제합니다.
이렇게 얻은 고순도 수소는 다음과 같은 곳에서 사용됩니다.
- 수소자동차
- 연료전지 발전
- 반도체 제조
- 화학 산업
- 정유 공장
왜 이 방법을 가장 많이 사용할까?
현재는 천연가스 개질이 가장 경제적인 방법입니다.
장점
- 대량 생산이 가능합니다.
- 생산 비용이 비교적 저렴합니다.
- 기술이 오래전부터 사용되어 안정적입니다.
- 세계 여러 나라에 생산 시설이 갖춰져 있습니다.
이러한 이유로 현재 생산되는 수소의 대부분이 이 방법으로 만들어집니다.
단점은 무엇일까?
가장 큰 문제는 이산화탄소(CO₂)가 발생한다는 점입니다.
수소를 생산하는 과정에서 탄소가 산소와 결합해 이산화탄소가 만들어지기 때문입니다.
따라서 탄소중립 시대에는 환경 부담이 있다는 지적을 받고 있습니다.
블루수소와의 차이
천연가스로 수소를 생산한 뒤 발생한 이산화탄소를 그대로 배출하면 그레이수소입니다.
반면, 이산화탄소를 포집해 저장하거나 재활용하면 블루수소라고 부릅니다.
즉, 생산 방식은 비슷하지만 이산화탄소를 어떻게 처리하는지에 따라 이름이 달라집니다.
물 전기분해와 비교하면?
| 구분 | 천연가스 개질 | 물 전기분해 |
|---|---|---|
| 원료 | 천연가스(CH₄) | 물(H₂O) |
| 생산 비용 | 낮음 | 높음 |
| 생산량 | 매우 많음 | 증가 중 |
| 이산화탄소 배출 | 있음 | 재생에너지 사용 시 거의 없음 |
| 현재 활용 | 가장 많음 | 미래 성장 기대 |
앞으로의 전망
현재는 천연가스 개질이 가장 많이 사용되고 있지만, 세계 각국은 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 그린수소 생산을 확대하고 있습니다.
그럼에도 불구하고 생산 비용과 기술 수준을 고려하면 천연가스를 이용한 수소 생산은 앞으로도 상당 기간 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.
특히 이산화탄소를 포집하는 기술(CCS)이 발전하면 블루수소의 활용도 더욱 늘어날 가능성이 있습니다.
알아두면 좋은 상식
‘수소는 친환경 에너지인데 왜 천연가스를 사용할까?’라는 질문을 자주 받습니다.
수소 자체는 사용할 때 물만 배출하지만, 어떻게 생산했는지에 따라 환경 영향이 달라집니다.
그래서 수소를 이야기할 때는 사용 방법뿐 아니라 생산 방법도 함께 살펴보는 것이 중요합니다.
마무리
천연가스로 수소를 만드는 수증기 메탄 개질(SMR)은 현재 세계에서 가장 많이 사용되는 수소 생산 기술입니다.
생산 비용이 낮고 대량 생산이 가능하다는 장점이 있지만, 이산화탄소가 발생한다는 단점도 있습니다.
앞으로는 탄소를 줄이는 블루수소와 재생에너지를 이용한 그린수소가 함께 발전하면서 더욱 친환경적인 수소 경제가 만들어질 것으로 기대됩니다.
다음 글에서는 「수소 생산 비용은 왜 비쌀까?」를 통해 수소 가격이 높은 이유와 비용을 낮추기 위한 기술을 알아보겠습니다.