전기분해 과정에서 물의 양은 얼마나 소모됩니까?
1단계: 수소 생산
수소 생산과 상류 에너지 운반체 생산, 이렇게 두 단계에서 물 소비가 발생합니다. 수소 생산의 경우, 전해수 최소 소비량은 수소 1kg당 약 9kg의 물입니다. 하지만 물의 탈염 과정을 고려하면 이 비율은 수소 1kg당 18~24kg, 심지어 25.7~30.2kg까지 높아질 수 있습니다..
기존 생산 공정(메탄 수증기 개질)의 최소 물 소비량은 반응에 필요한 4.5kgH2O/kgH2이며, 공정수 및 냉각수를 고려하면 최소 물 소비량은 6.4~32.2kgH2O/kgH2입니다.
2단계: 에너지원(재생 가능한 전기 또는 천연가스)
또 다른 고려 사항은 재생 가능한 전기와 천연가스 생산에 필요한 물 소비량입니다. 태양광 발전의 물 소비량은 50~400리터/MWh(2.4~19kgH2O/kgH2)이고, 풍력 발전의 물 소비량은 5~45리터/MWh(0.2~2.1kgH2O/kgH2)입니다. 마찬가지로, 셰일가스 생산(미국 데이터 기준)의 경우 물 소비량을 1.14kgH2O/kgH2에서 4.9kgH2O/kgH2까지 늘릴 수 있습니다.
결론적으로, 태양광 발전과 풍력 발전을 통해 생산된 수소의 평균 총 수분 소비량은 각각 약 32kgH2O/kgH2와 22kgH2O/kgH2입니다. 이러한 불확실성은 태양 복사량, 수명 및 실리콘 함량에서 비롯됩니다. 이 수분 소비량은 천연가스를 이용한 수소 생산(7.6~37kgH2O/kgH2, 평균 22kgH2O/kgH2)과 비슷한 수준입니다.
총 물 사용량: 재생에너지를 사용할 경우 더 낮아짐
이산화탄소 배출량과 마찬가지로, 전기분해 공정에서 물 발자국을 줄이기 위한 전제 조건은 재생 에너지원의 사용입니다. 만약 전력 생산에 화석 연료를 소량만 사용한다면, 전력 생산과 관련된 물 소비량은 전기분해 과정에서 실제로 소비되는 물의 양보다 훨씬 많아집니다.
예를 들어, 가스 발전은 메가와트시(MWh)당 최대 2,500리터의 물을 사용할 수 있습니다. 이는 화석 연료(천연가스)의 경우에도 마찬가지입니다. 석탄 가스화를 고려하면, 수소 생산에는 31~31.8kg의 물이 1kg의 수소 생산에 소비되고, 석탄 생산에는 14.7kg의 물이 1kg의 수소 생산에 소비됩니다. 태양광 및 풍력 발전의 물 소비량 또한 제조 공정의 효율성이 향상되고 설치 용량 단위당 에너지 생산량이 증가함에 따라 시간이 지남에 따라 감소할 것으로 예상됩니다.
2050년 총 물 소비량
미래에는 전 세계적으로 현재보다 훨씬 더 많은 수소가 소비될 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 국제에너지기구(IRENA)의 세계 에너지 전환 전망 보고서에 따르면 2050년 수소 수요는 약 74EJ에 달할 것이며, 이 중 약 3분의 2는 재생 가능한 수소에서 충당될 것으로 예측됩니다. 현재 순수 수소의 수요는 8.4EJ입니다.
전해 수소 생산으로 2050년 전체 수소 수요를 충족한다고 해도, 물 소비량은 약 250억 세제곱미터에 달할 것입니다. 아래 그림은 이 수치를 다른 인위적인 물 소비 분야와 비교한 것입니다. 농업 부문에서 가장 많은 2,800억 세제곱미터의 물을 사용하고 있으며, 산업 부문에서는 약 8,000억 세제곱미터, 도시 부문에서는 4,700억 세제곱미터를 사용하고 있습니다. 현재 천연가스 개질 및 석탄 가스화를 통한 수소 생산에 필요한 물 소비량은 약 15억 세제곱미터입니다.
따라서 전해 공정의 변화와 수요 증가로 인해 많은 양의 물이 소비될 것으로 예상되지만, 수소 생산에 필요한 물의 양은 인간이 사용하는 다른 용수량에 비해 훨씬 적을 것입니다. 참고로, 1인당 연간 물 소비량은 75m³(룩셈부르크)에서 1,200m³(미국) 사이입니다. 1인당 연간 평균 400m³를 기준으로 할 때, 2050년 수소 생산량은 인구 6,200만 명 국가의 물 소비량과 맞먹는 수준입니다.
물값은 얼마이고 에너지 소비량은 얼마입니까?
비용
전해 전지는 고품질의 물을 필요로 하며, 수처리가 필수적입니다. 수질이 좋지 않은 물은 전지의 성능 저하와 수명 단축을 초래합니다. 알칼리 전지에 사용되는 격막과 촉매, 그리고 PEM(양성자 교환막)의 멤브레인과 다공성 수송층을 포함한 여러 요소들은 철, 크롬, 구리 등의 물속 불순물에 의해 악영향을 받을 수 있습니다. 물의 전도도는 1μS/cm 미만, 총 유기 탄소(TOC)는 50μg/L 미만이어야 합니다.
물은 에너지 소비와 비용에서 상대적으로 적은 비중을 차지합니다. 두 가지 측면 모두에서 최악의 시나리오는 해수 담수화입니다. 역삼투압 방식은 전 세계 담수화 설비 용량의 약 70%를 차지하는 주요 기술입니다. 이 기술의 초기 투자 비용은 m³당 하루 1,900~2,000달러이며, 학습 곡선은 15%입니다. 이 투자 비용을 기준으로 할 때, 처리 비용은 m³당 약 1달러이며, 전기 요금이 저렴한 지역에서는 더 낮아질 수 있습니다.
또한, 운송비는 m³당 약 1~2달러 정도 증가할 것입니다. 이 경우에도 수처리 비용은 kgH₂당 약 0.05달러입니다. 이를 비교해 보면, 양질의 재생 가능 자원을 이용할 경우 재생 수소 생산 비용은 kgH₂당 2~3달러에 달할 수 있지만, 일반적인 자원의 비용은 kgH₂당 4~5달러입니다.
따라서 이러한 보수적인 시나리오에서 물 비용은 전체 비용의 2% 미만이 될 것입니다. 해수를 사용하면 회수율을 기준으로 물 회수량을 2.5배에서 5배까지 늘릴 수 있습니다.
에너지 소비량
담수화에 필요한 에너지 소비량은 전해조에 투입하는 전력량에 비해 매우 적습니다. 현재 가동 중인 역삼투압 장치는 약 3.0kW/m³의 전력을 소비합니다. 반면, 열 담수화 설비는 훨씬 높은 에너지 소비량을 보이며, 담수화 기술에 따라 40~80kWh/m³에 달하는 에너지 소비량과 2.5~5kWh/m³의 추가 전력이 필요합니다. 에너지 수요가 높은 보수적인 경우(즉, 열 펌프를 사용하는 열병합 발전소)를 예로 들면, 에너지 수요는 수소 1kg당 약 0.7kWh로 환산됩니다. 이를 이해하기 쉽게 설명하자면, 전해조의 전력 수요는 약 50~55kWh/kg이므로, 최악의 시나리오에서도 담수화에 필요한 에너지는 시스템 전체 에너지 투입량의 약 1%에 불과합니다.
해수 담수화의 주요 과제 중 하나는 해양 생태계에 영향을 미칠 수 있는 염수 처리 문제입니다. 이 염수는 환경 영향을 줄이기 위해 추가 처리가 필요하며, 이로 인해 물 가격이 세제곱미터당 0.6~2.40달러 더 상승합니다. 또한, 전기분해로 생산된 물은 식수보다 수질 기준이 엄격하여 처리 비용이 더 높을 수 있지만, 이는 전력 투입량에 비하면 여전히 미미할 것으로 예상됩니다.
수소 생산을 위한 전해수의 물 발자국은 지역의 물 가용성, 소비량, 수질 악화 및 오염도에 따라 달라지는 매우 특정한 지역적 변수입니다. 생태계 균형과 장기적인 기후 변화 추세의 영향도 고려해야 합니다. 물 소비는 재생 가능한 수소 생산 규모 확대를 가로막는 주요 장애물이 될 것입니다.
게시 시간: 2023년 3월 8일