핵 수소 생산이란 무엇인가요?

핵수소 생산은 대규모 수소 생산을 위한 가장 선호되는 방법으로 널리 여겨지지만, 그 진행 속도는 더딘 것으로 보입니다. 그렇다면 핵수소 생산이란 무엇일까요?

원자력 수소 생산은 원자로와 첨단 수소 생산 공정을 결합하여 수소를 대량 생산하는 방식입니다. 원자력을 이용한 수소 생산은 온실가스 배출이 없고, 물을 원료로 사용하며, 효율이 높고 대규모 생산이 가능하다는 장점이 있어 미래의 대규모 수소 공급을 위한 중요한 해결책으로 여겨집니다. 국제원자력기구(IAEA)의 추산에 따르면, 250MW급 소형 원자로 하나로 고온 핵반응을 이용해 하루 50톤의 수소를 생산할 수 있습니다.

원자력 에너지를 이용한 수소 생산 원리는 원자로에서 발생하는 열을 수소 생산을 위한 에너지원으로 활용하는 것이며, 적절한 기술을 선택함으로써 효율적이고 대규모의 수소 생산을 실현하고 온실가스 배출량을 줄이거나 없애는 것을 목표로 합니다. 원자력 에너지를 이용한 수소 생산의 개략도는 그림과 같습니다.

핵에너지를 수소에너지로 전환하는 방법에는 물을 원료로 하는 전기분해, 열화학 사이클, 고온수소 전기분해를 통한 수소 생산, 황화수소를 원료로 하는 분해 수소 생산, 천연가스, 석탄, 바이오매스를 원료로 하는 열분해 수소 생산 등 여러 가지가 있습니다. 물을 원료로 사용하는 경우, 수소 생산 과정 전체에서 이산화탄소가 발생하지 않아 온실가스 배출을 사실상 없앨 수 있습니다. 다른 원료를 이용한 수소 생산은 탄소 배출량 감소에만 기여할 뿐입니다. 또한, 핵전기분해수를 이용하는 방식은 핵발전과 기존 전기분해 방식을 단순히 결합한 것에 불과하여 여전히 핵발전 영역에 속하며, 진정한 핵수소 생산 기술로 간주되지 않습니다. 따라서 물을 원료로 하는 열화학 사이클, 핵열을 전부 또는 일부 이용하는 방식, 고온수소 전기분해 방식 등이 향후 핵수소 생산 기술의 방향을 제시하는 것으로 여겨집니다.

현재 원자력 에너지에서 수소를 생산하는 주요 방법은 전기분해를 이용한 수소 생산과 열화학을 이용한 수소 생산 두 가지입니다. 원자로는 이 두 가지 수소 생산 방식에 각각 전기 에너지와 열 에너지를 제공합니다.

물의 전기분해를 통한 수소 생산은 원자력 에너지를 이용하여 전기를 생산한 후, 전기분해 장치를 통해 물을 분해하여 수소를 생성하는 방식입니다. 전기분해를 이용한 수소 생산은 비교적 직접적인 수소 생산 방식이지만, 생산 효율이 55%~60%로 낮은 편입니다. 미국에서 개발된 최첨단 SPE(고체상 전기) 전기분해 기술을 적용하더라도 전기분해 효율은 90%까지 향상되지만, 현재 대부분의 원자력 발전소는 열을 전기로 변환하는 효율이 약 35%에 불과하기 때문에 원자력 에너지를 이용한 물 전기분해 수소 생산의 최종 총 효율은 30%에 그칩니다.

열화학적 수소 생산은 열화학 사이클을 기반으로 하며, 원자로와 열화학 사이클 수소 생산 장치를 결합하여 원자로에서 발생하는 고온을 열원으로 활용해 물이 800℃~1000℃에서 촉매 열분해 반응을 일으켜 수소와 산소를 생성하는 방식입니다. 전해수 수소 생산 방식과 비교했을 때, 열화학적 수소 생산 효율은 더 높으며, 총 효율은 50% 이상에 달할 것으로 예상되고 비용도 저렴합니다.