핵수소 생산이란 무엇인가?

핵수소 생산은 대규모 수소 생산에 선호되는 방법으로 널리 알려져 있지만, 발전 속도가 더딘 것으로 보입니다. 그렇다면 핵수소 생산이란 무엇일까요?

원자력 수소 생산, 즉 첨단 수소 생산 공정과 결합된 원자로를 통해 수소를 대량 생산합니다. 원자력을 이용한 수소 생산은 온실가스가 없고, 원료가 물이며, 효율이 높고, 규모가 크다는 장점이 있어 향후 대규모 수소 공급을 위한 중요한 해결책입니다. IAEA의 추정에 따르면, 250MW급 소형 원자로는 고온 핵반응을 통해 하루 50톤의 수소를 생산할 수 있습니다.

원자력 에너지의 수소 생산 원리는 원자로에서 발생하는 열을 수소 생산 에너지원으로 사용하고, 적절한 기술을 선택하여 효율적이고 대규모 수소 생산을 실현하는 것입니다. 또한 온실가스 배출량을 줄이거나 아예 없애는 효과도 있습니다. 그림은 원자력 에너지를 이용한 수소 생산 과정의 개략도를 보여줍니다.

핵에너지를 수소에너지로 전환하는 방법에는 전기분해를 통한 물을 원료로 하는 방법, 열화학 사이클, 고온 증기 전기분해 수소 생산, 황화수소를 원료로 하는 크래킹 수소 생산, 천연가스, 석탄, 바이오매스를 원료로 하는 열분해 수소 생산 등이 있다. 물을 원료로 사용하면 수소 생산 과정 전체에서 CO₂가 발생하지 않아 온실가스 배출을 근본적으로 없앨 수 있다. 다른 공급원에서 수소를 생산하면 탄소 배출량만 줄일 수 있다. 또한, 핵전기분해에 물을 사용하는 것은 핵발전과 전통적인 전기분해를 단순히 결합한 것에 불과하며, 이는 여전히 핵발전 분야에 속하며 진정한 핵수소 생산 기술로 여겨지지 않는다. 따라서 물을 원료로 하는 열화학 사이클, 핵열의 전체 또는 부분적 활용, 고온 증기 전기분해는 핵수소 생산 기술의 미래 방향을 제시하는 것으로 여겨진다.

현재 원자력 에너지에서 수소를 생산하는 주요 방법은 두 가지가 있습니다. 전기분해 수소 생산과 열화학적 수소 생산입니다. 원자로는 이 두 가지 수소 생산 방식에 각각 전기 에너지와 열 에너지를 제공합니다.

물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것은 원자력 에너지를 이용하여 전기를 생산한 후, 물 전기분해 장치를 통해 물을 분해하여 수소를 생산하는 것입니다. 물 전기분해를 통한 수소 생산은 비교적 직접적인 수소 생산 방식이지만, 이 방법의 수소 생산 효율(55% ~ 60%)은 낮습니다. 미국에서 최첨단 SPE 물 전기분해 기술을 도입하여 전기분해 효율을 90%까지 높였음에도 불구하고 말입니다. 그러나 현재 대부분의 원자력 발전소는 열을 전기로 변환하는 효율이 약 35%에 불과하기 때문에, 원자력에서 물 전기분해를 통한 수소 생산의 최종 총 효율은 30%에 불과합니다.

열화학 수소 생산은 열화학 사이클을 기반으로 하며, 원자로와 열화학 사이클 수소 생산 장치를 결합하여 원자로에서 제공되는 고온을 열원으로 사용하여 물이 800°C에서 1000°C의 열분해를 촉매하여 수소와 산소를 생성합니다. 전기분해 방식의 물 수소 생산과 비교했을 때, 열화학 수소 생산 효율이 더 높아 전체 효율은 50% 이상에 도달할 것으로 예상되며, 비용도 절감됩니다.