[기고] 에너지 탈탄소화를 위한 수소 솔루션

에너지 탈탄소화를 위해 많은 플랜트가 새롭게 지어져야 하며, 대부분의 기존 플랜트는 개조되어야 한다. 대규모 프로젝트지만 엔지니어라면 해낼 수 있다.

글_ Jonas Berge, Senior Director, Applied technology, 에머슨 자동화 솔루션 사업부

대부분의 사람들은 탱크에 연료를 넣거나 스위치를 한 번 켜면 램프에 전원을 공급할 수 있는 인프라가 전 세계에 얼마나 있는지 잘 알지 못한다. 대부분의 인프라는 화석 연료에서 나온다. 하지만 이제는 탄소 중립과 같은 지속가능성 목표를 달성하기 위해 수소, 암모니아, 탄소를 포집할 수 있는 방대한 인프라를 새롭게 구축해야 한다. 에너지 탈탄소화를 위해 많은 플랜트가 새롭게 지어져야 하며, 대부분의 기존 플랜트는 개조되어야 한다. 대규모 프로젝트지만 엔지니어라면 해낼 수 있다.

이를 위해서는 콘크리트와 강철 그 이상의 요소들이 필요하며, 자동화가 많이 이루어져야 한다. 자동화는 수소 생산, 운송 및 저장을 비롯해 적정한 규모의 발전과 활용을 위한 핵심 요소이다. 단, 수소는 다루기가 어려운 성분인 만큼 신중을 기해야 한다. 자동화 엔지니어는 전환을 가속화하는데 있어 중요한 역할을 한다. 그렇다면 범용 자동화 외에 구체적으로 어떤 수소 솔루션을 제시할 수 있을까.

탈탄소화

고체, 액체, 가스 화석연료에서 수소와 암모니아로 전환되는 에너지의 탈탄소화가 진행되고 있다. 이는 많은 플랜트를 새롭게 지어야 한다는 뜻과 같다. 또한 화학 플랜트 내에서도 생산의 탈탄소화가 발생하므로 기존 플랜트에 새로운 공정 장치를 추가해야 한다. 신규, 확장 또는 수정되는 프로세스 공정 장치는 다음과 같다.

1.  전해조
2.  증기 메탄 개질기(SMR)
3.  탄소 포집
4.  운송 및 저장
5.  파이프라인 주입
6.  차량 급유소
7.  연료 전지

수소는 현장에서 생산되지 않을 수도 있다. 또는 다른 플랜트에서 가져오거나, 외부 공급업체로부터 공급받을 수도 있다. 일정량의 수소는 정유소의 중질 나프타 개질기와 같은 일부 공정에서 이미 부산물로 생산되고 있다. 수소는 정유소 내 수소화처리(hydrotreater)와 HCR(수소 첨가 분해, hydrocracker) 등 수 많은 공정 장치에서 이미 사용되고 있다. 이제 수소는 연료 가스에 주입해 공정 가열에도 활용될 예정이다.

이러한 모든 플랜트와 공정은 생산성, 제품 품질·순도, 신뢰성, 효율성, 안전성 등 요구되는 수준을 충족하기 위해서 자동화가 이루어져야 한다. 범용 제어 시스템, 안전 시스템, 센서 및 밸브 외에도, 수소와 관련된 문제점을 해결하기 위해 특별히 고안된 장치 또한 플랜트 내에 충분히 마련되야 한다. 수소와 관련된 특수한 문제와 전문화된 특수 자동화 솔루션에 대해 살펴보면 다음과 같다.

수소

수소는 아래와 같은 몇 가지 까다로운 특성을 지니고 있다. 따라서, 계기와 밸브를 포함해 수소 습식 부품에 대해서 신중히 고려해야한다. LNG에 비해 압력은 훨씬 더 높지만 온도는 더 낮을 수 있으며 수소는 극저온에서 처리되어야 한다.

• 가장 작은 크기의 원자로서, 금속 격자를 투과할 정도로 작다.
• 금속의 부식을 야기해 균열을 일으킬 수 있다.
• 액화수소(LH2)로 액화 시, 온도는 절대영도(약20K)까지 이르러야 한다.
• 초고압에서 압축수소(CH2) 상태로 운송 및 저장해야 한다.
• 인화성이 매우 높다.
• 보이지 않는 화염으로 연소한다.

이 외에도, 수소 생산 관련 공정은 그 자체로 문제를 지녔다.

• 진공스윙흡착(VSA, Vacuum Swing Adsorption) 및 압력스윙흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption)에 대한 밸브 사이클 수가 많다.
• 아민 처리와 관련한 부식 및 아웃개싱(outgassing) 문제가 있다.

다행히도 산업 내 수소의 활용은 새로운 영역이 아니기 때문에, 수소 경제에 필요한 자동화는 모두 실현할 수 하다. 수소는 수십 년 전부터 로켓 연료뿐만 아니라 비료 및 폭발물과 같은 정유 및 화학 산업에서 널리 사용되고 있다. 단, MW 규모의 연료 전지 등 일부 공정은 비교적 새로운 것이라 볼 수 있다.

전해조

전해조는 전기로 물을 분해해 수소를 생산한다. 태양열 또는 풍력으로 얻은 재생 가능한 전력인 경우, 그린 수소라 부른다.

전해조가 지닌 문제점 중 하나는 압력 센서 절연 다이어프램을 통해 수소가 침투하는 것이다. 이는 부정확한 측정과 센서 고장, 생산 손실 등으로 이어질 수 있다. 이는 금도금 다이아프램이 있는 압력 트랜스미터로 수소 압력을 측정하는 것으로 해결할 수 있으며, 그 결과 수명이 연장되고 중단 없는 운영이 가능하며, 낮은 유지보수 비용을 기대할 수 있다.

또 다른 문제는 전해조 막이 고장나 화재 위험성이 있는 수소와 산소를 누출할 수 있다는 점이다. 열전도율과 전기 화학 검출기가 있는 가스 분석기를 솔루션으로 사용해 미량의 수소와 산소를 검출할 수 있으며, 이를 통해 플랜트를 더욱 안전하게 할 수 있다.

마지막으로 수소 화염은 눈에 보이지 않을 수 있어 화재가 발생해도 보지 못할 수 있다는 문제점이 있다. 그 해결책으로 멀티스펙트럼 IR 및 UV 센서가 있는 화염 검출기를 사용하면 수소 화염을 검출해 플랜트를 안전하게 유지할 수 있다.

증기 메탄 개질기 (SMR)

증기 메탄 개질기(SMR, Steam Methane Reformer)는 증기를 사용해 천연가스에서 수소를 생산한다. CO2가 포집되면 이를 블루 수소라 한다. 플랜트에 이미 SMR이 설치되어있을 수 있지만, 버너와 같은 공정 가열 을 수용하기에는 용량이 너무 적을 수 있으며 그 경우에는 탄소 포집기를 추가해야 할 수도 있다.

진공변동흡착(VSA)을 이용한 탄소 포집

탄소 포집 장치 유형 중 하나는 진공 스윙 흡착(VSA, Vacuum Swing Adsorption) 기술을 통해 CO2에서 수소를 분리한다. VSA의 문제점 및 솔루션은 압력 스윙 흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption)과 유사하다. 이는 아래 PSA정제 부분에서 다시 다루겠다.

아민 처리를 이용한 탄소 포집

탄소 포집 장치의 다른 유형은 아민 처리를 통해 CO2에서 수소를 분리하는 것이다. 아민 처리의 문제점 중 하나는 공정에서 발생하는 부식으로, 이는 격리 누수(Loss of Containment) 을 야기할 수 있다. 이럴 경우 비침해 부식 센서와 분석 소프트웨어를 솔루션으로 활용해 부식을 모니터링하면 격리 누수를 방지하는 데 도움이 된다.

또 다른 문제점은 생산을 저해하는 아민 발포이다. 이는 이슬점 계산 기능이 있는 공정 가스 크로마토그래프로 해결할 수 있다. 작업자는 이슬점 정보를 통해 발포를 방지할 수 있으며 이는 처리량을 높이는 데 도움이 된다.

세번째 문제점은 아웃개싱으로, 이는 밸브 부품의 공동현상(Cavitation) 및 부식, 침식부터 밸브 고장과 생산성 손실까지 초래할 수 있다. 이에 대한 해결책은 마모 손실을 줄이고 제어할 수 있는 특수 DST (Dirty Service Trim)이 있는 제어 밸브를 사용하는 것이며 수명 연장, 연속 운영, 낮은 유지보수 비용과 같은 효과를 기대할 수 있다.

압력변동흡착(PSA)을 이용한 정제

탄소 포집 후, 수소는 압력 스윙 흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 장치에서 정제된다. PSA는 가스 분리하기 위해 잘 정립된 기술이다.

PSA 및 VSA 모두 걸친 한 가지 문제는 압력이 높아졌다 낮아졌다 하는 스트로크 빈도가 높다는 것이며 이는 밸브에 부담으로 작용한다. 밸브는 고순도의 수소를 생산하기 위해 강력한 차단을 제공해야 한다. 따라서 그 해결책으로 5등급 또는 6등급의 염격한 차단 요건을 충족하는 높은 주기율을 위해 강화 테플론과 같은 특수 소재를 사용한 밸브를 활용하는 것을 들 수 있다. 이는 프로세스 라이선스 제공자에 의해 백만 번 이상의 사이클을 인정받은 바 있다.

밸브는 디지털 통신 및 소프트웨어를 갖춘 스마트 포지셔너 및 높은 주기율과 관련한 밸브 분석(진단) 및 고속 반응, 비접촉식 밸브 위치 피드백과 함께 사용된다. 이는 고순도 수소, 긴 수명의 밸브 및 포지셔너, 낮은 유지보수 비용 및 연속 생산으로 이어진다.

또한, 수소의 순도를 확인해야 한다. 이를 위해 수소 순도를 모니터링하기 위한 퀀텀 캐스케이드 레이저 가스 분석기(continuous gas analyzer with quantum cascade)를 사용, 고순도 수소를 생성하는 것이 솔루션으로 제시할 수 있다.

파이프라인 주입

수소는 천연가스 그리드 파이프라인 또는 플랜트 연료 가스 네트워크에 주입될 수 있다.

수소 주입의 문제점 중 하나는 기존의 히터 및 버너가 수소용으로 설계된 것이 아니기 때문에 수소 혼합이 충분히 이루어질 수 없다는 것이다. 이를 위해 열전도도 검출기(TCD, thermal conductivity detectors)가 있는 공정 가스 크로마토그래프를 사용하면 수소 성분을 모니터링함으로써 열량 및 사양 내 웨버 지수를 알 수 있다.

화재 위험성을 지닌 수소가 누출되는 것도 또 다른 문제점이다. 이에 대한 해결책으로 풍향에 관계없이 넓은 지역에 걸쳐 수소 등의 고압 누출을 감지하는 초음파 기반 가스 누출 감지기를 사용하면, 안전한 플랜트를 조성할 수 있다.

차량 충전소

충전소는 연료 전지 차량(FCV, Fuel Cell Vehicles)에 수소를 제공한다.

수소 충전소의 문제점은 초고압 압축 수소로서, 배관 및 용기뿐만 아니라 유량계에도 반드시 정확도 손실없이 담겨야 한다는 점이다. 두꺼운 유동관 벽과 깊은 ‘U자형 튜브’가 있는 코리올리 유량계를 사용하면 수소의 흐름을 안전하고 정확하게 측정할 수 있다.

연료 전지

발전소의 연료 전지 스택이나 연료 전지 차량(FVC)에 장착된 연료 전지는 수소 및 산소를 전기로 변환하고 부산물로 물을 생성한다. 수소 차량의 문제점은 압축 수소의 높은 압력으로, 반드시 압력을 줄여야 한다. 경량 이단 활성 씰 설계(lightweight dual-stage active seal design)를 갖춘 온보드 레귤레이터를 이용하면 압력을 낮출 수 있으며, 차량 진동에 의한 영향도 적다.

지속가능성

이 모든 자동화를 통해 수소 경제 및 온실 가스 감축을 위한 청정 에너지로의 전환을 가능하게 해 기업은 탄소 발자국 저감이라는 기업의 사회적 책임 CSR(Corporate Social Responsibility)과 환경, 사회, 기업 지배구조(ESG, Environmental, Social and Corporate Governance) 목표를 달성함으로써 탄소 중립을 이루고 기후 변화에 맞설 수 있다.

수소 응용 분야에서 활용하도록 특수 목적으로 설계된 자동화 구성 요소의 장점은 다음과 같다.
• 연속 운영
• 낮은 유지보수 비용
• 안전성 개선
• 처리량 개선
• 고순도 수소
• 사양 내 수소/천연가스 혼합
• 정확한 청구

탈탄소화를 위한 첫 발

이것은 에너지 전환에 필요한 자동화 중 몇가지일 뿐이다. 현장마다 통합 제어 및 안전 시스템이 필요하고 개별 포장 장치에는 자체 제어기가 있을 수 있으며 범용 센서 및 밸브를 비롯해 조절기 등이 필요하다. 이 글에서 다룬 수소용 특수 기기 장치에 더해 추가로 마련되어야 하는 사항이다.

[제공. 한국에머슨 https://www.emerson.kr/ko-kr/automation-solutions]