천연가스 파이프라인을 활용해 수소를 공급하는 방법

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-04-07 10:15:23
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- 인프라 이점을 통해 천연가스 네트워크에 추가로 수소를 공급할 수 있다.
- 분리 방법의 핵심은 다공성 세라믹 캐리어 재료 위에 있는 얇은 1나노미터 구경 탄소 막
- 작은 수소분자는 막의 구멍을 통해 압축돼 가스로 빠져나가고 메탄 분자는 남아 있다.

천연가스 파이프라인 네트워크에서 나오는 수소
새로운 방법으로 목적지에서 메탄과 수소 분리 가능


기존 파이프 라인 네트워크로 공급 :
앞으로 수소는 메탄 외에도 전 국토에 매설된 천연가스 네트워크로도 수송될 수 있다.
독일 과학자들은 최근 이를 위한 중요한 전제 조건인 두 가스를 분리하는 막 기술을 개발했다. 둘 다 라인을 통해 목적지까지 함께 흐를 수 있다. 거기에서 수소는 일종의 탄소 필터를 통해 외부로 침투하고 메탄은 유지된다. 

▲ 이 작은 튜브 삽입물은 수소와 메탄이 가스 라인에서 별도로 배출되도록 한다. © Fraunhofer IKTS


수소는 미래의 에너지 운반자이자 기후 보호에 중요한 역할을 하는 것으로 간주된다.
바람과 태양과 같은 재생 가능한 에너지에서 얻어지면 기후에 해를 끼치는 배출물이 없기 때문이다.
'그린 가스'를 필요한 곳에 어떻게 공급할까?

밀도가 낮기 때문에 가스를 탱크로 운반하는 것은 수익성이 없다. 수소는 일반적으로 냉각되어 액체 형태로 운반된다. 그러나 그것조차도 시간이 많이 걸리고 위험하다.

한 라인에 두 종류의 가스

한 가지 가능한 해결책은 기존 가스 파이프 라인에서 수소를 수송하는 것이다.
가스는 초기에 파일럿 테스트의 일부로 이미 일부 지역에서 지역 도시가스와 혼합되고 있다. 지금까지 이 메탄과 수소의 혼합 가스는 파이프에서 나오는 것처럼 가열 및 조리에 사용됐다.

또 다른 방법이 있다.
생산 현장의 가스 네트워크에 수소를 도입하고 목적지에서 다시 메탄과 분리하는 것이다.
독일의 경우 51만1000km의 가스 네트워크와 가스 저장 시설이 있는 33개의 위치가 있기 때문에 이를 위한 인프라가 이미 존재한다.

우리나라에는 2019년 기준으로 전국에 4만5634km가 구축된 것으로 집계됐다. 
프라운호퍼(Fraunhofer) 세라믹 기술 및 시스템 IKTS 연구소의 그룹 리더 아드리안 시몬(Adrian Simon)은 “이 인프라 이점을 통해 천연가스 네트워크에 추가로 수소를 공급할 수 있다”고 말했다.

분리 보조제로 사용되는 탄소막

목적지에서 수소를 회수하기 위해 Simon과 그의 팀은 최근 수소와 천연가스를 비용 효율적이고 효과적으로 분리할 수 있는 기술을 개발했다. 분리 방법의 핵심은 다공성 세라믹 캐리어 재료 위에 있는 얇은 탄소 막이다. 탄소막의 기공은 직경이 1나노 미터 미만이므로 가스 분리에 적합하다.

분리 과정에서 수소와 천연가스는 관형 모듈을 통해 구동된다.
더 작은 수소 분자는 막의 구멍을 통해 압축되어 가스로 빠져나가고 더 큰 메탄 분자는 뒤에 남아 있다. "이렇게 하면 순도 80%의 수소를 얻을 수 있다"고 Simon은 말했다. “우리는 두 번째 분리 단계에서 남아 있는 천연가스 잔류물을 걸러낸다. 이러한 방식으로 우리는 90% 이상의 순도를 달성했다." 

▲ 멤브레인의 기능적 원리. 작은 수소 분자는 막을 통과하고 더 큰 메탄 분자는 유지된다. © Andreas Junghans GmbH

철강 생산 또는 건물 난방에 사용 가능

목적지에 도달하면 이 정도의 순도를 가진 수소는 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다.
한 가지 예는 지금까지 특히 많은 양의 온실가스를 배출하고 있는 철강 생산이다.
예를 들어, 미래에는 철광석이 철로 환원될 때 용광로에서 수소가 탄소를 대체해 CO2 감소에 중요한 기여를 할 수 있다.

수소는 또한 건물의 기후 친화적인 에너지 공급을 위한 매력적인 옵션이다.
태우면 전기와 열이 발생하고 부산물은 물뿐이다. 

예를 들어 열병합 발전 장치(BHKW)는 개별 건물 단지 나 도시 구역에 깨끗한 전기와 열에너지를 공급할 수 있다. 가스 보일러에도 사용할 수 있다.

Fraunhofer IKTS의 연구원들은 현재 더 많은 양의 천연가스와 수소를 분리할 수 ​​있도록 기술을 확장하기 위해 노력하고 있다. 이를 위한 프로토 타입 제작은 이미 계획 중이다.
출처 : Fraunhofer Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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