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저온 철 기반 수소 생산 순환 화학공정의 열역학적 가능성과 제약

전문가 제언: ○ 앞으로 수소는 전기와 함께 공해물질을 배출하지 않는 깨끗한 에너지 매체로 등장할 것은 의심의 여지가 없다. 그러나 현재 비용 면에서 가장 효율적인 수소 생산 방법은 탄화수소의 수증기 개질인데 이 공정은 도중에 온실가스인 이산화탄소의 대기로의 방출이 많다. 더구나 앞으로 도래할 화석연료 고갈에 대비하여 화석연료를 사용하지 않고 온실가스 배출을 최소화 하는 수소 제조 방법의 개발은 절실한 문제이다.

○ 철의 수증기에 의한 산화/환원 조작으로 수소의 생산은 매우 고전적인 방법이다. 심지어 High School Chemistry에서도 “적열하는 철에 수증기 접촉”은 수소 제법의 하나로 등장한지 오래다. 그러나 이 철을 적열시키는 에너지의 공급 문제로 이 방법의 공업적 응용은 그렇게 간단하지 않다. 본문은 이 공정 사이클 상의 열역학적 가능성과 제약 그리고 공업적인 문제를 자세히 검토하고 있다.

○ 현재 수증기의 분해로 수소를 생산하는 많은 열-화학적 사이클이 제시되고 있다. 열-화학적 수증기의 분해는 고급 에너지 매체인 전기를 이용하지 않고 저급 에너지원을 이용한 수소 생산에 가장 가능한 방법으로 간주되어 왔다. 그러나 열의 흐름과 물질의 흐름이 일치되지 않아 잦은 열 교환이 필요하며 이로 인한 에너지 손실로 기술적 어려움이 많다. 더구나 중간 매질로 고체가 포함되는 경우 그 취급이 어렵고 기기의 비용이 높아 비효율적인 결과를 가져온다. 여기서 제시하는 철 사이클은 고체상이 개입되므로 조작 상에 어려움이 많을 가능성이 크다.

○ 열-화학 사이클의 매질의 조건으로 가격이 싸고 부식성이 낮으며 인체에 독성이나 생태계에 악영향을 미쳐서는 아니 된다. 그 외에 반응이 간단하고 반응 단계가 적으며 반응속도가 충분히 빨라야 하는 등 화학적 물리적 그리고 열역학적 여러 조건이 있다. 그러나 이 모든 조건을 모두 만족시킬 물질은 실질적으로 얻기 어렵기 때문에 그 중 몇 조건은 희생하는 수밖에 없다. 본문에서 제시하는 철-자철광 사이클도 본문에서 자세히 검토한 바와 같이 부반응과 탄소의 축적, 부식 등의 문제가 있음에도 불구하고 다른 열-화학 사이클보다 더 기대되는 것은 이와 같은 이유 때문이다.

저자: Svoboda, K., Slowinski, G., Rogut, J., Baxter, D.
자료유형: 학술정보