천연가스를 활용한 수소 에너지 및 전력 생산
2024년 시장을 뜨겁게 달구었던 AI에 대한 열풍이 2025년에도 계속 될 것이라고 예상되는데요.
여기서 가장 중요한 요소로 꼽히고 있는 [데이터 센터 공급 전력] 에 대해 알아보려고 합니다.
미국 내 데이터센터는 대규모 전력 수요와 함께 안정적인 전력 공급이 매우 중요한 산업 분야로 이러한 전력 수요를 충족시키기 위해 화석연료(주로 천연가스)를 사용하는 것은 여전히 주요 방법 중 하나입니다.
최근에는 천연가스를 활용해 수소를 생산하고, 이를 다시 에너지원으로 사용함으로써 보다 친환경적이면서도 안정적인 전력 공급을 달성하려는 시도가 늘고 있습니다.
그래서 오늘 [천연가스를 활용한 수소에너지 및 전력 생산] 에 대해 어떤 장점과 단점이 있는지 면밀히 조사해보았습니다.
1. 천연가스를 이용한 직접 전력 생산
1) 가스터빈 발전(Gas Turbine Power Generation)
- 원리: 천연가스를 가스터빈에 주입해 고온·고압의 가스를 발생시키고, 가스를 통해 터빈을 구동함으로써 전기를 생산하는 방식
- 장점 : 초기 투자 비용이 비교적 저렴하고, 부하 변동 대응이 용이(빠른 가동 및 출력 조절 가능)
- 단점 : 화석연료로 인한 이산화탄소(CO₂) 배출과 가스 공급 인프라가 필요
2) 복합화력발전(CCGT: Combined Cycle Gas Turbine)
- 원리: 가스터빈에서 1차로 전력을 생산하고, 배출되는 고온의 배기가스를 보일러에 보내어 증기를 만든 뒤 스팀터빈으로 2차 전력을 생산함. 즉, 가스터빈과 스팀터빈을 결합한 방식
- 장점 : 단순 가스터빈 대비 높은 효율(50~60% 이상)과 천연가스 사용으로 기존 석탄 발전 대비 상대적으로 탄소 배출량이 적음
- 단점 : 발전 시스템이 복잡하여 초기 건설 비용 및 유지보수 비용이 가스터빈 단독발전보다 높음
2. 천연가스 개질(SMR)을 통한 수소 생산
전 세계 수소 생산의 대부분(약 70% 이상)은 천연가스 개질 공정(SMR)으로 이루어지는데요.
천연가스를 사용해 수소를 직접 생산하는 방법에는 대표적으로 2 가지로 ‘스팀 메탄 개질(SMR, Steam Methane Reforming)’이며, 최근에는 ‘자동열 개질(ATR, Autothermal Reforming)’ 등 다양한 기술이 개발되고 있습니다.
1) 스팀 메탄 개질(SMR: Steam Methane Reforming)
- 원리: 메탄(CH₄)을 주성분으로하는 천연가스에 고온·고압의 증기(H₂O)를 반응시켜 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)를 생성
- 반응식 : CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ → 수성 가스 전환 반응 → CO₂ + H₂
- 장점 : 산업적으로 가장 널리 사용되는 대규모 수소 생산 방식으로 비교적 안정적인 기술
- 단점 : 반응 과정에서 CO₂가 발생하여 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 병행 필요하며 대규모 설비 투자 필요
2) 기타 수소 생산 방법 (ATR, POX 등)
- 자동열 개질(ATR, Autothermal Reforming): 산소(O₂)와 증기(H₂O)를 함께 사용해 메탄을 부분 산화시켜 수소와 CO를 생성하는 방식
- 부분산화(POX, Partial Oxidation): 천연가스의 부분 산화로 합성가스를 생산, 이후 수성 가스 전환 과정을 거쳐 수소를 얻음
- 특징: SMR 대비 반응 안정성이 높을 수 있고, CCS(탄소 포집) 설비를 통합하기에 유리한 장점을 지님
3) 경제성
- 수소생산 단가 : 1~2달러/kg
- 특징 : 지역별 가스 가격 및 설비 규모에 따라 다르며 가스 가격 급등이 없는 기준
- 단점 : 공정 과정에서 이산화탄소(CO₂) 발생이 많음 (1kg수소 생산시 9~10kg CO₂ 발생)
2. 물 전기분해(Electrolysis) 방식
물(H₂O)에 전기를 흘려 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해하는 방식으로, 수소 생산 공정 자체에선 CO₂가 전혀 발생하지 않습니다.
다만, 전기를 생산하는 과정에서 화석연료를 쓴다면 결국 간접적인 CO₂ 배출이 발생할 수 있으므로, 전기 공급원이 **재생에너지(태양광, 풍력 등)라면 그린수소(Green Hydrogen), 혹은 화석연료 발전(Gray Hydrogen)으로 명칭합니다.
1) 분류
1-1) 알칼라인(Alkaline) 전해조
- 원리: KOH 등 알칼리성 용액에서 물이 분해되고, 전자는 주로 음극에서 H₂O → H₂ + OH⁻(환원) 반응, 양극에서 OH⁻ → O₂ + e⁻(산화) 반응이 일어남.
- 장점 : 기술 역사가 길고, 설비가 비교적 단순·저렴하며, 안정성이 높음(산성 환경 대비 전극 부식 문제가 상대적으로 적음)
- 단점 : 전류 밀도가 낮아 상대적으로 부피가 크고, 전해액(알칼리 용액) 취급·누설 주의 필요
1-2) PEM(고분자 전해질막) 전해조
- 원리: 고분자막(양이온 교환막)을 통해 H⁺(프로톤)만 이동하게 하고, 음극에서 물이 분해되어 H₂가 생성, 양극에서는 O₂가 생성됨.
- 장점 : 높은 전류 밀도와 빠른 응답 속도(부하 변동에 유연)와 고순도의 수소 생산이 가능, 구조가 콤팩트
- 단점 : 촉매로 귀금속(백금, 이리듐 등)을 사용으로 설비 비용 높고, 전해막 내구성 향상 및 대형화에 기술적 도전 과제
1-3. SOEC(고체산화물 전해조)
- 원리: 700~900℃ 이상의 고온 환경에서 세라믹 전해질(산화지르코늄 등)을 통해 O²⁻이동. 고온에서 전기분해가 진행되므로 이론적으로 매우 높은 효율 가능.
- 장점 : 고온 환경을 이용해 에너지(열) 효율을 높일 수 있고, CO₂와 H₂O를 함께 전해하여 합성가스(Syngas) 형태로도 만들 수 있음(수소+일산화탄소)
- 단점 : 고온 작동으로 인해 내구성·소재 안정성 문제, 초기 투자비 높고, 아직 대규모 상용화 단계 전, 연구·시범 사업 진행 중
2) 경제성
- 수소(그린 수소)의 생산 단가 : 일반적으로 3~6달러/kg(혹은 그 이상) 정도로 추정(역시 지역, 재생에너지 전력 가격, 설비 규모 등에 따라 편차가 큼).
- 특징 : 천연가스 개질(SMR)에 비해 단가가 높으나, 대규모 상용화 및 자동화 생산하여 규모의 경제 효과 필요
- 단점 : kg 당 생산 비용이 천연가스 개질 방식(SMR)보다 높고, 수소를 생산하기 위한 초기 투자 비용과 물 전기분해에 전력 사용량이 높다
3. 암모니아를 활용한 수소 에너지 활용
천연가스를 이용해 암모니아(NH₃)를 대량 생산하는 공정은 주로 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정을 기반으로 하며, 크게 다음 4단계로 구분할 수 있습니다.
1) 암모니아 생산 공정
- 원리 : 천연가스 개질 방식(SMR)로 수소를 만든 후 공기 중에 질소를 사용하여 [하버-보슈] 반응으로 암모니아(NH₃) 합성
- 장점 : 대규모 사업을 통해 생산비용 절감이 가능하고, 오래전부터 기술 개발 연구가 계속되고 있음
- 단점 : 공정내 스팀 발생, 공기 분리, 압축기 구동 등 상당한 에너지가 필요하며 SMR 방식에서 배출되는 CO₂에 대해 탄소포집기술(CCS) 적용 필요
2) 경제성
- 생산단가 : SMR 방식에서 kg 당 0.3~0.4달러가 추가 발생하나 큰 부담은 아닌 정도
- 특징 : 천연가스 가격에 따라 암모니아 생산 단가 변동 영향이 커서 계절별 및 수요에 따라 변동폭이 크게는 5배 차이
- 장점 : 대규모 사업을 통해 생산비용 절감이 가능하고, 오래전부터 기술 개발 연구가 계속되고 있음
5. 데이터센터 전력 수급에서의 적용 가능성
1. 천연가스를 통한 전력 생산
- 원리 : 천연가스 터빈 발전
- 특징 : 천연가스 추출 및 전력 생산 설비 구축이 필요하며, 송전망을 통해 전력 이동
- 장점 : 생산 단가가 가장 저렴하며, 재생 에너지 대비 전력 공급 안정성이 높음
- 단점 : 지리적 영향에 따라 데이터센터가 발전소 근처에 지어져야 함
2. 수소 전환을 통한 전력 생산
- 원리 : 천연가스 개질 방식(SMR)
- 특징 : 천연가스의 수소 전환을 통해 전력 공급 효율을 높혀 스마트 그리드 적용이 가능
- 장점 : 필요할 때 전력을 쓰고, 다시 수소로 저장이 가능하여 전력 사용에 효율성이 높음
- 단점 : 지리적 제약이 있으며, 원거리인 경우 수소 운송 및 저장 비용이 추가로 발생하며 SMR로 인해 발생하는 탄소에 대해 탄소포집기술(CCS) 적용이 필요
3. 암모니아를 활용한 전력 생산
- 원리 : 천연가스 개질 방식(SMR)
- 특징 : SMR을 통해 생산된 수소를 공기 중의 질소와 결합하여 암모니아로 변환하여 지리적 제약이 없음
- 장점 : 지리적 제약이 없으며, 수소 운반 및 저장 기술이 필요 없고 오래된 화학산업으로 기술 숙련도가 높음
- 단점 : 암모니아 생산은 CO₂ 배출량이 높아 탄소포집기술(CCS) 적용이 필수
