Naphtha의 steam reforming에 의한 수소제조시스템에 대한 CO2 배출량 및 환경영향의 정량화

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

박희일, 김익, 이병권*, 허탁,

건국대학교 화학생물공학부, 한국과학기술연구원 CFC 대체연구센터*

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Quantifying CO2 Emissions and Environmental Impact for Hydrogen Production System by Steam Reforming of Naphtha

Hee-il Park,  Ik Kim,  Byung Kwon Lee*, and Tak Hur

School of Chemical & Biological Eng. Konkuk University,

CFC Alternatives Research Center, Korea Institute of Science and Technology*

Abstract

본 연구에서는 국내 수소 생산량의 약 50% 이상을 차지하는 naphtha steam reforming방법에 대한 환경성을 평가하기 위하여 전과정평가를 수행하였다. 비록 수소가 사용중에는 대기배출물, 특히 CO2를 거의 배출하지 않으나, 수소의 제조과정에서 상당히 많은 양의 CO2를 배출하고 있다. 전과정목록분석으로부터 1kg의 수소를 제조하는데 약 6.3kg 정도의 CO2를 배출하며, 이는 주로 수소제조과정내의 steam reforming반응과 화석연료의 사용에 기인하고 있음을 확인하였다. 특히, steam reforming반응과정은 전체 CO2배출량의 약 57%를 차지하였다.

서론

대체에너지의 개발과 보급은 고갈되어 가는 화석연료 문제를 해결하기 위한 에너지원의 발굴뿐 만 아니라, 화석연료의 사용으로 인해 야기된 환경문제를 해결하기 위해서 반드시 필요하다. 특히, 지구온난화의 주원인물질인 CO2는 전세계적으로 매년 약 62억 톤이 배출되고 있으며, 이 중 약 75%가 화석연료의 사용으로 인한 것으로 알려져 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 국제적으로 태양열, 지열, 소수력, 조력 등의 여러 가지 대체에너지원으로부터 에너지를 생산하는 다양한 제조 방법을 개발하고 있다. 특히, 수소는 사용중 대기배출물이 거의 없고, 같은 무게의 가솔린 보다 3배 많은 에너지를 방출한다. 또한, 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 응용될 수 있어 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 인식되고 있다.

이상과 같이 수소는 에너지 효율이 좋을 뿐만 아니라, 사용중에 대기배출물이 거의 없어서 청정에너지원으로서 그 중요성이 강조되고 있어서, 제조방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, steam reforming법은 수소의 대량생산에 유리하여 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 방법이다. 그러나, 제조원리상 필연적으로 다량의 CO2가 발생하는 단점을 가지고 있으므로, 이 방법으로 제조된 수소는 사용중의 대기배출물이 거의 없다고 하더라도, 반드시 환경개선이 이루어진다고 할 수는 없다.

이를 규명하기 위해서는 반드시 수소의 전과정을 고려한 환경성의 평가가 필요하다.  전과정평가(Life Cycle Assessment)는 제품의 원료를 채취하고 제조하여 이를 사용하고 폐기하는 제품의 전과정에 걸친 환경영향을 정량화하고 총체적인 환경영향을 파악하는 환경성평가 도구이다.

본 연구에서는 전과정평가를 이용하여 수소의 사용단계 뿐 만 아니라, 수소의 제조 및 저장단계를 포함하는 수소에너지 시스템의 CO2배출량 및 환경영향을 정량화함으로써  수소제조방법과 관련된 환경측면의 개선기회를 확보할 수 있는 유용한  기초자료를 제공하고자 한다.

전과정평가

1. 목적 및 범위정의

본 연구의 목적은 naphtha의 steam reforming에 의한 수소제조시스템의 CO2배출량을 정량화하고 잠재적인 환경영향을 평가함으로써 환경측면의 주요이슈를 규명하여, 새로운 제조방법의 개발에 대한 개선 기회를 제공하는 것이다.

기능 및 기능단위는 <표1>과 같이 정의하였으며, 시스템 경계는 <표2>와 같이 대상 수소제조공정과 상위흐름공정으로 구분하였다. 상위흐름에 대해서는 우선순위를 두어 효율적인 데이터 수집이 이루어지도록 하였다.

<표1> 기능 및 기능단위                    <표2> 시스템 경계

기능	산업용가스, 에너지원
연구와 관련된 기능	에너지원
기능단위	120MJ의 에너지
기준흐름	수소 1kg

항목	수소제조공정	상위흐름
시간적 경계	2000년도	① 2000년도 D/B ② 최근 5년 이내의 D/B ③ 수집가능한 D/B중 가장 최근 D/B
지리적 경계	데이터 수집 대상업체	① 국내 D/B ② 생산지와 유사한 지역 D/B
기술적 경계	수소제조방법 license	① 동일한 기술 수준의 D/B ② 가능한 유사한 기술의 D/B

본 연구의 대상 수소제조공정은 국내에서 수소를 생산하는데 가장 많이 사용되고 있는 naphtha의 steam reforming에 의한 수소제조방법으로 선정하였다는데, 이 방법은 naphtha를 CH4, H2, CO, CO2로 분해한 후, 다음 반응식(1)에서와 같이 CH4을 steam과 반응시켜 대량의 수소를 제조할 수 있는 방법이다.

대상 공정에 대하여 수집되는 데이터의 범주는 수소를 생산하는데 필요한 투입물로서 원료, 에너지, 화학물질, 유틸리티, 기타(포장재등)으로 구분하고, 산출물은 제품, 부산품, 대기배출물, 수계배출물, 고형폐기물, 기타로 구분하였다.

본 연구에서는 수소플랜트 건설과 국내 수송을 위한 파이프라인의 건설은 고려하지 않았으며, 국내 수송을 위한 pipeline의 거리는 3km를 적용하였다. 또한, 투입되는 화학물질은 용도명과 기능명으로 구분하고 기본흐름으로 가정하였고, 촉매는 실제 교체주기를 고려하여 투입량 계산하였다.

2. 전과정목록분석

연구 대상 수소제조공정을 도입한 업체로부터 공정에 대하여 직접방문과 설문지를 통h하여 정량적인 데이터를 수집하였으며, 상위흐름공정에 대해서는 국내 및 국외 D/B를 수집하였다. 수집된 데이터의 신뢰성을 판단하기 위하여 물질수지, 물수지, 에너지 수지를 검토하여, 정량적인 데이터 값의 누락여부를 판단하였다. 대상업체에서 관리되지 않아 누락된 데이터의 경우 투입물과 산출물간의 인과관계를 파악하여 기입하고, 대기배출물은 업체의 측정데이터와 이론적인 연소방정식을 혼용하여 정량화 하였다. 또한, 공정내에서  생산되는 스팀의 일부가 외부 공정에서 사용되기 때문에, 수소와 스팀 사이에 생산량과 경제적 가치를 이용하여 할당을 하였다.

최종적으로, 계산된 투입/산출물 데이터를 최종 제품인 수소의 생산량으로 나누어 수소 1kg당 투입, 산출물 데이터로 환산한 후, 기술계에서 투입되고 배출되는 항목에 대하여 상위흐름 D/B를 연결하여 "cradle to gate" D/B를 구축하였다.

3. 전과정영향평가

전과정영향평가는 ISO14042(Environmental management-Life cycle assessment-Life cycle impact assessment)에 언급되어 있는 절차에 따라 수행하였으며, 영향범주는 CO2등의 온실가스 배출에 따른 GWP(Global Warming Potential)에 초점을 맞추어 전과정영향평가를 수행하였다. 그리고, 방법론은 IPCC의 특성화 지수를 적용하여 GWP 특성화 값을 산출하였다.

결과 및 고찰

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

일반적으로, 수소는 사용단계에서 CO2를 거의 배출하지 않기 때문에, 환경친화적인 에너지로 인식되고 있다. 그러나, 본 전과정평가의 연구결과는 naphtha의 steam reforming에 의한 방법으로 수소 1kg을 생산하는 전과정에서 발생하는 총 CO2배출량은 약 6.3kg정도로, 상당히 많은 양이 배출되는 것으로 나타났다.

[그림2] 전과정 단계별 CO2배출량    [그림3] 수소제조단계에서의 공정별 CO2배출량

[그림2]에서는 전체 CO2배출량의 전과정 단계별 배출 비율을 보여주고 있는데, 전체 CO2의 92%가 수소제조단계에서 발생하고 있다. 수소제조단계를 자세히 분석하여 보면, [그림3]에서 보는 바와 같이 수소제조공정내, 즉, naphtha의 steam reforming반응과 화석연료의 사용으로 인한 CO2배출량이 압도적으로 많은 것을 알 수 있다.

특히, reforming반응에 의해서 발생하는 CO2배출량이 약 3.4kg로, 전체 CO2배출량의 약 57%를 차지하고 있어서 현재, 국외 뿐만 아니라 국내에서도 수소생산에 가장 많이 이용되고 있는 steam reforming법은 근본적으로 환경측면에서 큰 결점을 가지고 있는 것을 알 수 있다.

<표3> 공정별 GWP 기여도

<표3>에서는 전과정영향평가를 수행하여 수소 1kg을 생산하는데 배출되는 온실가스에 의한 GWP(Global Warming Potential)에 대한 기여도를 각 파라미터별, 공정별로 산출하였다. GWP에 있어서도 CO2배출량이 다른 온실가스에 비해 절대적으로 많기 때문에 CO2에 의한 영향이 약 99.9%로 거의 대부분이다. 따라서, CO2배출량과 비례하여 제조공정내의 GWP 기여도가 약 76%로 가장 높은 것으로 나타났다.

Naphtha의 steam reforming법은 앞의 반응식(1)에서 보는 바와 같이 반응과정에서 필연적으로 발생하는 다량의 CO2배출과 이로 인한 지구온난화의 가중이 환경측면의 가장 큰 문제점이다. 화석연료를 대신하여 미래의 청정한 대체에너지원인 수소가 사용과정에서 CO2를 배출하지 않으므로, 환경성이 화석연료보다 우수한 것처럼 보이나, 실질적으로는 수소제조과정에서 많은 양의 CO2를 배출하기 때문에 오히려 환경측면의 개선을 기대하기 어려울 수도 있다.

따라서, 수소가 실질적으로 청정한 대체에너지로서 활용되기 위해서는 제조방법의 개발 초기에서부터 전과정평가와 같은 환경성평가 도구를 이용하여 환경측면의 주요 이슈를 규명하고, 개선의 기회를 확보함으로써 궁극적으로 제품의 전과정측면에서 보다 친환경적인 수소제조시스템의 구축을 유도하는 것이 중요할 것이다.

참고문헌

□ISO 14040 : Life cycle assessment - Principles and framework, 1998.

□ISO 14041 : Life cycle assessment - Goal and scope difinition and inventory anaylsis, 1998.

□ISO 14042 : Life cycle assessment - Life cycle impact assessment, 2000.

□ISO 14043 : Life cycle assessment - Life cycle interpretation, 2000.

□Henrik Wenzel et al. Environmental Assessment of Products, Chapman & Hall, 1997.

□Lars-Gunnar Lindfors et al. Nordic Guidelines on Life-Cycle Assessment, IVL, 1995.

□M. A. Curran, Environmental Life-Cycle Assessment, McGraw-Hill, 1996.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

□Pamela L et al. Life Cycle Assessment of Hydrogen Production via Natural Gas Steam         Reforming, NREL, 2000.

□R. C. Dante et al. Life cycle analysis of hydrogen fuel: a methodology for a strategic           approach of decision making, 2001.