[수소안전#2] 수소는 어떻게 생산하고 분류하는가?

 

"수소는 어떻게 분류하고 생산하는가?"

탄소 중립과 에너지 전환의 시대에 수소는 단순한 석유화학 산업의 화학 원료를 넘어 핵심적인 에너지 전달물질로 자리 잡았다. 최근의 수소 산업은 생산 방식에 따른 정교한 분류 체계와 새로운 공정 기술의 도입을 요구하고 있다. 수소는 생산에 사용되는 에너지원과 공정 방식에 따라 다양하게 분류되며, 각 방식은 고유한 공정 특성과 안전 이슈를 동반한다.

본 블로그에서는 수소의 색상 기반 분류와 공정 기술별 원리를 상세히 분석하고, 설계 단계에서부터 고려해야 할 공정 안전의 핵심 요소를 제안한다.

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수소의 색상 기반 분류와 경제성 분석

수소는 무색무취의 가스이지만 생산 과정에서의 탄소 배출 정도와 사용 에너지원에 따라 소위 무지개 색상으로 구분한다.

그린 수소(Green Hydrogen)는 태양광이나 풍력 등 재생에너지에서 얻은 전기로 물을 전기 분해하여 생산하는 방식이다. 생산 과정에서 이산화탄소가 전혀 배출되지 않는 가장 이상적인 모델이다. 하지만 현재는 재생에너지 발전 비용과 전해조 설비의 가격 때문에 다른 방식에 비해 생산 단가가 2~3배가량 높다. 기술 성숙도가 높아짐에 따라 점차 경제성을 확보해 나가고 있다.

 

 

 

블루 수소 Blue Hydrogen	천연가스 개질 방식에서 발생하는 이산화탄소를 탄소 포집 및 저장 기술을 통해 격리한 수소이다. 그레이 수소에서 그린 수소로 넘어가는 가교 역할을 수행한다. 탄소 배출을 60~90% 이상 억제할 수 있어 저탄소 수소로 분류된다. 화석 연료 기반의 저렴한 생산 단가와 탄소 관리 비용 사이의 균형을 맞추는 것이 핵심이다.
그레이 수소 Gray Hydrogen	천연가스의 주성분인 메탄을 고온의 수증기와 반응시켜 생산한다. 현재 전 세계 수소 생산량의 95% 이상을 차지할 만큼 경제성이 뛰어나고 기술적으로 완성되어 있다. 그러나 수소 1톤 생산 시 약 10톤의 이산화탄소가 대기 중으로 배출되는 치명적인 단점이 있다. 기존 석유화학 단지에서 부생 수소로 얻어지는 경우도 이에 해당한다.
블랙 수소와 브라운 수소 Black/Brown Hydrogen	각각 무연탄과 갈탄을 가스화하여 생산하는 수소이다. 석탄 가스화 과정에서 수소와 일산화탄소가 생성되는데, 이 과정은 화석 연료 기반 방식 중 이산화탄소 배출량이 가장 많다. 수소 1톤당 약 19톤의 탄소가 발생하여 환경적 측면에서는 가장 불리하지만, 석탄 자원이 풍부한 지역에서는 에너지 안보 차원에서 고려되기도 한다.
옐로 수소 Yellow Hydrogen	태양광 발전 단독 또는 전력망에서 공급된 전기로 물을 분해하여 생산하는 수소로서 전력망에 포함된 화석연료 비중에 따라 탄소발자국이 달라진다. 친환경 잠재력은 있으나, 전력 믹스에 따라 그린 수소보다 탄소 배출이 높을 수 있다.
핑크 수소 Pink Hydrogen	원자력 발전의 전력(및 열)을 사용하여 수전해 방식으로 생산하는 수소이다. 대규모 기저 부하 전력을 활용한 24시간 가동 및 대량 생산이 가능하여 경제성이 매우 뛰어나고 공급이 안정적이다. 다만, 원전 안전성에 대한 사회적 수용성 문제와 방사성 폐기물 처리 등 환경적 논란이 상업화의 제약 요인이다.
화이트 수소 White Hydrogen	땅속에 매장되어 있는 천연 수소를 직접 추출하는 방식으로, 최근 프랑스와 말리 등에서 발견되어 새로운 가능성으로 떠오르고 있으나 아직 상업적 개발 단계는 아니다.

 

 

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공정 기반 수소 생산 기술의 원리와 안전성 비교

수소 생산 공정은 화학 반응의 원리와 운전 조건에 따라 크게 네 가지 기술 군으로 나뉜다. 각 기술은 공정 안전 측면에서 상이한 장단점을 가진다.

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첫째, 전기 분해 기술 (Water Electrolysis)은 전기에너지를 이용해 물 분자를 수소와 산소로 분리하는 방식이다. 2H2O -> 2H2 + O2 라는 단순한 전기화학 반응을 기초로 한다. 알칼리 전해조(AEL)와 고분자 전해질막(PEM) 방식이 상용화되어 있다. 고온 고압의 가열로가 필요 없어 열적 위험은 낮지만, 분리막 손상 시 수소와 산소가 혼합되어 가연 범위 내 폭발성 분위기가 형성될 위험이 상존한다. 수전해 설비는 재생에너지와 연계되므로 출력 변동에 따른 급격한 부하 변화 대응이 공정 안전의 핵심이다.

 

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둘째, 천연가스 개질 기술(SMR, Steam Methane Reforming)은 메탄과 수증기를 700~900도 고온에서 반응시키는 방식이다. 주 반응식은 CH4 + H2O -> CO + 3H2 이며, 이후 수성가스 전위 반응(Wet Gas Shift Conversion, CO + H2O -> CO2 + H2 )을 거쳐 수소 수율을 높인다. 대량 생산이 가능해 경제성이 가장 우수하지만, 고온 고압 운전으로 인해 재질의 고온 수소 침식(HTHA) 위험이 크다. 개질기는 복잡한 배관망과 Furnace를 포함하므로 누출 시 대형 화재로 이어질 가능성이 높아 정교한 제어 시스템이 필수적이다.

 

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셋째, 석탄 가스화 기술​은 석탄을 고온 고압에서 산소 및 수증기와 반응시켜 합성가스를 만드는 공정이다. 고체 연료를 가스화하므로 슬래그 처리와 복잡한 정제 공정이 수반된다. 경제성은 석탄의 연료가에 의존하며, 공정 안전 측면에서는 다량의 일산화탄소(CO) 배출에 따른 중독 위험과 고온 용융물 취급에 따른 설비 손상 위험이 크다. 석탄 가스화 기술은 운전 조건이 매우 가혹하여 설계 단계에서부터 높은 사양의 재질 선정이 요구된다.

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넷째, 바이오매스 기반 기술은 유기물 쓰레기나 식물 자원을 가스화하거나 미생물을 이용해 발효시키는 방식이다. 쓰레기나 가축 분뇨를 원료로 사용할 수 있어 순환 경제에 기여한다. 생물학적 방식은 상온 상압에서 진행되어 물리적 폭발 위험은 낮지만, 메탄과 황화수소 등 부생 가스 관리가 중요하다. 열화학적 가스화 방식은 석탄 가스화와 유사한 고온 위험을 공유하며 원료 공급의 균질성 확보가 공정 제어의 난제이다.

 

 

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생산 방식별 고유한 주요 공정 위험 분석

각 수소 생산 공정은 시스템의 물리화학적 특성에 따른 고유한 사고 시나리오를 가진다.

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전기 분해 공정에서 가장 경계해야 할 위험은 가스 크로스오버(Gas Crossover) 현상이다. 전해조 내부의 멤브레인이 물리적으로 손상되거나 저부하 운전 시 수소 전극의 가스가 산소 전극으로 넘어가는 현상이 발생할 수 있다. 산소 내 수소 농도가 폭발 하한계에 도달하면 전해조 내부에서 정전기에 의한 내부 폭발이 발생할 수 있다. 실제 강릉 수소 탱크 사고의 근본 원인도 수전해 과정에서 산소가 혼입 (Oxygen Contamination) 된 채로 버퍼 탱크에 저장되었기 때문이다. 따라서 실시간 가스 분석기와 농도 이송 차단 인터록 설계가 무엇보다 중요하다.

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천연가스 개질 공정은 전형적인 고온 고압 화학 공정의 위험을 내포한다. 개질기 튜브 내부에서는 고온의 수소가 금속 재질과 반응하여 메탄 포켓을 형성하는 고온 수소 침식(HTHA)이 발생할 수 있다. 이는 육안이나 일반 비파괴 검사로 발견하기 어렵고 갑작스러운 파열로 이어져 대규모 제트 화염을 유발한다. 또한 개질기 연소실의 화염 손실 또는 미연소 가스 체류에 의한 Furnace 내 폭발 위험이 존재한다. 설계 시 API 941 가이드라인에 따른 넬슨 커브 (Nelson Curves) 검토와 연소 관리 시스템(BMS)의 신뢰성 확보가 필수적이다. (주. API Recommended Practice 941 – Steels for Hydrogen Service at Elevated Temperatures and Pressures in Petroleum Refineries and Petrochemical Plants)

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석탄 가스화 공정은 가스화기 내부의 가혹한 온도 분포와 슬래그 형성에 따른 노즐 폐쇄 위험을 동반한다. 산소 투입량 조절 실패 시 과열로 인한 내화재 손상이나 기계적 파손이 일어날 수 있다. 또한 공정 가스에 포함된 황화수소(H2S )와 일산화탄소(CO)의 누출은 화재 폭발 이전에 현장 작업자에게 치명적인 중독 사고를 일으킬 수 있다. 석탄 가스화기는 매우 빠른 고온 열분해·산화 반응, 석탄의 휘발 성분의 급격한 방출 등에 의해 압력 상승 속도가 매우 빠르므로 긴급 압력 방출 시스템의 설계 용량 산정에 각별한 주의가 필요하다.

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바이오매스 기반 공정은 원료의 불균일성에 따른 이송 설비의 막힘과 분진 폭발 위험이 원료 처리 공정에 존재한다. 유기물의 혐기성 분해 과정에서 생성된 수소가 밀폐된 저장 공간 상부에 체류하여 정전기에 의해 점화되는 사고 발생 우려도 있다. 또한 발효조 내부의 압력 상승을 제어하지 못할 경우 대량의 가연성 가스가 주변으로 확산될 수 있다. 원료 저장소의 환기 설계와 분진 제거 시스템, 그리고 생화학적 반응 속도를 고려한 압력 제어 로직이 주요 안전 포인트이다.

 

 

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산업용 수소 설비의 핵심 안전 설계 요소

수소 설비의 안전은 설계 단계에서 결정되며 각 항목은 수소 고유의 특성을 반영해야 한다.

재질 선택	수소 취성을 방지하기 위해 316L 스테인리스강과 같은 검증된 합금을 사용해야 한다. 구리나 주물 등은 수소 환경에서 강도가 급격히 저하되므로 피해야 하며 고온 고압 공정에서는 API 941 기준에 따른 넬슨 커브를 검토하여 재질의 한계 온도를 확인해야 한다.
수소 방폭	가스 그룹 IIC에 적합한 기기를 선정하고 누출 가능성에 따라 위험 지역을 엄격히 구분해야 한다. 수소는 점화 에너지가 매우 낮아 아주 작은 전기적 불꽃도 차단할 수 있는 본질 안전 방폭이나 내압 방폭 구조가 필수적으로 요구된다.
환기 설계	수소가 상부로 모이는 부력을 고려하여 천장 부근에 사각지대 없는 배기 구조를 갖추어야 한다. 강제 환기 시스템은 수소 감지기와 연동하여 가연 하한계의 20% 또는 25% 도달 시 즉시 가동되도록 설계하고 송풍기 중단 시 공정 전체가 셧다운 되는 인터록을 구성해야 하는 것이 권장된다.
가스 감지 시스템	수소가 적외선을 흡수하지 않는 특성을 고려하여 접촉 연소식이나 전기 화학식 센서를 사용해야 한다. 감지기는 수소가 체류할 수 있는 천장이나 배관 연결부 상단에 배치하고 화염 감지기는 수소 화염 파장을 인식하는 UV/IR 복합형을 설치해야 한다.
배기 및 벤트 스택	수소를 안전한 장소로 유도하여 확산시키기 위해 수직 상향으로 설치해야 한다. 스택 끝단에는 빗물 유입을 막는 캡을 씌우고 정전기 점화를 막기 위해 모든 배관에 철저한 접지와 본딩을 실시해야 하며 배출 시 반동력을 견딜 수 있는 구조적 지지가 필요하다.
정전기 방지	수소의 낮은 점화 에너지를 고려할 때 가장 중요한 항목 중 하나이다. 작업 구역의 전도성 바닥재 사용, 접지 설비의 정기적인 저항 측정, 인입 배관의 절연 조치 등을 통해 보이지 않는 점화원을 원천적으로 차단하는 정교한 관리가 수행되어야 한다.

 

 

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수소 설비의 설계 및 운영 단계의 공정 위험성 평가 전략

수소 공정은 정성적 분석과 정량적 분석이 조화를 이루는 고도의 위험성 평가가 필요하다.

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먼저 파라미터 기반의 HAZOP (또는 일반 HAZOP)을 통해 압력, 온도, 농도 이탈이 수소 시스템에 미치는 영향을 분석해야 한다. 특히 산소 혼입이나 고온 과열 상황은 폭발과 재질 손상으로 직결되므로 단일 고장에 의해 사고 발생 가능성이 없는지? 독립적인 안전 방호 계층이 적절히 고려되어 있는 검토해야 한다.

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절차 기반의 Procedural HAZOP (절차적 위험과 운전 분석)은 퍼지, 기밀시험, 기동 및 정지 시의 인적 오류를 식별하는 데 초점을 맞춘다. 수소 설비는 가동 초기와 정지 시에 사고 발생률이 높으므로 밸브 조작 순서나 질소 치환 절차의 적절성을 단계별로 검증하여 작업자의 실수를 방지하는 보호벽을 세워야 한다.

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LOPA (방호 계층분석)는 식별된 사고 시나리오에 대해 독립 방호 계층이 충분한지 반정량적으로 검증하는 도구이다. 수소 누출 시 화재나 폭발 가능성이 크므로 BPCS (Basic Process Control System) 외에 독립적인 안전 계장 시스템과 물리적 방호 장치가 목표로 하는 위험 감소 목표를 달성하는지 계산하여 검증해야 한다.

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마지막으로 건축물에 대한 정량적 위험성 평가 (BRA, Building Risk Assessment)를 통해 폭발 과압이 건물의 건전성과 내부 인원에게 미치는 영향을 평가해야 한다. 수소는 폭발 위력이 강하므로 공정 구역과 사무동 사이에 안전거리를 확보하고 필요시 방호벽 설계나 건물의 폭발 압력 배출 패널 설치를 통해 인명 피해 발생 가능성을 최소화해야 한다.

 

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지속 가능한 수소 경제를 위한 안전의 재정의

수소 생산 기술은 탄소 배출 저감이라는 시대적 사명을 띠고 급격히 발전하고 있다. 그러나 기술의 혁신보다 우선되어야 할 것은 설계 단계에서부터 안전 확보이다. 수소의 물리적 특성과 각 생산 공정의 고유 위험을 간과한 설계는 경제적 이익보다 더 큰 사회적 비용을 초래할 수 있다. 수소 사업자는 수소 생산 방식의 다양성을 이해함과 동시에 HAZOP과 LOPA 등 높은 수준의 위험성 평가를 통해 잠재적 사고 발생 가능성을 낮춰야 한다. 공정 안전 설계는 선택이 아닌 수소 산업의 영속성을 결정짓는 가장 강력한 기술적 기반임을 잊지 말아야 한다.

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아파브 코리아

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[Technical Insight] 수소 안전 Series

 

[수소안전#3] 전기 분해를 통한 수소 생산과 공정 안전

[수소안전#4] 재생에너지 조건에서의 그린 수소 생산 - AWE 전해조의 경제성

[수소안전#5] 재생에너지 조건에서의 그린 수소 생산 - PEM 전해조의 탁월성

[수소안전#6] 천연가스 개질(SMR)을 통한 수소 생산과 공정 안전

[수소안전#7] 고압 수소 저장 및 이송 시의 안전 관리

[수소안전#9] 액체 수소 저장 및 이송 시의 극저온 안전 관리

[수소안전#11] 통합 수소 산업 단지 공정 안전 가이드라인

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