수소는 자연 속에서 널리 분포되어 있으며 자연 상태에는 매우 적은 양의 무료 수소가 존재��니다. 산업용 수소는 특정 방법으로 산업용 원료를 사용��여 대량으로 생산된 가연성 가스 수소 제품을 의미��니다. 에너지 입력을 통해 수소가 포��된 원료에서 산업용 수소를 추출��는 이 과정을 화석 연료 수소 생산, 수분해 수소 생산, 생명공�� 수소 생산, 태양열 수소 생산을 비롯�� 인공 수소 생산이라고 ��니다. 수소 에너지는 수소의 화��적 에너지로 물리적 및 화��적 변화 중에 방출되는 에너지로 나타납니다. 2차 에너지 특성을 가진 중요�� 유형의 에너지입니다. 이 대규모 인공 수소 생산 및 수소 에너지 활용을 수소 산업이라고 ��며, 업스트림 수소 생산, 미드스트림 저장 및 운송, 다운스트림 응용 분야를 포����니다. 수소 산업 시스템의 다양�� 산업 부문은 수소 산업 가치 체인, 수소 산업 기업 체인, 수소 산업 공급 및 수요 체인, 수소 산업 우주 체인 등 특정 기술 및 경제적 연결을 기반으로 ��니다.
1 전 세계 수소 산업이 형성되기 시작했습니다
전 세계 수소 산업은 빠르게 발전했으며 시장 규모는 2011년 187억 8,200만 달러에서 현재 2514억 9,300만 달러로 34.4%의 성장률을 기록했습니다. 이 중 미국은 공업용 수소의 가장 큰 수입국이며 총 수입액은 248만 달러이고 네덜란드는 공업용 수소의 가장 큰 수출국이며 연간 총 수출액은 3억 4천 2백만 달러입니다.
인간 사회는 세 가지 산업 혁명을 경험했다. 금세기 중반 이후로, 제4차 산업혁명과 ��께, 새로운 에너지로 전세계적인 전환이 시작되었다. 에너지 개발의 역사를 보면 3대 에너지원의 발전은 3대 경제 형태를 반영��니다.
와트의 스팀 엔진 발명은 화재를 석탄으로 전환��는 첫 번째 주요 전환으로 이어지는데, 이는 "고탄소 경제"로 나타났습니다.
Daimler는 내부 연소 엔진을 발명��여 석탄을 석유 및 가스로 변환��는 두 번째 주요 과정을 완료��으로써 "저탄소 경제"를 만들어냈습니다.
현대 과�� 및 기술 발전 및 오늘날의 환경 보호 요구 사항은 기존의 화석 에너지를 수소 에너지와 같은 새로운 비화석 에너지로 전환��는 세 번째 주요 전환율을 촉진했습니다. 세계는 점차적으로 "수소 에너지 시대"에 진입��게 될 수도 있습니다.
2 인공 수소 생산은 주로 화석 자원에 의존��니다
세계적인 산업 수소 시장은 지역적으로 매우 지역적으로 아시아 태평양, 북미, 유럽의 주요 지역 지도 세 개를 만들었습니다.
화석 자원은 현재 수소 생산을 위�� 주요 원료이며, 이 중 석탄 가스화 수소 생산은 개발 가능성이 매우 높습니다.
2.1 산업용 수소 생산은 지역적인 것입니다
아시아 태평양 지역은 산업 수소 생산 분야 1위, 북미 지역 1위,
중국, 인도 등 아시아 태평양 지역의 개발도상국 경제성장률이 급격히 증가��에 따라 아시아 태평양 지역의 수소 같은 청정 에너지 수요가 크게 증가��고 있습니다.
중국의 산업 수소 수요와 생산은 강력��며 매년 증가��고 있습니다. 현재, 이 IT는 공급 및 수요 균형 상태를 유지��고 있으며 수요와 생산 모두 세계 1위를 유지��고 있습니다.
세계 주요 수소 에너지 사용 국가인 중국은 2009 년 첫 생산량 1,000 × 10 4t 이후 수년 동안 세계 1위를 유지해 왔습니다.
2.2 화석 자원의 수소 생산은 가장 중요�� 것입니다
현재 인공 수소 생산을 위�� 원료는 석유, 천연가스, 석탄 등의 화석 자원입니다. 다른 수소 생산 방법에 비해 화석 자원 수소 생산 공정은 성숙��고 원재료 가격은 상대적으로 낮지만 많은 양의 온실 가스를 방출��고 환경을 오염시킬 것입니다.
이전에는 인공 수소 생산을 위�� 세계 주요 원료의 96% 이상이 기존 화석 자원의 열화�� 변질에서 나왔으며 물 전기 분해에서 나온 원료는 4% 정도였습니다. 석탄과 천연 가스는 우리 나라에서 인공 수소 생산을 위�� 주요 원료이며 각각 62% 및 19%를 차지��니다. 수분전기분해로 수소 생산을 ��는 것은 일본의 수소 산업에서 특별�� 위치를 차지��고 있으며, 소금수 전기분해 수소 생산 능력은 일본의 총 인공 수소 생산 능력의 63%를 차지��니다.
2.3 석탄 가스화 수소 생산은 상당�� 개발 잠재력을 가지고 있습니다
석탄 가스화는 가스 제품을 형성��기 위해 고온, 정상 압력 또는 가압 조건에서 가스화제를 사용�� 석탄의 반응을 의미��니다. 석탄-��성가스 및 석탄-오일 산업의 발달로 석탄-수소 생산량은 매년 크고 비용이 저렴��며 수소 생산 비용은 약 20yuan/kg입니다. 또�� 화�� 제품(��성 암모니아, 메탄올 등 포��)의 생산 공정에서 수소 ��유 이완 가스에서 99% 이상의 순도로 산업용 수소를 회수��는 장치가 성숙해지고 증가��고 있습니다.
지�� 석탄 가스화 수소 생산은 개발 가능성이 매우 높은 동시에 깨끗�� 방법으로 석탄을 변환 및 활용�� 수 있는 효과적인 방법입니다. 지�� 석탄 가스화 수소 생산 기술은 자원 활용도가 높고 표면 환경에 대�� 손상이 적기 때문에 이점이 있습니다. 이 석탄은 우리 나라의 풍부�� 석탄의 자원 구조 특성을 따르지만 기름과 가스가 부족��다. 그러나 이 기술은 여전히 탐색 단계에 있으며 상업적 활용에서 여전히 긴 길을 가고 있습니다.
3 효율적인 수소 저장 및 운송 기술이 주안입니다 개발
안전��고 효율적인 수소 저장 및 운송 기술은 수소 에너지를 실제로 응용��기 위�� 열쇠입니다. 수소 에너지의 저장 방법에는 주로 저온 액체 수소 저장, 고압 기체 수소 저장, 고체 수소 저장 및 유기 액체 수소 저장 등이 있습니다. 수소 저장 방식은 수소 저장 밀도가 서로 다르며, 그 중에서도 기체 수소 저장 방식은 수소 저장 밀도가 가장 작고 금속 수소화물 수소 저장 방식은 수소 저장 밀도가 가장 큽니다.
3.1 저온 액체 수소 저장 비용이 높습니다
산업용 수소의 저렴�� 대량 생산 및 저장, 운송은 수소 에너지의 실질적인 사용을 실현��는 데 기반이 됩니다. 기체 수소는 -253°C에서 액체이고 액체 수소의 밀도는 기체 수소의 845 배입니다. 액체 수소 저장의 중량 비율은 5.0% ~ 7.5%이며, 부�� 용량은 0.04kgH 2 /L입니다 수소 액정수는 비용이 많이 들고 에너지(4 ~ 10kWh/kg)를 많이 소비��여 액체 수소 생산 비용의 3분의 1을 차지��니다. 액체 수소 저장 용기는 액체 수소가 끓고 증발��지 않도록 극도로 높은 절연 용량을 가져야 ��니다.
현재 액체 수소는 주로 우주 로켓 추진을 위�� 연료로 사용되고 있으며, 저장 탱크와 트레일러는 우리 나라의 항공 및 기타 분야에서 사용되고 있습니다. 인간 공간 ��로그램 개발로 액체 수소 저장 용기가 커지고 있으며, 저장 용량이 1,000m3 이상인 대형 액체 수소 절연 저장 탱크를 만들 수 있습니다.
3.2 고압 가스 수소 저장 기술이 완성되었습니다
고압 가스 수소 저장은 현재 가장 널리 사용되고 가장 성숙�� 수소 저장 기술입니다. 이 회사의 보관 방법은 산업용 수소를 내압 용기에 압축��는 것입니다. 고압 가스 수소 저장 장치에는 주로 고정 수소 저장 탱크, 긴 튜브 가스 실린더, 긴 튜브 번들, 강철 실린더 그룹 및 차량 장착 수소 저장 실린더가 포��됩니다.
강철 실린더는 가장 일반적으로 사용되는 고압 가스 수소 저장 컨테이너로, 간단�� 구조, 압축 수소 준비를 위�� 낮은 에너지 소비, 빠른 충전 및 배출 속도의 이점을 제공��지만 안전 성능 저�� 및 적은 용량 또�� 단점이 있습니다. 현재 중국에서 건설 중인 수소 충전소는 일반적으로 장기 튜브 가스 실린더 그룹 수소 저장 장비를 사용��니다.
3.3 고체 상태의 수소 저장 기술은 아직 완성되지 않았습니다
솔리드 스테이트 수소 저장은 고압 기체 및 저온 액체 수소 보관 방법의 단점을 효과적으로 극복�� 수 있는 가장 유망�� 수소 보관 방법입니다. 수소 저장 용량 밀도가 높고 작동이 쉬우며 교통이 편리��며 비용이 저렴��며 안전성이 높습니다. 예. 수소 연료전지 차량과 같이 양이 엄격�� 경우에 적����니다. 고체 상태의 수소 저장 기술은 물리적 흡착 수소 저장과 화��물 수소 저장으로 나눌 수 있습니다. 전자는 금속 유기체(MOF)와 나노구조 탄소 소재로 세분될 수 있습니다. 후자는 티타늄, 마그네슘, 지르코늄, 희토류 등의 금속 ��이드르드와 보로히드리데와 유기 ��이드르드와 같은 비금속 ��이드르드도 ��께 세분화�� 수 있습니다.
금속 수소화물 수소는 높은 수소 저장 밀도, 고순도, 높은 신뢰성(고압 또는 저온 조건이 ��요��지 않음) 및 간단�� 수소 저장 공정의 장점을 가지고 있습니다. 주요 원리는 적절�� 금속 ��이드르드를 선택��고 저압 조건에서 수소를 다른 물질(수소 저장 ��금)과 결����여 준화��물 상태를 형성��는 것입니다. 현재 금속 수소화물 수소는 아직 연구 단계에 있으며 아직 상용화되지 않았습니다. 주로 (1) 수소 저장 ��금은 비쌉니다. (2) 구조가 복잡��니다. 수소 저장 공정 중에 많은 양의 열이 방출되므로, 열 교환 장비를 저장 장치에 추가해야 ��니다. (3) 수소화물 자체의 안정성이 떨어지므로 유해�� 불순물 부품을 만들기 쉽습니다. 반복 사용 후 성능이 크게 저��되고 (4) 수소 저장 품질이 상대적으로 낮습니다. 질량으로 측정��면 산업용 수소의 2%~4%만 저장�� 수 있습니다.
3.4 유기 액체 수소 저장은 많은 관심을 끌었습니다
유기 액체 수소 저장 기술은 불포화 액체 유기 물질의 가역적 수소화 및 탈수소화 반응을 통해 수소 저장을 달성��니다. 이 수소 저장 방법은 고품질, 고용량 수소 저장 밀도, 안전, 손쉬운 장거리 운송 및 장기 보관의 이점을 제공��니다. 유기 액체 수소 저장 기술은 여전히 연구 개발 단계에 있으며 까다로운 기술 요구 사항, 높은 비용, 낮은 탈수소화 효율, 손쉬운 코킹 및 비활성화 등의 단점이 있습니다.
촉매 수소화 및 탈수소화 장치의 장비 비용이 높습니다. 탈수소화 반응은 저압 및 고온 이종 상태에서 완료해야 ��니다. 열 및 질량 전달과 반응 평형 ��계로 인해 탈수소화 반응 효율이 낮고 측면 반응이 발생��기 쉬우므로 수소 제품이 불순��게 됩니다. 또�� 고온 조건에서 탈수소화 촉매의 공극 구조는 쉽게 파괴되어 코킹 및 비활성화가 발생��니다.
4 수소 산업 인��라
산업 수소 운송의 주요 모드는 고압 기체 또는 액체 수소의 파이��라인 운송입니다. 장거리 파이��라인은 파이��라인 강과 고압 수소의 호환성에 대�� 기본적인 연구를 수행��고 파이��라인 운영 및 관리 방법을 혁신��여 장거리 고압 대형 수소 파이��라인 건설을 달성해야 ��니다.
4.1 파이��라인 수소 수송은 초기 단계에 있습니다
파이��라인 수소 혼�� 및 수소-오일 공동 수송 기술은 장거리 및 대규모 수소 운송을 달성��는 데 중요�� 역��을 ��니다. 글로벌 파이��라인 수소 수송은 일찍 시작되었지만 천천히 발전했습니다. 유럽에서는 80년 이상 장거리 파이��라인을 통해 수소를 운반해 왔습니다. 현재 총 길이는 약 1,500km의 수소 파이��라인을 보유��고 있으며, 이 중 약 400km 길이의 ��랑스-벨기에 수소 파이��라인은 세계에서 가장 긴 파이��라인입니다. 미국에서 기존 수소 파이��라인의 길이는 720km이며, 이는 천연가스 파이��라인(약 55 × 10 4km)의 길이보다 훨씬 짧습니다.
현재 시노텍 루오양 정유 및 화�� 지위안-루양 수소 파이��라인 등 총 길이가 25km이고 연간 가스 전달 용량이 10.04×10 4t인 에어 ��로덕츠의 국가에 이미 많은 수소 파이��라인을 보유��고 있습니다 . 우��이-옌추안 코크스 오븐 가스관 전체 길이는 216.4km이며 연간 가스 전달 용량은 16.1 × 10 8m 3 이며 주로 코크스 오븐 가스와 수소 혼�� 가스를 운송��는 데 사용됩니다.
4.2 수소 연료 충전소의 수소-오일 결�� 공사
수소 산업 시장의 지속적인 확장으로 수소 산업 체인은 지속적으로 개선될 것입니다. 현재 수소 연료용 차량이 급속도로 개발 중이며, 산업용 수소에 대�� 수요가 크게 증가했으며, 이에 따라 수소 충전소 건설도 가속화되고 있습니다.
2017년 말 현재 전 세계적으로 139개, 아시아 119개, 북미 68개, 남미 1개, 호주 1개 등 328개의 수소 충전소가 가동되었습니다.
중국의 수소 에너지 산업 인��라 개발에 관�� 블루북에서는 국내 중장기 수소 연료 보급소 건설 및 연료전지 차량의 개발 목표를 위�� 계획을 수립했습니다. 우리 나라는 2030년까지 100개의 수소 충전소를, 1,000개의 수소 충전소를 건설�� 것으로 예상됩니다. 2018년 2월 현재 중국은 총 31개의 수소 충전소를 건설��고 있으며, 이 중 12개가 가동 중입니다.
수소 연료 충전소의 주요 시설에는 수소 저장 장치, 압축 장비, 충전 장비 및 스테이션 제어 시스템이 있습니다. 현재, 수소 연료 충전소의 전 세계 평균 건설 비용은 미화 200만~500만 달러이며, 이 중 압축기 비용이 가장 높은 것은 전체 비용의 30% 정도입니다. 중국의 수소 충전소 건설 비용은 200만~250만 달러(35MPa 수소화 용량)로 비교적 낮습니다. 따라서 산업용 수소 압축기의 로컬라이제이션 ��로세스를 가속화��고 수소 충전소의 건설 비용을 절감��며 수소 산업의 개발을 촉진해야 ��니다.
전 세계 수소 충전소가 빠른 개발 단계에 진입��고 2025년에는 1,000개 이상의 스테이션이 있을 것으로 예상됩니다. 이와 ��께 독일 일본 등 다른 국가에서 채택�� 공동 건설 모델과 같은 수소 연료 충전소 및 주유소의 공동 건설 타당성 연구도 늘어날 것으로 보입니다. 중국 광둥성 윤푸에서 여러 수소 충전소와 주유소의 공동 공사 테스트를 실시했습니다. 앞으로 수소 충전소, 주유소, 주유소, 주유소, 충전소 등 4개 스테이션의 공동 건설 모델이 나타날 가능성이 높습니다.
