[논문 리뷰] A Review on Hydrogen Production Technologies and Its Future Demand

Mohammad Abubakr, Shadma Shahid외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 10. 10.

Hybrid Renewable Energy Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 리뷰는 수증기 메탄 개질, 전기분해, 생물질 가스화와 같은 현재 및 신규 수소 생산 기술을 평가하며, 효율성, 응용 분야 및 환경적 영향을 강조한다. 전기분해 및 재생 가능 에너지 기반 기술이 에너지 시스템의 탄소중립화를 위해 핵심적이라고 밝히며, 2022년 기준 전 세계 수소 생산 규모는 1553.5억 달러이며 산업, 교통 및 전력 부문에서 수요가 증가하고 있음을 밝힌다.

ABSTRACT

Hydrogen production is a vital process in the quest for decarbonization and a sustainable future. This conversation explores the various technologies used in hydrogen production, such as steam methane reforming, electrolysis, and biomass gasification. These methods have different applications and efficiencies, but all contribute to the production of hydrogen gas. The future of hydrogen production looks promising, as it offers a clean and versatile energy source that can be used in various sectors, including transportation, industry, and power generation. The increasing demand for hydrogen in these sectors, coupled with the global push for decarbonization, highlights the importance of advancing hydrogen production technologies and infrastructure. This paper focuses broadly on different methods of hydrogen production like steam methane reforming, electrolysis, and biomass gasification. Steam methane reforming is currently the most common method, accounting for about 95% of global hydrogen production. Electrolysis is another method that uses electricity to split water into hydrogen and oxygen. Biomass gasification involves converting organic materials into hydrogen gas through a thermochemical process. The renewable energy sources considered are water and biomass and the methods considered are Electrolysis (grid), thermolysis, thermochemical water splitting, photoelectrochemical water splitting, and gasification. Electrolysis of water to produce hydrogen accounts for about 5% of the total hydrogen production. Statistically, global hydrogen production reached about USD 155.35 billion in 2022, with the majority of it being used in the petroleum refining and ammonia production industries. As for applications, hydrogen can be used as a fuel for fuel cell vehicles, as a feedstock for chemical processes, and as a storage medium for renewable energy.

연구 동기 및 목표

• 주요 수소 생산 기술의 현재 상태와 향후 잠재력을 평가하기 위해.
• 재생 가능 에너지 기반 수소 생산의 역할이 글로벌 탄소중립 목표 달성에 기여하는 방식을 평가하기 위해.
• 글로벌 수소 수요를 이끄는 시장 규모 및 산업적 응용을 분석하기 위해.
• 다양한 수소 생산 경로의 효율성, 확장 가능성 및 환경적 영향을 비교하기 위해.
• 저탄소 수소 기술의 규모화 과정에서의 주요 과제와 기회를 식별하기 위해.

제안 방법

• 수증기 메탄 개질(SMR), 전기분해, 생물질 가스화를 포함한 수소 생산 기술의 체계적 리뷰.
• 특히 물 전기분해 및 열화학적 공정에 대해 열역학 원리를 활용한 에너지 투입 및 투입 분석.
• 2022년 기준 전 세계 수소 생산 데이터 분석, 시장 가치 및 부문별 분포 포함.
• 원료(천연가스, 물, 생물질) 및 에너지 원천(화석 연료, 재생 가능 에너지) 기반으로 수소 생산 방법 분류.
• 생산량 및 기술 준비 수준 비교를 위한 그림 및 통계 데이터 활용.
• 국제 지속 가능한 발전을 위한 화학 및 응용 과학의 새로운 동향 국제 회의(ACASSD-2024)의 결과 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 주로 사용되는 수소 생산 기술은 무엇이며, 전 세계 생산의 몇 퍼센트를 차지하는가?
• RQ2 전기분해 및 재생 가능 에너지 기반 수소 생산 방법의 효율성과 확장 가능성은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 현재 전 세계 수소 수요를 이끄는 주요 산업적 응용 분야는 무엇인가?
• RQ4 수소가 교통, 산업 및 전력 생산의 탄소중립화에 차지할 전망적인 역할은 무엇인가?
• RQ5 저탄소 수소 생산의 규모화를 방해하는 주요 기술적 및 인프라적 장애 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 수증기 메탄 개질은 전 세계 수소 생산의 약 95%를 차지하여 오늘날 지배적인 방법이다.
• 전기분해는 전체 글로벌 수소 생산의 약 5% 기여하고 있으며, 재생 가능 전력 통합으로 인해 잠재력이 증가하고 있다.
• 2022년 기준 전 세계 수소 생산 규모는 1553.5억 달러로 평가되었으며, 주로 석유 정제 및 암모니아 생산에 의해 주도되었다.
• 수소는 연료 전지 차량, 산업 원료 및 재생 가능 에너지 저장을 위한 다용도 에너지 운반체로 점점 더 중요시되고 있다.
• 생물질 가스화 및 기타 열화학적 공정은 저탄소 수소를 위한 대안적 경로를 제공하지만, 아직 널리 보급되지는 않았다.
• 재생 가능 에너지 용량이 확대됨에 따라 전기분해를 통한 녹색 수소 전환은 장기적인 탄소중립화에 핵심적이다.