New Energies, new possibilities

Top 10 Non-fossil-fuel based Hydrogen Production Methods (Costs & Efficiency)

✅ In this post, I have summarised the costs and efficiency of Non-fossil-fuel and fossil fuel-based energy sources for your reference.

🟦 a) Hydrogen (H2) production technology:
Hydrogen (H2) production technologies fall into four main categories, thermal, biological & thermochemical, electrolytic, and photolytic processes. Thermal processes use feedstocks like natural gas, coal, and biomass to release hydrogen, while thermochemical and biological processes use heat and microbes/fungi, respectively. Electrolytic processes use electricity to split water into oxygen and hydrogen, while photolytic processes use light. However, photolytic processes are not yet viable for large-scale production.

Hydrogen production costs depend on fuel/electricity and carbon capture/storage for clean hydrogen.

🟦 b) Non-fossil-fuel based hydrogen generation, Energy Efficiency (%), Hydrogen yield (g/kg feedstock), Cost ($/kg of Hydrogen)

1- Water electrolysis → 55−80%, 111 g/kg, 4.15−10.30 $/kg
2- Water thermolysis → 20−50%, 111 g/kg, 7.98−8.40 $/kg
3- Water photoelectrolysis → 0.06−14%, 111 g/kg, 4.98−10.36 $/kg
4- Water biophotolysis → 10−15%, 111 g/kg, 1.42-2.13 $/kg
5- Biomass dark fermentation → 60−80%, 4-44 g/kg, 1.68−2.57 $/kg
6- Biomass photofermentation → 0.1−12%, 9-49 g/kg, 2.57-2.83 $/kg
7- Biomass pyrolysis → 35−50%, 25-65 g/kg, 1.59−2.20 $/kg
8- Biomass gasification → 30−60%, 40-190 g/kg, 1.77-2.05 $/kg
9- Biomass hydrothermal liquefaction → 85−90%, 0.3-2 g/kg, 0.54−1.26 $/kg
10- Biomass steam reforming → 74−85%, 40-130 g/kg, 1.83−2.35 $/kg

🟦 c) Recently, NETL conducted a baseline study to evaluate the performance of certain hydrogen production plants. The study focused on plants that use fossil fuels such as natural gas, steam methane reforming, autothermal reforming of natural gas, coal gasification, and coal/biomass co-gasification as their primary feedstocks.

NETL Fossil Fuel-based Hydrogen Plant Cases, Hydrogen Production Capacity and Levelised Cost of Hydrogen:

11- Natural Gas Steam Methane Reforming (0% CO2 Capture)→ 483,000 kg/day, $1.06/kg

12- Natural Gas Steam Methane Reforming (96.2% CO2 Capture)→ 483,000 kg/day, $1.54/kg

13- Natural Gas Autothermal Reforming Reforming (94.5% CO2 Capture) → 660,000 kg/day, $1.51/kg

14- Illinois No. 6 Coal, Shell/Air Products-type oxygen-blown, entrained flow gasification (0% CO2 Capture) → 660,000 kg/day, $2.58/kg

15- Illinois No. 6 Coal, Shell/Air Products-type oxygen-blown, entrained flow gasification (92.5% CO2 Capture) → 660,000 kg/day, $2.92/kg

16- Illinois No. 6 Coal/ Torrefied Woody Biomass, Shell/Air Products-type oxygen-blown, entrained flow gasification (92.6% CO2 Capture) → 133,000 kg/day, $3.44/kg

Autothermal reforming has better cost performance than steam methane reforming with CCS.

https://netl.doe.gov/research/carbon-management/energy-systems/gasification/gasifipedia/technologies-hydrogen#:~:text=Thermal%20Processes%3A%20Thermal%20processes%20use,reforming%2C%20gasification%2C%20and%20pyrolysis

이와타니가 넬과 함께 캘리포니아에 구축하기로 한 수소충전소.(이미지=Iwatani)
월간수소경제 = 성재경 기자 | 굴지의 석유 대기업인 쉘은 자동차용 수소충전소 7곳의 폐쇄를 결정했다. 그렇다고 미국 내 수소충전소 사업을 포기한 건 아니다. 수요가 살아 있는 대형 수소충전소 3곳은 여전히 운영 중이다.

또 하나 짚어볼 사건은 수소충전소 구축에 앞장섰던 넬에 대한 이와타니의 소송 건이다. 이와타니는 허위진술, 거짓 약속, 계약 사기 등 11건의 혐의로 넬 하이드로젠(Nel Hydrogen)을 고발했다.

넬사 수소충전 시스템 고장‧수리 빈번

넬과 이와타니의 인연은 4년 전으로 거슬러 오른다. 지난 2020년 11월 이와타니(Iwatani Corporation of America)는 도요타와 협력해 남부 캘리포니아에 7개의 수소충전소를 구축하기로 결정했다. 남부 캘리포니아에 개방형 소매 수소충전소를 늘려 하루 수소 연료 소비량을 6.3톤까지 늘릴 계획이었다.


이와타니가 일본 하네다 공항에 구축한 수소충전소. 이와타니는 일본에서 액체수소를 기반으로 한 수소충전소의 구축, 운영을 담당하고 있다.(사진=Iwatani)
충전소 구축은 2021년에 처음 시작됐다. 이 사업에는 넬 하이드로젠이 제공하는 최신 H2Station 수소 연료 충전 기술이 도입됐다. 충전소 한 곳당 디스펜서 2기를 설치해 하루 최대 900kg의 수소를 공급하기로 했다. 이는 이와타니가 캘리포니아에 투자한 최대 규모의 사업이었다.

하지만 넬의 수소충전 시스템은 현장에서 많은 문제를 일으켰다. 이와타니는 ‘노르웨이 회사’가 서비스, 유지보수 계약을 통해 장비 결함 등을 숨기고 허위진술, 계약 사기로 회사에 큰 피해를 입혔다며 캘리포니아 지방법원에 소송을 제기했다.

수소 전문 저널 ‘하이드로젠 인사이트(Hydrogen Insight)’가 확인한 법원 문서에 따르면, 이와타니는 “이 계획은 [Nel]이 장비의 결함을 숨기고, 발생한 문제에 대해 고객이 받은 정보를 제어하고, 고객이 알지 못한 채 비용을 부담하고 현장 테스트, R&D에 고객의 장비를 사용할 수 있도록 설계됐다”고 주장했다.

충전기 설치 시점에도 H2Station 제어 시스템과 소프트웨어 작업을 완료하지 않았고, 이와타니가 모르는 사이에 덴마크 사무실 직원이 원격으로 장비를 실행하는 동안에도 넬은 여전히 코드를 작성하고 있었다고 밝혔다.

이와타니는 또 노르웨이 회사가 다른 회사에 판매한 장비가 “실제로 결함이 있었고, 비참한 성능 기록을 갖고 있었으며, 잦은 고장과 실패로 고객이 수백만 달러의 손실을 입었다”고 지적했다. 자사의 실적을 부풀리기 위한 허위 사실 기재로 본 것이다.

이와타니는 자체 조사를 벌여 넬사 다이어프램 압축기의 중요한 구성 요소가 하와이안가든(Hawaiian Gardens) 현장에서 최소 열두 번이나 고장을 일으켰고, 1,000시간도 안 돼 고장이 발생하는 일이 흔했다고 주장했다. 또 수리 시간도 제품 사양에 명시된 ‘몇 시간’이 아닌 일주일 동안 충전소 문을 닫는 형태로 이뤄졌다고 밝혔다.


청주 오창수소충전소에 설치된 넬사의 다이어프램 압축기.
하와이안가든에 설치된 첫 번째 충전소는 59일이 지나 시운전에 들어갔고, 이후 100일이 지나서야 운영에 들어갔다. 그 후로도 넬은 장비 오작동, 가동 중단에 적절히 대처하지 못한 것으로 보인다.

씰비치(Seal Beach)에 있는 두 번째 충전소도 시운전이 늦어졌고 첫 번째 충전소와 유사한 문제를 일으킨 후 폐쇄됐다. 애너하임의 세 번째 충전소는 동일한 오류를 겪기 전까지 5시간 동안 운영이 되긴 했다.

이와타니는 네 번째, 다섯 번째, 여섯 번째 충전소도 시운전 지연이 발생했으며 결국 충전소를 개장하지 못했다고 밝혔다. 소송을 당한 넬은 입장문을 통해 이와타니가 제기한 모든 주장을 일축하고 반대 의견을 분명히 했다.

차량 보급에 앞서 충전 인프라 고민해야

이와타니의 소장 내용 중 일부는 기시감을 불러일으킨다. 국내 수소충전소 구축 초기에 자주 겪은 일이기 때문이다. 시운전 지연으로 개장이 연기됐고 압축기 고장으로 충전소 문을 닫았다. 애초에 문제가 있는 설비를 들인 충전소에는 여전히 같은 일이 되풀이될 가능성이 있다.

이와타니 입장에서는 덮고 가기 힘든 심각한 피해를 봤고, 첫 번째 수소충전소 구축 과정에서 시정의 기미가 보이지 않자 소송을 염두에 두고 증거를 모았을 가능성이 높다.

넬은 이와타니뿐 아니라 쉘의 수소충전소 구축에도 참여했다. 전부터 유럽 내 충전소 구축에 손발을 맞춘 경험이 있다. 이번 사태가 어떤 식으로 흘러갈지 좀 더 지켜봐야겠지만, 이런 유의 잡음이 수소 시장에 대한 불신, 친환경 정책에 대한 대중의 피로를 가중시키는 것만은 분명하다.

국내 수소충전소 시장도 대형화 추세를 따르고 있고, 인천에서는 액체수소충전소 시운전이 막 시작됐다는 소식이 들린다. 기체수소충전소의 경우 압축기 여러 대를 다단으로 운영해서 수소버스 충전 등에 대응하고 있다. 지금은 운행 차량이 적어 큰 문제가 없지만, 충전소를 이용하는 수소트럭이나 수소고속버스 대수가 늘면 설비에 과부하가 걸릴 확률이 높다.


퍼스트엘리먼트 퓨얼이 2023년 10월 캘리포니아주 오클랜드에 새롭게 개장한 수소충전소로 하루 최대 1.6톤의 수소를 충전할 수 있다. 미국의 수소충전소도 대형화 추세를 따르고 있다.(사진=FirstElement Fuel)
이 문제에 대한 대비가 늘 필요하고, 수소를 압축하고 저장하는 혁신 기술을 확보하기 위한 노력을 병행해야 한다. 독일의 다임러트럭은 최근 린데 엔지니어링과 손을 잡고 과냉각 액화수소(sLH2) 충전 기술을 선보였다. 다임러트럭이 액체수소로 1,000km를 주행하는 ‘GEN H2’ 수소트럭 개발 과정에 충전 기술을 함께 고민하고 있는 점을 눈여겨봐야 한다.

수소전기차는 수소충전소와 세트로 묶여서 간다. 시기로 보면 후자가 전자보다 앞서서 시장에 깔려야 한다. 좋은 차를 시장에 내놓는 일만큼 별 탈 없이 운영되는 충전 인프라를 구축하는 일이 무엇보다 중요하다.

美 수소충전소 시장 진단 ② 이와타니, 넬 하이드로젠에 소송 < 시장 < NEWS < 기사본문 - 월간수소경제 (h2news.kr)

자동차용 수소충전소 7곳 폐쇄 결정
수요가 살아 있는 대형 충전소 3곳은 그대로 운영
니콜라의 HYLA 수소충전소와 경쟁 예상 

월간수소경제 = 성재경 기자 | 일의 특성상 실제로 겪어봐야 알게 되는 것들이 있다. LNG, 즉 액화천연가스를 배로 수입해서 도시가스로 공급하는 데 익숙한 국내 가스업계가 수소충전소 구축과 운영을 만만히 본 게 사실이다.

분자량이 작은 수소를 고압으로 압축해서 충전하는 일이 말처럼 쉽지 않았다. 한 달이 멀다 하고 압축기에 문제가 터졌고, 한여름이면 충전기 노즐이 차에 얼어붙었다. 또 시간이 흘러 고압저장탱크의 플러그 조임부에서 가스가 새는 일이 벌어지기도 했다.

이런저런 시행착오를 겪으며 오류와 문제점을 바로잡았고, 어떤 장비나 부품은 지금도 여전히 그 해결책을 찾아가는 중이다.

“전 세계 어디를 가도 하루에 사오십 대의 수소차를 충전하는 곳이 없어요. 글로벌 압축기 회사들이 죄다 국내에 들어와서 운전 로직을 잡고 있다고 봐야죠. 한국이 글로벌 테스터베드인 셈입니다.”

3년 전 수소충전소 현장에서 한국가스기술공사 관계자에서 들은 말이다. “앞서서 매를 맞고 있다”는 말에는 푸념보다 기대가 담겨 있었다. 시행착오는 일종의 통과의례였다. 이런저런 경험을 쌓아야 미래의 보상이 주어진다는 걸 경험으로 알고 있었다.

쉘, 캘리포니아서 대형 수소충전소만 운영

“겪어봐야 압니다.” 이 말은 이제 미국 캘리포니아에서 현실이 됐다.

쉘은 캘리포니아에 구축한 자동차용 수소충전소 7곳을 모두 폐쇄하기로 결정했다. 이는 전부터 예견된 일이다. 쉘은 지난해 8월 수소충전소 중 5곳의 운영을 잠정 중단한 바 있다. 또 2020년에 4,060만 달러(약 540억 원)의 보조금을 받기로 하고 캘리포니아에 48개의 수소충전소를 짓기로 한 계획도 철회했다.


쉘이 2017년 영국 서리의 코밤 지역에 세운 공공 수소충전소로 이미 폐쇄됐다.(사진=Shell)
쉘의 관계자는 “수소 공급망과 그 외 복합적인 시장 요인으로 충전소 시설을 더는 유지하기 힘들게 됐다”는 말로 폐쇄 이유를 설명했다.

쉘은 2022년 초 영국에 구축한 자동차용 수소충전소 3곳을 폐쇄한 바 있다. 당시 쉘은 프로토타입으로 지은 수소충전소 장비의 수명이 다했다는 이유를 댔다. 2021년 한 해 영국에서 팔린 수소차는 12대에 불과했다. 수소전기차 시장은 제자리걸음이었고, 밑 빠진 독에 물을 붓는 일은 일어나지 않았다.

자동차용 수소충전소 구축에 200만 파운드(약 33억 원)가 든다. 한국도 이와 비슷한 수준이었다. 큰돈을 들여 구축한 충전소에 압축기, 밸브, 디스펜서 등 관련 장비나 부품이 문제를 일으켰다. 충전 수요가 덜한 게 그나마 다행이었다.


캐나다 밴쿠버의 소매 충전소에 설치된 쉘의 수소충전기.(사진=Shell)
영국과 미국은 사정이 다르다. 쉘이 캘리포니아 수소충전소 사업에서 완전히 손을 뗀 건 아니다. 7곳의 충전소를 영구 폐쇄하기로 결정했지만, 수요가 살아 있는 대형 수소충전소 3곳은 여전히 운영 중이다. 이는 화물차, 건설 장비, 버스, 철도 등 대형 운송 수단에서 수소의 잠재력을 높게 보고 있기 때문이다.

니콜라의 액체수소충전소와 경쟁

영국에서는 PEM 전해조 업체로 잘 알려진 ITM Power와 비톨(Vitol Holdings SARL)의 합작회사인 모티브퓨얼(Motive Fuels)이 수소충전소 사업을 맡아서 꾸려왔다. 하지만 재정난을 겪던 ITM Power가 수소충전 사업을 접기로 하면서 모티브퓨얼을 하이캡(HYCAP)에 매각했다.

하이캡은 세계 최대 굴착기 제조사인 JCB를 소유한 영국의 억만장자 뱀포드 가문의 후계자로 알려진 조 뱀포드(Jo Bamford)가 2021년 9월에 설립한 수소 펀드다. 조 뱀포드는 영국 최초로 그린수소 생산공장 네트워크를 구축한 라이즈 하이드로젠(Ryze Hydrogen)의 창립자이자 북아일랜드 버스 제조업체인 라이트버스(Wrightbus)를 소유하고 있다. 라이트버스는 2021년 런던에 수소 2층버스를 최초로 공급했다.


라이트버스에서 출시한 세계 최초의 수소 2층버스인 StreetDeck Hydroliner.(사진=Wrightbus)
결국 그린수소를 생산해서 수소버스, 수소굴착기 등에 공급하려면 충전소가 꼭 필요하다. 하이캡은 이 시장을 보고 모티브퓨얼의 지분 50%를 확보한 셈이다.

미국의 수소트럭 제조업체인 니콜라는 하일라(HYLA) 브랜드를 통해 수소 유통‧충전 사업을 벌이고 있다. 니콜라는 2월 초 로스앤젤레스 시내에서 35마일(약 56km) 떨어진 캘리포니아 온타리오에 처음으로 수소충전소를 열었다.

지역 공공기관으로부터 5,820만 달러(약 776억7,000만 원)의 보조금을 지원받아 남부 캘리포니아에 건설하기로 한 수소충전소 6곳 중 하나로, 디스펜서가 내장된 이동식 액체수소탱크로 구성되어 있다. 하루 최대 40대의 클래스 8 대형트럭에 연료를 공급할 수 있다.

공교롭게도 하일라의 이 충전소는 쉘의 수소트럭 셀프 충전소에서 차로 10분 거리에 있다. 두 곳 다 로스앤젤레스에서 플로리다 잭슨빌까지 이어지는 10번 고속도로에서 가까운 구아스티 로드(Guasti Road)에 있다.


니콜라가 캘리포니아 남부에 최초로 개장한 액체수소 기반 HYLA 수소충전소.(사진=Nikola)
니콜라는 수소트럭 보급을 위해 충전소 구축에 사활을 걸고 있다. 수소충전소 운영사 입장에서도 날마다 일정 거리를 오가며 많은 양의 연료를 소비하는 대형트럭은 매력적인 수요처다. 수소 유통 측면에서도 기체수소 대비 액화수소의 경제성을 증명할 수 있는 기회가 된다.

니콜라는 올해 상반기에 9곳의 충전소를 열고, 2026년까지 60개에 이르는 충전소를 열 계획이다. 미국의 수소충전소는 LA 롱비치 항과 인근을 오가는 수소트럭의 이동 경로에 들 가능성이 매우 높다. 대용량 수소충전소를 거점으로 수요처를 확보하면서 가지치기를 하듯 충전망을 넓혀갈 공산이 크다.

쉘은 상용차용 수소충전 시장에서 하일라와 경쟁해야 한다. 한 번에 많은 양의 수소를 운반해서 저장해두고 효율적으로 운영되는 액체수소충전소와 경쟁하려면 수요처 확보가 필요하고, 이를 위해서는 수소상용차 보급이 크게 늘어나야 한다.

인과관계를 두고 닭이 먼저냐, 달걀이 먼저냐로 싸우는 건 시간 낭비다. 수소 공급을 비롯해 충전소 구축, 수소차 보급이 톱니처럼 맞물려 돌아가야 수소모빌리티 시장이 제대로 자리를 잡게 된다.

美 수소충전소 시장 진단 ① 쉘, 캘리포니아 수소충전소 7곳 폐쇄 < 시장 < NEWS < 기사본문 - 월간수소경제 (h2news.kr)

“We have a perfect opportunity to merge our scientific expertise in Colorado School of Mines and the USGS to tackle this exciting potential new addition to the alternative energy mix,” said Geoffrey Ellis, a research geologist with the USGS Energy Resources Program and director of the new joint program. 

“This is the first collaborative effort on geologic hydrogen between a federal agency and academia,” said Mengli Zhang, co-director of the Center for Gravity, Electrical and Magnetic Studies and co-lead of the new joint program for Mines. “With the combined expertise in electromagnetics, gravity and magnetics in mineral exploration and exploration seismology for natural gas at Mines, we are uniquely positioned to tackle the subsurface exploration research in geologic hydrogen.” 

Geologic hydrogen is a naturally occurring gas with significant potential as an energy resource.  It is also a resource that could help reduce the climate impact of many industries that cannot easily be electrified – everything from heavy duty transport (air travel) to steel manufacturing to industrial heating.

Most hydrogen today, however, is manufactured using natural gas, requiring large amounts of energy and releasing carbon dioxide that is often left unabated. Current methods for reducing the carbon footprint of producing hydrogen include capturing and storing the carbon dioxide produced, or by using renewable electricity to split water molecules – both more costly than traditional hydrogen manufacturing.

As an alternative, scientists with Mines and the USGS have begun investigating the hydrogen gas that naturally exists beneath the surface of the Earth. Preliminary research suggests that vast quantities of hydrogen may exist in various rock formations, both in the United States and around the world.

In the first industry-supported hydrogen exploration consortium in the world, researchers at Mines and the USGS will advance the understanding of geologic hydrogen systems, as well as develop surface- and subsurface exploration technologies to locate the clean-burning gas beneath the ground.

“Fortunately, we are not starting from scratch here,” Ellis said. “We can adopt and adapt the learning that we have developed from many decades of research into other resources such as mineral resources, petroleum and geothermal energy.” 

To that end, the consortium’s research will focus on the development of four key areas: 

1. A geologic “hydrogen system” model that identifies sources, migration pathways and mechanisms, reservoirs, traps and seals leading to accumulations of hydrogen in the subsurface.
2. Surface exploration approaches, including remote sensing and surface geochemistry, to refine our understanding of where hydrogen accumulations exist in the subsurface. 
3. Subsurface exploration tools, including multiple geophysical tools, advanced signal processing and artificial intelligence tools, to image geologic hydrogen systems and potential economic accumulations suitable for energy production.
4. 3D reactive transport modeling that integrates geology, geochemistry and geophysics to improve the understanding of hydrogen systems and provide guidance to the development of exploration strategies.

“A major focus of the consortium is developing immediately deployable technologies,” said Yaoguo Li, professor of geophysics at Mines. “There’s a need and desire for exploration technologies that can be applied by industry in the near future to contribute directly to the energy transition, as well as for strategies that can be used by society to tackle the challenges in mitigating climate change for better human life.”

Funding for the research will come from a growing number of industry partners.  Eight member companies have already signed on, including major players in the mining and energy industries and geologic hydrogen start-ups: BP, Chevron, Eden Geopower, Petrobras, Fortescue, Koloma, Hydroma USA, and HyTerra. 

The consortium began collaborative research between Mines and USGS scientists in September 2023.  The immediate objectives are the scientific understanding of hydrogen systems, including mechanisms and conditions of hydrogen generation, migration, and preservation, as well as practical tools to find hydrogen accumulation and identify the potential for enhanced hydrogen generation.  The consortium will also emphasize educating researchers and engineers in this emerging field.

Mines’ involvement in the consortium is being led by Research Assistant Professor Mengli Zhang and Professor Yaoguo Li of the Department of Geophysics. The Department of Geology and Geological Engineering is also involved.

The USGS’s involvement is led by Geoffrey Ellis, with support from the USGS Energy Resources Program.

More information on the consortium can be found here. More information on geologic hydrogen can be found here.  

USGS, Colorado School of Mines establish joint industry program to explore potential of geologic hydrogen | U.S. Geological Survey