다가올 수소 사회 - 수소 에너지

안녕하세요!

돈 굴리는 남자 입니다.

 

지난번에 2차 전지에 대해 알아보았습니다.

 

2차전지 종류 및 기술 정리

 

이번에는 에너지 트렌드의 최대 화두인 '수소 에너지'에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

목  차

 

수소 에너지는 2차 전지인 배터리 산업에 대응하는 산업구조를 가지고 있습니다.

 

지금 대표적으로 현대차(넥쏘) 및 도요타(미라이)가 개발 중인 수소차가 있으며,

이와 반대 진영은 테슬라(모델 X) 및 대부분의 업체에서 개발 중인 전기차가 있습니다.

 

전기차와 수소차는 화석연료의 사용량 증가로 이산화탄소를 비롯한 온실가스 배출을 줄이기 위한 대안이라는 점이 공통점입니다. 

 

친환경 에너지의 하나인 수소가 에너지 자립에 기여할 해결책으로 주목받고 있는 이유를 알아보도록 하겠습니다.

 

왜 수소(H)인가?

 

초등학교 시절 전기분해를 통해 물(H2O)에 전기에너지를 가해 수소(H)와 산소(O)로 분해해보신 경험이 다들 있을 실 겁니다. 

 

[출처 : 나무위키]

 

물은 자연 상태에서 수소와 산소가 결합된 상태의 물질입니다.

이런 자연 상태의 물을 전기에너지를 사용하여 강제적으로 분리할 수 있었습니다.

 

그리고 전기분해의 역과정을 통해 수소와 산소를 합치게 되면 전기 및 열 에너지가 생산된다는 원리가 수소 에너지의 핵심입니다. 

 

공기 중에는 산소가 약 21% 포함되어 있습니다.

다시 말해 수소만 있다면, 공기 중 산소를 이용해 전기 에너지를 생산할 수 있다는 말이 됩니다. 

 

전기 및 열 에너지를 생성시키고 나오는 물질은 온실가스 대신 깨끗한 물이 배출되게 됩니다. 

 

 

결과적으로 수소는 물이 있는 곳이면 어디든 구할 수 있는 자원이라는 점과 공기 중에 산소만 있다면 전기 및 열 에너지를 만들 수 있다는 점에서 범용성이 확보된 에너지입니다.

또한 에너지 생성과정에서 유해물질이 생성되지 않는다는 큰 장점도 있습니다.

 

물론 장점만 있는 에너지는 없습니다. 

다음으로 수소에너지의 특징을 알아보도록 하겠습니다. 

 

수소 에너지

 

수소에너지를 사용하기까지는 많은 과정이 필요합니다.

이 과정은 원유 정제 과정과 비슷합니다.

유전에서 원유를 채취하고, 선박이나 파이프 라인을 통해 원유탱크에 저장하고, 정제 과정을 통해 휘발유, 경유를 생산하는 과정 말입니다.

 

수소도 원유와 마찬가지로 탄소화합물 및 물로부터 수소를 채취하기 위한 '분리 공정'이 있습니다.

분리공정을 통해 분리된 수소를 저장하는 '저장 공정'이 있습니다. 

 

[출처 : 한국에너지공단, 수소에너지시스템]

 

수소 분리 방법

 

당연한 말이지만 수소 에너지를 만들기 위해서는 수소가 필요합니다.

그런데 수소는 대부분 안정된 탄소화합물이나 물로 존재하기 때문에 주로 석유나 천연가스의 열분해에 의해 제조되거나 다른 화학공정의 부산물로서 얻을 수 있습니다. 

다시 말해 석유나 천연가스처럼 모래 속이나 바닷속에 묻혀 있는 자원이 아니어서 수소만 분리하는 과정이 필요합니다. 

 

수소를 분리하는 방법에는 '3가지 방법'이 있습니다.

 

첫 번째 방법은 천연가스(탄소화합물)로부터 추출하는 방법입니다.

기존 에너지를 활용한다는 장점이 있으나, 화석연료로부터 수소를 추출한다는 문제가 있습니다.

근본적으로 화석연료를 사용한다는 점에서 '그레이 수소'라고 불립니다. 

'그레이 수소'는 수소 자체는 청정하지만, 수소를 만드는 과정이 친환경적이지 않기 때문에 만들어진 이름입니다. 

 

두 번째 방법은 부생수소로부터 추출하는 방법입니다.

석유화학이나 제철공장에서 필연적으로 발생하는 부생수소로부터 수소를 분리하는 방법입니다.

제품 생산 과정에서 추가로 발생되는 부산물(부생수소)을 이용해 수소를 생산하기 때문에 상대적으로 저렴한 장점이 있습니다.

다만, 제철 공정에서 나오는 코크스 가스는 수소 함량이 57% 정도로 낮아 수소 정제에 많은 기술과 노력이 수반된다는 단점도 가지고 있습니다.

배출가스에서 수소를 추출한다는 점에서 이 방법 또한 '그레이 수소'로 분류됩니다. 

 

세 번째 방법은 수전해 방법입니다. 

물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생시키는 방법으로 전기를 사용해 수소를 분리하고 이를 전기 에너지로 사용한다는 개념입니다.

비싼 전기를 이용해 수소를 만든다는 것 자체가 비효율적이지만, 태양광 및 풍력과 같은 그린 에너지를 통해 수소를 생산한다면, 이는 '그린 수소'로 분류되며, 저장 가능한 청정에너지가 될 것입니다. 

 

하지만 테슬라의 일론 머스크 CEO는 수소경제에 대해 "수소 생산과 수송 인프라 등을 구축하기 위해서는 막대한 비용이 필요하기 때문에 수소경제는 경제성이 떨어진다"라고 말했으며, 그는 수소차에 대해서 "수소차는 대단히 어리석은 선택이며 수소연료전지는 바보 같은 존재'라고 비판하였습니다.

 

이렇게 말한 배경에는 물에서 수소를 생산하는 데 필요한 에너지가 뽑아낸 수소 에너지보다 더 크기 때문에 효율성이 떨어진다는 이유에서였습니다. 

 

'그린 수소'로 가기 위해서는 비용과 수전해 효율성을 높여야 되는 문제는 아직 남아 있습니다.

 

 

수소의 저장 및 운송 

 

수소는 단위 부피당 저장밀도가 매우 낮습니다.

이 말은 석유나 천연가스 대비 단위면적당 에너지 저장 및 운송 효율이 떨어진다는 의미입니다. 

 

이런 수소를 운송하는 방법에는 '4가지 방법'이 있습니다.

 

첫 번째 방법은 수소를 압축하는 방법입니다.

단위 부피당 저장밀도가 낮은 수소의 저장밀도를 높이기 위해 압력을 가하면 더 많은 수소를 저장할 수 있는 방법입니다.

자전거 바퀴에 공기를 넣는 과정을 생각해보시면 쉽게 이해가 되실 겁니다. 

자전거 안에 공기는 계속 들어가지만, 바퀴가 커지는 대신에 자전거 바퀴 내에 압력이 높아지는 개념입니다. 

 

하지만 기체 상태의 수소는 고압으로 압축할수록 운송 효율이 높아지지만, 압축 탱크 재질 및 배관 재질의 한계로 인해 일정 수준 이상의 고압으로 높일 수 없는 한계가 존재합니다. 

사용 압력과 비용은 반비례 관계이며, 일정 압력 이상으로 높아지면 비용은 급격히 상승하는 곡선을 그리게 됩니다.

 

두 번째 방법은 수소를 냉각을 통해 액화시키는 방법입니다.

천연가스는 영하 162도에서 액체로 냉각됩니다. 천연가스는 액화하면서 그 부피가 600분의 1로 줄어드는 특징이 있습니다.

마찬가지로 수소도 액화시킨다면, 그 부피가 800분의 1로 줄어듬에 따라 단위 부피당 높은 에너지 저장 밀도를 갖는 갖게 됩니다.

 

하지만 수소 액화는 천연가스 액화 온도보다 훨씬 낮은 '영하 253도'에서 액체가 됩니다.

화이자-바이오테크의 코로나 백신이 영하 70도 이하에서 보관 및 운송되어야 되는 점이 어렵다고 이슈 된 바 있는 점을 고려한다면 액화하여 저장 및 운송하는 과정이 얼마나 힘들지 미루어 짐작 가능합니다. 

 

물론 LNG를 기화시킬 때 나오는 냉기를 활용해서 수소를 영하 160도까지 떨어뜨릴 수는 있지만, 영하 253도까지 추가 냉각하기 위한 에너지도 추가로 필요하다는 단점이 있습니다. 

 

현재 국내에서는 액화수소의 집중하는 모습입니다.

SK E&S는 액화 천연가스(LNG)를 이용하여 수소를 추출 후 이를 액화시켜 2023년부터 연간 3만 톤 규모의 액화수소를 공급할 예정입니다. 

SK이노베이션은 공장 내 생성되는 부생수소로부터 추출 후 이를 액화시켜 공급할 예정입니다.

효성은 독일의 '린데 그룹'과 함께 2022년까지 울산에 연간 1만 3,000톤 규모의 액화수소 플랜트 건설 예정입니다.

두산중공업은 창원에 1,700톤 규모의 액화수소 플랜트 건설 예정입니다.

 

세 번째 방법은 수소를 다른 물질과 혼합하여 액상으로 바꾸는 방법입니다.

수소는 화합물 형태로 있을 때 액상이 쉽고 안정적입니다. 

단위 부피당 높은 수소 저장 밀도를 가질 수 있는 화합물 찾는 것이 관건이며, 

최근 LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carries, 액상 유기 수소 운반체) 기술이 주목받고 있습니다.

 

약 50~180도의 온도와 대기압의 50배의 압력 조건에서 수소저장 액체인 'DBT(Dibenzyltoluene)'와 촉매에 반응 시시키면 액체 화합물에 흡수되어 저장되는 원리입니다.

반대로 250도 이상의 온도와 대기압의 약 3배 조건에서 촉매와 반응시키면 저장된 액체에서 수소가 분리됩니다. 

 

LOHC는 상온, 상압에서 보관과 수송이 유리하다는 장점을 가지고 있지만, 수소화와 탈수소화 과정에서 필요한 에너지와 비용, 적절한 촉매 최적화를 위한 연구가 계속 진행되고 있습니다. 

 

네 번째 방법은 수소를 수소저장합금과 결합시켜 고체화 시키는 방법입니다.

고체상태에서 수소는 수소저장합금 등 고체의 내부 또는 표면에 수소를 고체형태로 안전하고 효율적으로 저장, 운송하는 방식으로 수소 저장 방식 중 가장 안전해 잠수함 등 특수목적용으로 활용되고 있습니다.

그러나 세계적으로 아직 초기단계이므로 다양한 국가에서 상용화를 위한 연구개발이 계속되고 있습니다.

 

수소 사회를 위해서는 가스배관망 형태의 수소 공급 시스템이 갖춰져야 하므로 고체화를 통해 규모의 경제를 실현하기는 어려울 것으로 생각됩니다. 

 

[출처 : 현대차]

 

수소 기술 개발 내용 / 수소 기술 혁신 스타트업  

 

아래 표는 현재 수소 관련 기술 개발 내용을 확인할 수 있습니다. 

수소의 '제조, 저장, 이용'을 위해 다양한 기술이 연구 개발되고 있습니다. 

[출처 : 한국에너지공단, 기술별 기술 개발 내용]

 

다음은 수소 기술 혁신 스타트업이 정리된 자료를 소개해 드립니다. 

 

[출처 : 조선비즈]

 

위의 기업 중 주목할 기업은 미국 캘리포니아에 소재한 수소연료 항공기 스타트업 '제로아비아(ZeroAvia)'입니다. 제로아비아는 빌 게이츠가 설립한 에너지 펀드 BEV, 아마존, 로얄더치쉘 등으로부터 약 245억원의 투자금을 받았다는 특징이 있습니다. 

이밖에도 유럽을 대표하는 항공기 제조업체 에어버스는 수소를 연료로 사용하는 항공기를 2035년까지 상용화한다는 계획을 올해 9월 발표했습니다.

 

수소연료전지

 

수소연료전지는 수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 발전장치입니다. 

수소연료전지는 규모에 따라 작게는 수소 드론의 동력 공급을 위해 사용되며, 크게는 발전용으로 사용되기도 합니다.

 

2차전지(배터리)와 연료전지가 헷갈리실 수 있습니다. 

그렇다면 배터리는 전기를 저장하는 장치이고, 연료전지는 전기를 만들어내는 발전기 같은 장치라는 것은 꼭 기억하시기 바랍니다. 

결론적으로 배터리는 그 자체만 가지고 있으면 전력원으로 사용 가능하지만, 연료전지는 수소나 산소 같은 연료를 내부에 넣어 반응시켜야만 전력원으로 사용 가능하다는 큰 차이점이 있습니다.

 

 

현재 수소연료전지의 연료인 수소는 천연가스(LNG)로부터 수소를 추출하여 사용하고 있습니다. 

이런 추출 방법은 앞서 살펴본 바와 같이 온실가스가 배출되어 친환경적이지 않은 것도 사실입니다.

 

'그레이 수소'를 이용하는 방법으로는 한계가 있음을 모두 공감하고 있지만, 과도기적인 상황에서 수소경제의 규모를 확보하기 위해 정부에서도 한쪽 눈을 가린 모습입니다.

 

일단 수소 인프라를 설치하고, 규모의 경제를 만든 다음 친환경으로 나아가려는 것 같습니다.

 

연료전지가 그린 에너지로 가는 지름길은 아니지만, 

태양광 패널을 설치할 땅이 부족하고, 바람이 유럽과 같이 세지 않아 풍력 발전량이 상대적으로 적은 우리나라는 아무래도 연료전지가 전체 전력이 일정 부분은 담당해야 될 것으로 생각됩니다. 

 

수소자동차

 

수소자동차에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

수소자동차는 이름에서도 알 수 있듯이 수소를 연료로 하며, 수소를 연료로 하기 위해 내부에 수소연료전지가 설치됩니다.

아래 그림과 같이 차량 앞부분에 엔진 대신 수소연료전지가 들어가게 되고, 차량 뒷부분에 수소 저장 시스템이 들어가게 됩니다.

 

우리가 흔히 제주도에 놀러 가서 LPG 차량을 렌트해 보면, 트렁크 부분에 LPG 저장 탱크가 설치된 것을 확인하실 수 있는데, 그와 같은 기능 한다고 이해하시면 됩니다.

 

[출처 : 현대차, A: 수소 저장 시스템 / B: 고전압 배터리 / C: 연료 전지 스택 / D: 전기 구동 모터 및 감속기 / E: 전력 변환장치]

 

수소자동차와 전기자동차의 비교 자료를 장점과 단점이 상반됨을 알 수 있습니다.

수소자동차의 가장 큰 문제는 수소의 안정적 공급 및 저장입니다. 

앞서 살펴본 바와 같이 수소를 상용화 하기에는 아직 넘어야 할 산이 많이 남아있습니다. 

 

[출처 : 국립부산과학관]

 

수소사회

 

앞서 살펴본 모든 것들이 다 상용화된다면 그것이 바로 수소사회 일 것입니다.

 

즉, 지금의 휘발유/경유 및 천연가스 대신 수소 에너지를 이용하는 사회가 수소사회입니다.

 

일단 수소 자체는 태양광 및 풍력에서 수전해를 통해 얻는 '그린 수소 (그림 왼편)'과 바이오가스와 천연가스에서 수소를 추출하는 '그레이 수소 (그림 오른편)'를 만들어 수소 공급 시스템을 통해 연료전지를 통해 전력을 생산하여 송전합니다.

또한, 수소충전소 및 주유소를 통해 비행기 및 자동차 연료로서 수소를 주입합니다.

 

[출처 : KIST, 수소사회]

 

이런 수소 사회에 언제쯤 실현될지 짐작되지 않지만,

유럽의 그린 에너지가 그랬고, 전기자동차 사용용화가 그랬듯, 수소 관련 기술도 점차 발전되고 상용화되는 시대는 그리 멀게 느껴지진 않습니다.

 

지금까지 수소 에너지에 대해 알아보았습니다.

 

감사합니다.