미래 에너지 수소에 대한 해부

이규홍 대표이사 | 기사입력 2021/04/12 [11:00]

미래 에너지 수소에 대한 해부

이규홍 대표이사 | 입력 : 2021/04/12 [11:00]

  

충주시가 추진하고 있는 수소 경제에 대해 수소에너지가 어떻게 생산되며 어떠한 장점을 가지고 있는지 또한 가격이나 우리의 실생활에 앞으로 어떻게 적용될 수 있는지를 짚어 보고자 한다.<편집자주>

 

◇ 수소 생산 방식에 따른 종류와 장단점

 

일류가 불을 에너지로 사용하면서 여러 가지 이용방법을 터득하고 기술의 개발에 진화를 거듭하면서 화목을 주원료로 사용하는 시대에서 석탄, 갈탄 등을 파내어 사용하던 시대에 이어 인류 에너지를 획기적으로 변화시킨 화석연료의 사용으로 인류는 갖가지 인류의 삶을 편안하게 하는 기술의 신기원을 이룩했다.

 

각종 공장에서 제품을 생산하는데 필요한 연료 그리고 자동차에서 무거운 짐을 운반하는 트럭, 많은 사람들이 탑승할 수 있는 대중교통수단인 버스와 기차, 하늘을 왕복하며 세계 각국을 여행할 수 있는 비행기에 이르기까지 많은 변화를 이룩한 것이다. 그러나 이러한 화석연료의 지나친 사용으로 인해 인류는 화석연료의 고갈을 고민해야 했고 화석연료의 부작용으로 발생한 이산화탄소 등의 온실가스로 인한 지구는 많은 몸살을 앓았으며 그로 인해 지구의 온도가 점점 높아져 이상기온 현상으로 인해 사람이 사는 삶의 현장에 재난의 풍파가 끊이질 않게 되었다.

 

이에 유엔에서는 지구 온난화 현상을 막기 위한 방안으로 온실가스 줄이기 운동에 이어 탄소 중립을 본격적으로 가동하기에 이르렀다.

 

또한 앞으로 그마져도 40~50년 밖에 쓸 수 없는 화석연료를 대체해야할 미래에너지 개발에 관심이 집중할 수밖에 없다.

 

그로인해 태양광, 풍력, 바이오메스 지열, 조력, 파력 등 많은 에너지 개발을 이끌어 내었지만 그다지 큰 성과는 거두지 못하고 있었던 것이다. 수소에너지를 처음 사용한 것은 1960년대 미국의 아폴로 우주선에서 부터이다. 물을 수소와 산소로 분리할 때 전기를 주입시키는 원리를 역 반응해 수소와 산소를 결합할 때 전기와 열이 발생하는 원리를 이용한 수소연료전지를 우주선에 적용시킨 것이다. 수소연료전지에는 수소와 산소의 결합 시 백금의 촉매제가 사용된다.

 

백금 촉매가 들어간 탄소 다공체 전극과 고분자 전해질로 구성된 수소연료전지는 연료인 수소가 연료 극에서 전자를 내놓고 수소 이온이 되면서 전류가 발생하는 구조다. 이러한 수소연료전지를 처음 차량에 적용하게 된 것은 현대자동차다.

 

현대자동차는 1998년 연료전지 개발 조직을 신설하고 2000년에는 산타페를 기반으로 수소전기차 개발을 시도하였으며 2013년 수소 전기차 양산 모델로 투산 Fuel Cell을 공개한데이어 2017년 신형 수소 전기차 콘셉트(Fuel, Cell, Concepc)를 공개했다. 이어 2018년 처음으로 나온 수소 전기차 넥소(Nexo)가 출시되면서 수소 전기차의 핵심 부품인 수소연료 전지스택이 충주현대모비스 공장에서 만들어지기 시작한 것이다.

 

수소는 주기율표 첫 번째를 차지하고 있고 우주 질량의 75%를 차지하고 있을 정도로 풍부하게 포함되어 있고 지속 가능하게 쓸 수 있는 가벼운 원소이다.

 

이러한 수소는 생산 방식에 따라 부생수소, 추출수소(개질수소), 수전해수소로 나뉘는데 부생수소는 석유 화학공정에서 발생되는 부생수소로서 납사로부터 에틸렌과 프로필렌을 생산하는 납사분해 공정과 염소와 가성소다를 생산하는 클로르-알칼리 공정 있으며 제철산업에서는 철광석을 환원하기 위해 코크스를 사용하는 과정에서 다량의 수소를 포함하고 있는 코크오븐가스(COG)가 생산되고 있다.

 

또한 잉여 수소로는 정유 공장에서 납사를 방향 족 화합물로 전환하는 납사개질공정에서 막대한 양의 수소가 발생하지만 수소 첨가 탈황공정이나 수소첨가 분해 공정에서 거의 소모되고 있다.

 

다음은 추출수소(개질수소)로이는 천연가스를 고압에서 수증기와 반응시키는 개질수소와 갈탄 석탄 등을 태워 생산하는 개질수소를 말하는 것으로 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)에서 수소를 추출하는 것과 석탄이나 갈탄을 태워 고온고압에서 가스화 하여 수소가 주성분인 합성가스를 만드는 방식이다. 수전해 수소는 물에 전기를 주입시켜 수소(H2)와 산소(O2)를 분해시키는 방식이다. 이는 수소연료전지에서 수소와 산소를 결합시키는 과정 속에 전기와 열을 발생시키는 과정을 역이용하는 방식이다. 이처럼 수소를 생산해 내는 방식에서 부생수소, 추출(개질)수소, 수전해수소로 나뉘고 있지만 부생수소와 추출수소에서는 이산화탄소 등의 부산물이 많이 발생하기 때문에 친환경적이라고 할 수 없다.

 

그러나 수전해수소는 물을 전기 분해하여 수소를 생산하기 때문에 오염물질 등이 전혀 발생하기 않는다. 그래서 친환경적이라고 한다. 그러나 물을 전기 분해 하면서 전기를 투입해야하기 때문에 비용이 많이 드는 단점이 있다. 부생수소는 석유 화학물질 공정 등의 공정 과정에서 생겨나는 것으로 비용은 가장 적게 들지만 이산화탄소 등의 발생으로 친환경적이지 못하다는 단점이 있다. 개질수소 역시 이산화탄소가 많이 발생하기 때문에 친환경적이지 못하다는 단점이 있다.

 

◇ 수소의 생산방식에 따른 구분과 생산가격

 

수소는 생산방식에 따라 그린수소, 그레이, 브라운, 블루 수소 등 4가지로 불리기도하는데 그린수소는 태양광이나 풍력 등 재생 에너지에서 생산된 전기로 물을 전기 분해하여 생산하는 수소를 말하며 수전해수소가 이에 해당한다. 친환경적이지만 생산비가 비싸다는 단점이 있다.

 

그레이수소는 추출(개질)수소 중 천연가스를 고온고압 수증기와 반응시키는 개질 수소와 석유 화학공정에서 발생하는 수소를 말한다. 브라운 수소는 갈탄, 석탄을 태워 생산하는 추출(개질)수소를 말하는 것이다. 블루수소는 그레이 수소를 만드는 과정에서 발생한 이산화탄소를 포집 저장하여 탄소 배출을 줄인 수소를 말한다. 이처럼 부생수소와 추출(개질) 수소는 수소생산 과정에서 이산화탄소를 가장 많이 배출시킨다. 그레이 수소는 천연가스의 주요성분인 메탄(CH4)을 고온의 반응기에서 수소를 추출하는 수증기 개질법(CH4+2H2O→ Co2+4H2)이 활용되는 것이다.

 

또한 블루수소는 발생된 이산화탄소를 포집 저장하므로 그레이 브라운 수소에 비해 친환경적인 생산인데다 그린수소보다는 경제성이 뛰어나 주목을 받게 되는 것이다. 수소의 생산가격은 부생수소는 kg당 2,000원 미만이 들고 추출(개질)수소는 kg당 2,700~5,100원 가량 들고 있는 것으로 조사되고 있다. 또한 가장 비용이 많이 드는 수전해수소는 9,000~10,000원 정도 들어 가장 비싼 수소가 되었다.

 

경일대학교 박진남 교수는 국내의 수소 총 생산량은 190만 톤가량이며 이 중 판매되는 수소는 14%에 해당하는 연간 26만 톤 정도라고 한다.

 

국내에서 생산되는 수소의 75%는 정유 공장에서 발생하는데 이는 잉여 수소에 해당하는 수소여서 부생수소로는 큰 영향을 미치지 못하고 있다는 것이다.

 

다음이 납사분해 공정으로 13%에 해당하고 덕양이나 에어리퀴드코리아 같은 회사가 부생수소 거래뿐만 아니라 직접 수소를 제조하여 공급하는데 그 양이 6.4%에 해당한다고 했다. 그리고 염소 생산에 사용되는 클로드알칼리 공정에서 약 2.8% 기타 석유 화학 공정에서 약 2.6%가 생산되고 있으며 제철소에서 발생하는 COG(코크오븐가스) 가스 형태로 생산되는 수소가 약 0.6%를 차지하는데 이는 수소함량이 50~60%로 낮아 수소의 정제에 많은 노력이 필요하다고 한다.

 

또한 국내 수소 판매량은 가스 회사에서 직접 제조하여 공급하는 양이 47% 납사분해 공정에서 나오는 수소가 33% 클로르알칼리 공정에서 나오는 수소가 12%, 기타 유화공정에서 나오는 수소가 6% 등이다.

 

이를 살펴보면 현재 수소전기차가 많이 보급되지 않고 있는 상태에서의 수소에 대한 보급은 비교적 안정적이라고 볼 수 있지만 수소차가 앞으로 기하급수적으로 늘어나고 수소경제를 위한 각종 에너지를 수소로 전환할 때 수소의 양을 더욱 늘리는 방안이 마련돼야할 것이다.

 

더욱이 부생수소나 개질수소에서 나타나는 생산과정에서의 이산화탄소 발생률이 높아 친환경적이지 못한 부분을 블루수소처럼 이산화탄소를 포집하는 기술이나 탄소를 다른 쓰임새를 찾아 써서 없애는 방안도 많은 연구를 통해 개발되어야 한다.

 

◇ 수소의 안정성

 

사람들은 비교적 수소라고 하면 큰 폭발을 일으키는 것으로 잘 못 알고 있는데 핵융합과 위험한 폭발을 일으키는 것은 일반 수소가 아닌 중수소와 삼중수소이다.

 

중수소는 수소에 중성자가 덧붙여진 것으로 중수소는 바닷물을 전기분해하여 얻을 수 있는 것이다. 바닷물 1L에는 약 0.03g의 중수소가 포함되어있기 때문에 지구 표면의 70%가 바다인 점을 감안한다면 무한대로 쓸 수 있는 양이 된다.

 

또한 삼중수소는 자연에 존재하는 양은 적지만 핵융합로 내에서 리튬과 중성자의 반응을 통해 얻을 수 있는 것으로 주로 배터리 등에 사용되고 있는 리튬이 지구상 매장량이 풍부하기 때문에 이 또한 얼마든지 얻을 수 있는 자원이다.

 

리튬은 또한 바닷물에서도 추출을 할 수 있는데 그 양은 2,300억 톤 가량의 리튬이 녹아있다고 한다. 이는 앞으로 1,500만년 동안 사용할 수 있는 양이라고 한다.

 

중수소와 삼중수소는 핵융합 시 사용되는 것으로 이를 잘 쓰면 인류가 미래의 에너지로 풍족하게 쓸 수 있는 지속 가능한 에너지가 될 수 있다. 그래서 요즘 핵융합에너지에 대한 연구에 초점을 맞추고 있으며 그 중요성을 깊이 인식하고 있다.

 

핵융합에너지는 쉽게 얻을 수 있고 에너지 생산성 측면에서도 타 에너지에 비해 월등히 높다. 일반 수소는 안정성이 있는 연료이다.

 
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