1. 수소에너지의 특징
수소(H₂)는 우주에서 발견할 수 있는 가장 가볍고 보편적인 원소이다. 보편적인 수소는 ‘영구 원료’라고 표현해도 무방할 정도로 고갈 우려가 없다. 고갈되지 않는 수소연료에는 탄소(C) 원자가 들어 있지 않기 때문에 이산화탄소도 방출되지 않으며, 수소는 물, 화석연료, 살아 있는 모든 생명체 등 지구 어디에나 존재한다. 그러나 석탄, 석유, 천연가스와 달리 따로 자유롭게 떠다니는 것은 아니며 일종의 에너지 운반체로서 전기처럼 만들어 내야 하는 제2의 에너지 형태다. 수소는 우주에 존재하는 가장 단순한 원소로서 하나의 양성자와 하나의 전자로 이루어져 있으며, 단위 무게 당 함유한 에너지는 120.7 kJ/g으로 다른 원료에 비하여 높다. 수소는 무색, 무취, 무미, 무독성 기체로 2원자 분자이다. 수소를 냉각하여 액상이 되면 그 부피가 기상에서의 부피의 700분의 1로 줄어든다. 이러한 이유에서 수소는 가벼운 무게와 높은 에너지 함량을 원료로 요구하는 로켓이나 우주선의 추진 연료로 사용되고 있다.
만약 수력, 태양 및 풍력과 같은 재생 에너지를 이용하여 수소를 제조할 수 있게 되면, 수소는 재생 연료로도 사용될 수 있을 것이다. 이처럼 수소는 현재의 화석연료나 원자력 등이 따를 수 없는 장점을 갖고 있기 때문에, 수소에너지는 미래의 궁극적인 대체에너지원 또는 에너지 매체(carrier)로 꼽히고 있다. 또한 수소는 공기 중에서 연소 시 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는 공해물질이 전해 배출되지 않으며, 직접연소를 위한 연료나 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하다. 그 밖에도 수소는 지구상에 무한히 존재하는 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있다는 장점이 있다. 대부분 에너지는 탄소(C)와 수소(H) 원자로 구성되어 있는데, 고체연료인 목재의 C/H 중량비율이 약 50, 석탄은 10~30, 석유는 5~10, 그리고 천연가스는 1~3, 수소 0으로 탄소함량이 낮아지므로 이산화탄소량도 적게 방출된다.
수소에너지가 편리하고 환경친화적이라고 하더라도 안전한 에너지가 아니면 사용하기를 꺼릴것이다. 특히 수소폭탄을 떠올리게 되어서 위험하다고 느끼고 있는데 우리가 사용하고자 하는 수소의 분자량이 2인 수소(1H1)가 아닌 동위원소인 중수소(1H2)와 삼중수소(1H3)가 바로 수소폭탄에 사용되는 수소이다. 이외에도 가스 안전성을 나타내는 수치로 공기 중에 가스 누출 시, 불이 붙을 수 있는 농도를 나타내는 연소범위라는 수치가 있다. 연소범위가 LPG 1.8~9.5%, 천연가스 5~15%에 비해 수소는 4~75%로 넓어서 위험하다고 할 수 있지만, 수소의 분자량이 공기(M=29)에 비해 작아서 쉽게 날아가고, 다른 가스들은 공기보다 무거워서 바닥으로 가라앉아 불꽃에 노출되면 쉽게 화재가 발생할 위험성이 높아진다. 따라서 이러한 연소 특성을 고려하여 종합적으로 평가하여 상대적 위험도를 나타냈다. 이 결과에서 가정의 도시가스에 비해 위험성이 가장 낮다고 평가되고 있다.
2. 수소 생산으로부터 저장운송의 현재와 미래
현재 수소의 75%는 천연가스의 수증기 개질공정(Steam Methane Reforming, 이하 SMR)으로부터 제조하고 있는데, 이는 고온 수증기를 이용하여 메탄, 메탄올, 천연가스에 있는 탄소 원자로부터 수소를 분리하는 방법이다. [CH4 + H2O → (CO + 3H2) + H2O → CO₂ + 4H2] 이 제조법은 가격 경쟁측면에서 가장 효율적인 수소제조 방법이나 제조공정에서 열원으로 화석연료를 사용하고 있어 이산화탄소가 많이 발생하는 단점을 지니고 있다. 다른 방법으로는 물을 산소와 수소로 분리하는 전기분해법이 있다. 전류를 물을 통하여 수소와 산소로 분해하는 방법인데, 이때 음극에서는 수소가 그리고 양극에서는 산소가 얻어진다. 전기분해로 생산되는 수소는 재생에너지로부터 얻어진 전기를 에너지원으로 사용하기 때문에 생산 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 그밖에는 석탄이나 바이오매스의 가스화 공정에서는 고체물질을 가열하여 수소와 다른 기체로 변환시키는 기술이 있다. 또한 조류나 박테리아가 태양을 에너지원으로 사용하여 수소를 생산하는 방법도 있다. 이 방법은 효율이 너무 낮아서 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 미생물의 지속적인 개발이 필요한 실정이다.
수소의 다양한 저장형태와 운송방법에 따른 특징들을 [수소의 다양한 저장형태 및 운송방법]으로 나타냈다. 현재 운송되고 있는 고압수소의 저장형태는 구축비용이 저렴하지만, 낮은 에너지밀도와 용기가 비싼 단점을 지니고 있다. 향후 수소 수요량의 증가와 해외에서의 도입을 고려할 때 다양한 수소저장 형태 및 운송방법이 적용될 것으로 판단된다. 그래프에서 보듯이 수송량과 수송위치에 따른 수소저장형태 및 운송방법이 결정될 것이다.
3. 수소 에너지 활용의 현재와 미래
현재 수소에너지로써 활용될 핵심기술로 꼽고 있는 연료전지는 전자, 자동차 등 다양한 산업에 혁신적 변화를 초래할 수 있는 기술로서 석유 중심의 에너지 체제를 수소에너지 중심, 내연기관의 자동차를 연료전지로의 전자기기의 하나, 중앙 집중적 전력생산을 누구나 전력을 생산하는 분산형 구조로 탈바꿈할 수 있는 획기적인 통합기술로 평가되기 때문이다. 연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 결합해 전기를 생산하는 전지로, 물의 전기분해 역반응으로 연료를 계속해서 공급해주면 무한히 발전이 가능하다는 점에서 일종의 발전기이며, 연료로 사용되는 수소는 가스 등을 개질(改質)하여 얻거나 물의 전기분해를 통해 얻는다. 연료전지의 특징으로는 환경친화적이다. 연료전지는 기계장치를 사용하지 않고 발전하기 때문에 거의 소음이 없으며, 수소와 산소가 반응해 전기를 생성하기 때문에 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등 공해물질을 거의 배출하지 않는다.
둘째로는 연료전지는 효율이 높아 에너지 절감효과가 크다. 연료전지의 발전효율은 현재 30-50%로 내연기관보다 우수하며, 온수로 회수되는 열량까지 고려하면 효율은 80%까지 높아질 수 있다. 셋째로 다양한 용도와 분야에 응용되는 융합 통합적인 시스템이다. 휴대용에서 발전용까지 다양한 응용이 가능하며, 연료전지 셀의 개수를 늘리면 출력을 높일 수 있어 연료전지 형태에 따라 수W~수십 MW의 전력 생산이 가능하며, 휴대기기용, 주택용, 자동차용, 항공기용, 우주선용 등 현재 석유, 가스, 전력 등 에너지를 사용하고 있는 거의 모든 분야에 응용할 수 있다.
4. 수소에너지의 가격
5. 맺는말
백영순 회장 (수원대학교 환경에너지공학과 교수) - 한국 수소 및 신에너지학회
20년 11월 26일 한국수소및신에너지학회 정기총회에서 제20대 학회장으로 선출됐으며, 2021년 1월부터 2021년 12월까지 1년간 학회를 이끌게 된다.
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