수소경제 ; 수소는 대안이 될 수 있을까?

수소경제 - 2050 탄소배출제로, 수소가 답이다
이민환.윤용진.이원영 지음 / 맥스미디어 / 2022년 2월

이민환, 윤용진, 이원영 님이 같이 3인 공저로 지은 수소경제를 읽었다.

우선 이 책을 읽은 이유부터 설명하고자 한다. 몇번 설명했다시피 나는 매달 급여의 상당부분을 미국 주식에 투자하고 있다. 포트폴리오 중 비중이 가장 큰 주식은 테슬라다. 원래 테슬라에 가장 많은 금액을 투자한건 아닌데 테슬라의 수익류리 좋다보니 자연히 테슬라의 비중이 제일 커지게 되었다. 물론 테슬라의 사업성장에 무한한 신뢰를 보내기 때문이기도 하다. 그리고 플러그파워에도 투자하고 있었다. 플러그파워는 수소에만 집중한 상당히 오래된 회사다. 수소부분에선 압도적인 존재라 할 수 있다. 연료전지 판매와 수소 관련시설설치가 주요 매출원이다.

결과적으로 테슬라 투자는 꽤나 괜찮았지만 플러그파워는 상당한 손실을 감내하고 중도에 처분할 수 밖에 없었다. 내 스스로 준비가 덜 된 투자였지만 수소경제에 대한 호기심은 커졌다. 이 책을 통해 우리는 수소경제에 얼마나 가까이 접근해 있는지 확인하고 싶었다.

먼저 3인 공저로 이 책을 펴낸 저자 3인은 약력부터 후덜덜하다. 이민환 님은 2012년부터 미국 캘리포니아 주립대 머세드의 기계공학과 교수로 재직중이다. 윤용진 님은 2012년 싱가포느 난양 공과대학교 기계항공공학부 교수로 부임, 바이오 센서와 수소 연료전지를 연구했다. 2018년 KAIST 기계공학과 교수로 부임했다. 이원영 님은 2013년 성균관대학교 기계공학부에 부임한 이후 연료전지와 수전해전지를 포함한 다양한 에너지 저장 및 변환 시스템의 연구를 수행하고 있다. 세 분 모두 박사학위 까지 마치고 교수로 활동하고 계신다. 특이한 점은 세 분 모두 기계공학을 전공으로 했다는 점 정도.

이 책은 아주 오재 전부터 미래의 청정에너지원으로 계속 회자되어 왔던 수소에 대한 책이다. 1960년대에 이미 NASA에서는 달탐사 프로젝트에 수소를 우주선 원료로 이용했다. 이보다 더 친숙한 예로는 바로 테슬라, 현대자동차 등 세계 유수의 자동차 회사들이 차세대 연료로 전기차와 수소차(수소전기차)를 가지고 계속해서 저울질을 하고 있기 때문에 많은 이들의 관심을 갖고 있다. 이 책은 수소에 대한 우리의 궁금증을 풀어줄 수 있는 책이다.

책의 시작부터 기후변화를 설명한다. 대기중의 이산화탄소는 이미 산업화 이전에 비해 50% 가까이 증가했다. 다소 무서운 표현이지만 지구가 버텨낼 수 있는 능력의 한계, 임계점이 다가오고 있다고 말하는 전문가들이 늘고 있다. 세계는 탄소배출을 낮추고 신재생에너지로 전환하기 위해 노력 중이다,

그럼 신재생에너지란 어떤 자격을 갖춰야 할까? 저자들은 2가지 요건을 꼽는다. 하나는 에너지 매개체를 에너지가 필요한 다른 곳으로 손쉽게 옮길 수 있어야 한다(저장 및 이송 매개체). 또 다른 주요한 요건 중 하나는 연료의 전환 과정에서 탄소를 배출하지 않아야 한다는 점이다. 그리고 당연히 이 과정에서 전환을 위한 기술이 존재하고, 이 시스템의 설치와 운영이 경제성 측면에서도 경쟁력을 갖출 수 있어야 한다. 결론부터 말하자면, 이러한 요건을 모두 만족하는 연료는 수소가 유일하다. 그래서 저자는 수소에 집중해야 한다고 하는 것이다. 수소는 당연히 저장 탱크에 저장할 수 있고, 저장된 수소는 먼 거리로 이동이 가능하다. 수소의 무게당 에너지 밀도는 휘발유의 4배, 천연가스의 3배 정도이고 리튬 이온 배터리의 100배 가량으로 운송수단의 연료로 상당한 강점이 있다. 그리고 수소는 전기를 이용해 물은 산소와 수소로 분해시키는 수전해 장치를 통해 대량 생산이 가능하며, 이렇게 만들어진 수소를 연료전지 장치 안에 넣으면 공기 중의 산소와 반응시켜 다시 전기를 생산할 수 있다. 이 전환 과정에서 탄소를 배출하지 않으므로 완전히 깨끗하다.

여기까지만 읽었을 때는 왜 그럼 모든 자동차 회사들은 수소차가 아닌 전기차를 택하고 있는지. 전기차 회사들에게 빨리 수소전기차로 사업모델을 전환하라고 따끔하게 한마디 해줘야 할것만 같다. 그런데 이 책은 사실 수소를 무조건적으로 찬양한다기 보다는 담담히 수소의 현주소를 살펴보고 반문하며 답을 찾아가는 책으로 봐야 한다. 그래서 현재의 수소발전의 현실과 문제점을 설명해 주는데 내 생각보다 문제가 많아서 상당히 놀랐다. 이 책에서 제시한 문제점 중 내가 이해한 주요 부분은 다음과 같다.

첫째로 전기 - 수소 - 전기로의 변호나 과정에서 추가적으로 외부 에너지가 투입되거나 손실이 발생한다. 결국 수소 에너지가 아무리 좋은 에너지라 하더라고 엄청난 손실이 발생하므로 이를 감당하기가 어려운 것이다.

둘째로 저장 및 배송이 너무 어렵다. 앞서 수소는 당연히 저장 탱크에 저장이 가능하다고 했지만 별도의 차폐용기가 있어야 하고, 본문 내용에 따르면 기존의 가스배관을 통한 배송도 쉽지 않다. 이 책에서 다루지는 않았지만 플러그파워의 주주였기에 내가 아는 내용에 따르면 특수 차폐용기도 손실이 적지 않은 것으로 알고 있다.

셋째로 부피당 에너지 밀도가 너무 떨어진다. 앞서 수소는 무게당 에너지 밀도가 배터리뿐만 아니라 어느 연료보다 훨씬 높다고 했는데 반면에 부피당 에너지 밀도는 너무 낮다. 이러면 대형 운송 수단으로 갈수록 무게와 비용 측면에서 유리해지지만 승용차 용으로 적합한지 의문이다. 책을 읽으며 니콜라가 일찌감치 수소트럭으로 도전한 이유를 알게 되었다.

넷째로 액체수소도 보관이 어렵다. 앞서 3,의 이유로 저장이 어렵다고 했는데 수소의 온도를 내리면 액화하고, 액체로 저장하게 되면 그나마 저장과 운반이 용이해진다. 문제는 수소를 액화하려면 영하 253도까지 내려야 한다. 아 온도까지 내리는 것도 쉬운일이 아니겠지만 용기가 완전히 밀폐되어 있다면 수소가 기화되어 내부 압력이 높아지는 경우 폭발의 위험이 발생한다. 그래서 가스가 빠지는 누출구를 의도적으로 만들어야 한다.

다섯째로 진정한 친환경 연료인지 의구심이 든다. 현재 전 세계에서 대량 생산된느 수소는 소위 '수증기 개질'이라는 방식을 통해 만들어진다. 섭시 700도의 고온에서 순수한 물과 메탄가스슬 반응시켜 수소와 일산화탄소를 얻는 후 일산화탄소를 다시 물과 반응시켜 추가적인 수소를 만들어 내고 동시에 이산화탄소를 부산물로 생성시킨다. 그래도 이산화탄소가 발생하는 것이다.

우리나라에서 나오는 수소의 대부분인 '부생 수소'는 석유화학이나 제철 공정 중에 부수적으로 발생되는 혼합가스를 간단히 정제해서 얻는 것이다. 물론 이 또한 이산화탄소가 배출된다. 결국 이산화탄소를 발생하는 것이다.

위와 같은 이유로 수소사회가 우리 곁으로 오기까지는 나의 생각보다 더 오래 걸릴 것이라는 생각을 해본다. 그러나 이 책을 읽고 수소에 대해 내가 가진 오해와 편견고 상당부분 사라졌다. 예를 들면 아무리 설명을 들어도 수소는 위험하다 라는 생각이 들었는데 사실 그건 연료가 가진 숙명적 태생이다. '수소=폭탄' 수준은 아니지만 국내외의 다양한 수소 폭발 사례를 접하다보니 자연스레 수소는 위험하다는 인식이 머릿 속에 박혀있었나 보다. 그러나 수소폭탄에 쓰이는 중성자는 일반적인 환경의 수소에는 존재하지 않는다는 사실을 알게 되었다. 그리고 사실 모든 '연료'는 태생적으로 불안할 수 밖에 없다는 저자들의 설명에도 동의가 되었다. 사실 그러니까 연료지... 오히료 공기보다 무거워서 실내에 쌓이는 LPG와 비교하면 누출되자마자 빠르게 수직으로 확산되어 공기 중에 희석이 될테니 더 안전한 부분도 있는것 같다.

이상으로 '수소경제'를 함께 공부해 보았다.

개인적으로 수소경제가 우리 곁으로 성큼 다가오려면 자동차 업계에서 먼저 활동을 보여줘야 할텐데 수소전기차는 유명 자동차 메이커들의 수십년에 걸친 노력에도 불구하고 일반화되지 않았다. 나도 아직 한대도 보지 못한것 같다. 수소전기차 쪽은 최근 몇년간 임원 진급이 좀 정체되어 있는 편이라는 자동차 회사 다니는 친구의 얘기가 머릿속에 맴돈다. 대규모 투자를 통해 기능을 개선하고 규모의 경제를 통해 비용을 낮춰야 할텐데 현재로서는 쉽지 않은것 같다.

중장기적인 비전을 제시하고 단기 성과를 중시하고 당장 가시적인 성과가 필요한 임원들로 구성된 우리나라 경영 실정 상 수소를 동력으로 사용하는 수소전기차가 언제쯤 본격적으로 보급화될지. 우리나라가 세계에서 수소 산업의 주도권을 가질 수 있을지 책을 덮고도 계속 질문이 늘어난다.

* 이 글은 맥스media로부터 무상으로 도서를 제공받아 직접 읽고 솔직하게 쓴 서평입니다.