재생에너지를 저장하는 수단, 수소

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

 2020년쯤 부터 수소가 화두가 되고 있다. 하지만 태양광이나 풍력등 비교적 직관적으로 이해되는 에너지원인 재생에너지에 비해 수소는 사실 좀처럼 이해가 되지 않는 면이 많다. 지구상 아니 우주에서 가장 먼저 생겨난 원소이자 가장 풍부할 만큼 지천에 널린 수소가 대체 어떻게 미래 에너지원이 된다는 것일까. 사실 수소는 지천에 널렸지만 역설적으로 거의 없다. 수소원자 하나는 화학적으로 불안정하기에 곧바로 다른 원자와 결합하여 분자를 이루기 때문이다. 때문에 지구상의 대부분의 수소는 물이나(H2O) 암모니아(NH3)등 다른 것들과 결합하여 존재한다. 이로 인해 문제가 필연적으로 발생하게 되는데 수소를 에너지원으로 이용하기 위해서는 이런 것들로부터 수소를 떼어내야한다는 점이다. 

 하지만 이런 문제점에도 불구하고 수소는 사실상 미래 에너지원으로 낙점된 상태다. 태양광과 풍력이 있는데 대체 왜 쓰기도 쉽지 않은 수소가 필요한 것일까. 이는 우리가 사용하는 에너지의 형태가 전기라는 점과 관련한다. 전기는 현재도 그렇지만 전자를 이동시켜 발생하는 힘을 이용하는 것으로 사실상 물처럼 흐르는 에너지로 저장이 매우 어렵다. 현재 전기를 저장하는 방법은 3가지인데 양수발전과 공기압축형, 배터리다. 양수발전은 과다 발생 시킨 전기를 이용하여 하류로 흘려버린 물을 터빈으로 다시 상류로 옮겨놓아 가두는 방식이다. 그리고 나중에 전기가 필요하면 상류로 올려버린 물을 하류로 내리며 터빈을 돌려 발전하는 것이다. 공기 압축식은 남는 전기로 공기를 강하게 넓은 공간에서 압축시켜 놓은 후, 전기가 필요할때 압축한 공기를 분사하여 터빈을 돌려 역시 전기를 얻는 방식이다. 둘다 매우 손실이 많고, 전기 저장을 위해 넓은 공간과 특별한 지리적 요건이 필요하다. 반면 배터리 방식은 어디서나 할수 있다는 장점이 있고 손실도 적다. 다만 발전소에서 남은 전기를 저장할만큼의 고용량 배터리가 매우 가격이 높다는 점이다. 

 이런 전기의 저장방법으로 대두된 것이 바로 수소다. 미래는 신재생에너지가 주요 동력원이 될 것인데 생각과는 다르게 신재생에너지 역시 기존 화석 연료처럼 지구상에 매우 불균등하게 분포한다. 바람이나 태양은 어디에나 있는 것 같지만 훨씬더 태양광이 강력하고 훨씬더 강하게 바람이 하루종일 부는 곳이 지역적으로 편재한다는 것이다. 때문에 신재생에너지 시대가 되어도 에너지를 더 싸게 생산할수 있는 지역이 있고 더 비싸게 생산할수 밖에 없는 지역이 발생하며 이로 인해 지금처럼 미래에도 에너지는 수출 수입이 일어나게 된다. 거기에 신재생에너지는 기후의 영향으로 화석연료에 비해 발전이 안정적이지 못하다. 때문에 수출수입을 위한 이동, 그리고 변동성에 대한 대비로 저장이 필수적이며 이 저장을 가능하게 하는 것이 바로 수소다. 

 남는 전기를 수소로 저장하는 방법은 수전해다. 언급한 것처럼 수소는 자연계에 홀로 존재하지 않는다. 때문에 물을 신재생에너지 중 남는 전기로 분해하여 수소를 저장해 놓는 것이다. 그리고 이 수소를 연료전지에 투입하여 다시 전기를 발생시키는 것이 미래 수소경제의 큰 그림이다. 정리하면 신재생에너지로 발전하여 남는 과잉 전기를 물을 분해하는데 사용하여 수소로 저장해 놓고 이 수소를 에너지가 비싼 지역에 수송하여 팔거나 다시 수소를 연료전지에 투입하여 전기를 발생시켜 저장 및 이동매체로 사용한다는 것이다. 

 수소로 전기를 만들어내는 연료전지는 다른 연료전지처럼 가장 작은 단위가 셀이다. 이 셀은 전극/전해질/전극의 세층으로 구성되는데 전해질은 머리카락 1/3두께로 매우 얇다. 이 전해질은 오직 수소이온만을 통과시키며 투입한 가스와 전자를 통과시키지 않는다. 때문에 연료전지에 수소가스를 투입하면 수소원자가 이온화하여 전해질을 통과하게 된다. 통과하지 못한 전자는 전극에 연결된 전선으로 이동하게 된다. 한편 반대편극으로는 산소가스가 들어오는데 이것이 수소이온과 전자를 받아 물이 된다. 이런 화학반응이 에너지를 일으키는 것은 반응전과 후의 에너지 차이 때문이다. 즉, 반응전인 수소원자와 산소원자 각각이 가진 에너지가 반응후 물이 되었을때의 에너지보다 크다는 것이다. 이런 반응을 통해 여분의 에너지를 연료전지가 전기로 만들어내는 것이다. 

 이런 연료전지는 자동차를 움직이는 배터리로 사용되는데 언급한 하나의 셀이 0.9V정도의 전압을 만들어내고 자동차 운행을 위해서는 수백 V의 전압이 필요하므로 단위셀은 500개 정도 직렬로 연결해야 한다. 그리고 이런 장치를 스택이라 부른다. 각 셀은 스택으로 하나가 됨녀서도 수소와 공기가 섞이지 않게 막으면서도 이들 기체를 골고루 공급하고 생선된 전기를 잘 전도해서 외부로 뽑아내낸 분리판을 갖고 있다. 때문에 수소연료전지는 전기차의 단순한 배터리스택보다 복잡한 구조를 갖게 되는데 수소보관 탱크와 이 수소를 스택에 공급하는 연료 공급시스템, 공기공급시스템, 열관리 시스템이 그러하다. 때문에 수소연료전지차는 소형화하기 다소 곤란한 부분이 있다. 이처럼 수소전기차는 일반 전기차와는 다르게 전기를 외부에서 공급받지 않고 수소를 공급받아 자체적으로 전기를 생산한다. 이는 얼핏 큰 손실로 보이는데 일반전기차가 전기로 바로 충전하여 매우 적은 손실로 에너지를 운행에만 사용하는데 비해 수소전기차는 발전소에서 전기를 만들고 이를 수분해하여 수소로 바꾸고 이를 다시 수송하여 수소전기차에 넣고, 수소전기차의 연료전지에서 다시 발전하는 등 복잡한 과정을 통해 손실이 비교할수 없을 만큼 커지기 때문이다. 하지만 언급한 것처럼 수소의 생성에 사용되는 전기는 남는 전기로 이용하지 않는다면 어차피 버려질 전기이기에 이와같은 손익계산이 맞지 않는다. 때문에 수소전기차를 통해 얻는 운행에너지는 손실이 아니라 생성으로 보아야 한다는게 저자의 주장이다. 

 학자들은 미래 전기차는 소형은 전기차 대형은 수소전기차로 운행될 것으로 보고 있다. 소형의 경우 언급한 수소연료전지의 구조적 복잡성으로 인해 설계가 어려운 면이 있다. 반면 대형의 경우는 문제가 달라진다. 대형자동차는 운행을 위해 큰 에너지가 필요하며 전기차로 가기 위해서는 엄청나게 무거운 배터리가 필요하다. 실제 소형전기차도 배터리의 무게로 인해 내연기관차보다 무게가 20%정도 더 나간다. 연료전지기반으로 트럭을 구성한다면 배터리 무게만 7톤이 필요하다. 한편 수소연료진지는 150kg에 불과하다. 즉, 대형차는 수소차가 훨씬 유리하다는 것이다. 이뿐 아니다. 대형차를 전기배터리로 운행할 경우 오랜 충전 시간이 필요하다. 하지만 수소의 경우 대형차량이더라도 10분이내에 충전이 완료된다. 

 수소는 현재 그레이 수소와 블루 수소, 그린 수소로 나뉜다. 이는 수소를 얻는 방법에 따른 구분인데 수소 생산과정에서 온실가스를 배출하느냐의 여부로 분류한다. 그레이 수소는 부생수소와 개질수소로 개질수소는 천연가스등을 고온에서 가공하는 과정에서 발생한다. 부생수소는 석유화학이나 제철공정 중 부수적으로 발생하는 혼합가스를 간단히 정제해서 생산한다. 현재 전세계 생산 수소중 개질수소가 78%, 부생수소가 18%로 96%의 수소가 그레이 수소에 해당한다. 즉, 그레이 수소는 수소생산과정에서 온실가스를 배출하는 것을 말한다. 

 한편 블루 수소는 수소 생산과정에서 온실가스를 배출하지만 그 과정에서 발생하는 탄소를 포집하여 사실상 온실가스를 배출하지 않는 수소 생산방식을 의미한다. 그린 수소는 언급한 것처럼 수소 생산과정에서 신재생에너지를 활용하여 생산 한 것으로 온실가스를 전혀 배출하지 않는다. 장기적으로는 수소생산 방식을 그린 수소형태로 전환 될 것이다. 

 미래 수소가 새로운 재생에너지의 저장 및 수송, 운송, 사용의 통합적 매개체가 되기 위해서는 실질적 저장과 운송 사용방법이 잘 정착되어야 한다. 수소는 무게당 에너지 밀도는 가솔린의 3배로 무척 높은 편이며 수소연료전지는 효율이 40-50%로 내연기관의 30%를 압도한다. 즉, 수소차는 내연기관차보다 4.5배의 에너지량을 갖는 다는 셈이다. 하지만 수소는 부피당 에너지 밀도가 무척 낮다. 즉, 한곳에 잘 압축하여 모아놔야 쓸모가 있어진다는 것이다. 

 수소를 한곳에 모으는 방법은 압축과 액화가 있다. 압축은 700기압 정도로 압축하는 것으로 탄서섬유와 플라스틱 라이너로 만든 탱크가 가장 최신이다. 이 경우 수소 1kg 저장에 탱크 무게가 20kg정도로 쓸만하다. 수소를 액화하면 부피밀도 문제는 압축보다 훨씬 수월이 해결된다. 하지만 문제는 수소가 무려 -253도 에서야 액화한다는 점이다. 이런 극저온의 유지를 위해서는 많은 에너지가 필요하며 액화시킨 후 보관을 위해서도 배부용기와 외부용기사이에 진공공간을 두어야하고 용기 완전밀폐시 폭발위험이 있어 애써 액화한 수소를 조금씩 외부로 유출해야한다. 때문에 수소의 액화로 수소를 액체유기화합물이 녹이는 액상유기수소운반방법이 제시된다. 이 경우 극저온이 필요치 않은 장점이 있으나 유기화합물에서 나중에 다시 수소를 추출해야 하는 번거로움이 따른다. 액체유기화합물로는 암모니아가 제시되는데 암모니아는 -33도면 액화가 가능하다. 또한 암모니아는 비료의 주재료로 이미 지난 100년간 생산과 저장, 운송, 시설이 기 구축되어 있어 빠르고 손쉬운 활용이 가능하다는 점에서 유리하다. 고체수소도 수소의 저장방법이다. 다공성 고체에 10기압의 낮은 압력만으로도 수소가 고체에 침투하여 저장이 가능하다. 하지만 이 역시 나중에 추출이 필요하다.

 수소의 운송방법으로는 파이프 라인 운송이 꼽힌다. 기존 천연가스 파이프라인이 잘 구축되어 있어 이를 활용하면 손쉬우나 고압의 수소를 운송하면 기존 파이프가 부러지는 단점이 있다. 때문에 파이프라인을 수소용으로 별도 개조하거나 천연가스와 수소를 혼합하여 수송하는 방법이 제안된다. 수소운송으로는 튜브트레일러 방식도 제시된다. 수소를 압축해 튜브트레일러라는 긴 용기에 저장 운송하는 것이다. 이 튜브는 충전소에서 충전되며 350kg의 수소를 운성한다. 선박을 이용한 운송도 방법이다. 언급한 액상유기수소운반방법을 이용한다면 기존 유조선을 그대로 사용할수 있다는 장점이 있다. 

 장래 수소는 수분해를 이용해 확보될 것으로 보인다. 하지만 수소1톤의 생산을 위해서는 정제수가 9톤이 필요하며 일반물을 정제수로 만들려면 물 20톤이 필요하다. 이는 매우 많은 양으로 지구온난화로 인한 기후변화로 수자원확보가 더욱 힘들어질 미래사회를 고려한다면 상당한 난관이 될수도 있다. 때문에 해양플랜트를 통한 담수확보가 중요하다. 해수를 담수화하여 수분해를 하면 이 문제는 해결가능하기 때문이다. 때문에 미래 사회에서는 단순히 식수자원확보를 위해서가 아니라 에너지의 확보를 위해 해양담수화 기술이 중요해진다. 

 불행히도 미래 신재생에너지에 유리한 지역은 북아메리카와 남아메리카 아프리카 거의 전역, 중동지역, 호주, 중국 서북부 지역이다. 재생에너지시대에서도 한국은 에너지 빈국인 것이다. 우습게도 미래사회가 되어서도 한국이나 일본은 지금처럼 중동지역이나 아프리카 호주등지에서 발전을 위한 수소를 수입하는 나라가 될 가능성이 높다. 때문에 이를 잘 활용할 수소운송, 저장방법, 수소차, 수소연료전지의 개발이 더욱 중요하다. 자원자체가 부족하니 그 활용 방법을 극대화하여 활로를 찾아야 하기 때문이다.

 이 책을 통해서 잘 이해하지 못하던 수소경제에 대해 잘 이해하게 되었다. 미래 사회 에너지에 관심이 있는 사람들에게 추천한다.