수소에너지
1. 개요
수소로 만든 에너지. 대체에너지의 일종이다.
수소의 에너지는 143 MJ/kg 로 약 40 kWh/kg 이다. 수소승용차로는 보통 1 kg 당 100 km 정도 운행할 수 있다고 한다. 수소승용차의 연료탱크는 수백 기압의 고압수소를 보동 5-6 kg 가량 저장할 수 있다.
Well-to-Wheel 효율 (WTW, 연료 생산부터 차량 운행까지의 효율) 분석하여야 정확한 값을 확인 할 수 있다. 각 기관에서 발표한 자료[1]에 따르면 천연가스로부터 추출한 수소의 경우, WTW 총괄 효율은 31~36% 수준이다. 비교하면 내연기관차량은 14%, 하이브리드차(개솔린/LNG) 23%, LNG 개질 연료전지차 27.5%, 배터리 전기차 28%, 직접수소연료전지(Direct Hydrogen Fuel cell vehicle)) 30.5% 정도이다. ##
2. 수소 연료전지
수소에너지는 대부분 수소를 연료로하는 연료전지로 전력을 발전해 이용한다. 이런 수소연료전지는 가동온도에 따라 섭씨 200도-300도 전후의 온도에서 운전하는 촉매연료전지와 600도-800도의 이상의 고온에서 운전하는 고온연료전지 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
촉매연료전지는 가동온도가 낮아 제작이나 운전이 쉬운 대신 백금이나 팔라듐등 고가의 귀금속 촉매를 사용해 가격이 비싸고 순수수소를 연료로 사용한다. 되도록 귀금속 사용량을 줄이는게 기술이다. 운전온도가 낮아 쉽게 기동할 수 있어서 자동차엔진처럼 자주 끄고 켜는 식으로 운전가능하고 비교적 효율이 높고 소형으로 만들기에도 좋다. 알코올 등 액체연료도 사용할 수 있다. 하지만 가격이 매우 비싸다. 승용차용 촉매연료전지는 대당 4천만원 정도이다. 귀금속의 원가비중이 높아 가격을 내리기 어렵다.
고온연료전지는 귀금속 촉매를 사용하지 않지만 가동온도가 높아야 해서 전지본체는 고온과 부식을 견딜수 있는 고가 내열내식재료를 사용해야 한다. 공급하는 수소의 순도가 다소 낮아도 되므로 LNG 등을 연료로 사용할 수 있다. 즉 LNG나 메탄, 도시가스 등 탄화수소를 고온의 수증기와 반응시켜 수소를 뽑아내서 연료전지에 공급 할수 있다. 다만 효율과 수명을 떨어뜨리는 부식성의 유황성분이나 탄소성분을 줄여야 한다. 가동온도를 낮추어 내열재료 사용을 줄이는 게 기술이다. 일정 고온이 되어야 발전할 수 있으므로 기동하려면 외부전력으로 오랫동안 예열을 해야하고 꺼도 빨리 식지 않으므로 자주 끄고 켜는 운전을 하기 어렵고 한번 켜면 장시간 계속 가동하는 용도에 적합하다. 자주 끄고 켜면 에너지 낭비는 물론 수축팽창으로 수명이 짧아진다. 다소 효율이 떨어지지만 귀금속을 사용하지 않아 대형 대용량 전지을 만들기 쉽고 용량당 가격도 상대적으로 저렴하다. 배기가스의 온도가 높아 폐열로 효율이 떨어지지만 수증기를 발생시켜 수소개질에 이용하거나 저온도차 발전이나 난방에 써서 효율을 높일 수 있다. 대표적으로 고체산화물연료전지(SOFC Solid-Oxide Fuel Cell)이 있다. 가정용 전력공급 LNG 연료전지 등이 상용화 되어있다. 자주 끄고 켤 필요가 없는 대형선박이나 발전소 같은 응용에 적합하다.
그리고 실용화를 하려면 가격문제와 수명문제도 해결해야 한다. 아직 출력대비 가격이 상당히 비싼데다 수명도 그리 길지않아 교체하는 비용을 감안하면 더욱 설비원가가 올라간다.
3. 저장 및 운송
가장 대표적인 방식은 다음과 같다.
- 기체 저장/운송 : 기체 수소를 압축하여 탱크에 저장
- 액체 저장/운송 : 수소를 영하 온도(-253℃)로 냉각하여 액화·저장
- 화합물 저장/운송 : 메탄, 암모니아, MCH 등 화합물 형태로 변화, 금속 등에 저장
더 큰 문제는 LNG 기지가 있는 보령이나 울산에서 산업적 대규모의 수소개질 공장에서 수소를 값싸게 대량생산해도 이를 수송하는 비용이 더 비싸다는 것이다. 보령에서 서울까지 수소를 튜브트레일러로 운송하면 운송비가 생산비의 3배나 들기 때문에 전혀 경제성이 없다. 차라리 서울 주택지 등 수요지에 가까이 있는 소규모 수소공장이나 수소충전소 까지는 LNG 를 기존의 LNG 파이프라인 등으로 운송하고 소규모 개질설비로 수소로 변환해서 차량이나 주택 등 소비자에 공급하게 더 경제적이다. 다만 이 경우는 소규모 설비는 에너지 효율이 낮아지고 용량당 설비비용이 비싸진다. 그리고 소비지 근처에 건설하려면 수소충천소와 마찬가지로 기피시설이라 부지확보가 어려운 점은 마찬가지다.
하지만 수소에너지나 수소경제의 문제점은 수소를 생산하는 비용이 아니고 수소를 저장하고 운송하는 비용이 문제이다. 수소는 생산지에서 소비지까지 수송하는 수송비가 거리에 따라 생산비의 3-4배나 든다. 수소는 가벼운 가스고 수송저장하려면 고압으로 압축하거나 초저온으로 액화해야 하므로 저장하기도 수송하기도 어렵다. 차량 무게가 40톤이나 되는 고가의 튜브 트레일러를 써도 한번에 불과 250 kg-500 kg 밖에 수송할 수 없어 지극히 수송효율이 낮고 수송비용이 많이 든다. 고압수소 대신 액체수소로 저장하면 더 많은 양을 저장 운송할 수 있지만 그만큼 초저온 고압에 견디는 고가의 초저온 탱크가 필요해 비용이 많이 들고 수소를 액화하는데도 많은 에너지와 비용이 들어가서 경제성이 없다. 또 강철 등 일반금속은 저온에서 약해져 약한 충격에도 잘 깨지고 수소분자가 금속에 천천히 침투해 금속을 약화시키는 수소취성이 있어 [2] 고가의 니켈 등 합금으로 만든 초저온 전용 탱크가 필요하고 수명도 짧아 자주 점검하고 교체해 주어야 한다. 금속탱크에서도 새어나가서 손실되어 장기저장이 어렵다. 이 때문에 수소자동차가 나오기 전까지는 그만한 비용을 감내할 수 있는 우주왕복선 발사용이 수소에너지 활용처의 주요 부문이었을 정도.
튜브트레일러같은 개별운송 대신 장거리 수소 파이프라인을 건설할 수도 있지만 고압기체 상태로는 시간당 운송량이 제한적이라 장거리 대량운반용으로는 경제성이 없다. 또한 수백기압을 견디는 고압파이프를 써야하고 실용화된 적이 없어 건설비용이 매우 높을 수 밖에 없고 수명도 짧아 안전을 위해 자주 점검과 교체가 필요한 등 유지비가 매우 높다. 기체수소를 액화하여 액체수소로 수송하면 시간당 수송량은 크게 늘어나겠지만 수소를 액화하는데도 거창한 고압저온 냉동설비와 많은 에너지와 비용이 들어가고 또 섭씨 영하 240도를 유지하는 초저온 초고압의 특수 단열파이프가 필요해 거리당 용량당 엄청난 건설비와 유지비가 들어 경제성이 없다.
또 수소에너지는 충전인프라 확보도 어렵다. 수소충전소는 건설비용이나 운영비용이 매우 비싸서 수소판매원가가 높아질 수 밖에 없어 수요가 늘기 어렵다. 수소충전소 한군데 건설에는 일반주유소의 몇배나 되는 수십억원의 비용이 들고 수소폭발의 위험에 대한 우려 때문에 소비자인 인구밀집지에서는 기피시설이라 부지를 확보하기도 매우 어렵다. 또 아직 수소자동차 수가 적어 수소에 대한 수요나 매출이 적어 이익이 거의 나지 않는다. 수소같은 폭발성의 고압수소의 취급에는 상당한 주의와 기술이 필요하고 고압가스기사 자격자를 고용해야 하므로 인건비도 높다. 지금은 국가의 정책보조금으로 손해를 메우지만 수소자동차가 늘어 보조금이 줄어들면 손해를 볼 수 있다. 만약 국내에서 한번이라도 사고가 나면 엄청난 보상금을 지출해야하고 급격히 여론이 악화되고 규제가 강화되어 보험비용이나 운영비용이 치솟을 가능성이 높아 투자위험도가 높다. 신규 사업아이템으로 투자위험도는 높은데 장기적 수익성 전망이 좋지않아서 투자매력이 적다.
4. 생산
석탄·석유·천연가스 등 1차 에너지 또는 태양광·풍력 등 재생에너지로부터 생산한다.
주력 수소생산방식은 세가지로 구분할 수 있다.
- 개질(추출) : 천연가스(메탄), 갈탄 등을 고온/고압에서 분해
- 부생수소 : 석유화학이나 제철공장의 공정 중에 부산물로 발생
- 수전해 : 물에 전류를 흘리면 양극에서 산소가, 음극에서 수소가 발생
현재 수소는 부생수소를 공급 받는 방식이며 수소 판매가격은 약 6,500원~7,500원/kg 수준이다. 정부는 수소경제활성화 로드맵에 따라 향후 수소 가격을 ’30년 4,500원/kg, ’40년 3,000원/kg으로 낮추는 것을 목표로 하고 있다. 링크
수소가격은 수소생산비와 운반비로 구성되어 있으며, 목표 달성을 위해 정부는 대규모 생산[3] 과 유통[4] 을 통한 규모의 경제 실현을 통해 수소가격 경쟁력 확보 예정이다.
수소 생산비는 부생수소의 경우는 부산물이므로 생산원가는 사실상 공짜이지만 경제적 가치가 있으므로 울산이나 여천 등 생산지에서 화학공장이나 제철소 등에 파이프로 공급되는 공장도 가격은 kg 당 2-3천원 선이다. 이 가격은 운송비를 포함하지 않은 가격이다. 하지만 부생수소는 기존 석유 정제과정의 부산물에 불과하고 기존의 수소 수요도 있으므로 따로 자동차 연료용 등으로는 생산량에 제한이 있고 크게 늘리기 어렵다. 현재 한국의 부생수소 생산/거래/판매량의 1/3을 자동차용으로 전용한다고 해도 연간 수십 만 대의 수소 승용차를 운행할 수 있는 정도에 불과하다. 즉 초기시범용에 불과하고 산업적 가능성은 없다.
현재 산업적으로 대량의 수소를 생산하는 방법은 천연가스를 고온의 수증기로 분해하는 증기개질법(stream reforming)이 쓰이고 있다. 액화천연가스(LNG)나 메탄 등의 탄화수소 가스를 섭씨700 도 이상의 고온의 수증기로 분해해서 수소를 만드는 방법이다. 현재로서는 가장 경제적인 방법이고 에너지 효율은 65%-75% 가량이고 산업적 규모로 대량생산할 수 있다.하지만 LNG 를 연소시킨 만큼의 이산화탄소가 배기가스로 나오므로 석유나 석탄보다는 낫지만 친환경이라고 보기는 어렵다.
전기를 이용한 전기분해 법의 경우 에너지 효율이 70-80%, 수소 1 kg을 만드는데 50–55 kWh의 전력이 소모되어 수소를 생산하는 방법으로서는 경제성이 없다. 주로 수소가 필요한 소규모 공장에서 간단히 만들어 쓰는 용도에 밖에 쓰지않는다. 하지만 저장과 운반이 매우 어려운 수소의 특성상 필요한 곳 예를 들어 수소충전소에서 바로 수소를 만들 수 있어서 운반비가 들지 않으므로 현재로서는 소비지의 수소충전소 등에서 수소자동차용 수소생산 방식으로는 가장 경제적인 방식이다. 현재 미국에서는 이런 방식으로 하루에 80-200 kg 정도 생산하는 수소충전소에서 kg 당 13 달러 정도로 충전할 수 있다.
미래에는 신형 4세대 원자로의 노형의 하나인 초고온가스로(VHTR) 등 섭씨 800 도 이상의 고온으로 운전하는 원자로에서도 물을 직접 고온에서 분해해 수소를 생산할 수 있다. 이 방식은 LNG 증기개질 보다 약간 더 낮은 가격 (kg 당 1.5-2달러 정도)로 생산할 수 있지만 이것도 LNG 개질 수소생산과 마찬가지로 수소의 생산비가 문제가 아니고 수송비가 훨씬 더 문제다. 더구나 이런 원자로는 소비지 근처에 건설하기 어려우므로 더욱더 수송비 문제를 해결할 가망은 없다. 다만 100MW 이하의 소형모듈러 원자로(SMR) 같은 경우 축구장 정도의 작은 규모에도 건설해 수소와 전력생산을 겸할 수 있으므로 에너지를 많이 쓰는 공장단지나 에너지 수급이 어려운 섬이나 극지나 오지 소도시 같은 곳에서는 실용화 될 수도 있다.
이외에 수소를 직접 생산하는 것은 아니지만 운반과 저장이 어려운 수소연료의 문제점을 극복하기 위해 암모니아(NH3) 를 이용하는 방법도 연구중이다. 즉 태양광 등 재생에너지로 하버-보쉬법 등으로 암모니아를 생산하고 이를 액화하여 액체암모니아 상태로 장거리 운반하여 연료로 실어서 이 암모니아를 연료로 연료전지로 발전할 수 있다. 액체암모니아는 영하 34도면 액화하므로 영하 240도에서 액화되는 수소를 운반하는 것보다는 훨씬 쉽고 경제적이다. 하지만 암모니아는 강한 부식성이 있는 유독성 가스이고 폭발성도 있어서 이를 실용화 하는 것도 쉽지않다. 과거 원양어선 등에서도 냉동장치에 값싼 냉매로 암모니아를 대량으로 썼지만 이런 문제들 때문에 퇴출되어서 다시 도입하기 쉽지않다. 또한 에너지 밀도도 선박용 유류보다는 물론 LNG 보다 낮아서 더많은 연료를 실어야 해서 사용성이나 경제성이 떨어진다. 다만 LNG 처럼 수소로 증기개질할 필요없이 바로 연료전지의 연료로 쓸 수 있어서 LNG 증기개질과정에서 손실되는 에너지가 없어 LNG 보다 낮은 에너지 밀도를 보완할 수 있다. 또한 LNG 와는 달리 유황성분 등 연료전지를 부식하고 효율을 떨어뜨리는 산성 불순물이 없다는 점과 배기가스도 이산화탄소나 이산화황 등 오염물질 없이 질소만 배출하므로 오염이 적다.
4.1. LNG 수소개질
수소개질 과정은 간단하고 개질설비도 비교적 간단한 장치이고 운영도 어렵지 않으므로 소비자가 수소증기개질 장치를 설치해 운영할 수도 있다. 선박이나 주택이나 수요 공장에는 LNG 를 연료로 공급하고 내연기관이 아니라 LNG 를 자체설비로 수소로 개질한 후 연료전지에 공급해 발전할 수 있다. 다만 규모가 작을 수록 에너지 변환효율은 떨어지고 용량당 설비비용은 높아진다. 그러므로 우선 규모가 큰 대형선박이나 공장에 적용한 후 주택등에 적용될 수 있다.
현재 대형선박에 적용을 연구중인 고온 고체산화물 연료전지 등은 이런 방식으로 LNG 를 연료로 사용할 수 있다. 이런 고온장치는 자주 끄고켜면 효율이 크게 떨어지고 수명도 줄어들므로 엔진을 한번 켜면 계속 가동하는 선박이나 장거리 트럭 같은 용도에 더 적합하다. 장거리를 운행하는 장거리 화물트럭 버스 기차나 페리선박 등은 전기를 리튬전지들에 일시저장하는 등 가동정지 주기를 길게할 수 있고 출력에너지도 커서 적용할 가능성이 있다. LNG 는 현재의 벙커C유 등 현재의 선박용 유류보다 연료비도 비싸고 또 무게와 부피당 에너지 밀도도 낮아서 연구개발이 필요하다. 다만 SOFC 연료전지의 가격이 충분히 싸지면 효율이 높기 때문에 비싼 연료비와 낮은 에너지 밀도에도 불구하고 기존 디젤기관보다 더 경제적일 가능성이 높다. 오염물질과 온실가스 배출이 적어 강화되는 해양오염규제에 대응할 수 있다. 통상 대형컨테이너 등 상선 선박을 운항하려면 약 3-20 MW 정도의 전기 에너지가 필요하므로 이정도로 규모로 실용화하는 연구개발이 필요하다.
자체수소개질 방법은 승용차 등 일반차량에 적용할 수 있다. 연료로 LNG 를 사용하고 자체 개질기로 수소연료전지를 사용할 수 있는데 이 경우 공장에서 수소개질을 하여 수소를 충전하는 수소자동차보다는 개질효율이 크게 떨어져 WTW 종합효율은 배터리 전기차보다 약간 낮은 정도로 떨어진다. 자주 끄고 켜야하므로 고온연료전지는 적용하기 어렵고 촉매연료전지를 써야한다.