[문과생을 위한 3분 수소] 수소 에너지 처음부터 이해하기

2050탄소중립 선언, 바이드노믹스 등으로 친환경 에너지 산업에 대한 관심이 뜨겁다. 그중에서도 '궁극의 친환경 에너지', 거의 '친환경 에너지의 최종 보스급'으로 불리는 '수소 에너지'에 대한 기대가 높아지고 있다. 현 정부에서는 수소 에너지를 활용하여 산업 전반에 수소가 활용되는 '수소 경제'를 계획하고 있다. 느낀 바를 조금 과장해서 말하자면 땅 파서 석탄, 석유 같은 자원을 사용하던 종족이 공기 중의 수소를 사용하는 고등 종족으로 진화하는 것이다. 과장해서 말한 감이 있지만 이미 정부는 2019년 1월 [수소경제 활성화 로드맵]을 발표하여 수소 경제로 전환을 꾀하고 있다. 

 

 

 

 

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◆ 수소경제란?

'수소경제(Hydrogen Economy)'란, 수소를 중요한 에너지원으로 사용하고, 수소가 국가 경제-사회 전반 및 국민생활에 근본적인 변화를 초래하여 경제성장과 친환경 에너지의 원천이 되는 경제 시스템을 말한다. (에너지 경제연구원 출처)

 

즉, 수소가 경제 및 산업 전반의 기반이 되는 사회를 말한다. 흔히 '탄소경제'에서 '수소경제'로 전환할 것이다라고들 많이 표현하는데, 석유로 자동차가 움직이고, 가스로 난방하고, 석탄으로 발전기 돌리는 '탄소경제'가 수소로 자동차 움직이고, 난방하고, 발전기 돌리는 '수소경제'시대로 바뀐다는 것이다. 

 

◆ 어떻게 '수소'가 '에너지'가 되나?

그런데 막상 '수소'로 '에너지'를 만든다고 하면 선뜻 이해가 되지 않는다. 수소로 차를 굴리고, 난방을 하고, 전기를 생산한다는 개념이 쉽게 와닿지 않는다. 괜히 화학 시간에 나올 법한 개념이 들어가서 그런 것일 수도 있고, 실생활에서 접할 수가 없어서 그런 것일 수도 있다.

 

개인적으로 석탄, 석유와 같은 화석에너지와 다른 방식을 거쳐 활용되기 때문에 처음에 수소에너지의 개념을 받아들이기 어려웠다. '땅 깊숙히 존재하는 석탄과 석유를 캐내서, 운반한 후에, 불을 붙이면 열 에너지가 발생한다.'라는 화석에너지와 달리 수소에너지는 생산하는 방식도 한 가지가 아니며, 저장 및 운송 방식도 다양하고, 활용하는 방식도 다양하다. 

 

수소는 많이 존재하기는 하지만, 공기중에서 바로 얻을 수는 없고 특정 물질에 섞여서 존재한다. 그래서 이 수소를 분리해 내야 활용이 가능하다.

 

◆ 수소의 '생산-저장-운송-활용'

수소는 '생산-저장-운송-활용' 과정을 거쳐서 비로소 에너지로 사용된다. 

 

 

 

 

 

 

1. 수소의 생산

수소를 생산하는 방식은 3가지가 있다.

1) 석탄과 천연가스에서 수소를 추출할 수도 있고,

2) 석유화학, 제철, 가성 소다 생산 공정에서 '곁다리(부산물)'로 수소가 발생하기도 하고,

3) 물(H2O)에 전기를 가해서 H에 해당하는 수소만 빼는 방식이 있다고 한다.

이 방식을 각각 어려운 말로 1) 화석연료 개질 2) 부생수소 3) 수전해 방식이라고 한다.

 

1) 화석연료 개질 방식은 '석탄과 천연가스에서 추출한다'는 문장에서 알 수 있듯이 공정과정에서 이산화탄소를 발생시킨다. 그래서 언뜻 '석탄을 직접 태워서 이산화탄소 발생시키는 거'랑 '석탄을 수소로 바꿔서 이산화탄소 발생시키는 거'랑 무슨 차이가 있냐... 는 생각이 들기는 하지만, 천연가스를 사용하면 그마나 이산화탄소 배출을 줄일 수 있고, '탄소 포집'기술을 사용하면 이산화탄소를 줄일 수 있다고 한다. 

 

완전히 깨끗한 방식은 아니어서 'Grey Hydrogen(회색 수소)'라고도 불리고 있다. 그래도 지금까지는 가장 현실적이고, 생산비가 저렴하고, 대량생산이 가능하여 현재 전세계 수소 생산의 절반 이상을 차지하고 있다.

 

2) 부생수소 방식은 '부생'이라는 말에서도 알 수 있듯이 석유화학 제품을 만들고 철강을 만들었는데, 만들다 보니 '부산물'로 나온 수소이다. 그래서 최근 뜬금없이 '철 만들던 현대제철이 수소사업을 한다'라는 기사가 나오기도 하는데, 제철과정에서 나온 수소를 활용해서 새로운 사업을 하겠다는 뜻이다. 

 

산업활동을 하다가 '보너스'같이 나온 느낌이라 환경에 대한 죄책감은 덜어지는 것 같지만...결국 이산화탄소를 발생시킨다는 점에서 'Blue Hydrogen(푸른 수소)'로 불리고 있다. 석유화학, 제철 시설이 많아서인지 우리나라에서 활용되는 수소의 대부분은 이 '부생 수소'이다. '보너스'로 나오다 보니 생산비가 저렴하지만, 어디까지나 보너스여서 생산량에는 한계가 있다. 

 

3) 수전해 방식이 실제로 우리가 '친환경 에너지 끝판왕'이라고 부르는 방식이다. 물에 전기를 가하면 수소가 발생한다고 한다. 신재생 에너지에서 나오는 전기를 활용할 경우, 이산화탄소를 하나도 발생시키지 않아서 가장 깨끗하다.

 

탄소배출이 없어서 'Green Hydrogen(녹색 수소)'라고 불린다. 그런데 친환경 끝판왕인만큼 들어가는 기술력이나 비용도 끝판왕이어서 아직은 경제성이 떨어지는 것이 단점이다. 지금은 수소를 생산하기 위해 물에 가하는 전기 에너지의 양이 수소에서 뽑아낼 수 있는 전기 에너지의 양보다 많은 상황이다. 

 

2. 수소의 저장과 운송

위 방식을 거치면 '기체'형태의 수소가 나온다. 천연가스도 마찬가지로 갖고 있는 문제인데, 기체는 저장하기가 어렵다. 그래서 크게 4가지 형태로 저장하고 있다. '압축시키거나' '얼려서 액체로 만들거나' '다른 물체에 섞거나'. 

 

1) 고압기체: 높은 압력을 가해서 부피를 줄여서 특수 저장용기에 보관

2) 액체형태: 극저온(-253도)에서 액화시켜 부피를 1/800로 줄이고 특수 용기에 저장

3) 다른 화합물과 결합: 화학물질에 섞어서 저장한 후에 필요하면 다시 분리

4) 수소저장 합금 형태: 금속의 온도를 낮추거나 압력을 가해서 수소를 저장

 

운송을 저장 형태에 따라 기체 운송, 액체 운송 방식 등이 있다. 

기체 형태로 저장할 경우, '파이프'나 '튜브 트레일러'를 활용하여 운송한다. 

 

 

 

튜브 트레일러

 

 

 

액체 형태로 저장하거나 다른 화합물과 결합해서 운송할 경우 '탱크로리'방식을 활용한다.

 

 

 

탱크로리

 

 

 

3. 수소의 활용 (feat. 수소차와 연료전지)

그렇다면 이렇게 만들고 운송한 수소를 '어떻게' 활용하는가...?

실제로 수소를 이용하는 방식은 다양하다. 직접 태워서 열을 발생시킬 수도 있고, '히트펌프'라는 것을 통해서 수소화 반응을 일으킬 수도 있고, 연료전지를 활용하여 전기를 발생시킬 수도 있고, 산업 재료(화학 제품, 반도체, 절단 및 용접, 냉각재 등등)로 사용될 수도 있다.

 

그래서 수소를 수송, 건물, 산업, 발전 등 산업 전반에 활용하는 '수소 경제'를 꿈꿀 수 있는 것이다. 쓰임새가 정말 무궁무진하다. 본인도 그랬고 많은 사람들이 '수소'하면 현대차가 열심히 밀고 있는 '수소차'만 생각이 날텐데, (현대차가 열심히 광고해서 그런 것일 수도 있겠지만) 현재 가장 일반적으로 사용되고 개발되고 있는 분야가 '연료전지'를 활용한 '수소차'이기 때문이기도 하다. 

 

 

 

현대차가 열심히 밀고 있는 수소차 NEXO

 

 

 

'수소차'란 '연료전지'를 이용해 전기를 만들어 내고, 이 전기를 활용하여 움직이는 자동차다. 갑자기 '연료전지'는 왜 나온것인가...할수도 있는데, 내연기관 자동차의 엔진 정도로 생각하면 이해하기 쉽다. 내연기관차의 엔진은 기름을 넣어주면 이를 태워서 열을 발생시키고 피스톤을 마구 움직여서 자동차 바퀴를 굴린다. 연료전지는 산소를 충전시켜주면 이 산소가 공기와 반응하여 전기를 일으키고, 이 전기에너지로 자동차 바퀴를 굴린다.

 

수소랑 공기에서 어떻게 전기가 나오나...? 싶을 수가 있는데 그 원리는 다음과 같다.

 

물+전기 → 수소 + 산소

 

즉, 물에 전기를 가하면 수소랑 산소가 나오는데, 이 화살표를 그대로 역방향으로 돌리면 된다

 

물+전기 ← 수소 + 산소

 

미리 충전해 둔 수소를 공기 중의 산소랑 결합시키면 전기랑 물이 나오는 것이다. 여기서 전기는 바퀴 굴리는 데 쓰면 되고, 물을 그냥 버리면 된다. 여기에 추가적으로 수소차 업체에서 밀고 있는 기능 중 하나가, 공기 중의 산소를 빨아들이고 이를 활용하는 과정에서 주변 공기가 정화된다고 하니, 일석이조가 아닐 수 없다. 

 

https://www.hyundai.co.kr/TechInnovation/Electrification/Fcev.hub

자동차의 역사를 바꾸다, 수소전기차 | 현대자동차그룹

https://h2news.kr/mobile/article.html?no=8130

한눈에 보는 수소경제 로드맵