친환경 - 수소 에너지 기반의 새로운 에너지 기술

화석연료를 기반으로 한 기존의 에너지 인프라에서 많은 환경오염 문제가 발생되어서 미래의 새로운 에너지 패러다임이 필요해지고 탈탄소화의 목적을 달성할 수 있는 새로운 기술이 필요하게 되었습니다. 그에 맞춰서 전 세계적으로 지구 온난화를 대비하기 위한 파리 기후변화 협약을 통해서 각 국가마다 탄소 배출을 일정 수준 이상으로 감축하기 위한 목표를 제시하였습니다. 대한민국은 수소에 대한 연구개발이 활발하며 수소차를 상용화하여 수소 경제 구축에 힘쓰는데 수소에너지와 새로운 에너지 기술에 대해 알아보고자 합니다.

수소 경제의 개념

수소 경제는 환경오염을 일으키는 탄소를 배출하는 화석연료를 수소라는 새로운 에너지로 대체함으로써 지구의 환경오염을 줄이겠다는 취지에서 시작되었으며 수소를 이용해서 산업을 구축하기 위해서 필요한 수소를 생산하고 저장하고 이송하는 기술, 수소를 활용해서 전기 에너지를 생산하거나 난방을 하거나 자동차의 연료로 사용하는 새로운 산업을 구축하기 위한 경제를 수소 경제 생태계라고 합니다. 새로운 수소 경제 에너지 인프라가 필요하게 된 이유는 화석연료를 기반으로 한 기존의 에너지 인프라에서 많은 환경오염 문제를 발생시켰기 때문입니다,

수소 경제 활성화 로드맵

재생에너지 3020이라는 정책은 2030년까지 현재 전기를 생산하는 데 필요로 한 기술 중 20% 정도를 태양광이나 풍력과 같은 깨끗한 클린에너지 발전 시스템으로 대체하겠다는 정책이었습니다. 정책이 발표가 된 이후 2년 이내의 짧은 기간 동안에 새로운 에너지 정책이 발표가 되었는데 수소 경제 활성화 로드맵이라는 새로운 에너지 정책입니다.

이 에너지 정책이 필요했던 이유는 인류가 사용하고 있는 에너지 구성을 봤을 때 전기 에너지가 차지하는 비중이 선진국의 경우에도 25% 개발 도상국들 같은 경우는 20% 이하 거의 한 4분의 1 수준에 불과하여 전기를 생산하면서 나오는 이산화탄소 감축만을 목표로 한다면 나머지 난방열이라든가 자동차의 연료에서 배출되는 이산화탄소를 줄일 수 있는 대응이 안 되는 결론이 나오게 되었습니다.

수소를 활용하면 자동차의 연료로 뿐만 아니라 난방 에너지로도 활용이 가능하고 또 수소를 이용해서 전기도 생산할 수 있기 때문에 모든 에너지 분야에서의 대응이 가능한 기술로 주목을 받게 되었습니다. 수소 경제 생태계의 구성에 있어서 주축이 되는 수소 에너지가 확보가 전제가 되어야 하는데 수소가 조달이 되지 않으면 이 생태계 자체가 성립이 될 수가 없는 것입니다. 그래서 수소를 어떻게 확보하느냐가 가장 중요한 이슈가 되고 있습니다.

수소 확보의 문제점

지구상에 직접 연료로 사용할 수 있는 가스 형태의 수소가 1%도 되지 않습니다. 보통 물, 석탄, 석유와 같은 산소나 탄소와 결합된 화합물로 존재하기 때문에 실제 수소경제 생태계를 지탱하기 위한 수소를 확보하기 위해서는 이들 물질들을 분해해서 사용을 해야 됩니다. 그래서 지구상에 존재하는 수소를 포함하는 화합물로부터 수소를 추출하는 기술이 중요합니다. 그런데 탄소와 같이 결합돼 있는 석탄이나 석유에서 수소를 추출하는 경우에는 탄소가 동시에 배출이 되는데 탄소가 배출되는 수소 추출 기술을 그레이 기술이라고 합니다. 탄소를 줄이기 위해서 수소경제를 도입을 했는데 그 수소 경제에 필요한 수소를 만들기 위해서 탄소가 다시 배출이 된다면 사실은 거의 의미가 없다고 할 수 있습니다.

배출이 된 탄소를 포집을 해가지고 재활용을 하거나 땅속이나 바닷속에 묻는 기술을 탄소 ccu 기술이라고 하는데 이 기술로 탄소를 포집하는 경우에는 생산되는 이산화탄소를 줄일 수 있으니까 어느 정도 수소를 클린 하다고 간주를 할 수 있기 때문에 블루수소 기술이라고 합니다.

지구상에 존재하는 물을 분해해서 수소를 만들어내는 기술이 수소경제활성회의 취지와 지구 온난화 대응을 위한 취지에 맞다라고 볼 수 있습니다. 이것을  수전의 기술이라고 하는데 이러한 추출 청정수소 생산기술을 그린 수소 생산기술이라고 합니다. 전기를 이용해서 물을 분해하면 산소와 수소가 추출이 되니까 둘 다 지구 환경오염에 문제가 없는 가스들이 배출이 되는데 여기서 문제가 되는 게 물을 분해하는 데 들어가는 전기도 깨끗해야 한다는 것입니다. 화석연료를 써서 만들어내는 전기로 물을 분해해서 수소를 낸다면 사실 전 단계를 거쳐서 봤을 때는 탄소가 배출이 되는 상태입니다. 그래서 가장 이상적인 그린수소 생산기술은 전기를 생산하는 과정 중에서도 탄소가 배출이 되지 않는 재생에너지를 이용해서 수소를 생산하는 기술입니다.

재생에너지의 단점

우리가 잘 알고 있는 재생에너지인 풍력이나 태양광 같은 경우는 인간이 컨트롤 할 수도 없고 미리 예측하기도 힘듭니다. 실질적으로 재생에너지가 많이 보급된 있는 유럽과 같은 지역에서는 재생에너지로 생산된 전기가 과잉으로 생산되는 경우는 일부러 버리는 상황도 많이 발생하고 있습니다. 제주도는 재생에너지 보급이 상당히 많이 되어 있는데 풍력발전이나 태양광 발전을 이용해서 전기를 생산하는 중에 과잉으로 생산되는 경우에는 계속 전기를 버려야 해서 제한 발전을 하는 경우가 자주 발생한다고 합니다. 1년 동안에 제한 발전 횟수가 점점 늘어나다 보니까 4인 가구 기준으로 거의 3천 채 주택들이 1년 동안에 사용할 수 있는 전기양이 버려지는 경우가 발생하고 있습니다. 따라서 재생에너지를 무한정으로 보급을 할 수는 없고 그 부분을 보완을 할 수 있는 기술이 필요한데 재생에너지로부터 생산되는 전기가 많을 때 과잉 생산된 재생에너지는 다른 에너지 형태로 저장을 해야 되는데 기계적인 에너지로 저장을 한다든가 아니면 공기를 압축한다든가 여러 가지 에너지 저장 기술이 있는데 실질적으로 에너지 저장을 했다가 활용하는  편의성 측면에서 단기간에 대응 가능한 기술이 배터리 기반의 에너지 저장 장치가 주로 쓰이고 보다 장기적으로 대용량의 에너지를 저장할 수 있는 기술이 바로 수소와 같은 화학 에너지 형태로 저장할 수 있는 기술입니다.

세라믹을 이용한 수소 생산

수소를 생산하는 기술은 알칼라인 수전이라고 용액 형태의 전해질이라는 소재를 사용하는 런 수전의 방식입니다. 이어서 고분자 폴리머라든가 세라믹이라는 소재를 이용해서도 수소를 만들 수 있습니다. 이 세 가지 중에서도 세라믹 재료를 이용한 세라믹 수준의 기술이 가장 효율이 높기 때문에 차세대 기술로 연구가 이루어지고 있으면 높은 경제성을 확보할 수 있는 기술로 주목을 받고 있습니다.

세라믹 소재의 기술이 가장 경제성이 높은 이유는 고온에서 스팀 형태의 수소를 분해하기 때문에 가장 전기 소모가 적기 때문입니다. 같은 전력을 사용해서 수소를 생산해 낼 때 훨씬 더 많은 수소를 생산해 낼 수 있고 수소를 생산하기 위한 플랜트 자체가 규모를 적게 가지고 갈 수 있기 때문에 생산되는 수소의 단가를 가장 낮출 수 있다는 가능성 때문에 경제성 측면에서 아주 유리하다고 알려져 있습니다.

세라믹 하면 흔히 도자기를 지칭하는데 기존에는 그릇이나 도자기를 만드는 데 사용했지만 최근에는 세라믹 재료가 가진 독특한 특성 때문에 다양한 다른 분야에 예를 들어서 전자산업이나 아니면 에너지 환경산업, 바이오산업까지 많은 분야에서 활용이 되고 있습니다. 전기를 생산하든 수소를 생산하든 세라믹 재료를 만드는 방식은 기존의 전통적인 도자기 만드는 방식과 동일합니다. 세라믹이라는 재료가 전기를 통하지 않는 절연 특성이 좋기 때문에 에자 같은 데 주로 사용돼 왔는데 전기나 수소를 생산하기 위한 세라믹 재료는 전기가 통할 수 있는 구조를 가지고 있습니다. 재료 안에 전기를 띤 원자 인 이온이 존재하는데 아 물질이 세라믹 재료에서 흐를 수 있기 때문에 전기가 흐를 수 있습니다.

세라믹연료전지의 장점

세라믹을 이용한 수소를 만들어내는 기술은 그대로 전기를 만들어내는 데도 쓸 수가 있는데 재생에너지가 과잉 생산될 때는 그 전기를 이용해서 수소를 생산해내고 똑같은 장치를 재생에너지가 끊기는 야간에는 그 수소를 이용해서 전기를 생산해 낼 수도 있습니다. 세라믹 연료전지 기술은 기존의 어떤 다른 전기나 에너지를 생산하는 기술에 비해서 효율이 높기 때문에 가치를 인정받고 있는데 연소반응을 통해서 나오는 열이나 또는 폭발 시에 압력을 이용해서 동력원들을 구동시켜 왔는데 연료전지 같은 경우는 직접적으로 연소 반응이 일어나지 않는 대신에 전기가 만들어지게 됩니다. 또한 그 전기가 만들어지는 것에 더해서 부산물로는 열과 또 깨끗한 물이 생성이 되기 때문에 독립적인 공간에서 동력원을 필요로 하는 우주선 같은 데서 아주 적합한 동력원이 되었습니다. 즉 우주선에서는 에너지원도 필요하고 또 열도 필요하고 또 음용수도 필요했기 때문에 나사 세라믹 연료전지가 채택이 되었습니다. 하지만 고가였기 때문에 활용이 되지 못하였는데 최근에 런 지구 환경오염 문제 때문에 다시 연료전지가 부각이 되었습니다. 기존의 발전 시스템 같은 경우에는 연소혈 때문에 생기는 열을 이용해서 물을 끓여서 다시 전기를 만드는 여러 단계를 거쳐서 전기를 만들게 되게 되니까 각 단계마다 에너지 손실이 커서 실제 에너지 생산 단계에서 거의 60% 이상의 에너지를 잃어버립니다. 세라믹 연료전지는 직접적으로 연료가 가지는 화학 에너지를 전기화학반응으로 전기를 생산하기 때문에 거의 80% 이상의 에너지를 유지를 할 수 있게 됩니다, 또한 배출되는 부산물도 환경오염물질도 없기 때문에 가장 청정한 에너지 시스템으로 인정을 받고 있습니다.

 

실생활에서 우리가 수소 경제 생태계를 체험할 수 있는 것이 기껏해야 수소 연료전지 자동차 정도만 있는데 우리가 사용하고 있는 전기, 난방 에너지처럼 직접 느낄 수 있으려면 각 에너지 사용에 필요한 수소를 생산할 수 있는 인프라가 갖춰져야 합니다. 수소를 얼마큼 확보할 수 있느냐에 따라서 활용가능한 산업생태계가 조성될 수 있습니다. 앞으로는 태양광을 이용한 물분해를 통해 수소 생산도 가능한 기술이 선보일 수 도 있을 것이라 생각됩니다. 지구 온난화와 탄소배출 제로를 위한 수소생태계가 더 발전할 수 있을 것을 기대해 봅니다.