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수소에너지
수소에너지(Hydrogen Energy)는 수소 형태로 에너지를 저장하고 사용하는 에너지원으로, 석유, 석탄 등을 대체하는 미래의 청정 에너지원 중 하나로 꼽히고 있다.
개요[편집]
수소에너지는 미래의 궁극적인 청정에너지원으로 수소에너지의 원료인 물은 지구상에 풍부하게 존재하고 수소를 연소시켜도 산소와 결합하여 극소량의 질소와 물로 변하므로 공해 물질로 인한 환경오염 염려가 없다. 또한 수소는 직접 연소를 위한 연료로도 사용할 수 있기 때문에, 2014년에 출시된 수소연료전지 자동차의 연료로 사용이 보편화하면, 장기적으로는 수송수단의 대체 에너지원으로 주목받고 있다.[1]
배경[편집]
경제협력개발기구(OECD) 국가 가운데 한국이 2019년 재생에너지 발전 비중 최하위라는 결과가 나왔으며 국제에너지기구(IEA)가 발표한 통계도 2019년 한국의 재생에너지 점유율은 4.5%에 불과한 것으로 나타났다. 한국이 4.5%로 최하위를 차지했고, 이어 체코가 13.3%, 헝가리가 13.4% 등이다. 한 자릿수 점유율을 가진 국가는 경제협력개발기구에서 한국이 유일했다. 반면 아일랜드는 100%, 노르웨이는 97.7%, 룩셈부르크는 86.5% 등으로 높은 재생에너지 점유율을 나타냈고, 전체 중 22개 국가가 전체 발전량의 30% 이상을 재생에너지 설비를 이용하고 있다. 브리티시페트롤리엄(British Petroleum)가 2019년 6월 발표한 자료에 따르면 2018년 한국의 재생에너지 점유율은 4.2%에 불과했다. 베트남은 38.1%, 중국 25.8%, 호주 18.8%, 일본 18.4%, 인도 16.7%, 말레이시아 15.2%, 태국 14.3%, 인도네시아 11.7% 정도로 한국이 기후변화 분야에서 세계시장의 트렌드를 따라가지 못하고 있다는 것을 보여줬다.[2] 더불어 2015년 국제연합(UN) 기후변화 회의에서 채택된 파리협정은 지구의 평균 온도 상승을 1.5도 미만으로 낮추고자 한 약속이다. 한국 또한 파리협정에 가입하여 기후변화에 대한 책임을 이행하고자 했고 2020년 10월 28일, 2050년 탄소 중립 목표의 의지를 밝혔으며 2020년 7월 14일에는 한국판 뉴딜 종합 계획에 에너지 전환에 대한 의지가 담긴 그린 뉴딜이 발표되었다. 에너지 전환을 통한 탈탄소화를 위해서 태양광, 풍력 등 다양한 신재생 에너지원이 거론되고 있지만, 그중에서도 수소에너지가 블루오션으로 여겨지고 있다. 왜냐하면 한국은 경유, 원유 등의 화석 에너지의 90%~95%를 수입하여 사용하기 때문에 유가 변동에 민감하다. 하지만 자연에서 얻을 수 있는 수소 등의 재생 에너지원은 안정적인 경제성장과 에너지 자립을 가능하도록 한다. 또한 독일, 중국, 미국 등 많은 국가가 이미 수소의 대안 에너지 가능성을 확인하여 전 세계 에너지 중 약 18%의 수소에너지 수요가 발생하여 전 세계 3,000만 개의 일자리 제공과 약 2,800조 원 규모의 시장 창출이 가능하리라 전망한다. 더불어 적은 온실가스 배출이 가능하여 친환경성 특징을 가지고 있다.[3]
특징[편집]
수소에너지는 화석 에너지와 달리 전기와 열로 전환될 때 물만 생성할 뿐 아니라 온실가스를 전혀 배출하지 않아 미세먼지와 이산화탄소 등 환경문제에서 벗어난다. 또한 수소에너지를 이용하는 연료전지의 효율은 전기만 생산할 때 50%~60%, 폐열을 재사용할 때 80%~90%에 육박한다. 내연기관의 효율이 20%~30% 인 것과 비교하면 매우 높은 수준이다. 에너지원을 얻을 방법도 여러 가지인데 수소는 우주 질량의 75%, 우주 분자의 90%를 구성하고 있을 만큼 부존량이 풍부하다. 따라서 화석 에너지는 물론 풍력, 태양광과 같은 신재생에너지와 수전해 등 다양한 방식을 활용해 생산할 수 있다. 수소에너지는 천연가스, 석유, 석탄 등 화석연료나 물을 분해하여 얻을 수 있는 2차 에너지로서, 에너지 저장체 역할을 한다. 태양광, 풍력 발전으로 생산한 전기에너지는 고정된 에너지저장장치(ESS)에 저장하기 때문에 무겁고 자연적인 에너지 손실도 발생하는 반면, 수소는 탱크나 수송관을 통해 운반할 수 있다. 일반적으로 수소는 고압 탱크에 압축하여 저장하는데, 영하 263도로 냉각해 액화시키면 부피가 800분의 1로 줄어들어 저장 및 운반이 용이해진다. 기존의 자동차는 석유, 기존 난방에는 가스와 석탄, 발전에는 석탄과 원자력 등 소비 부문에 따라 별도의 에너지원을 사용해왔다. 하지만 수소를 사용하면 자동차, 난방, 발전 등 모든 부문의 에너지원을 연료전지로 일원화할 수 있다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 에너지를 생산하는 설비로 지속적인 에너지 생산이 가능하고 다양한 규모로 제작할 수 있다. 따라서 화석 연료, 신재생에너지, 원자력 등을 이용해 수소를 생산하고 이를 연료전지를 통해 사용하는 방식으로 에너지원의 대전화과 통합이 가능하다.[4]
수소에너지 기술[편집]
수소에너지 기술은 물, 유기물, 화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리하고 생산해서 이용하는 기술이다. 수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 전기에너지에 비해 수소에너지의 경제성이 매우 낮아 대체 전원 또는 촉매를 이용한 제조기술을 연구해야 한다. 에너지보조 법칙상 입력에너지인 수소생산이 출력에너지인 수소 이용보다 큰 근본적인 문제가 있다. 또한 수소는 기체 상태로 저장하고 있으나 단위 부피당 수소저장밀도가 매우 낮아 경제성과 안정성이 부족하여 액체 및 고체 저장법을 연구하고 있다.
| 대분류 | 중분류 | 기술개발내용 |
|---|---|---|
| 제조 | 물로부터 수소 제조 | 전기분해(SPE, 태양광, 풍력 등 대체 전원 이용 등) |
| 저온 열분해(산화물, 유황 화합물, 염화물, 불화물, 요드화물 등) | ||
| 광촉매(금속산화물, 폐롭스카으트, 제올라이트 등) | ||
| 바이오(광합성 직·간접, 협기발효, 광합성 발효 등) | ||
| 물로부터 수소 제조 | 수증기 개질(상용화되어 있음) | |
| 플라즈마 개질(반응기, 플랜트 건설) → 미국 상용화 | ||
| 고온열분해(이론 정립, 촉매, 반응기) → 미국 개발단계 | ||
| 수소정제 | 고순도 수소 제조(PSA, MH이용 등) → 선진국 기술 확립 | |
| 저장 | 물리적 저장 | 기체저장(상용화되어 있음) |
| 액체저장(저장 용기, 극저온 연구 등) → 독일 상용화 | ||
| 고체저장(재료, 고용량저장, 무게 등) → 일부 상용화 | ||
| CNT(재료, 합성, 공정기술 등) → 선진국 기술 확립 | ||
| 화학적 저장 | 이산화탄소 이용 메탄올, 에톤올 합성(상용화되어 있음) | |
| 이용 | 이용 | 가정(전기, 열), 산업(반도체, 전자, 철강 등), 수송(자동차, 배, 비행기)
→ 수소의 제조, 저장기술이 확립되지 않아 실용화된 사례가 없음 |
| 안전대책 | 역화방지 등 |
활용[편집]
- 미래 모빌리티
도심형 항공 모빌리티(UAM)과 드론 택시(PAV) 등의 미래 모빌리티에 대해 항공업계가 차세대 동력원으로 수소연료전지, 수소 연료 터번, 수소합성 연료 등에 주목하고 있다. 미래 모빌리티 비전을 제시한 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)는 도심형 항공 모빌리티에 중장거리를 이용하는 경우 수소 연료전지, 장거리를 이용하는 경우는 수소 터빈을 활용할 예정이다.
- 수소 선박
기존의 선박은 화석연료 기반의 중유나 디젤, 가스 오일로 움직이는 내연기관을 사용하기 때문에 소음과 매연 문제가 필연적으로 발생한다. 유럽위원회에 따르면 전 세계 탄소 배출량의 2.5%가 선박에서 발생하며 2050년까지 선박 분야의 온실가스 배출량도 줄여야 하기 대문에 소형 선박의 동력원, 대형 선박의 보조전원이나 수소 기반 합성 연료로 수소에너지가 다양하게 활용될 예정이다. 환경은 물론 어민들을 위한 조업 환경을 개선하기 위해서도 수소 선박은 훌륭한 해답이 될 것이다.
- 수소 전기 열차/트램
수소 전기 열차와 트램은 전선 없이 달릴 수 있다. 따라서 변전소 등의 급전 설비가 필요하지 않아 전력 인프라 건설 및 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 또한 열차는 운송 거리가 멀고 많은 이들이 이용하는 이동수단이라는 점에서 물 이외의 오염물질을 배출하지 않는 수소에너지의 친환경성과 효용성이 큰 운송수단이 된다. 디젤 열차를 수소 전기 열차로 대체할 경우 에너지 생산 전 주기에서 이산화탄소 배출을 51.9% 저감할 수 있다. 더불어 디젤동차와 기관차뿐만 아니라 도심 운행으로 정숙성과 친환경성에 대한 요구가 특히 높은 트램 역시 수소연료전지를 장착하여 탈탄소화를 앞당길 수 있다.
- 수소 지게차/굴착기
기존 지게차는 경유를 주유하거나 전기를 오랜 시간 충전해야 했지만, 수소 지게차는 수소를 탱크에 채운 후 연료전지 시스템 내에서 화학적 반응을 통해 전력을 얻는다. 개발된 수소 지게차는 최대 5T에 이르는 화물을 들어 올릴 수 있고 현존하는 수소 지게차 가운데 적재 중량이 가장 큰 수준으로 세계 최초의 수소에너지 기반 중대형 건설기계가 될 예정이며 수소 지게차에 이어 수소굴착기도 2023년 상용화를 목표로 개발 중이다.
- 수소연료전지
수소연료전지는 자동차는 물론 가정, 산업 현장에서도 지속해서 사용할 수 있다. 수소차에 적용하는 수소연료전를 기반으로 이를 발전 분야에 확대 적용하여 규모의 경제를 이룬다. 수소연료전지 발전은 효율이 높고 이산화탄소 배출이 전혀 없으며 소음이 적어 도심지에 소규모로도 설치가 가능하다. 따라서 친환경 분산 전원으로 주목받고 있고 태양광과 풍력 등의 다른 신재생에너지가 지리적 여건이나 자연환경에 따라 편차가 심하고 간헐적 발전으로 생산량이 불규칙하다는 단점이 있는데, 반해, 수소연료전지는 환경 영향 없이 지속적인 에너지 생산이 가능하고 빠른 발전량 변경을 통해 전력망 안정화에 기여할 수 있다. 더불어 수소연료전지를 활용하여 전력을 생산하고, 그 과정에서 부산물로 발생하는 열을 회수하여 주거와 상업용 건물에 냉난방과 온수를 공급하는 열병합발전용 수소연료전지 기술로까지 확대할 수 있다.[4]
동영상[편집]
각주[편집]
- ↑ 〈수소에너지〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 윤대원 기자, 〈기후변화 후진국 한국, 재생에너지 점유율 OECD·아시아 최하위〉, 《전기신문》, 2020-03-18
- ↑ 환경재단, 〈그린수소 시리즈1.수소에너지? 왜 수소인가요?〉, 《네이버 블로그》, 2021-01-20
- ↑ 4.0 4.1 현대모터그룹 TECH 공식 홈페이지 - https://tech.hyundaimotorgroup.com/kr/fuel-cell/hydrogen-energy/
- ↑ 녹색에너지연구원 공식 홈페이지 - http://www.gei.re.kr/bbs/board.php?bo_table=bbs4_01&wr_id=8
참고자료[편집]
- 〈수소에너지〉, 《네이버 지식백과》
- 윤대원 기자, 〈기후변화 후진국 한국, 재생에너지 점유율 OECD·아시아 최하위〉, 《전기신문》, 2020-03-18
- 환경재단, 〈그린수소 시리즈1.수소에너지? 왜 수소인가요?〉, 《네이버 블로그》, 2021-01-20
- 녹색에너지연구원 공식 홈페이지 - http://www.gei.re.kr/bbs/board.php?bo_table=bbs4_01&wr_id=8
- 현대모터그룹 TECH 공식 홈페이지 - https://tech.hyundaimotorgroup.com/kr/fuel-cell/hydrogen-energy/
같이 보기[편집]
