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화석연료 대체할 신에너지, 수소에너지

생산과정 제외하면 완벽한 친환경에너지면서 지속가능한 발전원 될 수 있어

화석연료에 기반을 둔 에너지 자원의 고갈에 대한 우려와 지구온난화를 방지하기 위한 탄소배출량 감축에 대한 필요성이 증대되고 있다. 이의 해결책으로 신재생에너지가 대두되고 있으며 보다 큰 개념으로는 지속가능한 에너지 사회를 추구하고 있다. 유사한 용어로 지속가능한 개발이 있는데, 이의 정의는 ‘미래 세대가 그들 자신에게 필요한 것을 충족시킬 수 있는 능력을 해치지 않으면서, 현 세대의 필요를 충족시키는 것’이다.

우리나라는 8종의 재생에너지와 3종의 신에너지를 통칭하여 신재생에너지라고 하며, 수소에너지는 신에너지에 속한다. 자연계에서 지속적으로 재생 가능한 태양광 발전이나 풍력발전과 달리 수소는 그 자체로는 에너지원이 될 수 없으며, 반드시 연료전지(Fuel Cell)와 같은 적절한 에너지 전환 장치를 통해서만 사용할 수 있다. 즉, 수소는 에너지 저장물질에 해당한다.

수소는 원자번호 1번으로 가장 가벼운 원소이며, 우리 주변에 산소 원자 1개와 수소 원자 2개가 결합한 물(H2O)의 형태로 어디에나 존재한다. 높은 에너지를 가지는 수소를 산소와 반응시키면 불이 붙으면서 물이 생성되며, 이 때 수소와 산소의 화학에너지가 열에너지로 전환된다. 이와는 달리 수소와 산소를 전기화학적인 방법으로 반응시켜 폭발 없이 반응물의 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환시키는 장치가 연료전지이다. 즉, 기존의 발전방식에서는 수소와 산소를 태워서 화학에너지를 열에너지로 전환하고, 이 열에너지를 수증기의 운동에너지로 전환하고, 마지막으로 발전터빈에서 운동에너지가 전기에너지로 변환된다. 이러한 에너지의 변환과정마다 에너지 손실이 발생하는데, 연료전지는 화학에너지를 바로 전기에너지로 변환하므로 높은 발전효율을 가진다.

수소를 연료로 사용하는 예로는 수소전기차(Fuel Cell Electric Vehicle)가 있으며, 이는 수소탱크에 저장된 수소와 외부에서 공급되는 공기를 연료전지에서 반응시켜 모터를 구동할 수 있는 전기를 생산한다. 수소전기차의 장점은 높은 에너지 효율과 환경오염이 없다는 것이며, 만약 수소를 사용하는 내연기관 수소차를 만든다면 환경오염은 없겠지만, 에너지 효율이 낮게 된다. 그 외에 수소는 가정용 연료전지 또는 대형 발전용 연료전지의 연료로도 사용된다. 일본의 경우에는 복합화력 발전소에 사용되는 천연가스를 수소로 대체하는 것도 시도하고 있으며, 2014년에 정부에서 이산화탄소 배출이 제로인 수소사회로의 전환을 선언한 바 있다.

수소를 연료전지에 사용할 경우에 전력과 부수적인 열 그리고 물만이 생성되어, 수소의 생산 과정을 제외하면 완벽한 친환경에너지이면서 지속가능한 발전원이 될 수 있다. 현재 수소는 정유공장, 석유화학공장 등에서 대량으로 생산 및 소비되고 있으며, 우리나라는 연간 200만 톤 정도의 수소가 생산된다. 석유화학 공장 등에서 부산물로 생산되는 수소를 부생수소라고 하는데, 우리나라는 연간 5~10만 톤 정도의 부생수소가 생산된다.

수소전기차를 예로 들면, 부생수소만으로 수십만 대의 수소전기차 운행이 가능하며, 보다 많은 수소를 공급하려면 현 시점에서는 천연가스나 액화석유가스를 개질하는 것이 가장 현실적인 방법이다. 대표적으로 사용되는 천연가스 수증기 개질공정을 예로 들면, 한 개의 메탄(CH4) 분자와 2개의 물 분자가 반응하여 4개의 수소 분자와 1개의 이산화탄소가 생성되며, 탄소배출량이 제로는 아니게 된다. 하지만 일반 천연가스 자동차를 운행하는 것에 비해서는 높은 에너지 효율을 가지며, 탄소배출량 또한 저감되게 된다. 궁극적인 수소의 생산방법은 신재생에너지 발전으로 생산한 전기로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것이며, 이는 탄소배출량이 제로이다. 하지만 현재는 전력 생산 과정에서의 탄소배출 및 낮은 경제성으로 인해 널리 적용되지는 않고 있다.

수소에 대해 대중들이 많이 오해하는 부분이 수소폭탄이다. 수소폭탄은 수소의 동위원소인 중수소 1개와 삼중수소 1개가 고온에서 핵융합반응을 하여 헬륨과 중성자가 생기는 반응이며, 유명한 아인슈타인의 질량-에너지 등가법칙인 E=mc2의 공식에 따라 감소된 질량에 해당하는 에너지가 방출되는 것이다. 고온 핵융합반응이 일어나기 위해서는 원자폭탄과 같은 고에너지가 필요하므로 우리 주변에서 수소에너지를 논할 때 수소폭탄은 전혀 상관이 없다. 수소전기차에서의 수소 폭발에 대한 우려도 있는데, 수소탱크는 카본파이버로 외부를 감싸고 있어, 찢어질 수는 있어도 폭발하지는 않는다. 또한 문제가 생길 경우에 수소탱크에서 공중으로 바로 수소를 분출하게 되어 있어 화재나 폭발에 의한 위험도는 휘발유 차량보다 낮다.

수소에너지와 관련된 기술은 수소의 생산, 이송, 저장기술, 수소전기차 기술, 수소충전소 기술, 수소이용 발전 기술 등이 있으며, 1차적으로는 수소전기차와 수소충전소의 보급이 수소에너지 사회로의 전환을 위한 중요한 역할을 할 것이다.

우리나라는 수력이 풍부한 노르웨이나 뉴질랜드, 풍력이 풍부한 북유럽 등과 비교할 때, 신재생에너지 자원이 풍족하지 못하다. 정부의 재생에너지3020 정책에 따르면 2030년에는 발전량의 20%가 재생에너지로 공급될 것이며, 이 중 80%는 태양광발전과 풍력발전이 차지할 것이다. 태양광과 풍력은 우수한 재생에너지원이지만 안타깝게도 연속적인 발전이 불가능하며, 이를 보완하기 위해서는 전력저장장치가 필요하다. 현재는 배터리가 주로 사용되지만 전기로 물을 분해하여 수소형태로 전력을 저장하는 방식에도 많은 연구가 진행되고 있다.

한 가지 기술이 모든 것을 해결할 수는 없으며, 미래에는 수소 저장에 기반을 둔 수소에너지 시스템, 배터리에 기반을 둔 전기에너지 시스템, 화석연료에너지, 원자력에너지 등이 서로 보완하면서 최적의 에너지 시스템을 구성하게 될 것이다.

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