수소가 에너지로 쓰이는 방식은 내연기관의 연료로 쓰는 방법과, 수소와 대기 중 산소를 화학반응시켜 전기 에너지를 발생시켜 그 전기를 쓰는 방법이 있다.

어느 쪽이든 미세먼지 등 환경 오염 물질이 만들어지지 않는다. 오히려 공기를 정화하고 물을 생산할 수 있다.

현재까지 수소 에너지는 주로 자동차를 구동하기 위해 사용되는 경우가 많았으며, 앞으로도 그럴 가능성이 큰데, 수소를 연료로 구동되는 수소 자동차 기술은 현대 자동차가 가장 앞서있다고 볼 수 있다.

반면 외국에서는 아예 수소를 연료로 발전하는 발전소에도 눈을 돌리고 있으며, 이미 벨기에는 클로로-알카리 공정을 이용해 만들어진 수소로 1 메가와트 규모의 수소 발전소를 만들어 운영중이다. 클로로-알카리 공정은 세제 등을 만들기 위한 염소 생산 과정이며, 가장 순도 높은 수소를 만들 수 있다.

Chloralkali process

2NaCl + 2H
2O → Cl
2 + H
2 + 2NaOH

수소 에너지 이용의 가장 큰 걸림돌은 크게 두 가지인데, 하나는 어떻게 수소를 만들 것이냐 하는 것과 어떻게 수소를 수송할 수 있느냐 하는 것이라고 할 수 있다.

수소를 만드는 가장 손쉬운 방법은 물을 전기분해하는 건데, 여기에는 많은 양의 전기가 필요하므로 전기를 생산하기 위해 전기를 써야 한다는 문제가 있다. 이를 보완하기 위해, 최근에는 기존 방식보다 4배 효율적인 방법으로 적은 량의 전기를 이용해 많은 수소를 만드는 방법이 개발되고 있다.

그러나, 현재는 주로 부생 가스(by-product gas) 혹은 잉여 가스(waste gas) 형태로 수소를 생산한다.

부생 가스란 산업 시설에서 화학 공정 중 부산물로 만들어진 가스를 말한다.

국내의 경우에는 석유화학 과정과 제철 과정에서 주로 부생 수소가스가 만들어진다.

석유화학의 경우, 나프타를 에틸렌과 프로필렌으로 분해하는 과정에서 부생 수소가 만들어지며, 국내 전체 수소 생성량의 약 13%가 이 과정에서 만들어지고 있다.

나프타 분해 과정에서 생성되는 수소

또, 화학공정 중 염소를 생산하는 클로르-알카리(CA) 공정에서도 많은 양의 수소가 부산물로 만들어진다. 국내의 경우 전체 생산량의 2.8%가 이 과정에서 만들어진다.

제철 산업에서는 광석을 환원하기 위해 코크스를 사용하는데, 석탄에 고열을 가해 코크스를 만드는 과정에서 수소가 발생한다. 이는 전체 수소 생산량의 1% 미만이며, 코크스 가스의 수소 함량이 낮다는 문제가 있다.

잉여 가스란, 수소를 생산 공정에서 사용하고 남은 가스란 뜻이다. 잉여가스는 주로 석유화학 공정에서 발생하는데, 나프타를 방향족 화합물로 전환할 때 만들어진 수소 가스를 다시 수소 첨가 탈황 및 분해공정에서 소비하는데, 소비하고 남은 가스가 잉여 가스이다.

수소 첨가 탈황

국내 수소 생산량 규모는 연간 약 200만톤으로 추정하는데, 이 중 75%가 잉여가스이다. 현재 잉여가스는 수소 발전에 쓰이기보다는 소각해 버린다고 할 수 있다.

그래서 실제 판매되는 수소의 양은 연간 25만톤 내외로 알려져 있다. 이 정도 규모로는 수소 에너지로 석유를 대체할 수 없다.

최근 국내에서 태양광과 촉매를 이용해 물을 분해해 수소를 생산하고, 이를 대기 중 산소와 화학반응을 일으켜 전기와 물을 생산하는 새로운 기술이 개발된 바 있다.

태양광과 촉매로 물을 분해해 수소를 생산할 수 있다.

아직은 실험단계이지만, 이 기술이 실용화될 경우, 태양 에너지는 새로운 형태로 사용될 가능성이 크다.

즉, 현재는 태양광 에너지로 직접 전기를 생산하고 있는데, 이 같은 방식의 가장 큰 문제는 낮 동안 만들어진 전기를 보관해야 한다는 것이다. 현재는 배터리 뱅크를 이용해 전기를 보관했다가 쓰는데, 배터리는 부피와 무게가 크며, 사용 연한이 있어 주기적으로 교체해야 하며, 가격이 비싸고, 폐기된 배터리는 환경 오염의 원인이 된다는 문제가 있다.

그런데, 만일 태양광을 이용해 수소를 생산할 수 있다면, 수소를 보관해 두었다가 수소를 원료로 전기 에너지를 생산하면 된다. 즉, 수소가 태양광 에너지의 저장 형태가 되는 것이다.

수소 에너지 이용의 두번째 걸림돌은 바로 수소 운송의 방법인데, 현재 국내는 대부분 (88%) 파이프 라인을 통해 수송하며, 일부 (12%)에서만 트레일러로 운송하고 있다. 파이프 라인은 주로 석유화학 공업단지 내에 설치되어 있으며 국내 총연장은 200 km 가량이다. 트레일러 운송비는 파이프 라인에 비해 3~4배 비싼 것으로 알려져 있다.

트레일러 수송 방법이 액화수소 형태로 옮기는 것이 아니라, 180bar라는 낮은 압력으로 금속 용기에 넣어 수송하기 때문이다. 현재 국내에는 약 500대 가량의 수소 튜브트레일러가 가동 중이다.

수소tube Trailer

따라서 적은 양을 비싼 운임으로 옮겨야 하므로, 운송비가 커져 수소 단가도 비싸진다.

미국 등 해외의 경우 500bar 운송이 이루어지고 있다.

수소 충전소도 문제이다. 국내에는 현재 단 4개소의 충전소가 있어 수소 충전소가 절대적으로 부족한데 수소 충전소는 건립 비용이 30~50억원 가량이 소요되며 연간 운영비는 2~3억원 정도인 것으로 알려져 있다.

현재 수소 충전소는 180bar라는 낮은 압력의 수소를 받아, 컴프레서로 압축해 700bar 형태로 보관하였다가 자동차에 충전하게 되는데, 현재 현대자동차 수소차의 탱크 압력도 700bar이다. 일각에서는 수소충전소의 압력을 미국 등과 같이 1,000 bar로 높혀야 한다는 주장도 있다. 충전소 압력이 높을수록 충전 속도가 빠르기 때문이다.

수소 가스 스테이션

수소 연료는 당분간 현재와 같이 수소 충전소로 수소를 수송한 후 수소 차에 에너지로 쓰이는 것에 그칠 것이다.

그러나 수소 생산 기술이 더 개발되고, 특히 국내 기술진이 개발 중인 태양광-수소 생산 기술이 실용화될 경우, 에너지 패러다임은 완전히 바뀔 수 있다.

즉, 대대적인 수소 생산과 수소 수송이 아니라, 각 가정 단위로 직접 수소 생산을 하고 이를 통해 전기를 만들어 가정내 에너지로 사용하고 자동차에 수소를 충전할 수도 있다.

이 가정이 현실화될 경우, 현재와 같은 태양광을 통한 직접 전기 생산을 하는 시스템이나, 배터리 뱅크를 이용한 전기 자동차는 수소 에너지 이용의 과도기적 성격에 그칠 수도 있다.

물론, 먼 훗날의 이야기이다.

2018년 9월 13일

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