수소 경제

 

수소 경제?

친환경에너지로 각광받는 풍력, 태양력 발전은 기존의 화석연료를 사용하는 발전방식에 비해 공급 강도가 균일하지 않고 생산량 조절이 힘들다는 단점이 있다. 이런 단점을 극복하기 위해 에너지 저장매체로 주목받는 것이 수소이다. 수소를 이용한 에너지 생산과 저장에는 탄소 배출 문제 또는 환경문제가 발생하지 않아서 현재 각국이 개발에 박차를 가하고 있는 중이다.

수소를 생산, 저장, 운송 및 사용하는 기술과 인프라 구축, 운용에 따른 새로운 산업과 일자리가 창출되는 것이 수소경제이다. 미래의 에너지 시스템에서 한 축을 담당하게 될 것으로 예상되고 있다.

단, 현재시점에서 기술은 다 개발이 되었으나 에너지 전환 시 효율과 상용화 시 가격적인의 문제로 진정한 의미의 친환경 에너지라고 하기에는 갈길이 멀다.

 

 

왜 굳이 수소로 전기를 생산하지?

수소의 대중적인 이미지는 친환경 에너지라는 점이다.

하지만 가장 친환경적인 에너지 생산방식은 신재생에너지를 이용한 발전인데, 풍력이나 태양력을 이용한 발전방식은 안정적인 공급이 이루어지지 않아 상업용으로 사용하기에는 무리다. 그래서 에너지를 저장해 둘 방법이 요구된다. 가장 저장효율이 좋은 방식은 2차 전지를 사용해 전기를 충전하는 방식이다.

신재생에너지로 생산한 전기로 수소를 만들어 공급한다. 수소는 에너지 전달자 역활인 셈.

다만 전지를 사용해 전기를 저장하면 대용량을 저장 시에는 전지의 무게가 엄청나게 늘어나기에 대형운송수단에 사용하기에는 오히려 효율이 안 좋아지는 단점이 있다.

따라서 차선책으로 수소를 생산하여 그 수소를 공급하여 수소연료전지로 전기를 다시 생산하는 방식을 채택하게 될 것으로 예상된다. 이 경우 운송하는 대상이 기체이므로 기존 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있다. 버스나 선박, 항공기 같은 대형운송수단의 경우 수소연료전지와 수소연료통의 무게가 2차 전지 무게보다 가볍다. 실제로 시내버스의 경우 수소전지를 채택하고 있는 중이다.

인천에 올해 수소버스 200대 보급…2024년까지는 700대

 

 

수소 경제의 장점 & 단점?

장점은 에너지 생산에 필수적으로 따라오는 공해물질이 발생되지 않는다. 방식에 따라 다르지만 대표적인 수소전지인 PEMFC는 전기 생산후 나오는 부산물이 물H2O이다.

단점은 현재 수소 생산하는 주류방식이 탄소를 발생하거나 효율이 낮다. 

그레이수소, 블루수소, 그린수소 등으로 나뉘는 수소 생산방식이 있으며, 현재 수소 생산의 대부분은 그레이수소라 불리는 그리 친환경적이지 못한 방식으로 생산하고 있다.

 

 

수소 생산방법?

탄소의 발생여부에 따른 분류로는 그레이 수소, 블루 수소, 그린 수소

왼쪽에서부터 그레이수소 블루수소 그린수소

1. 그레이수소
   • 화석연로로 부터 생산되는 수소. 천연가스에서 수소를 추출하는 방식으로 1kg의 수소를 생산하는데 10kg의 이산화탄소가 발생된다.
2. 블루수소
   • 그레이수소와 동일 방식으로 수소가 생산되나 최종단계에서 이산화탄소를 방출하지 않고 포집기술을 이용해 이산화탄소를 따로 저장하므로 그레이수소에 비해 친환경적이다.
3. 그린수소
   • 신재생에너지인 풍력, 태양력 발전을 통해 생산되는 전기를 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산한다. 부산물로는 산소가 발생하기에 궁극적인 의미의 친환경에 어울리는 수소 생산방법이다.

 

생산방식에 따른 분류는 부생수소, 추출수소, 수전해수소, 바이오수소

위에서부터 차례대로 부생수소, 추출수소, 수전해수소

1. 부생수소
   • 석유화학제품이나 철강들을 만드는 과정에서 수소가 부수적으로 생산되는 방식
2. 추출수소
   • 천연가스에서 수소를 추출하는 방식. 천연가스에 고온 고압의 수증기와 이산화탄소를 반응시켜 수소를 생산한다. 현재 가장 많은 수소를 생산하는 방식이다.
3. 수전해수소
   • 신재생 에너지인 풍력, 태양력 발전을 통해 생산되는 전기를 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산한다. 그린수소와 동일한 방법.
4. 바이오수소
   • 자연계에서 분해자 역할을 담당하는 미생물, 세균을 이용해 유기물을 분해하여 혐기성 수소를 생산한다.

 

 

수소 연료전지?

PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC, AFC, DMFC 등의 방식이 있으며 

각 방식의 자세한 원리나 화학식은 자세하고 알기 쉽게 정리한 다른 글들을 참고하도록 하고, 여기서는 특징과 장단점 정도만 설명하겠다.

1. PEMFC
   • Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
   • 100도 미만의 저온에서 작동
   • 전기 생산 효율은 약 60%
   • 작은 규모에서 발전이 가능하고 시동 시간이 짧다. 전기생산 후 불이 생성되므로 친환경이다.
   • 백금촉매를 사용하기 때문에 단가가 높다. 안정적인 습도와 온도조절이 필수적이다.
2. PAFC
   • Phosphoric Acid Fuel Cell
   • 200도 미만의 저온에서 작동
   • 전기 생산 효율은 약 40%, 발생하는 열까지 사용하면 80%까지 효율증가
   • 단순한 구조로 안정적이며 기술이 안정적이다. 전해질로 가격이 저렴한 인산을 사용.
   • 타 연료전지에 비해 크고 무거워 고정형으로 사용해야 하고, 촉매로 단가가 높은 백금을 사용
3. MCFC
   • Molten Carbonate Fuel Cell
   • 약 650도의 고온에서 작동
   • 전기 효율은 약 60%, 발생하는 열까지 사용하면 85%까지 효율 증가
   • 백금 촉매 대신 니켈을 촉매로 사용해 저렴함. 
   • 전해질이 부식성인 데다 고온에서 작동하기에 전지의 수명이 짧고 내구성이 약하다.  액체전해질이 증발하는 문제점도 있음.
4. SOFC
   • Solid Oxide Fuel Cell
   • 약 1000도에서 작동
   • 전기 효율은 약 60%, 발생하는 열까지 사용하면 85%까지 효율 증가
   • 고가의 귀금속 촉매를 사용하지 않음. 소형으로 제작이 가능하고, LNG와 LPG를 연료로 사용가능
   • 고온에서 작동하기에 제조와 유지비 증가, 시동에 시간이 오래 걸리므로 자주 끄고 켜고 하기에는 비효율
5. AFC
   • Alkaline Fuel Cell
   • 100도 정도의 저온에서 작동
   • 전기 효율은 약 60%
   • 1세대 연료전지로 나사에서 우주선에 사용한 전적이 있다. 귀금속 촉매를 사용하지 않아 단가가 낮다.
   • 이산화탄소에 노출되면 손상이 심하게 된다.
6. DMFC
   • Molten Carbonate Fuel Cell
   • 약 650도의 고온에서 작동
   • 전기 효율은 약 60%, 발생하는 열까지 사용하면 85%까지 효율 증가
   • 귀금속 촉매를 사용하지 않고,  LNG와 LPG를 연료로 사용가능
   • 고온에서 작동하기에 연료전지부식과 내구도 문제가 있음. 액체전해질이 증발하기에 전지의 작동을 멈추고 보충해줘야 함.