수소배터리는 수소에너지일까?

수소배터리는 수소에너지일까?

대학생신재생에너지기자단 17기 정예진

 

온통 수소, 수소! 

[하루가 멀다 하고 쏟아지는 수소 기사들]

 

수소발전소, 수소차, 수소 드론, 수소충전소… 국·내외 ‘수소’에 대한 관심이 뜨겁다. 화석연료를 대체할 차세대 에너지 대표주자로 손꼽히는 수소는 일본, 미국, 중국, 유럽, 호주 등 선진국에서 꾸준한 연구개발과 정책지원을 통해 민간에 보급되고 있다. 

이 중 수소 연료전지의 경우 우리나라 반도체를 이을 제2의 주요 사업이라 불리며 큰 관심을 받고 있다. 수소 연료전지란 수소차, 수소 발전기, 수소 드론, 수소 선박 등 수소를 활용한 모든 분야에 들어가는 중요 부품으로써 외부에서 투입된 수소와 산소를 결합시켜 물과 전기를 생산하는 장치를 말한다. 이 과정에서 별다른 오염물질이 발생하지 않고 대기 중 미세먼지까지 걸러져 친환경성을 인증받았다. 연료전지 시장의 경우 일본의 시장조사기업인 후지경제에 따르면 2018년 2,184억 엔(약 2조 1,759억 원)에서 연평균 29.65% 성장해 2030년 4조 9,275억 엔(49조 912억 원)까지 커질 것으로 예상된다.

그렇다면 수소 연료전지는 수소 에너지일까?
답은 아니다! 수소 연료전지는 수소에너지를 활용한 기술이지 그 자체로 수소에너지가 될 수는 없다. 우리나라 수소 정책의 모든 것이 집약된 ‘한국수소경제활성화 로드맵’에 따르면 수소 기술은 △생산 △저장 △운송 △활용 분야로 분류된다. 수소연료전지는 이 중 수소 활용 기술 분야에 속한다. 

[자료 1. 수소경제활성화 로드맵]

출처 : 산업부 

그렇다면 각각의 분야는 어떤 것을 말하는 걸까?

[자료 2. 수소경제 개념도]

출처:산업부

수소를 실제 에너지로 활용하기 위해서는 순수한 수소를 생산하고, 생산된 수소를 저장 및 운송한 후에 쓰임에 맞게 활용하는 방식을 거쳐야 한다. 

수소를 생산하는 경로로는 △석유화학 공정의 부산물인 부생수소(그레이수소) △천연가스 및 바이오가스에 포함된 메탄에 화학반응을 일으켜 얻는 추출수소(그레이수소) △재생에너지 잉여전력으로 물을 전기 분해한 뒤 얻는 수전해수소(그린수소) △해외에서 수입해오는 수입 수소 등이 있다.  

부생수소는 석유화학공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 생성되는 수소로 현재 울산, 여수, 대산 등 석유화학단지를 중심으로 생산된다. 최근 대산에 부생수소를 연료전지에 공급해 16만 가구에 전력을 공급하는 연료전지 발전소가 세계 최초로 준공돼 큰 화제가 됐다.

[자료 3. 부생수소를 이용한 대산 수소연료전지 발전소 조감도]

출처 : 한화에너지

추출 수소는 도시가스 공급망을 통해 전달되는 LNG가스에 포함된 메탄(CH4)에 열과 촉매를 가해 고농도의 수소를 얻는 방식이다.  
수전해 수소는 재생에너지 잉여전력을 이용해 물을 전기 분해해서 얻는 수소로 이산화탄소가 발생하지 않고 재생에너지의 이용 확대라는 측면에서 진정한 수소경제로의 이정표이다. 수입 수소의 경우 해외에서 CO2-free 수소 수입으로 생산과정에서의 온실가스를 감축하고 수소 상태로 수입 및 운반돼 수소생산에 필요한 인프라가 갖춰지지 않아도 된다.

부생수소와 추출 수소는 생산 과정에서 화석연료가 사용된다는 점에서 그레이(Gray)수소라고 불리며 많은 논란이 있다. 현재 우리나라의 수소 생산은 이 같은 그레이수소(부생수소+추출수소)로 이뤄지고 있으며 2022년까지 그린(Green) 수소인 수전해 수소까지 포함해 생산하는 것을 목표로 하고 있다. 이어 2030년부터는 수입 수소를 도입해 부생수소+수전해수소+수입수소로 전체 수소 생산량의 50%를, 추출 수소로 50%를  구성하는 것을 목표로 하고 2040년까지 부생수소+수전해수소+수입수소로 전체 수소 생산량의 70%를 추출 수소로 30%를 구성하는 걸 목적으로 한다.

수소의 생산과 소비과정에서는 일반적으로 기체 상태의 수소가 이용된다. 하지만 생산지에서 목적지까지 전달하거나 저장할 때 기체 상태의 수소는 낮은 부피 대비 저장밀도 때문에 안전하지 못하고 경제성이 떨어진다는 단점을 가진다. 이에 따라 수소를 활용처에 적절히 쓰이게 하려면 수소를  기체가 아닌 다른 상태로 변화시켜 저장하고 전달하는 기술이 필요하다. 수소를 저장하는 방식으로는 △기체 △액화 △액상·고체의 형태 등이 있다.

 액체수소는 대량의 에너지를 다루는데 매우 효율적인 방법으로 기체 수소가 200 bar 이상의 고압에서만 저장이 가능하다면 액체수소는 대기압에서 저장이 가능하다. 그러나 액체수소를 활용하기 위해서는 적어도 80개 이상의 수소 충전소가 운영되는 시장이 조성돼야 한다. 이에 따라 미국과 일본, 유럽 등에서는 액화수소가 상용화되었으나 국내 액화수소 저장 방식은 현재 기술개발이 이뤄지는 단계다. 정부는 수소경제 로드맵에 따라 2030년까지 액화수소 플랜트 및 액화 탱크, 펌프, 밸브 등 국산화 기술을 개발할 계획이다. 

액상 수소(LOCH)는 단위 부피당 높은 에너지 저장 밀도를 갖는 다양한 액상 화합물 기반 수소저장기술 중 대용량의 수소를 안전하게 상압에서 저장하고 운송할 수 있는 장점으로 인해 최근 크게 주목받고 있다. LOHC는 높은 무게 대비 수소저장용량을 가지고 반복적으로 수소를 저장하고 방출할 수 있다. 또한 가솔린과 유사한 액상 화합물 형태로 초기에 막대한 투자 없이 현존하는 화석연료 저장·운송 인프라를 활용할 수 있다. 

고체상태의 수소는 수소저장합금 등 고체의 내부 또는 표면에 수소를 고체형태로 안전하고 효율적으로 저장·운송하는 방식으로 수소 저장 방식 중 가장 안전해 잠수함 등 특수목적용으로도 활용된다. 그러나 세계적으로 아직 초기단계이므로 다양한 국가에서 상용화를 위한 연구개발이 이뤄지고 있다.  

우리나라에서는 2030년까지 액상 및 고체 저장기술의 실증·상용화를 목표로 하고 있다. 

저장된 수소를 활용처까지 운송하는 방식으로는 △튜브트레일러 △파이프라인 등이 있다. 

튜브 트레일러는 고압기체수소를 저장·운송하는 역할을 하는 중요한 장비다. 이동식 수소 튜브 트레일러 차량 또는 수소 카트리지 차량으로 불리는데 통상 전자의 이름을 줄여 수소 튜브 트레일러로 통용된다. 

[자료 4. 수소 튜브 트레일러]

출처 : WELDSHIP CORPORATION

수소 튜브 트레일러는 특장차 위에 카트리지 형식의 수소가스 저장용기가 장착된 차량으로 수소충전소에 도착하면 바퀴가 달린 카트리지만 내려놓고 차량은 돌아간다. 이어서 카트리지가 충전소 압축기에 수소를 공급하면 고압용기에서 디스펜서에 전달된다.

[자료 5. 수소 저장·운송 과정]

출처: 산업부 수소경제활성화 로드맵

 

2022년까지 고압기체수소 저장·운송 용량 향상 및 트레일러 경량화를 통해 운송비용을 절감하고 수소 공급 가능지역을 확대하는 것을 목표로 한다. 장기적으로는 2030년까지 액상·액화 운반을 통해 운송 효율성을 제고할 계획이다.

파이프라인을 이용한 저장·운송 방으로는 수소 생산 및 소비지역에 파이프를 연결해 기체 상태의 수소를 별다른 변형 없이 그대로 전달하는 방식이다. 국내에 설치된 수소 파이프라인은 약 200km 정도로 공급압력 향상과 수명 증가를 위한 소재 개발 등이 추진 중이다.

우리나라는 2022년까지 수소 수요가 많은 도시에 민간 주도로 파이프라인을 구축하고 2025년 이후에는 수소 수입기지에 파이프라인을 구축해 인근에 대규모 수소를 공급할 수 있게 한다. 장기적으로는 2030년 이후 수소 수요 증가에 대응해 전국을 연결하는 수소 주배관 건설을 목표로 한다. 

이렇게 다양한 생산·저장·운송과정을 걸쳐서 전달된 수소를 에너지로 활용하기 위해 연료전지가 쓰이게 된다. 연료전지는 용도에 따라 △발전용 △가정·건물용 △모빌리티 등으로 나뉘는데 각 사용처에 적합한 연료전지를 사용하게 된다.  

 

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참고문헌 

그렇다면 수소 연료전지는 수소 에너지일까? 

1) 산업부,"세계 최고수준의 수소경제 선도국가로 도약",2019.1.7 ,https://www.motie.go.kr/motie/ne/presse/press2/bbs/bbsView.do?bbs_seq_n=161262&bbs_cd_n=81¤tPage=1&search_key_n=&cate_n=&dept_v=&search_val_v=

그렇다면 각각의 분야는 어떤 것을 말하는 걸까?

1)윤창원(kist),"수소사회 실현을 위한 액상유기수소운반체(LOCH)기술",News & Information for Chemical Engineers,2019,https://www.cheric.org/research/tech/periodicals/view.php?seq=1737775

2)성재경 기자,"수소 튜브 트레일러 시장변화",월간수소경제,2020.6.1,https://www.h2news.kr/mobile/article.html?no=8266