왜 수소인가? (탄소중립 재밌게 풀어보기)

탄소배출로 인한 기후 온난화 및 기후위기는 인류에게 화석연료와의 결별을 요구한다. 이에 인간은 대부분의 탄소가스 발생의 70% 이상을 차지하는 화석연료 사용 에너지 대신에 자연으로부터 얻을 수 있는 청정에너지를 추출하고 이용할 수 있는 기술 및 투자를 진행하고 있다. 
 

자연에너지의 한계

이러한 연구 개발 및 투자 과정에서 우리는 그것을 제대로 이용하기 위해 반드시 극복해야 할 자연의 힘에 존재하는 한계점을 확인하게 된다. 
그 첫 번째는 지리적 위치뿐만 아니라 기상환경에 영향을 받아 변동되는 시간에 따른 에너지양의 편차이고, 
두 번째는 자연 자체가 지닌 에너지이건 그 자연을 이용해 얻어낸 에너지건 간에 모두 '순간' 존재할 따름이며 수요와 공급의 밸런스를 맞추기 어렵다는 '간헐성'이 존재한다는 것이다. 자주 찾아주셨던 분들은 이전 '제주, 탄소 없는 섬'에서 이를 잠시 다루었다는 점을 기억하고 있을 것이다. 지금까지 화석연료가 현재의 풍요와 번영을 이룩하는 과정에서 각광을 받았던 이유 중 하나 사실 매장의 지역적 편차에도 불구하고 간헐성을 극복할 수 있도록 저장 및 운반성이 용이하였기 때문이다. 

 

에너지를 저장하라

사실 에너지를 저장은 예부터 진행되어 왔었다. 저수지 혹은 댐을 축조하여 물이라는 자연의 에너지를 위치 에너지로 저장하고 있었고, 우리는 요즘 와서 새로이 조명받고 각광받는 난방 시스템인 온돌을 통해 열 에너지를 저장하였었고 지금도 이러한 저장 장치들을 사용하고 있다. 
요즘에 와서는 위에 언급한 친환경 재생에너지의 '간헐성' 극복을 위한 다양한 저장 솔루션들이 적용, 시도되고 있고 또한 연구 및 투자가 진행되고 있다. 
 
일단 에너지 저장 차원에서만 보자면 ESS와 수소로 볼 수 있는데 조금 시야를 넓혀 소위 친환경 에너지라 불리는 것들까지 아래 Table과 같이 정리를 해 보았다. 

아직 편집이 약해 엑셀 작성한 것을 그림으로 들고 왔어요.

ESS는 전기화학적 방식의 에너지 저장 시스템으로 배터리나 콘덴서를 얘기하기에 나머지 것들과는 구분을 좀 달리해야 하나 고민도 되는데 일단 이리 정리하였다. 사실 탄소 중립 실현 방 안으로 보면 궁극은 전기이고 에너지 저장과 운반을 보았을 때 수소를 손꼽게 되는 것이다 또 수소는 전기를 생산하는 발전 연료로도 사용될 수 있고, 그래서 테이블 아래에 다른 친환경 연료들의 수소 운반성을 정리하게 된 것이고, 그런데 재미있지 않은가 수소 자체 액화해서 운반하는 것보다 암모니아나 메탄올이 수소 운반성이 높다는 점이...
여하간, 최근 에너지트랜지션 과정에 있어 LNG, 메탄올, 암모니아 가 친환경 대체연료로 특히 대형 선박에서 각광을 받고 있는 실정이고, 그중 LNG 대비 저장 조건이 까다롭지 않은 암모니아와 메탄올이 떠오르고 있다. 
또한 앞선 제주 편에서 읽어 본 액화수소운반선 대신 암모니아를 운송하여 수소를 분리하는 방법도 많이 연구가 되고 있고,
 

왜 굳이 수소냐?

이는 수소가 경제성이 있느냐? 는 질문으로 받아들인다. 
암모니아나 메탄올에 대해선 사실 위에 언급은 했으나, 본래 선박 연료로서 중유, 벙커C유의 오염물질 배출 문제로 이를 대체할 친환경 선박 연료로 채용이 되고 있으나, 뭍에서 살고 있는 대부분의 우리들은 대형 선박은 남의 나라 얘기로 알고 있고 뉴스로 한 두 번 수주 수식과 함께 접할 땐 조선소 주식이 오르려나 정도 고민했을 터이니 그나마 대중성이 있는 수소로 얘기를 풀어나가겠다. 사실 이렇게 질문하시는 분들의 요지는 전기로 수소를 만들고 다시 그 수소를 사용하려면 중간에 다수의 부가적인 장치들 및 인프라 구축이 필요하고 이런 것이 전기를 그냥 쓰는 것과 비교하여 경제성이 떨어지는 것 아니냐 이다. 
일견 타당한 말씀들이고 아직 설왕 설래 주장들이 있으나 이미 다수의 의견은 전기와 수소에 대해 경쟁관계보다는 상호 보완적인 관계로 판단을 하고 있다. 즉 결론적으로 이들은 모두 친환경이라는 한 우산아래 모여 탄소 배경의 화석연료와 경쟁하는 한 팀이라는 것이다. 다만 축구에서 처럼 수비냐 공격이냐의 포지션이 다를 뿐...
그래도 비교를 하자면 일단 수소의 발전, 산업재로써의 용도는 제외하고 모빌리티 부분으로 제한하여 보는 것이 좋을 것 같다. 

탄소중립시로 향하는 수소트럭과 전기자동차, DAL.E

상호 보완의 수소와 전기

경제성을 비교하자는 것인데 이는 전기차와 수소차 자체의 가격 경쟁력 그리고 운용 편의성은 인프라구축을 기반으로 살펴보는 것이 좋을 것 같다.

1회 주행거리

예전 정보를 갖고 계신 분들은 전기차 중 배터리 가격 비중이 40~50% 정도 차지 한다고 알고 계실 텐데 2020년 이후 많이 개선되어 현재는 20~40% 정도를 차지하고 있다. 아직 범위가 20% 정도 되는데 이는 알다시피 전기차는 주행거리를 늘리려면 배터리 용량을 늘려야 하기 때문이다. 배터리 용량을 늘리면 차 중량이 늘고, 반면 수소차는 처음부터 비싼 백금촉매의 연료전지를 장착해야 해서 처음 비용이 일단 높으나 주행거리를 늘리려면 그냥 탱크 크기만 키워 주면 되기에 급격한 가격 상승은 없는 것이다. 그래서 차량의 크기 및 주행거리가 커짐에 따라 두 차의 교차점이 생기고 역전이 발생하게 된다. 
즉, 대형 운송수단 및 1회 주행거리 대략 600km 이상이 되는 자동차부터는 일반적으로 수소가 전기보다 유리하다고 보고 있다. 초대형 운송수단인 선박을 위해 블룸에너지(Bloom Energy)와 삼성중공업이 선박용 연료전기 공동 개발을 하고 있는 것으로 대형 운송수단엔 수소가 더 적합다단 걸 간접 증명 하고 있다 해야 하나?

인프라

최근 전기차 보급이 늘며 요즘 우리나라에선 큰 건물, 휴게소 등 충전소가 없는 곳이 없다. 이미 24 만 기(급속 2.5만, 완속 21.5만)의 충전설비가 구축되어 있어 이미 세계 최고 수준인데 2030년까지 123 만 기로 확충할 계획이란다. 현재까지 158개의 충전소를 확보한 수소와 비견할 바가 아니다. 비용도 전기 충전기 1기에 보통 4천만 원 정도 소요되는 데 비해 수소 충전소는 최소 30억 정도는 들어간다 하니 수소는 아직 멀았나 싶기도 한데 충전속도는 수소가 20배 이상 빠른 편이니, 이는 결국 시장의 확대에 따른 규모의 경제 확보 여부에 따라 경제성 판단이 될 것으로 본다. 
 
점심시간에 이 주제 다루길 원하신 분께 빠르게 답변을 드리고자 정리하다 보니 모지란 점이 없진 않아 보이지만 이번 편은 1차로 이리 마무리하고자 한다. 

 

2차로 아래 내용을 좀 더 더해 보고자 한다. (3년 전에 공부한다고 만들었던 PPT에 계통도가 있어 찾아 덧붙임)

수소 에너지 계통(Hydrogen energy System)

수소는 다양한 방법으로 만들어 질 수 있고 현재 가장 저렴한 생산방법은 석탄이나 천연가스를 개질하여 얻는 방법이다. 이는 '블루수소'편에서 잘 다뤘으니 한번 살펴봐 주시면 좋겠다. 

 

블루수소

 

여기서는 미국 에너지성에서(DOE, U.S Department of Energy)에서 보여준 수소에너지계통도를 통해 그린수소가 만들어지고 쓰이는 모양새를 살펴보고자 한다. 사실 말로 설명할 필요도 없다. 워낙 쉽게 그려졌기에 그림만 보더라도 재생에너지와 원자력 발전을 통해 얻은 전력으로 수소를 생산하고 이렇게 만들어진 수소는 수소 인프라(천연가스 대신 미리 갖춰진 천연가스 인프라를 활용할 수도 있다)를 활용하여 배분하고 차량의 연료로 혹은 Carbon Capture를 통해 얻은 CO2와 결합시켜 합성연료를 만들고 Biomass 도 만들 수 있으며 공기 중의 질소와 결합시켜 요즘 한창 뜨고 있는 암모니아로 만들어 운송 계통에 사용할 수도 있고, 암모니아는 비료의 원료 혹은 요소수를 만들어 사용할 수도 있을 것이며 금속 재련 등 각종 산업재로 사용할 수 있다. 물론 수급을 감안하여 친환경 발전 연료로 사용할 수도 있고,