공기를 정화하는 친환경 수소 연료 전지

공기를 정화하여 사용할수록 환경적 이점을 제공하는 수소 연료 전기에 대해 포스팅해 보려 합니다.

<목차> 1. 수소 연료 전지의 원리 2. 수소 연료 전지 패러다임의 변화 3. 수소 연료 전지의 필요성 4. 수소 연료 전지의 활용 분야

1. 수소 연료 전지의 원리

수소 연료 전지의 작동 원리는 수소와 산소가 반응하여 전자가 이동하면서 전기를 발생시킵니다.

< 수소연료전지 작동원리>

우리 주위에서 많이 볼 수 있는 연료전지의 가장 기본적인 형태로 수소를 사용합니다. 이러한 수소 연료 전지의 작동 원리는 수소와 산소가 반응하여 물이 되는 2H2+O2 → 2H2O 반응을 통해 전자는 산화전극(anode)에서 외부 도선을 통해 환원전극(cathode)으로 이동하면서 전기 에너지를 발생시킵니다. 이러한 연료전지는 우리 주변에서 많이 사용됩니다.

수소 연료 전지의 역사는 1839년 윌리엄 그로브가 최초로 발견하였습니다. 이후, 시장에서 선보인 수소 연료 전지는 1969년 7월 인류 최초로 달 착륙에 성공한 아폴로 11호에 탑재되었으며, 이는 수소 연료 전지의 역사에서 중요한 사건 중 하나입니다. 당초 NASA는 비행선 전원용으로 충전지와 핵연료 등을 검토했으나, 안전 문제로 이를 포기하고 수소 연료 전지를 이용해 아폴로 11호에 전기를 공급했습니다. 이 과정에서 분해한 물은 우주 비행사의 식수로 활용되었습니다. 이처럼 수소 연료 전지는 아폴로 11호의 달 착륙과 지구로의 무사 귀환에 큰 기여를 했으며, 이후에도 지속적으로 발전하면서 수많은 분야에서 사용되고 있습니다. 예를 들어, 수소 연료 전지는 철도, 항공기, 자동차 등 다양한 교통수단에서 사용되며, 에너지 저장 장치 및 발전 시스템에서도 중요한 역할을 합니다. 또한, 수소 연료 전지는 환경 문제를 해결하는데도 큰 기여를 합니다. 이는 수소 연료 전지가 에너지를 생산할 때 배출되는 것이 순수한 물밖에 없기 때문입니다. 따라서, 수소 연료 전지는 지속 가능한 발전과 에너지 혁신에 있어서 중요한 역할을 담당하고 있습니다.

 

2. 수소 연료 전지 패러다임의 변화

세계적으로 친환경 에너지 시장이 성장하면서, '그린 수소'가 환경오염 없는 대안으로 주목받고 있습니다.

< 그린 수소 생산 방식 >

수소 대부분은 천연가스 개질 방식으로 생산됩니다. 이 방식은 천연가스에서 추출되는 탄소와 수소로 구성된 것을 이용하며, 현재 세계 최대 수소 생산국 중 하나인 중국은 이 방식으로 수소를 생산하고 있습니다. 이 방식은 생산 비용이 저렴하지만 온실 가스가 배출되기 때문에 최근에는 온실 가스 배출이 없는 '그린 수소' 생산에 투자하고 있습니다.

 

그린 수소 생산법이 궁금하신가요?

'그린 수소 생산'은 신재생 에너지로 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 방법입니다. 태양광, 풍력 등으로 생산한 전력을 활용합니다. 호주, 독일, 프랑스 등이 이 방식을 도입 중입니다. 특히 호주 대륙 서쪽에 거대하게 펼쳐진 말바라 사막에 태양광 패널을 설치하고, 여기서 생산된 전기 에너지를 활용하는 수전해 수소 생산설비를 대규모로 건설하고 있습니다. 호주는 국토의 상당 부분이 건조 지대여서 사람이 거의 살지 않아 태양광 발전을 위한 부지 확보도 매우 쉽기 때문에 넓은 범위에 작용해 운영하고 있습니다.

미국은 폐기물을 활용한 에너지로 수소를 생산하는 시설을 세계 최대 규모로 구축하고 있습니다. 재활용 종이와 플라스틱을 고온에서 가열한 뒤 얻은 바이오가스에서 수소를 추출하는 방식입니다. 이런 방식으로 수소를 생산할 경우 생산 비용이 저렴하고 온실 가스 배출량도 적으며 버려지는 폐기물을 활용하기 때문에 쓰레기 매립으로 발생할 수 있는 환경오염을 줄일 수 있습니다.

우리나라를 비롯한 많은 나라들이 미생물을 이용한 친환경 수소 생산 연구를 진행하고 있습니다.

수소 에너지는 다양한 분야에서 활용되지만, 가장 주목받는 분야는 모빌리티입니다. 수소 전기차가 도로 위를 달리기 위해서는 수소로 전기를 생산하는 연료 전지 시스템과 관련 기술의 발전, 그리고 수소 충전소의 구축도 필요합니다. 또한 수소 충전소까지 수소를 옮기는 운송 인프라도 필요하기 때문에 관련 직업들의 인력도 앞으로 많이 필요할 것입니다.

우리나라를 비롯한 현재 주요 선진국들은 수소 전기차 보급 계획을 세우고 있습니다. 독일은 2030년까지 수소차 180만 대를 보급하고, 수소 충전소를 1,000개소 규모로 늘릴 예정입니다. 이를 위해 대부분 수소 전기차 구매 금액을 보조하거나 세금을 줄여주고, 수소 충전소 구축에도 공적 자금을 투입하고 있습니다.

우리나라의 경우도 수소 경제 위원회를 만들어 경남과 호남, 중부, 강원 등 4곳에는 중규모 수소 생산 기지를 설치하고, 전국 곳곳에 소규모 수소 생산 기지 40곳을 추가로 구축하겠다는 계획을 발표했습니다.

맥킨지가 발표한 보고서에 따르면, 2050년 경 세계는 수소 사회 진입 효과로 연간 60억 톤의 온실 가스 배출량을 줄일 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

수소 에너지는 생산부터 저장, 운반, 활용 등 각 분야에 걸쳐 전 세계 곳곳에서 투자와 연구 개발을 진행하며 빠르게 성장하고 있습니다. 현재 세계는 친환경 에너지 패러다임으로 전환하고 있으며, 환경 오염 걱정이 없는 친환경 사회에 점차 가까워지고 있습니다.

 

3. 수소 연료 전지의 필요성

수소 연료 전지를 사용하면 환경과 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있습니다.

우리에게 있어서 연료 문제는 과거든 현재든 국가 정책의 중요한 부분입니다. 최근, 화석 연료의 무분별한 사용으로 인해 지구 온난화가 심해지면서 대체 에너지의 필요성이 대두되고 있습니다.

사실, 대체 에너지에 대한 문제는 1973년 이스라엘과 이집트의 전쟁 발발로 인한 원유 수출 제한으로 인한 1차 석유파동에서 시작되었습니다. 그리고 그 후 1979년 이란과 이라크의 전쟁으로 인한 2차 석유파동으로 그 심각성이 더욱 커졌습니다. 그래서 세계 각국에서는 대체 에너지에 대한 연구와 개발을 활발하게 진행해 왔습니다. 이러한 연구와 개발은 기후 변화 위기에 대한 국제적인 인식이 형성되어 연료 전지에 대한 관심이 높아졌을 때 더욱 중요해졌습니다. 1992년 브라질 리우 환경 회의에서 채택된 기후 변화 협약, 그리고 1997년 이산화탄소 감축량을 규정한 교토의 정서 채택을 통해 본격적으로 환경 문제가 대두되었습니다.

2015년 12월, 지구 온난화의 문제를 해결하기 위해 파리에서 열린 유엔 기후 변화 협정(파리 기후 변화 협정)에서 전 세계 195개국은 지구의 평균 온도가 상승하지 않도록 온실 가스 배출량을 단계적으로 감축하는 내용에 합의했습니다. 이를 실천하기 위해 많은 국가가 탄소 에너지를 대체할 친환경 에너지 개발 연구에 박차를 가하고 있습니다.

현재 우리가 생각하는 친환경 에너지는 태양광, 풍력 등 자연의 힘을 이용해 전기를 생산하는 재생 에너지와 수소의 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 신 에너지가 있습니다. 이 중에서도 수소는 우주 분자의 90% 이상을 차지하는 무한한 물질로, 필요에 따라 얼마든지 생산이 가능하기 때문에 가장 주목받고 있습니다. 또한 사용 과정에서 순수한 물만 배출하는 무한 자원이므로 더욱 관심이 높아지고 있습니다. 액체나 고압 기체로 저장이 가능하고, 쉽게 운송할 수 있다는 이점도 있습니다.

수소 연료 전지는 수소를 연료로 사용해 전기를 생산하는 장치입니다. 이는 새로운 대체 에너지원으로서 미래 에너지 산업의 중요한 기술입니다. 수소 연료 전지를 사용하면 전기생산 시 배출되는 온실가스의 양이 매우 적으며, 전기생산효율도 높아지기 때문에 환경과 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있습니다. 그리고 수소 연료 전지는 차량, 주택, 발전소 등 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다.

태양 에너지나 풍력 에너지처럼 자연환경 조건에 따라 전기 생산량이 달라져 에너지 공급 측면에서 안정성이 부족한 신재생 에너지의 단점을 보완해 준다는 점도 수소 에너지의 장점입니다. 수소 위원회의 자료를 보면 2050년에는 전 세계 수소 소비량이 약 5억 4,600만 톤으로 증가한다고 합니다. 이는 132억 6,000만 배럴의 석유를 대체하는 규모로, 에너지로 환산하면 약 78EJ에 달하는 엄청난 양입니다. 전 세계 에너지 수요의 약 18%를 수소 에너지가 담당하게 되는 것으로 탄소 에너지 중심의 사회가 점차 수소 에너지 중심의 사회로 변하게 될 것이라는 사실을 예측할 수 있습니다. 맥킨지가 발표한 보고서에 따르면 2050년 경 세계는 수소 사회 진입 효과로 연간 60억 톤의 온실 가스 배출량을 줄일 수 있으며, 수소 생태계라는 2.5조 달러 규모의 새로운 시장이 창출되고 전 세계적으로 약 3,000만 개에 달하는 새로운 일자리가 생길 것으로 보고 있기에 수소 연료 전지를 개발해야 합니다. 이러한 수소 연료 전지의 개발은 현재 많은 연구자들이 진행하고 있으며, 이를 통해 더욱 발전된 친환경 에너지 시대를 만들어 나가는 데 큰 도움이 될 것입니다.

 

4. 수소 연료 전지의 활용 분야

수소 연료전지는 주로 수소 도시, 수소 전기차, 수소 발전기, 그리고 수소 전기트램 등에서 사용됩니다.

일반적으로 수소는 천연가스의 수증기 개질반응으로 대량 생산됩니다. 그러나 수소 저장 문제와 경제적인 수소 생산 문제가 해결된다면 수소 연료전지는 앞으로 친환경 에너지원으로 널리 활용될 수 있을 것입니다. 그 대표적인 활용 분야는 다음과 같습니다.

 

① 수소도시

수소도시란 도시 내 수소 생태계가 구축되어 수소를 주된 에너지원으로 활용해 시민이 체감할 정도로 건강하고 깨끗한 도시를 말합니다. 수소 수급 여건에 따라 도시 내 3~10km 범위의 생활권 단위로, 도시 활동의 핵심인 주거와 교통 분야에서의 수소 활용을 기본 요소로 하고 있습니다.

기본 요소는 주거 분야, 교통 분야, 통합 운영센터로 이뤄집니다. 이 중 주거 분야에서는 시범도시에서 필수적인 공동주택 단지와 상업 건물, 단독주택, 공공시설 등의 개별 건축물에 연료전지를 설치하고 냉·난방, 전기 등 에너지를 공급하는 데 수소를 활용합니다. 이는 연료전지를 통한 분산 발전으로 안정적인 에너지 공급이 가능하고 도시 환경 개선에 효과적이며, 주민의 에너지 비용 절감도 가능합니다. 교통 분야에서는 수소 에너지 기반 교통 체계를 구축하기 위해 도시 내 또는 인근 복합 환승센터, 주차장, 버스 차고지 등에 수소차, 수소버스 충전소를 설치합니다. 이를 통해 도심 내외부 공간에서 수소 교통수단 체계를 마련해 충전소를 구축해 충전 비용 및 교통 요금이 인하될 수 있도록 개선할 수 있습니다.

또한 시범도시에서는 수소 관련 기반시설의 인프라를 구축해 운영하는 통합 운영센터를 설치하고 수소의 공급, 저장, 이송 현황과 안전성 등을 실시간으로 모니터링해 관리합니다. 통합 운영센터를 통해 주민은 도시 내 수소 활용 현황과 안전성을 실시간으로 확인할 수 있는 시스템을 구축하였습니다.

이처럼 수소도시가 만들어지기 위해서는 수소 활용을 위한 수소의 생산이 송-저장-활용까지 전주기 수소 생태계 구축이 필요합니다. 수소 에너지 플랫폼 구현을 위한 인프라로서 대규모 수소 생산, 액화 플랜트, 수소 이송 파이프 등의 수소 그리드, 수소 메가스테이션, 수소 공급 및 거래가 가능한 운영 플랫폼도 앞으로 많이 필요합니다. 우리나라의 경우에는 경기도 평택을 친환경 수소도시로 조성하고 있습니다. 한국서부발전, GS칼텍스 등 16개 기업 및 기관들이 2024년까지 6,400억 원을 두 자해 평택항 탄소중립 수소복합지구가 만들어지면 에너지 효율이 높은 수소도시가 될 수 있습니다. 또한 기존 산업이 친환경 미래 산업으로 재편되어 신규 일자리 발생 및 미세먼지가 높은 평택항 일대가 그린 항만으로 새롭게 태어날 수 있습니다.

 

② 수소전기차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)

수소전기차(FCEV)는 차량에 저장된 수소와 대기 중의 공기의 결합으로 생성된 전기로 운행됩니다. 따라서 100% 무공해 차량이며, 전기 생성 과정에서 순수한 물만 배출됩니다. 전기를 만드는 과정에서 대기 중에 있는 초미세먼지를 99% 이상 제거하는 기능도 있어 공기청정기를 하나 달고 다니는 것과 같습니다. 수소전기차는 내연기관 차량의 연료탱크 대신 수소를 저장하는 탱크를 탑재하며 내연기관 차량과 유사한 수준의 주행거리를 제공합니다. 수소 충전시간도 내연기관 차량의 주유시간과 동등한 3~5분이면 충분합니다. 또한 수소전기차는 차량 외부로 전력을 공급할 수 있는 장점이 있습니다.

수소전기차는 수소 저장 탱크에서 공급한 수소를 직접 태워서 에너지를 발생시키는 것이 아니라, 수소와 공기 중 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성합니다. 이때 생성된 전기로 모터를 돌려 동력을 발생시켜 에너지를 얻으며, 부산물로 물을 배출해 환경오염의 위험이 없습니다. 또한 전기모터 구동으로 소음도 줄일 수 있습니다.

수소전기차의 장점이 많은데, 꺼리는 이유는 무엇일까?

수소차는 수소가 가연성을 가지고 있어 폭탄처럼 폭발할 수 있다는 이유로 걱정하는 사람들이 많습니다. 하지만 수소차에서 사용하는 수소는 일반적인 '수소분자'로, 폭발할 수 있는 수소폭탄과는 다릅니다. 수소차는 안전성이 높게 유지되도록 수소가 탱크 외부로 새어 나오지 않는 내 투과성, 차량 화재 발생 시 탱크가 폭발하지 않는 내화염성, 주행 중 충돌 사고 등에도 탱크가 안전한 내충격성 등 주요 안전항목을 모두 충족시키고 있습니다. 이 때문에 수소차는 UN의 세계 통합 규격을 만족시키는 안정성을 가지고 있으며, 폭발될 걱정은 전혀 하지 않아도 됩니다.

 

③ 수소 전기차 밖으로 나온 수소 발전기 및 수소 전기트램

수소 연료전지를 사용하는 수소 전기차인 넥쏘를 시작으로 현대자동차는 세계에서 최초로 수소 전기트럭인 엑시언트를 생산했습니다. 이 새로운 기술은 다양한 산업 분야에서 많은 가능성을 가지고 있으며, 전기차 분야에서만 사용되지 않고 드론, 선박 등 다양한 산업 분야에도 활용될 수 있습니다. 이러한 가능성을 더욱 확장하기 위해 현대자동차는 넥쏘에 탑재된 연료전지 모듈 5개를 연결하여 450kW의 전력 발전 시스템을 만들었습니다. 필요에 따라 수소 연료전지를 추가하여 전력량을 늘릴 수도 있습니다. 이러한 시스템은 일반적으로 디젤 엔진을 사용하는 비상 발전기에 비해 뛰어난 에너지 효율, 무공해, 저소음이 특징입니다. 또한, 비상 발전기와 달리 정전 시 비상 전력, 보조 전력 등으로 활용할 수 있습니다.

디젤 발전기의 대안으로 떠오르는 수소 연료전지 발전기는 넥쏘에 탑재된 연료전지 스택 2개를 결합한 것입니다. 이러한 발전기는 최대 출력 160kW로, 전기 공급이 어려운 지역이나 야외 촬영 현장에서 사용할 수 있습니다. 또한, 전기차 2대를 동시에 급속 충전할 수 있어 돌발 상황에서 충전이 필요한 전기차, 모터스포츠 등 다양한 분야에서 활용할 수 있습니다.

수소 전기트램은 전력 인프라 건설 및 유지 보수 비용을 절감할 수 있어, 전선 및 변전소 등의 설비가 필요하지 않습니다. 이러한 특징은 운송 거리가 길고 많은 사람이 이용하는 만큼, 공해를 일으키지 않는 것이 가장 중요합니다. 물 이외의 오염물질을 배출하지 않으며, 1시간 운행 시 성인 약 108명이 마실 수 있는 깨끗한 공기를 생산하는 도시 공기 정화 기능까지 갖추고 있습니다. 이러한 기능은 도시 환경 개선에 큰 도움이 될 수 있습니다.

이렇게 수소를 활용할 수 있는 분야가 많기 때문에, 현대자동차가 수소에너지를 활용할 수 있는 분야에 대해 연구한다면 취업뿐만 아니라 창업에도 좋은 기회가 될 수 있습니다. 그리고 이러한 수소 연료전지 기술은 지속 가능한 미래를 위한 중요한 기술 중 하나입니다.