수소 에너지(Hydrogen Energy)

과학(Science)/산업 (Industry)

수소 에너지(Hydrogen Energy)

SURPRISER - Tistory 2023. 11. 11. 21:44

0. 목차

'수소'의 기본 성질
'수소 에너지'란?
'수소 에너지' 산업
수소 생산 기술
수소 저장·운송 기술
'수소 에너지'의 이용
수소 발전
'수소 에너지' 관련 기업

1. '수소'의 기본 성질

'주기율표(Periodic Table)'를 보면 '수소(Hydrogen)'의 원자 번호는 1번이다. 원자 번호는 원자 내부에 있는 '양성자(Proton)'의 개수와 같다. 즉, 원자 번호가 1인 수소는 양성자의 수가 1이며, 원자 구조로는 가장 단순한 원소이다. 수소 원자의 중심에는 '양성자(Proton)'가 1개 있고, 그 주위를 1개의 '전자(Electron)'가 돌고 있다. 원소의 질량은 '원자핵(Atomic Nucleus)'에 들어있는 '양성자(Proton)'와 '중성자(Neutron)'의 수를 합한 것으로 정해진다. 대부분의 일반적인 수소 원자는 양성자가 1개이고, 중성자는 없다. 따라서 수소는 세상에서 가장 가벼운 원소이다.

수소 원자가 2개 결합해 생긴 '수소 분자(H₂)'는 상온, 상압에서 기체 상태로 존재하며, '무색무취(無色無臭)'이다. 상압에서 끓는 점은 -252.9℃이며, 그 온도까지 냉각하지 않으면 액체가 되지 않는다. 공기에 대한 비중은 공기를 1로 할 때 0.0695이다. 이것은 공기 속에 방출된 수소는 순식간에 공중으로 확산됨을 나타낸다. 따라서 수소는 안전하게 취급해야 한다. 예컨대, 수소를 다루는 건물의 경우, 만약 수소가 샐 경우를 대비하여, 수소가 고이지 않도록 건물 구조를 만들어야 안정성이 높아진다.

수소는 매우 작은 분자여서, 수소는 다른 물질의 분자 사이를 빠져나가기 쉽다. 이렇게 빠져나가는 것을 막기 위해, '연료전지자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'의 '고압 수소 탱크(High Pressure Hydrogen Tank)'의 경우, 가장 안쪽 층에 수소를 통과시키지 않은 물질을 사용한다. 하지만 일부 금속은 수소 분자가 내부에 들어가기 쉬운 성질이 있다. 이런 경우, 금속의 강도가 낮아지기 때문에 주의가 필요하다. 그래서 '연료전지자동차(FCEV)' 탱크의 벽 부분에는 금속을 사용하지 않는다.

폭발 범위 하한이 10% 또는 상한과 하한의 차이가 20%인 기체를 '가연성 기체(Burnable Gas)'라고 부른다. 그리고 '수소'처럼 '가연성 기체(Burnable Gas)'가 폭발할 가능성이 있는 조건을 '폭발 한계(Explosion Limit)'라고 부른다. 수소의 폭발 한계는 부피에서 '공기와의 혼합비'가 약 4~75%로 넓기 때문에 주의가 필요하다. 단 이 범위 안에서 수소와 공기가 섞여 있어도 불이 없으면 폭발하는 일은 없다. 그리고 이 범위 밖에서 공기와 섞여 있을 경우, 불을 붙이면 '연소(Combustion)'는 하지만 '폭발(Explosion)'은 하지 않는다.

1-1. 수소는 어떻게 존재하는가?

수소는 지구에 대량으로 존재하는 원소이지만, '수소 분자(H₂)' 상태는 아니다. 수소는 '물 분자'나 '유기물 분자' 등의 구성 요소로 포함되어 있다. 예컨대 물은 산소 원자 1개와 수소 원자 2개가 결합한 물질로, 수소 원자를 포함하고 있다. 물의 행성인 지구는 대량의 물이 존재하므로, 막대한 양의 수소가 존재한다. 식물이나 동물 등 생물의 몸을 구성하는 '유기물'은 주로 탄소와 수소로 이루어지는 화합물이다. 여기에도 대량의 수소가 포함되어 있다. 또 석유나 천연가스, 석탄 등의 화석연료에도 대량의 수소가 함유되어 있다. 화석 연료는 과거의 생물의 몸 즉, 유기물이 오랜 시간에 걸쳐 변한 것으로 수소를 대량 함유한 물질이다. 이처럼 수소는 지구에 대량으로 존재하지만, 문제는 여러 가지 화합물 안에 들어 있는 수소를 어떻게 이용하기 쉬운 수소 분자 형태로 변환하는가이다. 수소의 생산 방법에 대해서는 뒤에서 자세히 설명한다.

2. '수소 에너지'란?

'수소 에너지(Hydrogen Energy)'는 '수소(Hydrogen)'가 '산소(Oxygen)'와 반응하여 물이 될 때 방출하는 에너지이다. '수소'는 직접 연소하거나 '연료전지(Fuel Cell)'의 연료로 활용하여 전기에너지로 쉽게 전환이 가능하다. 또한 가스나 액체로 만들어 쉽게 수송할 수 있고, 다양한 형태로 저장할 수 있다는 장점이 있다. '수소 에너지'는 '기존 에너지원' 및 '신재생에너지(New & Renewable Energy)'와의 융합을 통해 산업 확산 기여에 잠재력이 높은 에너지원이다.

'수소 에너지(Hydrogen Energy)'는 수소를 원료로 사용하기 때문에, 사용 과정에서 물만이 배출되며, '화석연료(Coal Fuel)' 사용 시 발생되는 '이산화탄소(CO₂)', '일산화탄소(CO)', '질소산화물', '황산화물' 등 환경에 유해한 물질이 발생하지 않는다. 만약 '풍력' 및 '태양광' 등 신재생에너지에서 생산된 전력을 이용하여 물의 전기분해를 통해 수소를 생산할 경우, 에너지의 생산에서 소비까지의 전 과정에서 배출가스 '제로(Zero)' 시대가 가능하다.

'수소(Hydrogen)'는 연료전지를 통하여 전기에너지로 변환이 가능하기 때문에 '태양광', '풍력'과 같은 재생에너지를 활용하여 수소에너지를 생성하고, 생성된 수소에너지를 연료전지로 발전하면 전력에너지 저장 장치로 활용할 수 있다. 잉여전력을 '수전해(물에 전기에너지를 가해 수소와 산소로 분해하는 것)'를 통해 수소로 전환되어 저장되고, 필요시 연료전지를 통하여 수요지에 '전력', '열', 및 '수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'용 연료로 공급하게 된다.

수소 수요는 지속적으로 증가하여 2050년에는 2019년 대비 약 10배 이상 증가할 것으로 예측된다. 특히 2050년까지 수송 부문은 전체 수요 수요에서 가장 큰 비중을 차지할 것으로 보이며, 향후 수송용 연료전지가 연료전지 시장 성장을 주도할 것으로 전망된다. 천연가스와 수소는 유사한 물성을 가지고 있어 연관성이 크기 때문에, 천연가스 기존 인프라를 활용하여 저비용으로 수소 연관 사업 참여가 가능하다.

2-1. 전력과 수소의 비교

석유나 태양광 등 자연에 그대로 존재하는 에너지를 '1차 에너지'라고 한다. 그리고 1차 에너지를 우리가 이용하기 쉽도록 한 것을 '2차 에너지'라고 한다. 이 분류에 따르면 '전력'과 '수소'는 모두 2차 에너지이다.

전력은 사용이 편리하며, 현대 문명을 이끌고 있는 에너지원이다. 이는 앞으로도 변함이 없을 것이지만, 전력에도 어려운 문제가 있는데 바로 '저장'과 '수송'이다. 전력을 '저장'하는 일은 기본적으로 불가능하다. 이런 말을 하면, '축전지에 전력을 저장할 수 있지 않느냐?'고 의문을 가지는 사람이 있을지도 모르겠다. 하지만 축전지는 전력을 그대로 저장하는 것이 아니라, 축전지 안에 있는 물질을 '화학 에너지' 형태로 바꾸어 저장하는 것이다. 그리고 축전지에 비축되는 화학 에너지양은 많지도 않다. 그래서 대량의 에너지를 모으려면 막대한 양의 축전지가 필요하다. 하지만 1차 에너지를 수소로 변환해 이용하면, 탱크 등에 저장해 둘 수 있다. 또 전력은 '수송'이 쉽지만, 이 과정에서 '송전 손실'을 피할 수가 없다. '송전 손실(Transmission-loss Coefficient)'은 거리가 멀수록 커지기 때문에 1000km가 넘는 장거리 수송에서는 전력이 적합하지 않다. 반면 '수소'는 수송을 위한 에너지는 필요하지만 장거리 수송도 가능하다.

3. '수소 에너지' 산업

'수소 에너지(Hydrogen Energy)' 산업이란 수소의 '제조', '포집', '정제', '저장', '운반', '충전', '연료전지(Fuel Cell)' 등 수소 이용과 관련한 산업을 말한다. '수소 산업'은 크게 수소의 '생산', '저장', '운반'과 관련된 '공급 부문'과 수소의 이용 용도에 따른 '수요 부문'으로 나눌 수 있다. '공급 부문'은 다양한 장치산업 및 인프라로 구성되어 있다. '수소 에너지(Hydrogen Energy)' 산업의 핵심은 '수소 연료전지(Hydrogen Fuel Cell)' 기술 개발에 의한 발전전원 활용에 있다. '연료전지'의 활용 분야로는 '백업 전원(Backup Power)', '마이크로 열병합 발전(Micro Cogeneration)', '발전용 연료전지(Fuel cell for Power Generation)' 등의 활용이 기대된다.

2019년 기준, 전 세계에서 사용되는 수소는 연간 약 5000만 톤 정도이다. 이중 산업체에서 사용되는 수소는 '천연가스 개질(Natural Gas Reforming)'에서 48%, '부생수소(by-Product Hydrogen, 석유화학이나 철강 공정 등에서 부수적으로 나오는 수소)'에서 30%, '전기분해(Electrolysis)'에서 18%, '석탄(Coal)'으로부터 4% 정도가 생산된다. 생산된 수소는 '암모니아(Ammonia)', '탈황(Desulfurization)' 등의 석유·화학 분야에서 자체적으로 소모되고 있고, 일부가 부생수소로 생산되어 산업용 가스로 사용된다. 국내의 경우, 2019년 기준 약 900만 톤 정도가 생산되어 자체적으로 소비되거나, '탈황공정', '반도체 환원 공정' 등에 사용되며, 산업분야에는 약 23만 톤 정도가 소비되고 있다.

산업용 수소 부문은 '태양광 패널(Solar Panel)', '반도체(Semiconductor)' 등 산업 수요 확장에 따른 수요 확대와 '친환경 공정 변화(수소 환원 제철 공정 등)'에 따른 수요 확대가 기대된다. 수소 용도 확대는 에너지 산업의 발전과 상관이 있으며, 수소와 연관된 에너지 산업은 '자동차 연료', '연료전지 발전', '수소로 이산화탄소를 제거하는 산업(Power to Gas)', '수소 축전 시스템(HESS: Hydrogen Electric Storage System)' 등에서 성장이 예상된다.

3-1. '수소에너지' 산업의 특징

'수소 에너지(Hydrogen Energy)' 관련 산업은 기술 개발 및 상용화에 막대한 투자가 필요하다. 때문에 세계적으로도 국가 기반의 지원정책을 기반으로 성장하고 있는 점이 특징이다. 이는 신재생에너지 분야에서 공통적으로 나타나는 현상이기도 하다. 각국 정부는 수소 경제 실현을 위한 수단으로, 수소 수요 확대를 위해 강력한 '수소연료전지차(FCEV)' 보급 정책을 구사하고 있다. 따라서 '하이브리드 자동차'에서 '전기자동차', 다시 '수소연료전지차(FCEV)'로 이어지는 차세대 자동차 경쟁의 변화를 주목할 필요가 있다. 또한 수소 공급 측면에서 수소 생산·운송·저장 및 '연료전지(Fuel Cell)' 분야 등에서 기존 소재 대비 고압, 저원가 및 고내구성 소재에 대한 시장 요구가 확대될 전망이다. 현실적으로 선진국 대비 수소 경제 기반이 미약한 한국의 경우, 정부와 산업계가 전략적 협업을 통해 '수소연료전지차(FCEV)', '수소 충전소(Hydrogen Station)', '수소에너지(Hydrogen Energy)' 등 '수소연료전지차(FCEV)' 생태계를 조기 구축할 계획으로 전해진다.

3-2. '수소 에너지' 산업의 구조

'수소 에너지(Hydrogen Energy)' 산업의 가치사슬은 수소 제조·저장·운반 그리고 '이용 기술'로 연결되어 있다. 수소는 1차 에너지원으로부터 얻을 수 있고, 그 외에 '수전해(물에 전기에너지를 가해 수소와 산소로 분해하는 것)', '천연가스 개질', '석탄가스화' 방법 등이 상용화되어 있다. 생산된 수소는 고압 기체로서 액화 상태 및 액상 화합물과 금속수소 화합물 등을 이용하여 저장된다. 이용 기술 분야에서는 '발전용 연료전지', '가스 터빈(Gas Turbine)' 등을 사용하여 전력을 생산한다. 그 외에 '수소연료전지차(FCEV)', '내연기관', '기관차', '로켓엔진(Rocket)' 등 수송용 연료로도 사용된다. 또한 파이프라인으로 공급된 수소는 '가정용 연료전지' 및 난방과 취사 등의 '열에너지'로 활용 가능하다. 화학공정 원료로 '비료', '반도체', '정유 공정', '환원 제철 공정'의 연료로 활용될 수 있다.

산업 구조	세부
후방 산업	소재·장비 연구개발 산업
	'석유화학(Petrochemistry)' 산업
	기계 가공·설비 산업
	'엔지니어링(Engineering)' 산업
	'전력 인프라(Power Infrastructure)' 산업
수소 에너지	수소가스(Hydrogen Gas)
	수소 연료전지(Hydroge Fuel Cell)
	수송 이송 장비
	수소 저장 장치
	수소 충전소(Hydrogen Station)
전방 산업	자동차 산업
	전력 산업
	에너지 산업
	드론 사업
	건축업·수송업
	사회기반시설 관련 산업

4. 수소 생산 기술

수소 사회를 실현하려면, 대량의 '수소 분자'가 필요하다. 즉, '물'이나 '유기물(Organic)'에 함유된 '수소 원자'를 '수소 분자'로 끄집어내야 한다. '수소(Hydrogen)'는 '화석연료(Coal Fuel)', '공업 프로세스 부산물', '바이오매스(Biomass)', '신재생에너지(Renewable Energy)' 등 다양한 에너지원으로부터 생산된다.

2019년 기준, 수소는 세계적으로 96%를 화석연료에서 얻고 있다. '천연가스'의 경우 '수증기 개질(Steam Reforming)', '부분 산화 자열개질법(Partial Oxidation Autothermal Reforming Method)'이 이용된다. '이산화탄소' 분리와 처리·저장을 고려하지 않는다면, 천연가스를 이용한 '수증기 개질(Steam Reforming)'이 가장 경제적인 대량 수소 생산 방법이다.

'수소 생산 기술(Hydrogen Production Technology)'은 '수전해 기술(Water Electrolysis Technology)', '탄화수소 개질 기술(Hydrocarbon Reforming Technology)', '원자력 수소 제조(Nuclear Hydrogen Manufacturing)' 등으로 구분된다. 2003년 이후 지속적으로 '탄화수소 개질' 기술에 중점을 두고 '촉매(Catalyst)', '수소 분리막(Hydrogen Separation Membrane)' 개발을 진행해 왔으며, 최근에 이산화탄소를 원천 분리할 수 있는 개질 방식에 대한 연구가 진행 중이다. '수전해 기술'은 원천기술 연구를 중심으로 '해수의 전해질 이용', '전극소재 개선', '고효율 수전해 시스템' 등 '저가격 수전해 수소 생산'에 대한 기술 개발이 진행 중이다.

구분	방법	원료	에너지원	기술 수준
화석연료 이용	수증기 개질	천연가스, LPG, 나프타	열	상용
	이산화탄소 개질	천연가스	열	-
	부분 산화	중질유, 석탄	열	상용
	자연 개질	천연가스, LPG, 나프타	열	상용
	직접 분해	천연가스	열	상용
비화석연료 이용	전기 분해	물	전기	상용
	열화학 분해	물	고온열(원자력, 태양열)	연구 중
	생물학적 분해	물 또는 바이오매스	열, 미생물	연구 중
	광화학적 분해	물	태양광	연구 중

4-1. 화석 연료에서 수소 생산하기

사실, 수소는 이미 대량 생산되고 있다. 정유소에서는 천연가스 안의 메탄과 수증기를 반응시키는 '개질(Reforming)'이라는 방법으로 수소를 생산한다. 제철소에서도 제철 연료로 이용되는 '코크스(Cokes, 석탄을 고온으로 해서 휘발성 성분을 제거한 것)'를 만들기 위해 석탄에 열을 가할 때 수소가 대량 발생한다. 또 소금물을 전기 분해해 염소나 '수산화나트륨(NaOH)' 등을 생산하는 '소다 공장'에서도 대량의 수소가 발생한다. 하지만 화석 연료로부터 수소를 생산하는 방법은 '에너지 대체', '환경에 대한 부담 경감'이라는 수소 사회의 본래 목적을 달성할 수 없다. 따라서 장래에는 다른 방법으로 수소를 생산해야 한다.

4-2. 물을 전기 분해하여 수소 생산하기

일반적인 환경에서는 물이 수소와 산소로 쉽게 분리되지 않는다. 하지만 외부에서 전력을 가하면 '전기 분해(Electrolysis)'에 의해 수소를 얻을 수 있다. 아래의 그림처럼 2개의 전극을 물에 넣고 회로로 연결해 전류를 흘리면, 음극에서 회로를 통해 전자를 배출한다. 그러면 여기서 물 분자와 전자가 반응하여, '수소 원자(H)'와 '수산화 이온(OH⁻)'으로 나누어지고, 수소 원자 2개가 결합해 '수소 분자(H₂)'가 된다. 수산화 이온'은 양극으로 보내지고, 전자를 뺏긴 후 '수소 분자'와 '산소 분자'가 된다. 전체 과정을 보면, 2개의 물 분자로부터 2개의 수소 분자와 1개의 산소 분자가 생기는 셈이다.

그런데 물을 전기 분해하는 경우, 사용하는 전력이 화석 연료를 써서 발전한 것이라면 의미가 없다. 왜냐하면 '에너지 대체(Energy Alternative)' 및 '이산화탄소 배출량 절감'을 실현할 수 없기 때문이다. 그래서 이 두 가지 목적을 실현하려면, '풍력 발전(Wind Power)', '수력 발전(Water Power)', '태양광 발전(Solar Power)' 등 '재생 에너지(Renewable Power)'로 발전된 전력을 사용하는 것이 좋다. 저장이나 발전량 조절이 어려운 재생 에너지를 수소 형태로 저장하는 것이다. 이렇게 되면, 화석 연료를 대체할 수 있고, 이산화탄소 배출 절감도 가능하다.

4-3. 물을 열로 분해해서 수소 생산하기

기초적인 연구 단계에 있지만, '열'로 물을 분해해서 수소를 만드는 방법도 있다. '물을 산소와 수소로 분해하는 반응'은 그 '역반응(Reverse Reactioin)'인 '수소의 연소 반응(수소와 산소가 물로 변하는 반응)'으로 발생하는 열과 같은 에너지를 가하면 일어난다. 열에너지를 가할 경우 4000℃ 이상의 고온이 필요하다. 하지만 이런 고온을 사용하여, 물을 직접 분해해 수소를 제조 방법은 비현실적이라고 생각된다. 그래서 전체의 반응이 물의 분해가 되는 것처럼 복수의 반응을 조합시키면, 이보다 낮은 온도의 열로 물을 분해시킬 수 있는 방법이 고안되어 있다. 이것을 '물의 열화학 분해법'이라고 한다. 열원으로는 원자로나 핵융합로 등의 '핵열'과 '태양열' 등이 생각된다.

물의 '열화학 분해법' 중에는 'IS 프로세스(IS Process)'가 있다. '아이오딘(I, 원자 번호 35번)'과 '황(S, 원자 번호 16번)'의 화합물을 사용해 1000℃ 이하의 열로 물을 분해하는 방법이다. '아이오딘(I)'과 '황(S)'은 아래의 그림과 같이 화학반응 속에서 순환되면서, 수소를 제조한다.

4-4. 태양광과 광촉매로 수소 생산하기

'태양광 에너지'를 '전력(Electric Power)' 형태로 만드는 것이 아니라, 태양광 그대로를 이용해 물을 분해하여 수소를 생산하는 방법도 있다. 단, 물에 태양광을 비추는 것만으로 수소가 생기는 것은 아니고, '광촉매(Photocatalyst)'가 보조되어야 한다. '광촉매(Photocatalyst)'란 빛을 비춤으로써 촉매로 작용하는 물질을 통틀어 일컫는 말로, 식물의 '광합성(Photosynthesis)'도 '광촉매 반응(Photocatalytic Reaction)'의 일종이다.

수소를 생산하기 위한 광촉매로는 여러 물질이 연구되고 있다. 이들의 기본적인 메커니즘은 다음과 같다. '광촉매(photocatalyst)'에 빛이 닿으면, '원자(Atom)'에 포착되었던 '전자(Electron)'가 빛으로부터 에너지를 얻어 원자에서 빠져나와, 촉매 안을 자유롭게 돌아다니게 된다. 그러면, 전자가 물 분자를 분해해 수소를 발생시키는 것이다. 광촉매의 연료로는 '질화갈륨(GaN)'과 '산화아연(ZnO)'등이 이용된다. 재료에 따라 이용할 수 있는 파장이 다르기 때문에, 더 긴 파장까지 이용할 수 있는 새로운 재료 개발이 요구되고 있다. '광촉매'에서는 파장이 짧은 자외선을 이용하기는 간단하지만, 파장이 긴 빛일수록 이용하기 어려워진다.

5. 수소 저장·운송 기술

장래에는 해외에서 생산된 값싼 수소를 대량으로 수송해야 할 일이 생길지도 모른다. 해외에서 생산된 값싼 수소를 대량으로 수송하기 위해서는, 수소를 액체로 만들어야 한다. 수소는 상온에서 기체여서, 부피가 너무 크기 때문이다. '수소 저장 기술'은 '수소 저장용 특수소재' 및 '수소 압력용기' 개발에 관한 것이다. '수소(Hydrogen)'는 '파이프라인(Pipeline)', '고압가스(High Pressure Gas)', '액화수소(Liquid Hydrogen)', '유기 케미컬 하이드라이드' 등의 다양한 형태로 운송·저장된다.

5-1. 파이프라인(Pipeline)

'파이프라인(Pipeline)'은 수소 기체 상태 그대로 파이프라인을 통해 수요처까지 보내는 방법이다. '파이프라인'은 주로 산업단지의 공업용 수소 운송수단으로 이용되고 있으며, 대량의 수소를 안정적으로 운송 가능하다는 단점이 있다. 대규모 인프라 투자가 필요하므로 초기비용이 많이 들며, 수소 파이프라인 '설계(Plan)', '시공(Construction)', '유지·관리' 관련 안전성 확보가 중요하다.

5-2. 고압가스(High Pressure Gas)

'고압가스(High Pressure Gas)'는 수소의 공급처와 수요처 사이에 일정 거리가 있는 경우에 널리 이용되는 방법이다. 수소를 고압으로 압축하여 '봄베(Bomb)' 등에 넣어 운송·저장하게 되는데, 수소 압축 시 일정 에너지를 필요로 한다. 이 방법은 '압축기(Compressor)', '고압 저장탱크' 등 저비용 실현을 위한 기술 개발이 필요하고, 고압에 따른 취급 주의가 뒤따르므로 고압가스 관련 법률에 따른 관리가 필요하다.

'봄베(Bomb)'는 '수소', '산소', '프로페인가스(Propane Gas)', '액화석유가스(LPG: Liquefied Petroleum Gas)' 등의 압축가스를 속에 넣고 저장·운반 등에 사용하는 '강철(Steel)'로 만든 고압용기이다. '봄베(Bomb)'는 제조 방법에 따라 크게 '용접 용기'와 '이음매 없는 용기'로 나누어진다. '용접 용기'는 '염소(Chlorine)', '암모니아(Ammonia)', '프로페인(Propane)', '뷰테인(Butane)' 등 비교적 저압의 액화가스용이며, 용기의 두께도 얇고 중량도 가볍다. '이음매 없는 용기'는 '수소', '산소', '질소', '아르곤', '헬륨(Helium)', '메테인(Methane)' 등을 150기압 정도까지의 고압으로 내장하는 것이므로, 용기의 두께도 두껍고 중량이 70kg 이상이 되는 것도 있다.

5-3. 액화수소(Liquid Hydrogen)

'액화수소(Liquid Hydrogen)'는 로켓용 연료로 사용되었으나, 최근에는 공업용 수소 운송 방법으로 보급되고 있다. 수소를 액체화하는 방법에는 '냉각화'하는 방법이 있다. 이는 천역 가스를 냉각해 'LNG(액화 천연가스)'로 수송하는 것과 같다. 수소를 -252.9℃로 '액화(Liquefaction)'하면 부피가 약 800분의 1이 되기 때문에, 액화수소 형태의 운송·저장은 가스나 고압가스보다 효율이 높다. 액화를 위해서는 대규모 설비가 필요하다.

또한 수소가 액화하는 온도는 매우 낮아, 애써 액화해도 증발하기 쉬운 것이 난점이다. 일정 비율의 '기화(Evaporation)'가 일어나므로 운송·저장용 용기 기술 개발 등을 통해 이를 줄여나갈 방안이 뒤따라야 한다. 벽의 내부를 진공으로 한 단열 구조 탱크에 저장해도, 액화 수소는 하루에 약 0.5%씩 증발한다. 증발한 수소를 재냉각하든가 수송 중인 탱커의 연료 등으로 이용할 수도 있지만, 어쨌든 냉각해서 액화시키는 방법은 장시간의 저장과 수송에 적합하지는 않다.

5-4. 유기 케미컬 하이드라이드법(Organic Chemical Hydride Method)

수소를 액체로 만드는 기술로 주목받는 기술 중에는 '유기 케미컬 하이드라이드법(Organic Chemical Hydride Method)'이라는 것이 있다. 이것은 '톨루엔(Toluene)'과 수소를 화학 반응시켜, 상온에서 액체인 '메틸사이클로헥산(MCH: Methyl Cyclo Hexane)'이라는 물질 상태로 저장과 수송을 하는 기술이다. 이 방법을 통해 원래 수소 부피의 500분의 1로 다룰 수 있게 되며, 장기가 수송과 저장도 문제없다. 또한 '메틸사이클로헥산(Methyl Cyclo Hexane)'과 '톨루엔(Toluene)'은 기존의 탱커나 트럭 등으로 수송할 수 있다. 다만, '유기 케미컬 하이드라이드법(Organic Chemical Hydride Method)'을 사용하면 '메틸사이클로헥산(MCH)'에서 수소를 끄집어내는 설비, 예컨대 '수소 충전소(Hydrogen Station)'가 이용자에게도 필요하게 된다.

'유기 케미컬 하이드리드법'에서 만든 '메틸사이클로헥산(MCH)'에서 수소를 분리시키려면, 촉매가 필요하다. 그런데 근년에 일본의 '치요다 화공건설(千代田化工建設, Chiyoda Corp)'이 실용화가 가능한 효율 높은 촉매를 개발하는데 성공했다고 한다. 수소를 분리하는 촉매는 1nm 이하의 '백금(Pt, 원자 번호 78번)' 미립자이다. 이 미립자에 의해 350℃ 정도에서 메틸사이클로헥산 분자에 들어있는 수소가 분리된다. 이 촉매는 1~2년 동안 연속적으로 사용할 수 있으며, 비싼 백금은 사용이 끝난 촉매에서 회수되어 재사용된다.

6. '수소 에너지'의 이용

생산된 수소는 '산업용', '발전용', '가정용', '건물용', '운송용' 등으로 이용·소비된다. 한국의 경우, 대부분 산업용으로 소비되고 있으며, '수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)', '수소충전소(Hydrogen Staion)', '수소연료전지 발전(Hydrogen Fuel Cell Power Generaion)' 등 보급이 활성화될 경우 수소 소비량이 크게 증가할 것으로 예상된다.

수소는 열 및 동력으로 활용될 수 있다. '수소'는 운반 시에도 전기에너지 형태보다 손실을 10분의 1 정도로 줄일 수 있는 것으로 알려졌다. 즉, 수소는 에너지원뿐만 아니라, 저장·수송 매체로도 활용이 가능하기 때문에 수소를 '에너지 매체(Energy Carrier)'라고 부르고 있다. 수소 생산 중 가장 이상적인 방법은 재생에너지원을 사용하여 물로부터 수소를 생산하는 방법이다.

추후 수소에너지의 안정화에 따라 수소를 이용한 다양한 대체 '모빌리티(Mobility)'의 활용이 가능할 것으로 보이며, 특히 유럽을 중심으로 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)' 환경규제에 대응하여 연료전지를 '선박의 발전', '추진동력'으로 사용하는 기술이 개발 및 실증이 진행되고 있다. 이외에도 온실가스 배출 저감을 위해 비전철 구간에 '친환경 열차 운행' 및 '수소 동력 철도차량 운영', '물류창고·지하공간 작업용 소형 건설기계'에 활용이 가능할 것으로 예상된다.

6-1. 수소연료전지차(FCEV)

'수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'는 전기모터로 구동축을 돌린다. 구동축을 돌릴 때 전기모터가 돌아가도록 '전기 에너지(Electric Energy)'를 생산하는 것이 '수소 연료전지(Hydrogen Fuel Cell)'이다. '수소 연료전지(Hydrogen Fuel Cell)'는 수소의 '화학 에너지(Chemical Energy)'를 '전기 에너지(Electric Energy)'로 바꿔 동력을 공급한다.

'수소연료전지차(FCEV)'는 차량 외부에서 흡입된 공기를 '필터(Filter)'를 통과시켜 산소로 만들어낸다. 이 산소를 차 내부의 '수소 탱크(Hydrogen Tank)'에 저장된 '수소'와 전기발생장치인 '연료전지 스택(Fuel Stack)'에서 결합한다. 이때 연료로 투입되는 수소는 산소와의 결합을 통해 물을 생성한다. '수소연료전지차(FCEV)'의 '연료전지(Fuel Cell)의 '음극(Cathode)'에 '수소(H₂)'를 흘리고 '양극(Anode)'에 '산소(O₂)'를 공급하면, '음극(Cathode)'에서 수소 분자가 '수소 이온(H⁺)'과 '전자(Electron)'로 분리된다. 또 분리된 수소이온은 다시 이동해 양극으로 전달된다. 이 과정을 거쳐 두 저극 사이에 전기가 발생한다. 이 전기에너지로 모터가 돌아가면서 차량이 구동된다. 양극에서는 수소이온과 산소가 결합해 부산물로 '물(H₂O)'이 생긴다. '수소연료전지차(FCEV)'는 물 외에 이산화탄소 등 공해 물질을 전혀 발생시키지 않기 떄문에, '궁극의 친환경자동차'로 불린다.

'수소연료전지차(FCEV)'는 '엔진(Engine)' 대신 '배터리(Battery)'와 '모터(Motor)'로 구동된다는 점에서 '전기차(EV: Electric Vehicle)'와 유사한 점이 있다. 그러나 사용하는 '전지'의 구조는 다르다. 전기차에는 전기를 공급하고 충전하는 '2차전지(Secondary Cell)'가 들어간다. 또 전기차는 배터리에 저장된 전기에너지를 사용해야하지만, '수소연료전지차(FCEV)'는 직접 에너지를 생산해낼 수 있다는 점이 장점이다. 아울러 '수소연료전지차(FCEV)'는 공해물질을 전혀 배출하지 않지만, 전기차는 화석연료나 원자력 발전을 통해 생산된 전기를 연료로 쓸 수 있기에 '전기차'만으로 환경문제가 완전히 해결된다고는 볼 수 없다.

6-2. 에너팜(Ene-Farm)

일본에서 각 가정으로 보급이 확대되고 있는 '에너팜(Ene-Farm)'은 수소와 공기 중의 산소를 사용해 '연료전지(Fuel Cell)'로 전기를 만들어내고, 동시에 열을 만들어내는 장치이다. 에너팜에서는 가정으로 공급되고 있는 '도시 가스'나 '액화 석유 가스(LPG)'를 장치 속에서 수소로 바꾸어 둔다. 각 가정 등 에너지를 소비하는 곳에 '연료전지(Fuel Cell)'가 설치되면, '전기를 생산하는 곳'과 '전기를 소비하는 곳' 사이에 있던 거리가 사라지는 효과가 있다. 우선 송전에 따르는 전력 손실이 사라진다.

연료전지에서 나오는 열을 활용하여 연료비를 절약할 수도 있다. 현재 전력의 대부분을 공급하는 '화력 발전소'에서는 발전할 때 화석 연료가 가진 에너지의 절반 이상을 열로 잃어버리고 있다. 열은 그 자리에서 계속 사라지기 때문에, 멀리 떨어진 에너지 소비지로 운반하기가 어렵다. 한편, 수소를 사용해 '연료전지'로 발전하는 경우에는 각 가정 등 에너지 소비지에서 발전하고, 동시에 발생한 열도 그 자리에서 이용할 수 있기 때문에 결과적으로 에너지 효율이 더 높다. 이처럼 전기와 열 양쪽을 모두 이용하는 구조를 '코제너레이션(Cogeneration)'이라고 한다. 이것에 의해 최근에는 90~95%라는 높은 효율로 에너지 이용이 가능하다.

대형 발전소에서 전기를 만드는 '중앙 집중식 발전' 방식은 발전소나 변전소, 송전 설비 등의 문제 때문에 넓은 지역에서 정전이 일어나는 경우가 가끔 생긴다. 하지만 각 가정에 발전하는 '분산형 발전'이 확산되면 대규모 정전도 잘 일어나지 않는다.

7. 수소 발전

'연료전지(Fuel Cell)'를 대규모로 만들어 '화력 발전소(Thermal Power Plant)'를 대신할 수 있을까? '연료전지(Fuel Cell)'는 발전 장치이므로, 얼핏 가능한 것처럼 생각되지만 쉽지만은 않다. '연료전지(Fuel Cell)'의 성질상 발전량을 늘리려면 연료전지의 '셀(Cell)'을 늘려야 하는데, 그렇게 하면 시설이 매우 커지기 때문이다. 또 연료전지의 발전 효율이 화력 발전소에 비해 높은 것도 아니다.

'연료전지자동차(FCEV)'나 '에너팜(Ene-Farm)'에 사용되는 연료전지의 대부분은 '고체 고분자형 연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)'라고 불리는 유형이다. '고체 고분자형 연료전지(PEFC)'는 안정되게 작동하는 온도가 약 80℃이다. 작동 온도가 낮기 때문에 다루기 쉽고, 또 비교적 소형화하기 쉽다. 하지만 발전 효율은 40%에 머무르기 때문에, 대규모 발전에는 연료 발전 단독으로는 적합하지 않다. 에너팜에서는 발전에 의해 발생하는 열에너지도 사용하므로, 효율을 90% 이상이 가능하다. 하지만 '고체 고분자형 연료전지(PEFC)'를 대규모 플랜트로 해서 발전하면 '에너팜(Ene-Farm)'과 달리 에너지 소비지에서 멀어서, 발전 과정에서 생기는 열을 효과적으로 사용하기 어려워진다. 결국 에너지의 효율성이라는 측면에서 연료전지를 이용한 대규모 발전보다는 화력 발전이 낫다.

7-1. 복합 사이클 발전

최근 '화력 발전소(Thermal Power Plant)'의 발전 효율이 높아진 이유는 '복합 사이클 발전(Combined Cycle Power Generation)'을 채용하기 때문이다. 종래의 화력 발전소에서는 화석 연료를 태워서 발생시킨 열로 물을 고온의 증기로 만들고, 그 증기로 '증기 터빈(Steam Turbine)'을 회전시켜 발전했다.

하지만 '복합 사이클 발전(Combined Cycle Power Generation)'에서는 화석 연료를 태워서 발생시킨 열에 의해 연소 가스가 팽창하는 힘을 이용해 '가스 터빈(Gas Turbine)'을 돌리고, 연소 가스의 열을 이용해 물을 데워 '증기 터빈(Steam Turbine)'도 돌리는 2단 구조의 발전 방법이다. 이 방법으로 인해 최신 화력 발전소에서는 발전 효율이 60% 정도까지 높아졌다.

7-2. 3중 복합 사이클 발전

'복합 사이클 발전(Combined Cycle Power Generation)'의 효율을 더 높일 것으로 기대되는, '3중 복합 사이클 발전(Triple Combined Cycle Power Generation)'이라는 방식도 고안되어 있다. 이 방식에서는 '연료전지(Fuel Cell)'까지 병용하게 되는데, 그중 '고체 산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxid Fuel Cell)'이라고 불리는 유형의 연료전지를 사용한다. '고체 산화물형 연료전지(SOFC)'는 작동 온도가 700~1000℃로 매우 높아, 자동차나 가정에서 사용하기는 어렵다. 하지만 '고체 산화물형 연료전지(SOFC)'를 지속적으로 이용하면 발전 효율은 50%에 이른다.

'3중 복합 사이클 발전(Triple Combined Cycle Power Generation)'에서는 먼저 수소 등을 연료로 해서 '고체 산화물형 연료전지(SOFC)'에서 발전한다. 발전할 때 열도 나오는데, 이 열을 이용하는 것이 '3중 복합 사이클 발전'의 핵심이다. 'SOFC에서 반응하지 않았던 수소', '고온이 된 공기', 그리고 '새로운 수소 등의 연료'를 더해 혼합해 연소시킨다. 이 연소 가스가 팽창하는 힘을 이용해 '가스 터빈(Gas Turbine)'을 돌리고, 연소의 열을 이용해 물을 데워 '증기 터빈(Steam Turbine)'까지 돌리는 것이 바로 '3중 복합 사이클 발전'이다. 이렇게 3단계를 거쳐, 에너지를 짜내듯이 이용하면 70%가 넘는 발전 효율을 실현할 수 있다.

8. '수소 에너지' 관련 기업

기업	국적
린데(Linde)	독일
로열더치쉘(Royal Dutch Shell)	독일
토탈(Total)	프랑스
엔지(Engie)	프랑스
에스퓨얼셀(S-Fuelcell)	한국
제이엔케이히터	한국

린데(Linde): '린데(Linde)'는 독일에 설립된 글로벌 다국적 화학 기업이다. '린데'는 독일 로이나와 잉골슈타르 지역에 액화 수소 플랜트를 운영하고 있다. 또한 다양한 '기체 수소 액화 기술', '액화수소 압축·이송 기술'의 원천 기술을 바탕으로, 충전소 인프라 구축과 관련된 연구활동을 지속하고 있다.
로열더치쉘(Royal Dutch Shell): '로열더치쉘(Royal Dutch Shell)'은 2011년에 첫 번째 '수소 충전소(Hydrgen Station)'를 독일에 개설한 이후로 유럽 및 미국 등 여러 시장에서 수소 사업 및 계획에 참여하고 있다.
토탈(Total): 프랑스의 최대 에너지 기업인 '토탈'은 2002년 베를린에 수소버스에 주입하기 위한 수소충전소를 개장한 이후, 15년 이상 동안 대부분 독이레서 수소충전소 구축에 참여해오고 있다. '토탈(Total)'은 '로열더치쉘(Royal Dutch Shell)'과 마찬가지로 H2 모빌리티의 일원이다.
엔지(Engie): '엔지(Engie)'는 프랑스에서 2번째로 큰 유틸리티 기업으로, 2050년까지 모든 사업을 '바이오가스'와 '재생에너지'에 의한 수소로 전환해 100% 친환경 가스를 공급할 계획을 발표한 바 있다. '엔지(Engie)'는 '수소연료전지차(FCEV), '수소충전사업', '재생에너지에 의한 P2G 사업', '천연가스 공급망에 수소 주입 실증실험' 등 다양한 사업 및 기술 개발을 추진 중이다. '엔지'는 이미 칠레에서 '전력망 운영'과 'LNG 시설' 및 '재생에너지 사업 자산'을 운영하고 있다.
에스퓨얼셀(S-Fuelcell): '에스퓨얼셀'은 가정용·건물용 연료전지를 생산하는 기업으로, '에스에너지(S-Energy)'의 자회사로 GS칼텍스의 연료전지 사업부를 인수하면서 설립되었다. '스택(Stack)'과 '고분자 전해질 연료전지(PEMFC)' 시스템의 통합 설계 및 제어에 관련된 독자 기술을 보유하고 있다.
제이엔케이히터(JNK Heater): '제이엔케이히터'는 LPG와 도시가스를 수소로 변환하는 기술을 가진 회사이다. 가스와 수소를 모두 충전할 수 있는 '상암 수소스테이션' 공사를 수주하였다.

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