[미래기술25]①"수소차·수소트럭·수소선박…"..청정 에너지 '수소' 시대 성큼

[이데일리 김영수 기자] 우주의 70% 이상을 차지하는 무한 에너지 ‘수소’. 수소는 환경, 경제, 사회, 에너지 등 다양한 문제를 해결할 수 있는 ‘친환경·고효율 에너지원’으로 주목받고 있습니다. 머지않은 미래에 수소에너지는 우리 생활 깊숙이 다양한 분야에서 긍정적 효과를 나타낼 것으로 보이는데요. 실제 높은 에너지 효율성 이외에도 부가적으로 대기오염 개선, 온실가스 저감, 정전손실 회피, 미세먼지 제거 등을 따져 보았을 때 수소연료전지 1MWh가 창출하는 사회적 가치는 약 95만원 수준으로 알려져 있습니다.

에너지 효율 80% 이상..친환경·고효율 에너지원

수소연료전지는 수소에너지를 활용하기 위한 핵심 매개체입니다. 수소연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기와 열에너지로 변환시키는 친환경·고효율 에너지 전환 장치로 연간 가동률이 높고 설치면적이 작아 에너지 밀도가 높은 것이 특징입니다. 기존의 발전 방식은 연료의 에너지로부터 전기를 얻기까지의 과정에서 에너지 손실이 발생했습니다. 하지만 수소연료전지의 전기발전 효율은 전력 및 열 손실을 감안하더라도 30~60% 이상이며 열병합 발전까지 고려하면 전체 효율은 80% 이상입니다.

수소연료전지는 기본적으로 수소와 공기 중의 산소가 만나 물이 되는 과정에서 전기와 열을 생산합니다. 물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생하게 되는데 연료전지는 이러한 전기분해의 역반응을 이용한 것입니다. 앞서 수소연료전지의 작동원리는 1839년 영국의 윌리엄 그로브(William Grove)가 수소와 산소로부터 전기를 만들어내기 위해 물의 전기분해를 반대로 뒤집음으로써 발견했습니다.

수소연료전지의 기본 구성은 △연료극 △공기극 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 △전해질로 접합돼 있는 셀(Cell)로 이뤄져 있습니다. 연료극에 수소를, 공기극에 산소를 주입하는데 주입된 수소는 수소이온과 전자로 분리됩니다. 다수의 셀을 적층해 수소와 산소가 만나서 전기를 발생시키는 스택(Stack)을 구성함으로써 원하는 전압 및 전류를 얻을 수 있습니다.

전해질의 종류에 따라 연료전지의 타입이 달라지는데요. 현재 상용화된 연료전지 모델은 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 고분자전해질형 연료전지), PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell, 인산형 연료전지), MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell, 용융탄산형 연료전지), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체산화물 연료전지) 등이 있습니다. 각각의 형태에 따라 발전 용량과 작동 온도, 촉매 등이 다르기 때문에 용도에 맞게 각각 다른 형태의 연료전지를 선택할 수 있습니다. 수소가 없는 곳에서는 천연가스, 천연프로판가스(LPG) 등과 같은 연료를 개질해 수소를 만들어 사용할 수 있습니다.



검증된 친환경·안전성..소음 적고 미세먼지도 감축

수소연료전지에 대한 가장 많은 오해는 상용화 과정에서의 위험성입니다. 수소 폭탄을 연상하면서 폭발할지도 모른다는 오해 아닌 오해 아닌가 추정됩니다. 하지만 수소연료전지는 제품 내부에서 연료가 저장되는 구조가 아니며 생성 즉시 전극과 반응하므로 연료전지의 수소 폭발 가능성은 없습니다. 되레 도시가스, LPG, 가솔린보다 상대적 위험도가 낮다는 게 연구 결과입니다.

수소연료전지는 이같은 안전성에다 친환경 측면에서도 이미 세계적으로 인정받은 새로운 에너지원입니다. 실제 수소를 에너지원으로 사용하는 연료전지의 가장 큰 특징이자 장점은 공해물질 배출이 ‘제로(0’)라는 것입니다. 대기환경 기준이 세계에서 가장 엄격한 미국 캘리포니아의 인증을 받은 깨끗한 발전원이라는 것이 이를 방증하기도 합니다.

또 다른 수소연료전지에 대한 오해는 ‘천연가스에서 수소를 뽑아낼 때 악취가 난다’고 하는 것인데요. 하지만 이는 사실과 다릅니다. 현재 가동 중인 수소연료전지 발전소 주변에서 악취로 인한 민원이 접수되지 않고 있다는 게 단적인 사례입니다. 또 수소연료전지는 부산물로 물이 생성되며 오폐수 배출이 없습니다. 이는 화력 발전이나 디젤 발전기에서와 같은 연소과정이 없기 때문입니다.

수소연료전지는 최근 대두되고 있는 미세먼지 문제도 해결할 수 있습니다. 수소연료전지 1MW는 성인 약 1만명 이상이 호흡할 수 있는 공기를 흡입해 미세먼지, 초미세먼지, 불순물을 걸러 깨끗한 공기를 셀에 공급하기 때문입니다. 수소연료전지가 확대되면서 석탄발전소를 대체할 수 있다면 자연스럽게 미세먼지도 줄일 수 있겠지요.

아울러 수소연료전지에서 발생하는 전자파는 국내 전계 안전기준치의 2.89% 수준으로 자계 안전기준치의 0.036% 수준입니다. 이는 일상생활에서 사용하는 전기 기계의 전자파에 비해 낮은 수치입니다. 수소연료전지의 소음 역시 타 발전소에 비해 매우 낮은 수준인데요. 35m 떨어진 곳에서 약 55dB로 자동차 시동 소음과 비슷한 정도입니다.

▲충남 서산에 위치한 세계 최초·최대 부생수소 연료전지발전소인 ‘대산 수소연료전지발전소’ 전경. (사진=두산)

공해 없고 발전 효율 높아..수소 에너지 생태계 성큼

수소연료전지는 열과 전기가 동시에 생산되므로 지역난방을 비롯해 스마트팜, 냉동창고, 전시장, 스포츠센터, 온천 등 활용 가능 분야가 매우 많습니다. 특히 분산전원으로 활용 가능하기 때문에 송·배전인프라 비용을 낮출 수 있는 장점도 있습니다. 실제 기존의 발전기는 에너지 전환 단계가 많아 장거리 송전이 필요했고 그에 따라 에너지 손실률도 높았습니다. 반면 수소연료전지는 수요처 인근에 직접 건설해 에너지 손실률을 낮추는 장점이 있습니다.

수소연료전지의 효율성을 대표적으로 확인할 수 있는 것이 발전소인 ‘부산그린에너지’인데요. 해당 발전소는 해운대 신시가지 전력 사용량의 76%를 책임지고 있으며 약 4만 2000여 세대에 연간 25만MWh의 전력을 공급하고 있습니다. 전기 생산과정에서 소음이 적고 대기오염물질도 거의 발생하지 않기 때문에 주민들은 난방비 절감 혜택을 누리고 있습니다.

이같은 효율성 때문에 국내에서는 현재 해운대 신시가지를 비롯해 전국에서 375MW 규모로 가동 중입니다. 정부는 또 2022년 추진하는 3기 신도시 5곳 중 2곳을 수소 도시로 지정해 수소충전소와 수소버스를 공급키로 했는데요. 2030년까지 수소자동차는 85만대, 수소충전소는 660기로 늘려나간다는 청사진도 내놓았습니다.

아울러 2021년 초부터 현재 1kg에 7000원대인 수소 값이 5000원대로 저렴하게 공급될 예정인데요. 이는 수소에너지 생태계 전환의 촉매제로 작용할 전망입니다. 정부는 이를 위해 2021년 초 충남 당진에 ‘수소차용 수소공급 출하센터’를 개설할 계획으로 최대 2000톤의 수소를 서울, 경기, 충남, 충북(일부), 전북(일부)까지 공급할 예정입니다. 이는 연간 수소승용차 1만 3000대의 사용량입니다.

수소 밸류체인의 주축인 현대제철 역시 제철소를 포함한 주요 사업장의 수송용 트럭, 대규모 중장비, 업무용 차량 등에 대해 수소연료전지 차량으로 전환할 예정입니다. 부생가스, 폐열 등을 활용해 연 3500톤 규모의 수소를 생산하고 있는 현대제철은 단계적으로 연 3만 7200톤으로 증산할 계획입니다.

한 업계 관계자는 “재생에너지가 증가하는 상황에서 수소 연료전지는 재생에너지의 변동성을 보완해줄 수 있는 역할을 할 것으로 예상된다”며 “따라서 수소차, 수소전기버스, 수소트럭, 수소선박 등 운송수단을 비롯해 사회 각 분야에서 수소연료전지의 적용·활용도가 높아질 것으로 보인다”고 짚었습니다.