수소경제: 2050 탄소배출 제로, 수소가 답이다 (이민환, 윤용진, 이원영 저)

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평

왜 수소 경제가 오는 지, 어떠한 방식으로 오는 지에 대해 친절하게 설명.

 

수소: 미래 에너지 사회의 필수 매개체

탄소중립 정책에 의해 신재생에너지 사회가 도래한다. 이는 특히 태양광과 풍력으로 대표되는데, 두 에너지원은 간헐성이 최대 단점이다. 짧게는 시간 단위로, 길게는 계절 단위로 수요와 공급이 어긋난다. 또한 생산된 전기는 사용하거나 저장하지 않으면 사라져 버린다.

따라서 대규모로 에너지를 저장하고 수송할 수 있는 매개체가 필요하며, 수소가 가장 적합하다.

현재 사용 중인 Pumped Hydro Energy Storage, Compressed Air Energy Storage는 지리적 환경이 제한되며 에너지 수송이 용이하지 않다. 배터리로 에너지 저장 시스템을 구축하기 위해서는 천문학적 자본과 자원이 필요하며, 에너지 수송은 여전히 어렵다.

반면 수소는 탱크에 저장할 수 있고, 파이프라인이나 운송 수단을 통해 수송 가능하며, 무게 당 에너지 밀도가 높고 (천연가스의 3배, 배터리의 100배), 친환경적으로 전기와 상호변환 할 수 있다(수전해, 연료전지).

또한 전기, 난방, 합성 연료, 산업 공정 등 산업 전반에서 유연성을 가지는 에너지 매개체로, 섹터 커플링을 이루어 규모의 경제를 실현할 수 있을 것이다.

 

수소의 사용

연료전지

구분	Proton Exchange Membrane Fuel Cell	Solid Oxide Fuel Cell
특징	불소계 고분자 전해질 사용 주로 차량용	세라믹 계열 금속 산화물 사용 주로 발전용, 건물용
장점	80℃에서 작동 빠른 시동 가능 잦은 on/off 가능	저렴한 촉매로도 고효율 구현 연료에 대한 유연성
단점	비싼 촉매 필요 (Platinum) 수분 및 온도 제어 중요	예열 필요 (650℃) 세라믹의 열팽창 균열 (내구성)

 

높은 에너지 용량과 짧은 충전 시간을 요하는 사업용 차량(트럭, 지게차)과 대형 운송 수단(기차, 선박, 잠수함, 비행기) 등에 경쟁력이 있을 것임.

도심 근처에서 고정형 연료전지로 전기를 생산하면 $CO_2$ 배출량을 줄이고 발생되는 열을 이용하여 난방에 사용하여 90%의 에너지 전환 효율을 달성할 수 있음.

 

수소의 유통

1. 고압 압축: 700bar, 1kg 저장을 위해 20kg의 탱크 필요.
2. 액화수소: -253℃, 71g/L 의 높은 밀도.
3. Liquid Organic Hydrogen Carrier: 대기압 실온에서 액체 상태, 45~60g/L의 높은 밀도, 가솔린 인프라 적용 가능.
4. 암모니아: 기존 인프라 활용 가능, -33℃에서 순수 액화보다 1.5배 높은 밀도.
5. 고체 수소 저장: 수소 저장 합금 등 다공성 물질에 흡탈착. 높은 부피당 밀도를 가짐.

 

개선점

1. 수전해 기술 개발 (그린 수소)
2. 물 공급: 수전해 시 담수 필요, 바다 인접 지역에서 Reverse Osmosis
3. 인프라 구축

 

배터리와의 경쟁?

배터리는 높은 비용이 필요하고 금속 자원이 한정적이며 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다.
그럼에도 시스템이 간결하고 현재 기술로 경제성에서 우위를 가지고 있다.
수소 인프라가 미치기 어려운 곳에서 소규모 ESS로 활약할 것이며,
일반 자가용에는 여전히 배터리가 사용될 것이다.

즉, 경쟁이 아닌 상호보완적 공존 관계에 있을 것이다.

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