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<김종서의 미세먼지 이야기> 서둘러야 할 수소산업의 생태계 조성사업

입력 2020-02-27 09:02   수정 2020-02-27 09:02

현재 수소를 생산하는 방법은 화석연료의 개질방식, 화석연료 연소과정에서 나오는 부생가스, 물의 전기분해법 등으로 이뤄진다. 그렇지만 이는 수소로부터 얻는 에너지양과 맞먹는 전기에너지를 사용하거나 화석연료를 사용해야 된다. 때문에 이중 부담이 되어 값싼 수소생산 방법을 개발하여 나가는 것이 수소경제를 개막시키기 위한 가장 큰 과제라고 할 수 있다. 그래서 세계 각국에서는 값싼 수소생산방법을 개발하기 위하여 경쟁적으로 참여하고 있다.

현재 수소생산방법으로는 물이나 단순한 유기물을 광촉매라는 특수한 물질을 이용해 수소를 발생시키는 광화학적 물 분해, 태양열이나 폐열을 이용한 열화학적 물 분해, 미생물을 이용하여 물이나 유기물을 분해하는 방법 등 여러 가지 기술개발이 추진되고 있다. 그래서 머지않은 장래에 값싼 수소를 대량으로 생산할 수 있게 될 것으로 기대된다고 한다.

또한 현재 원자력발전에서는 원자로에서 발생한 열에너지의 3분의 1 정도만 전기 생산에 사용되고 나머지는 방출되고 있다. 이 버려진 열에너지를 이용하여 수소를 생산할 수 있는 방안이 개발중이다. 즉 현재 사용되고 있는 원자력 발전은 경수로이기 때문에 320도 이상 열을 낼 수 없지만 원자로가 900도 이상의 열을 낼 수 있는 기술을 개발된다면 방출되는 열에너지로 물을 분해해 수소를 만들 수 있다고 한다.



이런 4세대 원자로가 상용화 될 경우 우라늄 연료를 세라믹 속에 가두고 방사능 오염이 일어나지 않는 원소인 헬륨을 냉각재로 사용해서 안정성도 높일 수 있게 될 것이라고 한다. 더욱이 핵분열 반응으로 원자로 내부 온도가 1800도까지 올라가도 방사성물질 유출이 잘 일어나지 않으며 여기에 수소를 생산하는 기술까지 결합하면 안전과 효율, 두 마리 토끼를 다 잡을 수 있는 핵융합기술도 개발하고 있는 셈이다.

미국은 차세대 원전사업을 통해 2018년에 수소 생산을 위한 실증용 원자로를 건설하였고 일본은 실증연구를 2015년까지 마치고 10년 뒤에는 상용화할 계획이라고 한다. 우리나라도 2026년까지 실증 시스템을 만들고 2040년대에 에너지의 20%를 수소로 대체한다는 계획을 수립하고 있다.

수소는 가장 가벼운 기체이면서 끊는 점이 252.9℃이라는 특정을 갖고 있다. 따라서 이를 저장하는 용기를 마련하기 어렵고 저장을 한다고 해도 쉽게 새어 나가기 쉽다. 따라서 수소의 저장을 위해서 고압으로 수소를 압축하거나 LPG(액화석유가스)나 LNG(액화천연가스)처럼 액화시켜야 한다, 그렇지만 이에 따른 비용부담이 추가되어 새로운 저장, 운송방법을 개발하여야 한다.

수소는 상온에서 기체 상태로 에너지 밀도가 낮아 생산·저장·운송 단계에서 약 10~20% 정도 누출되기 쉽고 누출되면 대기중에서 산소와 혼합되면 폭발할 위험성도 안고 있다, 따라서 수소의 저장기술은 생산기술과 같이 다양하며 일반적으로 저장효율 향상을 위해 수소를

액화시키거나, 메탄 저장방식이 많이 활용되고 있다.

수소의 액화 기술은 방위산업, 우주항공산업 등에서 이미 활용되고 있기는 하나, 선진국 보유기술의 국내 이전이 원활하지는 않고 국내 연구 및 기술 수준은 초기 단계에 머물고 있다.

수소는 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있어 압축저장, 액화저장, 기타 소재기반 저장방식을 활용하여 저장할 수 있다. 그래서 현재 압축저장은 상용화 수준에 있으면서 장거리 이송할 때는 안전성을 확보하기 위해서 액화저장이 필수적이라고 한다. 그렇지만 우리나라는 아직 기술 개발단계에 있어 액화저장시설에 많은 애로사항이 있다.

액화수소는 가스수소에 비해 부피가 848분의 1에 불과하여 저장 에너지밀도가 매우 높고, 고압가스처럼 고압으로 압축 저장하여 운송할 필요가 없어서 매우 안전한 저장, 운송방식이 되고 있다.

이와 같이 액화수소는 안전한 저압으로 대량의 수소를 저장하여 운송할 수 있는 장점이 있고 수소가 대량으로 사용되는 수소경제에 있어서는 반드시 갖추어야할 국가적 인프라가 되고 있다. 그렇지만 수소를 액화하기 위해서는 수소 kg당 500~1,000원 정도의 액화비용이 발생하나 이러한 액화비용은 수소의 운송 및 저장 비용의 획기적 절감을 통해서 충분히 보상될 수 있다고 한다.

수소운송은 크게 수소 탱크, 수소 튜브 트레일러 및 파이프라인 등 세 가지로 구분할 수 있다. 수소의 특성상 장거리 운송은 고비용 구조를 갖고 있고 수소 저장탱크는 내고압, 경량화, 저비용 등의 요구되고 있어 철강 등 금속소재부터 탄소섬유까지 다양한 소재가 향후 주력 소재로 채택되기 위해서 세계각국에서는 기술개발 경쟁을 벌이고 있다.

튜브 트레일러는 수소 생산지로부터 수요처(충전소)까지 배송을 위해 액화수소용 튜브를 사용하여 운반하는 형태이다. 또한 파이프라인은 생산지로부터 실제 사용지까지 파이프라인을 건설하여 연결하는 것으로 수소 탱크 및 튜브 트레일러 대비 고비용이 요구되고 있다.

기술적으로는 압력 탱크에 기체 수소를 넣을 수 있는 압축 기술의 한계치(700~800Bar)에서 도달해야 한다.

이와 같이 수소의 액화 기술 및 액화 수소의 해상운송 등에 대한 기술적 검증이 아직 완벽하게 이루어지지 않았다. 또한, 파이프라인의 경우 수소가 파이프라인 내부에 침투하여 파이프라인 소재로 사용되는 강재의 연성이 저하되어 강재가 파괴되는 수소 취성 등을 해결해야 될 기술적 과제를 안고 있다고 할 것이다.

국제 해사기구(IMO)는 모든 신조 선박의 CO2배출감축을 의무화하고 있어 2020년 이후에는 2013년기준 대비 20%, 2025년이후에는 40%라는 감축목표를 설정하고 있다.

따라서 선박의 연료는 앞으로 수소로 적용될 가능성이 높아 수소수요는 크게 늘어날 전망이다. 결국 선박과 같이 대용량 연료가 필요하기 때문에 앞으로 액체수소를 기반으로 연료저장시스템을 구축해야 할 것이다. 이밖에 우주 발사체, 잠수함, 무인 드론, 항공기 등 필수적으로 액체 수소에 기반을 두어야 하기 때문에 이에 적용할 기술개발도 요구된다고 할 것이다.

우리나라나 일본의 경우에는 LNG 생산기지를 많이 보유하고 있어 기화과정에서 발생하는 냉열을 수소액화공정에 활용할 수 있어 경제성 있는 수소 공급모델로 활용할 수 있다. 즉 우리나라는 이미 인천, 평택, 삼척, 통영 등 4개의 LNG기지가 운영되고 있고 당진에 제5 LNG생산기지를 건설하고 있다. 따라서 LNG생산기지에서 나오는 냉열을 활용하는 액화 수소생산체제 구축은 불가피하게 요구된다고 할 것이다. 이는 또한 기존 액화 시스템의 30 -40% 절감효과를 누릴 수 있다고 한다. 현재 상용수소액화프린트 기술은 미국, 독일, 프랑스, 일본 등 4개국이 수소 액화 플랜트를 운영하고 있어 우리나라에서는 기술의 국산화가 시급한 과제로 부각되고 있다

한편 수소에너지를 활용하는 연료전지에 대한 기술은 이미 두산, 포스코에너지 등 대표적 기업들이 외국회사의 지분을 인수하는 방식으로 관련 기술을 확보하고 시장 확장에 나서고 있다. 즉 두산은 2014년 미국의 클리어에지파워와 한국의 퓨얼셀파워 등을 연달아 인수하면서 건물용 및 주택용 연료전지 관련 원천기술을 확보했다. 그리고 포스코에너지는 2007 미국 퓨얼셀에너지(FCE)에 2900만 달러를 출자해 용융탄산염연료전지 시장에 진출했다.

한편 연료전지 선박은 2025년부터 상용화되어 2030년이 되면 전체 선박연료의 3분의 1을 수소로 대체할 것으로 전망된다,

국제에너지기구(IEA)에서는 2019년 기준으로 전체 선박 연료의 98%를 중유, 저유황유가 차지하고 있지만 2025년 기준으로는 LNG가 38%, 전기가 6%를 차지하는 등 친환경 연료가 기존의 즁유, 저유황유를 대체할 것으로 전망하고 있다, 더욱이 2025년부터 수소 연료가 상용화되어 2030년에는 수소 연료가 전체 연료의32%를 차지할 것으로 전망하고 있다.

항공용 연료전지는 현재 개발단계로 우선 수소 드론을 시발로 하여 경비행기, 중소항공기, 대형항공기 등으로 발전할 것으로 전망된다,

현재 기술 수준에서 이차전지를 탑재한 드론은 체공시간이 평균 20분정도에 불과해 상용화되기에 한계가 있으나, 수소연료 드론은 2시간 체공이 가능한 것으로 보고되고 있다.

따라서 항공기 추진동력원으로 사용되기 위해서는 무엇보다 동력대비 추진력비가 중요한데, 현재의 연료전지 기술로는 내연기관이나 터빈엔진에 비하여 낮은 출력특성을 보이고 있다. 전투기나 수송기와같은 고출력을 요구하는 항공체계에 적용하기 보다는 소형기나 무인항공기와 같이 저출력으로장시간 비행하는 항공기에 활발히 적용하고 있다, 따라서 대형항공기는 연료전지를 항공기 보조 및 비상전원으로 활용하거나 항공기 탑재용 전자기기의 전원으로 개발 중에 있다고 한다.

이와 같이 수소경제시대를 개막시켜 나가기 위해서는 제1단계로 연료전지와 수소전기차 개발, 제2단계로 수소 저장 및 운송기술 확보, 제3단계로 이산화탄소 발생이 없는 수소 생산, 공급시스템을 확립해야 된다는 수소산업 생태계를 조성시켜 나가야 한다.

우리나라는 아직 개발초기 단계에 머물러 있어 수소경제시대를 개막시켜 나가기 위해서 이에 대한 기술개발을 서둘러야 될 입장이다.

김종서 기자 jongseo2477@viva100.com

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