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탈탄소화가 세계 경제의 흐름이 되면서 이를 달성하기 위한 방안으로 수소가 중요한 열쇠로 꼽히고 있다. 수소로 전기를 만드는 수소 기술의 핵심에는 수소연료전지가 있다. 연료전지는 수소를 공기 중에 있는 산소와 화학 반응을 시켜 전기를 생산하는 장치로, 수소 경제에 있어서 핵심 장치로 주목받고 있다. 이산화탄소 배출의 주범인 내연기관을 대체할 차량으로 각광받는 수소차 역시 ‘수소차의 심장’이라 불리는 수소연료전지로 움직인다.
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| 수소. (사진출처=게티이미지뱅크) |
◇친환경·고효율 수소연료전지에 전세계 주목
수소연료전지의 원리는 간단하다. 수소를 연료로 하는 전지라는 뜻으로, 수소를 공기 중에 있는 산소와 화학적으로 반응하도록 만들어 전기와 열을 생산하는 장치다. 이 때 부산물은 오직 물밖에 발생하지 않는다. 친환경 발전장치로 불리는 이유다.
수소연료전지는 중심에 전해질막이 있고 양쪽에 연료극, 공기극으로 이루어져 있다. 연료극에는 수소를 공급하고, 반대쪽에 있는 공기극에는 산소를 공급하면 1차적으로 수소가 촉매와 만나 수소이온과 전자로 쪼개진다. 이 중 수소이온은 전해질막을 통과해 공기극으로 이동한 뒤, 산소와 결합하면서 물을 생성하게 된다. 그리고 남은 전자는 외부 회로로 흘러가 전압에 의해서 음극에서 양극으로 움직이며 전류를 발생, 즉 에너지를 만들어내는 원리다.
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| 연료전지의 발전 원리. (사진출처=두산모빌리티이노베이션 홈페이지) |
이 때 수소이온이 통과하는 전해질막의 수소이온 전도도에 따라서 화학반응 속도가 달라져 연료전지 효율을 결정하게 된다.
수소연료전지의 장점은 환경오염을 발생시키지 않으면서도 에너지 효율이 높다는 것이다. 수소연료전지의 발전 효율은 42~60%인 반면, 화석연료는 38~45% 정도에 불과하다. 수소연료전지의 경우 열과 전기를 동시에 발생시키기 때문에, 화석연료처럼 연료를 연소시켜 열에너지를 발생시킨 뒤 이를 다시 기계적 에너지로 변환해야 하는 과정이 필요없기 때문이다.
이에 친환경·고효율을 둘 다 만족하는 연료전지 시장이 전 세계적으로 빠르게 확대되는 추세다.
세계 수소연료전지 시스템 시장은 2018년 2184억 달러에서 연평균 52.0% 증가해 2024년 2조6934억 달러를 기록할 전망이다. 우리나라의 경우 현재 650MW인 국내 수소연료전지 발전용량을 2040년까지 약 12배 늘어난 8GW로 확대, 연간 시장 규모가 약 7조원에 달할 것으로 보인다.
◇수소차부터 수소 선박까지…수소연료전지 적용 무궁무진
수소연료전지의 에너지원은 다름 아닌 수소다. 수소는 생산 방식에 따라 부생수소와 추출수소, 수전해 수소 크게 3가지로 나뉘어진다.
먼저 부생수소는 석유화학 공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 나오는 수소를 말한다. 2019년 기준으로 부생수소 1kg당 2000원의 비용으로, 현재 가장 저렴한 수소 생산 방식으로 꼽힌다. 하지만 생산 과정에서 이산화탄소를 배출시킨다는 점에서 회색수소(그레이수소)라는 한계가 존재한다.
추출수소는 천연가스를 고온·고압의 수증기로 분해해 수소를 만들어내는 방법이다. 전 세계에서 생산하는 수소 가운데 49%를 차지할 만큼 가장 보편화된 수소 생산 방법이지만, 부생수소와 마찬가지로 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하는 그레이수소에 해당한다.
반면 수전해 수소는 태양광 등 재생에너지의 잉여 전력으로 물을 전기 분해해 수소를 얻는 방식이다. 생산 과정에서 이산화탄소가 배출되지 않고, 재생에너지의 이용을 확대시킨다는 측면에서 수소 경제의 이정표로 제시된다. 유일한 녹색수소(그린수소)에 해당하지만, 생산 단가가 높다는 단점이 있다.
이러한 수소를 에너지원으로 하는 수소연료전지는 응용 형태에 따라 수송용, 고정용, 휴대형으로 세분화된다. 이 중 수송용 연료전지가 바로 수소차에 쓰인다. 자동차 내에 장착돼 있는 수소연료탱크에 있는 수소를 수소연료전지에 보내 자동차를 움직이는 원리다.
현재 글로벌 시장에 출시된 수소차는 3가지다. 현대차의 넥쏘와 도요타의 미라이, 그리고 혼다의 클래리티다. 최근 혼다가 수소차 생산을 중단하겠다고 밝히면서 글로벌 수소차 시장은 현대자동차와 도요타 양강구도로 좁혀졌다.
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| 현대차의 수소전기 승용차 넥쏘. (사진제공=현대자동차그룹) |
현대차는 1998년 수소연료전지 개발 조직을 신설, 2013년 ‘투싼’을 통해 세계 최초의 수소차 양산에 성공했다. 2018년에는 넥쏘라는 두번째 모델을 출시해 수소전기차 분야에서 경쟁력을 입증했다. 넥쏘는 수소연료전지 시스템 효율성을 바탕으로 지난해 출시 3년여 만에 1만대 넘는 판매 기록을 세웠다.
현대차 다음으로 양산형으로 출시한 도요타는 지난해 말 2세대 미라이를 출시해 선풍적인 인기를 끌며 현대차의 강력한 라이벌로 떠올랐다. 지난해까지 명실상부 1위였던 현대차를 제친 도요타는 올해 1분기 수소차 시장에서 점유율 49%를 기록하며 1위를 차지했다.
SNE리서치에 따르면 올해 1분기 전세계에 등록된 수소차는 전년 동기보다 89.2% 급증한 4000여대로, 이 가운데 도요타가 2000여대, 현대차가 1800여대를 차지했다.
수소연료전지를 동력으로 사용하는 선박도 본격 개발되고 있다. 독일은 지난 2008년 세계 최초의 수소연료전지 여객선을 개발, 3000시간이 넘는 운항 실적을 보유하고 있다. 네덜란드는 2009년 정원 90여명 규모의 수소 연료전지 선박 NEMO H2를 개발했고, 스코틀랜드는 세계 최초로 수소 연료전지 페리를 건조하고 있다.
우리나라 삼성중공업도 미국의 연료전지 제조사 블룸에너지와 협력해 수소를 연료로 사용할 수 있는 연료전지 선박 개발에 속도를 내고 있다. 최근 연료전지로 운항하는 LNG 운반선을 세계 최초로 개발, 상용화에 나선다는 방침이다.
윤인경 기자 ikfree12@viva100.com
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