| 초록 |
1. 개요 최근 화석원료 외에 재생에너지를 비롯한 다양한 원료를 이용하여 청정한 에너지 매체인 수소를 만들어 환경오염 문제, 에너지자원의 지역적인 편중으로 인한 수급불안 문제 및 에너지자원의 고갈을 동시에 해결할 수 있다는 가능성 때문에 과거 석유 위기를 겪은 이후, 지속가능한에너지자원에 대한 논의가 시작되었다. 또한 최근 정부의 2030 재생에너지 정책이 발표됨에 따라 신재생에너지 자원에 관련된 연구개발이 주목되고 있다. 미래지향적이며 원천기술 개발이 강한 수소에너지 기술은 요소, 시스템 및 응용 기술을 연계하는 장기적인 개발이 필요하며 일찍부터 선진국이 우위를 점하고 있다[1]. 수소에너지기술은 전 세계적으로 산업용 수소를 사용하고 있지만, 천연가스, 나프타 등의 화석연료로부터 생산되는 것이 대부분이므로, 이러한 방식으로는 기존의 화석연료가 갖고 있는 문제점을 지니고 있어, 재생에너지 기반의 수소생산 기술의 필요성이 강조되어왔다. 에너지원이 아닌 에너지 캐리어로서의 수소 특성상 제조하는 방법이 주요 이슈가 되어왔고, 가장 분자량이 작은 가연성 가스라고 하는 특징 때문에 저장하는 기술도 중시되어왔으며, 수소 생산-이용 과정을 보면, 수소를 화석연료로 생산하여도 연료전지의 높은 효율과 환경오염, 화석연료 절감 효과를 기대할 수 있다. 향후 선진국들의 온실가스 감축의무 이행에 따른 연료전지 및 수소연료전지 자동차의 보급이 활발하게 이루어진다면 에너지 용도로의 수소 사용량이 급증할 것이다. 본 보고서에서는 화학적에너지 캐리어의 동향 및 향후 전망을 소개할 예정이다. 에너지 캐리어는 화학합성에 의해 수소를 화학적으로 안정되어 있는 물질로 변화시키고 수송하는 기술을 의미하며, 수소 생산지에서 화학합성하여 보존하고 운반하여 에너지 소비지에서 수소로서 추출하거나 직접 에너지로서 사용하게 된다 특히 보고서에서는 수소에너지를 활용한 연료전지 및 이를 활용한 수소전기자동차 동향 및 전망에 대해 주로 다룰 것이다. 2. 주요 내용 2.1. 수소 제조 기술의 분류 수소는 지구상에서 가장 가벼운 무색, 무미, 무취의 기체로 천연 그대로 존재하는 일은 드물며, 산소와 결합한 물처럼 다른 원소와 결합된 상태로 지구상에 대량으로 존재하고, 우주 전체의 75%가량 차지하고 있다. 또한 가공되지 않은 천연 상태로 공급되는 석탄, 석유, 천연가스, 수력, 태양열, 지열 등과 같은 1차 에너지가 아닌 에너지 캐리어로 간주되고 있다. ISO13600에 따르면 에너지 캐리어는 스프링, 압축공기, 전기 등 에너지를 생산하지 않고, 단순히 다른 시스템에 의해 채워진 에너지를 담고 있는 물질 또는 현상으로 정의하고 있다. 수소가 신재생에너지의 연료로 각광받는 이유는 탄소가 없으면서 청정하고, 공기보다 가벼우며, 무색/무미/무취의 비독성에 생산/저장/운반이 안전하기 때문이다. 수소 제조 기술은 원료, 공정 등에 따라 크게 4개로 구분될 수 있으며, 화석연료를 이용한 제조 기술은 상용화된 기술인 반면, 비화석연료를 이용하는 바이오매스, 신재생에너지 분야는 연구개발인 부분도 있다고 할 수 있다. 그림 1. 수소 제조 기술 분류 수소는 화석연료를 통해 생산되고 있으며, 석유 및 석탄은 부분산화법, 나프타는 수증기 개질법, 천연가스는 수증기 개질 및 자기열 개질법이 이용된다. 이 중 천연가스를 이용한 수증기 개질 기술 방법이 가장 경제적인 대량생산 방법이다. 최근 주목하고 있는 생산 방법은 신재생에너지를 활용한 방법으로서 태양광, 풍력발전을 활용하여 생산된 전기를 활용해 물을 전기분해하며, 이를 통해 수소를 생산한다(수전해 방식을 의미함). 그 외 부생가스를 통한 수소 제조 방법도 검토되고 있다. 하지만 수소는 공기 중에서 확산이 빠르고 점화 온도가 높아 자연적으로 발화하기 힘들며, 다른 에너지와 마찬가지로 안전한 사용을 위해서는 물리적, 화학적, 열에 대한 지식과 이러한 성질을 수용할 수 있는 안전한 방법을 얼마나 고려하느냐에 달려 있다. 현재 정부에서는 수소의 안전한 사용을 위해 ISO(국제표준위원회)에서 국제안전표준을 제정하고 있으며, 수소산업 전반에서는 안전성 검사를 통해 수소의 성질과 특징을 바탕으로 한 안전기술과 사회제도를 지속적으로 확립하고 있다[2]. 이러한 방법을 통해 생산된 수소를 저장, 운송하여 전국의 수소 충전소가 설치/운영되고 있으나 8곳에 불과하며, 전혀 설치가 안 된 지역이 대부분이다(서울 2개, 울산 2개, 광주 2개, 창원 1개, 충남 1개). 2.2. 연료전지의 활용 수소의 용도는 전 산업 분야 및 일상생활에 밀접하도록 활용 분야가 광범위하다. 생산된 수소는 천연 가스개질로서 LNG 기지, 고농도 CO2로 공급되어 농가, 소화기 원료, 탄산수 원료로 활용되거나, 메탄가스 제조가 가능하다. 또한 전기분해하여 고순도 산소를 제조해 의료용 산소로 활용, 재생에너지 단지를 운영, 발생된 전기는 지역/산업단지의 전력으로 활용하거나 수소 파이프라인을 통해 수소 활용 산업에 적용, 수소 ESS에 공급하여 수소연료전지를 가동, 발생되는 열, 전기, 초순수로서 활용할 수 있다. 그 외 수소는 튜브트레일러, 충전용기, 수소 파이프라인을 통해 이송되어 기존 수소사업뿐만 아니라 최근 주목받는 분야에 활용이 가능하다. 수소 충전소로 이송된 경우 수소전기자동차, 버스, 택시, 기차 등 운송 차량의 연료로 활용, 연료전지에 활용되어 전기/열을 생산해 탄소제로 수소마을에 적용될 수 있다. 기존 수소를 활용한 사업 외에 정부 및 연구기관, 기업에서 주목하고 있는 활용 분야는 연료전지에 활용하거나 수소전기자동차에 적용하는 방법이다. 연료전지는 연료를 이용하여 전기를 발생하는 발전장치로서, 연료전지에 쓰이는 연료는 수소 및 수소를 포함하고 있는 탄화수소 등이다. 대부분의 연료전지는 수소를 포함하고 있는 화석연료 및 화합물을 개질하거나 물을 분해하여 얻은 수소를 직접적으로 연료로 사용한다. 즉 이러한 연료가 갖고 있는 화학적에너지를 전기화학적 촉매반응을 통해 전기에너지로 변환하여 전력을 얻는 장치라 할 수 있다. 연료전지는 외부에서 연료를 공급받아 전기를 생산하기 때문에 충전 시간이 빠르고 연료 공급이 가능한 무한대로 전력을 만들어낼 수 있다. 연료전지의 원리를 간략하게 보면, 모든 연료전지는 전해질층으로 분리된 연료극과 공기극이 있는데 연료극에서 수소가 수소 이온과 전자로 나누어진다. 이때 전해질의 고분자 막은 수소 이온만 통과시키고, 막 안쪽의 음극에 전자가 남게 된다. 수소 이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 되고, 양극 사이의 전위차에 의하여 전류가 발생된다. 그림 2. 연료전지의 개략도 연료전지의 가장 큰 특징은 발전효율이 높다는 점이다. 기존의 발전 방식은 연료의 에너지로부터 전기를 얻기까지 과정에서 열/운동에너지를 포함하기 때문에 에너지 손실이 발생되었다. 그러나 연료전지의 경우 전기 발전효율은 운전장치 사용 및 열손실을 감안하여도 30~50% 이상이며, 열병합발전까지 고려하면 전체 시스템 효율은 80% 이상이다[3]. 두 번째는 친환경적이다. 연료전지는 기본적으로 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 발생하는 장치이므로 화력발전, 디젤발전기와 같이 연소 과정이 전혀 없으며, 발생되는 물질은 전기, 물, 열뿐이므로 대기오염물질 및 온실가스를 방출하지 않기 때문에 환경개선에 큰 역할을 한다. 세 번째는 발전 규모 조절이 용이하고, 설치 장소의 제약이 적다. 연료전지는 규모에 따른 에너지전환효율의 변화가 크지 않기 때문에 소형에서도 높은 에너지전환효율을 기대할 수 있다. 그러므로 연료전지는 수W급에서 수십 MW급까지 다양한 용도로 사용하는 것이 가능하며, 소음, 유해가스 배출을 획기적으로 감소시킬 수 있기 때문에 도심 어디에든 설치가 가능하다[3]. 2.3. 수소전기자동차의 활용 수소연료전지차는 기존 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 결합하여 전기를 자체 생산하는 연료전지를 동력원으로 하는 차세대 친환경 자동차이다. 이는 전기자동차로서 엔진이 없기 때문에 배기가스 및 오염물질을 배출하지 않는 무공해 자동차이다. 자동차 내부는 스택, 주변장치(공기압축기, 열교환기 등), 연료공급장치, 모터 및 모터 제어기, 보조동력원으로 구성된다[4]. 수소연료전지차 시장은 도요타, 혼다, 닛산, GM, 현대, 기아차 등이 기술 경쟁을 하고 있으며, 국내에서는 정부의 자금 |
