수소 : 천연가스의 대체제
수소 자원 혁명
# 배경
가족들과 함께 차를 타고 이동 중에 항상 엄마에게 자주 들었던 이야기가 있다. 우리가 사는 동네에 수소 충전소가 들어섰다는 이야기이다. 그래서인지 부모님은 수소차에 대해서 굉장히 긍정적인 이미지였다. 반면에 나에게 수소차라는 이미지는 아주 먼 훗날의 이야기처럼 느껴졌다. 지금 내연기관을 전기차로 전환시키는 것도 완전히 이루지 못했는데 생산하기도 어렵고 인프라도 구축되지 못한 수소차가 과연 전기차 시장의 한계를 극복할 수 있는 game changer가 될 수 있을지 의심이 들었다. 하지만 그러한 엄마의 주장에 반박할 정도로 지식도 없었던 차라 모르는 상태에서 반박할 수 없었기에 일단 조금이라도 무엇인지 알고 말하자는 생각으로 수소에 관련된 책을 찾다가 ‘수소 자원 혁명’이라는 책을 고르게 되었다.
## 요약
수소 에너지가 언급된 가장 큰 이유는 2050년까지 넷제로(net-zero)에 달성하겠다는 국제 발표에 의해서이다. 기존에 사용되고 있는 화석연료의 사용을 최소화하고 완전한 탄소배출 zero를 이루는 것의 핵심이 될 것이다.
1. 수소 생산방식
수소의 생산방식에 따라 그 종류가 나뉘게 된다. 주로 산업계에서는 색을 기준으로 구분하고 있다. 핑크수소, 청록수소 등 다양하지만 우리가 주의 깊게 봐야 할 수소는 그레이 수소, 블루 수소, 그린 수소이다.
그레이 수소는 기존에 사용되고 있는 화석연료에서 만들어진 에너지를 이용해서 정제하는 과정의 개질 과정에서 촉매와 산소와의 반응을 통해서 만들어내는 수소가스이다. 화석연료를 그대로 사용하고 있기에 현재 가격이 비교적 저렴하다는 장점이 있으나 수소의 가장 큰 장점이라고 할 수 있는 청정에너지라고 칭할 수는 없다. 현재 사용되고 있는 대부분의 수소가스는 이러한 방식을 통해서 생산되고 있다.
블루 수소는 이러한 그레이 수소를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 과정이 포함된 수소를 말한다. 학과 수업 중에 CCS라는 기술을 익히 들어왔는데 단순히 이산화탄소를 매장하는 것이 아니라 수소 생산을 위해서 사용된다는 점은 처음 알았다.
그린 수소는 가장 이상적인 수소가스이다. 재생가능발전을 통해서 생산된 전기를 이용해서 물 전기분해 방식을 이용해서 수소 가스를 얻는 방법이다. 현재에는 전기분해 기술이나 재생에너지를 사용하는 점의 지리적 한계점을 이유에서 수소가스 1kg당 5달러로 비교적 비싸다. 하지만 이산화탄소를 전혀 발생시키지 않는다는 점에서 완전한 청정에너지라고 말할 수 있다.
2. 수소로 전환되어야 하는 이유
2050년까지 달성하겠다는 넷제로 정책이 가장 큰 영향이다. 아무리 전기차를 사용한다고 해도 근본적으로 전기를 생산하고 운송하는 데에 있어서 이산화탄소가 발생하게 된다. 수소의 경우 밀도가 작고 매우 가볍다는 특징이 있다. 따라서 전기차와 같이 무거운 배터리를 싣고 다닐 필요가 없기에 연비향상에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 전기차의 경우 충전하는데 짧아야 30분이 걸리지만 수소차의 경우 아무리 느려야 15분의 연료충전 시간이 필요하며 이는 내연기관의 연료를 채우는 시간과 유사하다. 이러한 충전 속도는 시간의 싸움인 운송업에서 가장 큰 이득을 가져올 수 있다.
전기의 경우 송전탑과 같이 값비싼 이동망을 새로 지어야 한다. 우리나라의 경우 국토가 작고 도시 밀집 국가여서 그 영향이 덜하지만 다른 국토가 큰 국가의 경우 별도의 송전탑을 세워야 한다. 이러한 이유로 ESS 등 산업의 필요성이 각광받고 있는 것이다. 하지만 이러한 배터리는 에너지 사용량이 많은 겨울철에만 잠시 사용되고 아무리 배터리 가격이 하락했다고 하더라도 그 비용이 매우 크다. 수소는 기존의 천연가스를 이동시킬 수 있었던 파이프관을 통해서 운반이 가능하다. 물론 수소와 반응하지 않는 특수 보수가 필요하겠지만 그 비용은 송전탑 설치 비용에 비하면 굉장히 저렴하다. 또한, 수소 저장의 경우에서도 파이프관을 그대로 저장 공간으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
넷제로라는 목표에 있어서 전기의 대체제가 필요하다. 온전한 넷제로를 대체하기 위해서 천연가스와 석유의 사용을 완전히 중단하고 난 뒤, 전기에 대한 공급이 끊기거나 비상상황의 전기 손실이 발생하여 갑작스러운 에너지 공급이 필요할 때 적절하다. 수소의 경우 강력한 인화성 물질로 바로 에너지로 사용가능하다는 장점이 있다.
3. 수소의 한계
수소의 특징인 밀도가 작다는 점에 있다. 밀도가 작아서 차지하는 부피가 매우 크다. 따라서 강력한 수축을 통해서 운송해야 하는데 이러한 압력을 견딜 수 있는 관도 필요하다.
자동차의 경우, 수소가 사용되기 위해서는 큰 부피를 극복하기 위해서 액화하여 사용해야 한다. 이러한 액화 과정을 거치는데 현재 기술부족으로 비용이 발생하고 액화 가능한 낮은 온도를 유지할 수 있어야 한다.
그린 수소를 생산하기 위해서는 재생가능발전을 통해서 생산되어야 하는데 이러한 재생가능발전이 이루어질 수 있는 규모의 경제가 이루어져야 한다. 그러기 위해서는 지리적 한계점을 가지게 되는데 현재 아프리카, 미국, 중국을 그 대상으로 보고 있다. 이러한 에너지를 파이프를 통해서 운송해야 한다.
현재로서 그 비용이 비싸다. 그린수소를 이루기 위한 전기분해 방식은 현재 많이 저렴해졌다고는 하나 화석연료에 비하면 비싼 편이고 앞으로 이러한 전기 분해 방식의 연구가 활발히 이루어져야 한다.
4. 수소로의 전환을 위한 노력
규모의 경제가 필요하다. 현재 실제로 천연가스와 수소가스를 섞어서 사용가능하다. 따라서 수소 소비를 늘리기 위해서 7% 정도 섞어서 천연가스로 사용하게 하면 소비자가 아주 적은 비용을 추가로 지불하면서 수소 산업의 발전을 유발할 수 있다.
충전속도가 빠르고 장거리를 이동할 수 있다는 점을 이용해서 버스나 화물차에 우선적으로 적용한다. 매우 가볍다는 특징을 이용해서 항공에 적용한다. 현재 화석연료 슬러리를 이용해서 운항하고 있어서 많은 오염물질을 발생하는 선박에 적용한다. 적은 충전소로도 충분히 운행 가능한 기차에 적용한다. 이렇게 차등적으로 적용하다 보면 충전소 인프라와 수소경제를 갖춤으로써 소비자와 정부의 정책에 더 가까워질 수 있을 것이다.
### 후기
수소라는 에너지가 막연하게 깨끗한 에너지라고만 생각하고 있었는데 다양한 이점이 있다는 것을 알게 되었다. 하지만 현재로서는 많은 어려움이 있음을 알게 되었고 오히려 이러한 부분들을 이용해서 만약에 연구를 하게 된다면 수소 분야의 연구개발에 대한 흥미를 가질 수 있었던 부분이었다. 가능하다면 전기분해에 필요한 희토류 광물 대신에 상용할 수 있는 다른 금속, 광물들에 대해 연구하고 저렴한 전기분해 기기를 개발할 수 있으면 좋겠다고 생각했다.
이러한 기술적인 도서를 읽은 것은 논문을 제외하면 처음이었기에 매우 오랜 시간이 걸리고 완벽히 이해를 하지 못하고 넘어가는 부분도 상당히 있었던 것 같다. 이해하지 못하는 용어나 장비가 나오면 검색해 가면서 읽어야 했기에 매우 힘들었던 것 같다. 하지만 다른 인문학적 도서에 비해서 전공 지식이 간간이 나오고 엮어서 생각할 수 있다는 점에서 지식을 습득할 수 있었던 것 같다.
일론 머스크가 수소에너지에 대해서 강하게 비판하는 영상을 본 적이 있다. 영상에서는 왜 굳이 전기를 수소로 바꾸고 다시 전기로 바꿔서 저장하냐면서 회의적인 입장을 가진 일론 머스크의 인터뷰가 담겨있었다. 하지만 이 책에서 내가 본 그 인터뷰 영상에 나오는 일론 머스크를 다시 비판하는 글귀가 있다. 글에서는 배터리의 무거운 무게는 결국 수소에너지가 극복할 것이라고 말하고 있다. 자신이 옳을 것이라고 장담했던 일론 머스크가 과연 옳았는지 아니면 이 책의 저자의 말이 옳았는지 2050년쯤에는 확인할 수 있었으면 좋겠다.
