수소 생태계의 핵심 구성원, 연료전지
수소를 에너지로 바꿔주는 신개념 배터리, 연료전지
미래 친환경 에너지 하면 많은 사람들이 수소를 떠올리실 텐데요. 상용화까지는 아직 갈 길이 멀긴 하지만 많은 기업들이 수소 에너지에 관심을 가지고 있습니다. 이렇게 핫한 수소 에너지 생태계에서 가장 핵심이 되는 심장이 뭐냐고 묻는다면 연료전지라고 대답할 것 같은데요. 전기차에 쓰이는 배터리와는 또 다른 개념의 에너지원으로 에너지 산업의 구조를 바꿔나가는 연료전지, 제대로 알아봐야겠죠?
연료전지에 대하여
연료전지는 영어로는 fuel cell이라고 하며, 수소를 이온화하는 과정에서 화학반응을 이용해 전류를 생성하는 에너지 변환 장치입니다. 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치인데요. 전기차에 쓰이는 우리가 아는 배터리는 2차전지라고 불리는데 반해 연료전지는 한 단계 더 나아갔다고 해서 3차 전지라고 불리기도 합니다.
연료전지는 배터리와 다른 점이 있습니다. 우리가 아는 배터리는 쉽게 얘기해서 전기를 "저장"하는 장치입니다. 역시 내부에서 화학반응이 일어나 전기를 흘려보내 주지만, 배터리는 내부의 연료를 이용해 화학반응을 일으켜 전기를 발생시키고, 충전 시 내부 연료의 구조를 바꿔주어 이후에 또 화학반응이 일어날 수 있도록 준비시킵니다. 반면 연료전지는 전기를 저장하는 것이 아닌, 수소를 전기로 "변환"하는 장치인데요. 연료전지를 충전한다는 뜻은 연료전지에 공급할 수소를 충전한다는 의미입니다. 배터리는 "저장" 장치, 연료전지는 "변환" 장치라고 이해하면 되겠습니다.
연료전지는 내부에 쓰이는 전해질의 상태와 작동 온도를 기준으로 종류를 구분하는데요. 전해질로 쓰이는 물질 이름은 어려운 화학식이라 소개하진 않겠습니다. 연료전지는 종류에 따라 가정용 발전, 수송용 발전 등 여러 곳에 쓰이고 있습니다.
연료전지의 장단점
연료전지의 장점부터 소개하겠습니다. 연료전지는 화석연료를 이용한 발전보다 발전 효율이 높습니다. 연료전지가 수소를 전기로 변환하는 발전기라고 이해했을 때, 일반 발전소보다 가까이 둘 수 있어 송전 효율도 더 좋죠. 게다가 수소를 이용에 화학반응을 일으킬 때 온실가스가 전혀 나오지 않는다는 장점도 있습니다. 온실가스 대신 물이 배출되며, 화학반응을 위해 공기 중의 산소를 사용하기 때문에 그 과정에서 공기 정화 효과도 있습니다.
하지만 연료전지는 현재 기술적인 한계로 인한 단점도 많습니다. 먼저 연료전지에 쓰이는 수소를 생산할 때 화석연료를 태우거나, 이산화탄소를 많이 배출하는 등 친환경적이지 않은 과정이 많습니다. 수소는 자연 상태에서 채집이 불가능하기 때문에 어쩔 수 없죠. 게다가 수소를 충전하기 위해서 필요한 여러 인프라가 많이 부족한 실정입니다. 수소는 운반하기도 힘들고, 충전을 위해서는 고압, 냉각 시설이 필요한데 부피도 크고 기술력도 많이 필요합니다.
연료전지에 필요한 수소는 어디서 가져오나?
현재 수소를 생산하는 방식은 크게 3가지가 있습니다. 첫 번째는 천연가스 등 수소를 포함한 어떤 원료에서 수소를 추출하는 방식입니다. 이를 개질 수소라고 합니다. 이 방식은 세계적으로 보편화되어 있는 방식입니다.
두 번째 방법은 석유화학 공정에서 부산물로 나오는 수소를 이용하는 방식입니다. 이를 부생 수소라고 합니다. 석유화학 공정이 발달한 우리나라에서는 부생 수소를 주로 활용합니다. 하지만 석유화학 공정 자체에서 수소를 사용해야 하기도 하고, 부산물이기 때문에 생산량이 그렇게 많지 않다는 한계가 있습니다.
마지막 방법은 물에서 수소를 분리해내는 수전해 방식입니다. 이 방식이 가장 친환경적인 방법이지만, 비용이 비싸다는 단점이 있습니다. 중장기적으로 친환경 수소를 위해 가장 주목받는 방식이기도 합니다.
연료전지가 갖는 의미
수십 년간 발전소에서 전력을 생산하고, 이를 2차 전지라 불리는 배터리에 저장하는 방식으로 에너지 산업은 흘러왔습니다. 하지만 연료전지는 이 방식을 뒤집고 에너지 산업의 새로운 패러다임이 될 수 있습니다. 기존 발전과 배터리 조합에서는 전기 자체를 저장해야 했습니다. 하지만 연료전지는 에너지를 변환하는 작은 발전소이기 때문에 수소만 저장하면 전기 에너지를 저장하는 효과를 가집니다. 수소가 에너지 저장 수단이 되는 것이죠.
전기는 마치 흐르는 물과 같습니다. 물이 흘러내리듯 전류가 흘렀다면 물을 다시 위로 올려야 재사용이 가능합니다. 이 과정에서 전류를 저장하는 것도 어렵고, 배터리 충전에서 누전이 생기고 수명이 단축되는 한계가 생깁니다. 하지만 수소를 가지고 손쉽게 전기를 만들 수 있게 되면 우리는 수소를 저장해두기만 하면 언제든 쉽게 전기를 사용할 수 있게 됩니다. 흐르는 물을 저장해 두지 말고, 그냥 물을 만들 수 있는 무언가를 저장해두는 개념입니다.
이렇게 에너지 산업이 바뀌는 것도 중요하지만, 연료전지가 이끄는 수소 생태계는 최종적으로 친환경을 지향한다는 의미도 있습니다. 아직은 인프라가 부족하지만, 기술이 발전하면 수소 생태계의 모든 분야는 친환경적으로 돌아갈 수 있습니다.
지금도 연료전지를 기반으로 한 수소 생태계는 점점 발전하고 있습니다. 연료전지 용량은 10배 이상 증가했으며 수소차, 수소트럭, 수소버스, 수소잠수함 등 점점 연료전지를 이용한 수소 모빌리티도 등장하고 있습니다. 연료전지가 열어갈 수소 생태계, 기대되지 않나요?
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