수소경제와 수소기술
수소경제와 수소기술
  • 승인 2006.10.11
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수소산업, 기반산업으로 육성해야
▲ 김우식 한국가스공사 책임연구원
현재 사용되는 주 에너지원인 석유의 가채년수는 향후 약 40년, 천연가스의 경우 약 60년, 석탄은 약 200년으로 예상된다.(에너지경제연구원 자료, 2004년)

또한 지구온난화 방지를 위한 온실가스 감축에 대한 교토의정서가 2005년 2월 발효되면서 선진각국의 환경규제가 강화되고 있고 우리나라도 2차 공약기간(2013~2017년)에 온실가스 감축의무 부담이 현실화 될 것으로 예상된다.

이에 따라 지구온난화에 대처할 수 있는 친환경 에너지의 필요성과 향후 화석연료가 고갈될 경우 대체 요구로서 수소에너지에 대한 관심이 높아지면서 연구개발 사업들이 우리나라를 비롯해 많은 나라에서 수행되고 있다.

수소가 앞으로 전 세계의 에너지 및 환경문제를 해결할 수 있는 대체 청정에너지로서 일반인에게 알려지게 된 직접적인 계기는 2003년 미국 부시대통령이 연두교시에서 수소경제의 필요성과 중요성을 언급하고 수소기술개발에 많은 예산을 투자하기로 한 것이다.

수소에너지 경제는 2010년경부터 진입하기 시작해 2040년경 정착될 것으로 예상된다.

고효율 컴팩트화 기술 반드시 필요
저장기술은 가장 핵심적인 선결요소

수소는 가장 가벼운 원소이며 그 자체만으로 자연 상태에 존재하지 않지만, 에너지를 저장, 운반하는데 유용한 중간매체이다.

수소는 지구상에 가장 풍부한 물질(화합물)인 물로부터 전기분해를 통해 얻을 수 있는데 여기에는 에너지(열)가 필요하다. 태양광, 풍력, 조력, 소수력, 지열 등과 같은 재생에너지원으로부터 생산된 전기에너지를 물의 전기분해를 통해 수소를 제조, 저장하였다가 필요한 시간에 연료전지를 이용, 전기에너지로 다시 변환해사용하는 에너지 개념은 향후 에너지 문제를 해결하기 위한 궁극적인 방향이다.

그러나 아직까지 경제성과 기술 제약조건이 상당부분 남아 있어 과도단계로서 현재 사용 중인 화석연료의 개질을 통한 수소의 이용이 당분간 계속될 수밖에 없다.

수소경제 도입에는 수소생산, 수소저장, 수소이용 및 수소관련 기준, 교육 등이 포함된다.

현재 수소를 대량생산 할 수 있는 방법은 석탄이나 코크스의 가스화, 나프타 또는 천연가스의 수증기 개질, 부분산화, 열분해 등 화석연료 개질방법이 있다. 이중 수증기개질방법이 이미 확립된 기술로서 높은 수율을 얻을 수 있기 때문에 상업적으로 가장 많이 이용되고 있다.

또한 석유화학공업의 부생수소, 식염전해 수생수소, 철강 부생부소를 회수하는 방법이 있다. 수증기 개질반응을 이용하는 수소제조장치의 구성을 보면 탄화수소 연료에 포함된 황 성분을 제거하기 위한 탈황반응 공정, 탄화수소와 수증기를 반응시키기 위한 개질반응 공정, 반응생성물인 일산화탄소의 농도를 낮춰주기 위해 물과 반응시켜 수소를 생산하는 고온 및 저온전환반응 공정이 있다. 반응기들 간에 필요한 열을 공급 또는 제거해 주기위한 열교환기가 설치되고, 고순도 수소를 얻기 위한 정제과정이 필요하다.

이러한 수소제조공정은 1970년대부터 상용화된 것으로서 외국에서는 천연가스 수증기개질에 의한 수소생산에 1,000Nm3/hr급의 대형 시스템이 주로 운용되고 있는데 국내에서도 상용화가 추진 중인 차량용 및 주택용 연료전지에 공급되는 수소를 제조하기 위해서는 수소제조장치의 고효율 컴팩트화 기술이 반드시 필요하다.

수소저장기술은 수소경제 진입에서 가장 핵심적인 선결요소이다.

수소저장기술에는 압축가스실린더, 액체탱크, 금속하이브리드, 화학하이브리드 및 카본나노튜브 등이 있는데 모두 장단점을 지니고 있어 아직 경제성이 확보된 상용화까지는 이르지 못한 상태이다.

저장매체의 부피대비 무게대비 수소 함량을 높이고 기체 및 액체수소의 고압 저장용기에 대한 경제성과 안전성 확보가 해결돼야만 한다.

궁극적으로 수소경제 사회로의 진입을 위해서는 수소를 대량 생산, 배관 등을 통해 운송하는 인프라 구축이 필수적이다.

이에 필요한 경제적, 기술적 문제들이 해결될 때까지는 기존의 천연가스나 연료인프라를 이용한 on-site형 화석연료 수소스테이션이나 태양광, 풍력단지 인근의 on-site형 물 전기분해 수소스테이션이 대안으로 제시되고 있다.

수소는 수소연료전지 자동차와 가정용 연료전지의 보급이 실질적으로 이뤄질 경우 막대한 시장이 창출될 것으로 예상된다. 현재에도 석유화학, 전자, 반도체제조, 제철산업등지에서 그 수요가 꾸준히 증가하고 있다.

수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 무공해 발전을 구현할 수 있는 연료전지는 군사용, 우주용으로 이미 사용된 바 있으며 주택용, 건물용, 발전용, 차량용, 선박용 및 모바일기기용 등으로 앞으로 인류생활 전 분야에 걸쳐 활용될 수 있을 것이다.

연료전지의 발전효율은 약 30~50%로서 내연기관보다 우수하고 온수로 열량을 회수할 경우 총 효율은 약 80%에 달한다. 현재 국내에서도 차량용 및 주택용 연료전지는 시제품 실증단계를 거쳐 모니터링사업 단계로 진입한 상태이지만, 실질적인 상용화를 위해서는 경제성, 신뢰성 및 내구성 확보가 필요한 실정이다.

또한 수소연료전지 자동차는 가솔린차보다 효율이 3배 높으며 소음과 공해가 거의 발생하지 않는 장점이 있지만 가격, 내구성 및 수소인프라 등이 아직 확보되지 못한 상태이다.

수소제조, 운송, 저장 및 연료전지에 관련된 국내 기준과 법규를 제정하는 것도 반드시 필요한 사항이며 수요확보를 위해서는 일반인들의 수소에 대한 막연한 불안감을 줄이기 위한 교육 및 홍보도 체계적으로 실시해야만 한다.

국내에는 천연가스 전국 환산망이 구축돼 있고 수소가 사용될 수 있는 공단이 전국에 고르게 분포돼 있다. LPG차량 및 CNG차량 운행과 충전소 운용 경험이 있다는 것이 수소경제 도입에서 큰 장점이다.

천연가스환상망 구축 ‘장점’
설계기술·국산화기술 개발돼야

또한 자동차산업의 비중이 크고 에너지 수입량이 막대하며 일인당 에너지 소비량도 높아 연료전지의 시장 가능성이 높다는 것이 좋은 기회가 될 수 있다. 화석연료의 수입비중이 높고, 선진국과 비교할 때 수소기술이 매우 부족하다는 것이 약점으로 판단된다.

그동안 국내에서는 수소에너지 시대의 도래시기에 대한 불확실성, 수익성을 확보하기까지 소요되는 막대한 기술개발 투자비 및 장시간의 기술개발 기간 때문에 기업에서 수소기술에 대한 투자가 미비했던 것이 사실이다. 몇 년 전부터 정부차원에서 사업단을 통한 체계적인 기술개발 지원이 시작되면서 여러 성과들이 나타나기 시작하고 있다.

수소제조, 저장, 이용기술개발이 이뤄져 수소경제에 진입하기에 필요한 경제성이 확보될 때까지는 정부차원에서 설치비 및 운영비등을 지원하면서 국가 기반산업으로서 육성을 해야 할 필요가 있다.

또한 국내 수소기술이 외국과 경쟁이 가능하도록 에너지회사, 에너지연구기관, 대학 및 정부기관이 엔지니어링 설계기술은 물론 부품소재 국산화 기술개발에 함께 노력해야만 한다.

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