수소는 탄소 배출 없이 깨끗하고 지속 가능한 에너지원으로 주목받고 있습니다. 따라서 다양한 산업분야에서 탄소중립을 통해 미래에 지속 가능한 에너지원으로 도입하려는 노력이 활발하게 연구개발되고 있습니다.
전력발전 활용
화학, 석유정제산업 활용
철강산업 활용
교통 산업 활용
우리가 모르는 미래의 수소 활용 분야
수소는 미래의 에너지원으로 막대한 잠재력을 지니고 있습니다. 하지만 현재는 수소 생산단가가 화석연료에 비해 터무니없이 비싸며, 관련 산업 인프라가 부족하기 때문에 활용성 측면에서 불리합니다. 하지만, 미국, 유럽, 중국 등 세계 각국에서 수소 에너지 리더 자리를 확보하기 위해 수소 관련 정책, 인센티브를 제공하면서 수소 경제를 구축하기 위한 구체화된 정책들을 제시하고 있습니다.
수소 경제는 국가단위의 지원이 없으면 불가능한 산업이기 때문에 지구촌 탄소중립을 위한 목표 달성을 위해 세계 각국이 노력하고 있는 상황입니다.
이러한 노력이 앞으로 구체화되고 산업화된다면 아래와 같은 수소 산업들이 탄소중립을 위한 일정 부분 역할을 할 것으로 기대하고 있죠.
| 분야 | 활용 가능성 | 영향 |
| 발전 및 에너지 | 수소연료전지 발전소 수소 저장, 운송 시스템 | 온실가스 배출 감소 국가 스스로 에너지 안보 확보 에너지 안정적 공급 신재생 에너지 활용 확대 |
| 교통 분야 | 수소연료전지 자동차 수소연료 항공기 수소연료 선박 | 대기 오염 감소 석유 의존도 감소 해양오염 감소 자동차 산업 변화 |
| 철강, 화학 분야 | 수소환원제철 기술 수소를 이용한 석유화학 제품 생산 수소연소를 이용한 유리 용해 | 철강 산업 탄소 배출 감소 석유 의존도 감소 친환경 석유화학 제품 생산 새로운 산업 촉진 대기 오염 감소 |
| 주거, 건축 분야 | 수소 연료전지 난방 시스템 가정용 수소 시스템 개발 | 친환경 난방 시스템 에너지 자립도 향상 에너지 비용 절감 |
| 기타 | 수소 연료 전지 비상전원 시스템 수소 연료 우주선 등 | 전력 공급망 확보 소규모 전력 발전 안전망 강화 재난 대비 역량 강화 |
1. 전력발전에 활용
수소연료 전지 발전
대표적으로 가장 많이 알고 있는 수소 연료전지 발전 분야에서 활용이 가능합니다. 수소를 연료로 하여 전기를 생산하는 방식이며, 소형, 중형 등 공급 용량에 맞춰 모듈형태로 발전소를 맞춤형으로 제작할 수 있습니다. 풍력이나 태양광과 같은 재생에너지를 사용하여 전기를 만든 후 그 전기를 가지고 수소 연료전지를 작동시켜 수소를 만들어내는 방식이 그린수소로 불리며 완벽한 탈탄소 에너지원입니다.
수소를 이용한 발전은 탄소배출이 없으며, 지역적 편중이 없이 활용될 수 있습니다. 즉, 태양광과 풍력발전은 지역적인 편차가 심하며, 우리나라에는 발전 효율이 그다지 높지 않죠. 하지만 수소는 태양, 바람이 없이도 어느 곳에서나 탄소배출 없는 전력을 생산할 수 있는 특징이 있습니다.
수소-가스 혼합 발전
수소와 천연가스를 혼합하여 연료로 사용하는 발전 방식입니다. 장점으로는 기존의 발전소 인프라를 그대로 사용하면도 추가적인 개조만 있으면 사용가능 합니다. 동시에 탄소 배출량을 감축함으로써 탄소중립의 역할을 할 수 있을 것으로 기대하고 있죠.
그렇지만, 탄소배출량 제로를 뜻하는 것은 아닙니다. 기존 화석연료 발전에 비해 탄소 배출량이 크게 감소할 수 있다는 뜻이죠. 미세먼지의 주요 발생원인인 질소산화물(NOx), 황산가스(SOx) 배출량이 제로가 아닌 감소를 뜻합니다.
수소가스 혼합발전은 기존 천연가스보다 수소의 에너지 밀도가 높기 때문에 발전 효율을 증가시킬 수 있기 때문에 이점 또한 장점으로 알려져 있습니다.
| 구분 | 장점 | 단점 |
| 환경 | 탄소 배출 감소 탄소 중립에 기여 | 완벽한 탈탄소 시스템은 아님 |
| 대기오염 | 질소산화물, 황산가스 배출 감축 | |
| 발전효율 | 수소가 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 발전 효율 향상 | |
| 에너지 저장 | 지정학적으로 편중되어 있지 않음 (태양광, 풍력은 지정학적 고정된 에너지임) | 수소의 저장밀도가 낮아 저장공간 확보 어려움 |
| 경제성 | 국가 정책으로 경제성 기대 | 현 수준 수소 생산 단가 높음 |
| 기술 | 기존 발전 설비 활용 가능(단, 개조 필요) | 현 수준 수소 서장, 운송 인프라 부족 |
| 안전성 | 수소는 가연성이 높기 떄문에 안전 관리 필수 |
2. 화학산업에 활용
수소를 이용한 암모니아 생산
수소와 질소는 화학적으로 매우 안정적이기 때문에 일반적인 조건에서는 반응하지 않습니다. 즉 순수하게 수소를 이용하여 암모니아를 생산할 수는 없습니다. 따라서 반응을 시키기 위해서는 외부 에너지가 필요하죠.
결국 수소를 연료로 하여 암모니아를 생산하는 방식은 불가능하며, 암모니아를 생산하기 위해서는 촉매 반응이 필요합니다.
즉, 촉매라는 외부에너지를 이용하여 암모니아를 생산할 수 있는 대표적인 방식인 하버보슈법을 예를 들 수 있습니다.
하버보슈법(Haber-Bosch process)은 가장 일반적으로 사용되는 암모니아 생산방식으로 고온(350~550도씨), 고압(150~300atm) 조건에서 철 촉매를 사용하여 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성하는 방식입니다.
대량생산에 적합하며 오래전부터 사용된 안정적인 공정이죠. 상대적으로 생산 비용도 저렴합니다. 다만, 고온 고압 공정이 필요하기 때문에 많은 에너지가 필요하며, 탄소 배출이 발생한다는 점이 단점으로 꼽히고 있습니다.
수소를 이용한 메탄올 생산
수소와 일산화탄소가 혼합된 합성 가스를 생산하고 그 합성가스를 촉매 반응을 통해 메탄올을 생산할 수 있습니다.
촉매로는 구리가 사용되고 있으며, 대량 생산이 가능한 안정적인 공정으로 알려져 있습니다. 생산 비용 또한 저렴해서 현재 대중화된 공정으로 자리 잡고 있습니다.
수소와 이산화탄소를 이용하여 메탄올을 생산할 수 있습니다. 대기 중 이산화탄소를 포집하거나 발전소 배출가스로부터 이산화탄소를 포집하여 포집된 이산화탄소와 수소를 촉매 반응을 시켜 고온 고압 조건에서 메탄올을 생산할 수 있습니다. 다만, 생산 단가가 불리하며, 상용화 개발 단계에 있는 방식입니다.
3. 철강산업에 활용
최근 온실가스 배출량 감소를 목표로 친환경적인 철강 생산을 위해 수소를 환원재로 활용하는 기술이 개발되고 있습니다. 그 방법으로는 대표적으로 수소환원제철 방식이 있습니다.
수소환원제철방식
수소환원제철 방식은 녹색 철강으로도 불리며, 수소를 이용하기 때문에 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있는 방식입니다. 기존의 방식은 석탄과 코크스를 사용하여 철광석을 환원했는데 이 과정에서 이산화탄소가 배출되는 것이 문제였죠. 하지만 수소를 이용하여 철광석을 환원하기 때문에 이산화탄소 배출이 크게 감소하는 공정으로 알려져 있습니다.
쉽게 예를 들면, 철광석을 가루형태로 만들고 수소가스와 섞어 고온 반응로에 주입시킵니다. 마치 오븐에 빵을 굽는 것과 비슷하며, 이 과정에서 가공이 가능한 해면형태의 철로 변합니다. 이후 해면 형태의 철을 전기로에 넣고 액체상태의 철로 만들어 냅니다.
이후 다양한 종류의 강철 제품이 생산될 수 있죠.
수소 연료 전지의 활용
용광로, 압연 공정 등에서 발생하는 열을 활용하여 수소 연료전지를 통해 전기를 생산하고 생산 공정에 활용할 수 있습니다.
4. 교통산업에 활용
자동차, 버스, 트럭, 드론 등 활용
우리가 가장 잘 알고 있는 수소 연료 전지 자동차에 활용가능합니다. 수소를 연료로 전기를 생산해 모터를 이용하여 자동차를 구동하는 방식이죠. 탄소배출이 전혀 없으며, 전기차에 비해 충전속도도 빠르고 주행거리도 긴 것이 특징입니다.
이렇게 교통산업에 활용되기 위해서는 기술적 발전과 경제성 확보를 국가 단위의 정책이 필요합니다.
기술적 발전
고성능 연료전지 : 현재보다 더 높은 출력과 내구성을 가진 연료전지 개발이 필요합니다. 그에 따라 촉매 개발 및 분리막 기술 개발이 이루어지고 있습니다.
- 저렴한 수소 저장 기술 : 압축 수소나 액화수소를 안전하고 효율적으로 저장할 수 있는 기술 개발이 필요하며 저장 소재 개발, 저장 비용 절감에 대한 연구개발이 필요합니다.
- 수소 인프라 구축 : 인프라 구축은 막대한 비용이 필요하며 수소 생산단가를 낮추기 위한 노력, 운송 방법, 저장 방법, 주유 시설 등 수소 활용을 위한 인프라 구축이 필요합니다.
경제성 확보
현재 가장 큰 장애물은 수소의 생산 단가가 화석연료 단가에 비해 높다는 점입니다. 대량 생산 및 생산 방식 개선 등을 통해 수소 가격 인하가 필요적입니다.
다만, 여전히 수소 생산 단가가 기존 화석연료보다 높아 경제성에는 불리하지만 중국, 미국, 유럽 등 국가단위의 구체적인 정책들이 2024년 현재 쏟아지고 있는 상황으로 앞으로 에너지 전력원으로써 일정 부분 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.
결국, 수소를 연료로 하는 운송수단인 자동차, 버스, 트럭, 드론 등이 개발되고 있으며, 상용화가 진행되고 있습니다.