최근 들어 인공지능 발전은 엄청난 컴퓨팅 파워와 그에 상응하는 상당한 전력이 필요할 것으로 보고되고 있습니다. 따라서 탄소중립을 위한 깨끗한 미래 에너지가 필요한 시점이며 그중 핵심적인 전력발전이 바로 수소발전입니다.
수소발전이란
수소발전이란 단어는 영어로 Hydrogen Fuel Cell Power Plant입니다. 석유, 천연가스 등 화석연료와 같은 에너지에 의존하지 않고 온실가스 배출이 전혀 없는 깨끗한 에너지를 생산하는 혁신적인 기술이죠.
수소발전은 연료전지 방식과 연소방식이 있지만 탄소중립 목표 달성을 위해 연료전지 방식의 수소발전이 대세를 이루고 있습니다. 이러한 연료전지 발전은 태양광, 풍력과 같은 자연에서 나오는 신재생 에너지로부터 생산된 전기를 이용하여 물을 전기분해 함으로써 얻어지는 수소를 연료로 하여 전기를 생산하는 발전입니다.
수소발전 단계
- 1단계 : 수소 생산
- 2단계 : 수소 저장
- 3단계 : 수소 연료전지 -> 전기 생산
위와 같은 단계를 거쳐 수소발전이 이루어 집니다.
수소란? 주기율표 첫번째 원소
수소의 화학적 기호는 H입니다. 라틴어 “Hydrogenium”에서 유래했죠. 지구를 포함하고 있는 우주에서 가장 풍부하게 존재하는 원소입니다. 대략 우주의 70%를 차지한다고 알려져 있죠. 그만큼 별들과 별 사이의 주요 구성 성분이며 태양 에너지의 생성 과정에서 중요한 역할을 하고 있습니다.
수소는 물(H20), 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2) 등 다양한 화합물을 구성하는 요소이며, 혼자서는 잘 있지 못하는 원소입니다. 따라서 누군가와 항상 같이 붙어 있는 습성이 있습니다. 지구에서는 물(H2O)에 가장 많이 함유되어 있으며 생명체의 필수 구성요소이기도 하죠.
따라서 인류의 산업 전반에 활용도가 여전히 높으며, 암모니아(NH3) 생산을 통해 비료 등 제조에 사용되거나 철강을 제련한다던지 유리의 강도를 높이는 데 사용되고 있습니다.
이처럼 수소는 다양한 산업군에서 활용하고 있으며 발전이란 분야에 수소연료전지, 핵융합 에너지 등의 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있죠.
수소발전 원리, 단계
1단계 : 수소생산
수소 생산방식에는 크게 전기 분해를 통한 수소를 생산하는 방식과 화석 연료 개질, 즉 성분을 변화시켜 생산하는 방식으로 나뉘고 있습니다. 즉, 수소를 담고 있는 화합물에서 수소(H)만 추출하는 기술이죠.
(1) 전기분해 생산 방식
일명 그린수소라고 일컫는 생산 방식의 수소로 생산방식 자체에서 온실가스가 전혀 배출되지 않는 기술입니다. 태양광이나 풍력과 같은 신재생 에너지에서 나오는 전기를 활용하여 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해함으로써 수소만 추출하는 생산방식입니다.
미국 정부가 깨끗한 수소 생산을 정책적으로 강력하게 드라이브를 거는 이유 또한 탄소 중립 목표를 달성하기 위한 하나의 방법이기 때문입니다.
전기분해기술에는 3 가지 정도의 수소 생산방식이 있습니다.
알칼리 전해 방식
- 현재 가장 일반적으로 사용하고 있는 기술이며, 수전해조에 전기를 가해 수소와 산소를 분리하는 기술이죠.
- 여기에서 수전해조란 물을 분해하는 기술로 전기를 이용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 기술입니다. 수소 연료 전지와는 반대되는 원리를 가지고 있죠.
- 음극에서는 수소 이온이 전자를 받아들여 수소 가스로 변환되고 양극에서는 물 분자가 전자를 방출하면서 산소 가스로 변환되는 원리를 이용한 것이죠.
- 쉽게 설명하면 음극과 양극 사이에 전해질막이 존재하여 이온만 이동하고 전자는 흐르지 못하게 하는 원리를 이용하여 물에 전기를 꽂으면 수소 가스와 산소 가스로 분리되어 수소는 추출해서 포집하고 산소도 포집하여 필요한 산업분야에 사용되고 있습니다.
고온 증기 전해 방식
- 고온의 증기를 이용하여 수소와 산소를 분리하는 기술이며 에너지 효율이 높은 편입니다. 다만, 고온 상태를 지속적으로 유지해야 하기 때문에 구축 시스템이 다소 복잡하고 인프라 비용이 높은 단점을 가지고 있죠.
생물학적 전해 방식
미생물전해전지(MEC)로 불리고 있으며, 바이오 수소라고 통칭하는 생산방식입니다. 즉 미생물을 이용하여 광합성을 통해 수소를 생산하는 방식이죠. 아직은 기술 자체가 범용적으로 사용할 만큼의 기술 축적이 되지 않고 있기 때문에 세계적으로 생산량 자체는 적은 편입니다.
(2) 화석연료 개질 방식
석유, 석탄, 천연가스 등 화석연료를 개질하여 수소를 생산하는 방식입니다. 다만, 생산하는 방식에서 탄소 배출이 발생되기 때문에 친환경적이지 않기 때문에 대안으로 CCUS(이산화탄소 포집 기술)와 같은 기술을 통해 수소는 추출하고 그 과정에서 배출되는 이산화탄소를 포집하여 수소를 생산하기 때문에 결과론적으로 친환경 개념의 생산 방식입니다. 이러한 수소를 블루수소라고 부르고 있죠.
다만, 100% 이산화탄소를 포집할 수 없기 떄문에 그린수소와 같이 완벽한 무탄소 수소는 아닙니다. 따라서 미국내의 환경단체에서도 말이 많죠.
미국에서는 CCUS 기술을 활용하여 수소를 생산하는 방식까지 청정수소로 정의하고 있으며, 청정수소까지 미래 세대 수소에너지로 규정하고 있습니다.
2단계 : 수소 저장
수소 저장 기술은 과거부터 많은 기술 발전이 있었습니다. 폭발 위험성으로 인한 문제제기로 탄소나노튜브 기술 발전과 함께 저장 용기 또한 안전성을 갖추어 상용화되고 있죠.
수소 저장은 크게 3가지 형태로 나뉘고 있습니다. 그 저장 기술은 압축 저장, 액화 저장, 금속 수소화물 저장 기술입니다.
- 압축 저장 : 수소를 고압상태로 저장용기에 저장
- 액화 저장 : 수소를 극저온상태의 환경에서 액체 상태로 만들어 저장
- 금속 수소화물 저장 : 수소를 금속에 흡수시켜 저장
이외에도 암모니아(NH3) 자체를 저장해 두었다가 수소를 추출하는 방식으로 암모니아를 수소 용기로 접근하는 개념과 기술도 부각되고 있습니다. 그 이유는 현재 많은 산업에서 암모니아를 사용하고 있으며 이미 암모니아 해상운송 인프라, 저장 인프라 등이 구축되어 있기 때문에 별도의 추가 기술이 필요 없이 바로 사용할 수 있다고 알려져 있죠.
3단계, 수소 연료 전지를 통한 전기 생산
수소연료전지는 이미 수소차에 적용되어 있을 만큼 이미 상용화된 기술입니다. 따라서 수소차에 있는 소형 수소연료전지를 발전소 규모만큼의 대형 수소연료전지 시스템을 구축하여 전기를 생산한다면 바로 수소발전의 개념이 됩니다.
1단계처럼 생산된 수소를 저장하였다가 필요할 때 연료전지에 수소를 공급하면 그 연료 전지에서는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기와 열이 발생됩니다. 이때 발생된 전기는 전력 변환 장치를 거쳐 가정용 전기 혹은 차량용 전기로 변환되어 사용되죠.
수소 연료전지 원리
아래 그림은 대표적인 수소 연료 전지인 PEMFC(고분자 전해질 연료전지)로 수소차에 적용되어 있는 연료전지입니다. 아래와 같이 수소가 연료 개념이 되어 전기를 발생시키는 원리를 가지고 있죠.
즉, 수소와 산소를 연료전지에 공급하게 되면 수소이온과 전자의 움직임에 따라 물이 배출되면서 전기가 발생되는 원리입니다.
연료극(음극반응)
수소 전극에서는 수소(H2)가 공급되면 전자(e-)를 방출하면서 산화되어 수소 이온(H+)이 됩니다. 이때 수소연료극은 수소 분해 반응을 촉진시킬 수 있는 촉매가 사용되는데 백금이나 니켈, 탄소 등의 전도성 물질로 제작됩니다. 가장 일반적으로 사용하고 있는 촉매는 백금이죠.
공기극(양극반응)
산소 전극에서는 산소(O2)가 전자(e-)를 받아들여 환원되어 산소 이온(O2-)로 변환되죠. 이때 사용되는 촉매는 백금, 코발트, 망간과 같이 산소 결합에 민감하게 반응할 수 있는 물질로 제작됩니다.
전해질막(고분자)
전해질에 따라 수소연료전지의 종류가 나눠질 수 있는데, 전해질막이 하는 역할은 이온만 이동하고 전자는 흐르지 못하게 하는 역할을 가지고 있습니다.
결국, 수소 전극에서 방출된 전자(e-)가 외부 회로를 통해 양극까지 이동하면서 전류가 발생되며 이때 우리가 사용하는 전기를 얻게 되는 원리를 가지고 있습니다.
수소발전 장단점
수소발전은 온실가스 배출이 없이 깨끗하고 지속 가능한 에너지를 생산하는 기술입니다. 높은 에너지 효율, 무소음, 환경오염 등이 없는 장점을 가지고 있음에 따라 다양한 산업분야에 활용될 수 있습니다. 다만, 여전히 수소발전 생산단가가 화석연료에 비해 비싸며, 관련규제, 수소 생산, 저장 인프라 등이 저변 확대가 되어있지 않기 때문에 막대한 비용이 필요하며 결국 국가 단위의 정부 정책이 절실하죠.
미국의 경우 2023년 DOE(에너지부)에서 수소샷이란 정책들과, 수소 허브 지역 선정, 수소 인프라 구축 등의 상세 로드맵들을 구체화 하면서 수소 관련 정책들을 연이어 발표하였죠. 그만큼 미국에서는 중요한 기술로 보고 있다는 뜻으로 해석할 수 있습니다.
수소발전 장점
- 높은 에너지 효율 : 수소발전은 기존 화석 연료 발전방식에 비해 높은 에너지 변환 효율을 가지고 있습니다. 즉, 동일한 양의 에너지를 가지고 더 많은 효율을 낼 수 있다는 뜻이죠.
- 탄소제로 에너지 : 수소발전은 온실가스를 배출하지 않고 전기를 생산 할 수 있습니다. 따라서 각국의 탄소중립 목표 달성을 위한 핵심 정책 중 하나입니다. 이미 IEA에서도 공식적으로 발표하였죠.
- 무소음 : 수소발전 과정에서 소음이 발생하지 않습니다. 따라서 주민들의 반대 없이 어느지역에서나 수소발전소가 구축될 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.
- 계절과 지역의 편향성 없음 : 수소발전은 태양광이나 풍력, 석유, 석탄과 같이 지역적 편향이 없으며, 계절과 날씨에 무관하게 발전을 할 수 있는 기술입니다.
- 지속가능한 에너지 : 탄소배출이 없는 친환경 에너지이기 때문에 미래세대의 지속 가능한 에너지로 기대하고 있습니다.
- 다양한 산업 활용 : 전력이 필요한 가정용 수소발전, 수소차, 휴대용 연료전지 등과 같이 다양한 산업분야에 널리 활용될 수 있습니다.
- 모듈형 구조 : 수소발전은 모듈형 구조로 설계가 가능하기 때문에 특정 장치 혹은 특정 지역에 설치, 발전이 가능합니다. 따라서 전력의 용량을 조절하기 쉬우며, 확장성이 뛰어납니다.
- 에너지 저장 : 수소는 기체 혹은 액체 상태로 장기간 저장이 가능하기 때문에 필요 수요에 따라 전기를 생산하고 계획적으로 저장할 수 있습니다.
수소발전 단점
- 고비용 : 현재의 수소발전 기술의 생산단가는 화석연료에 비해 상당히 높기 때문에 국가 단위의 대규모 지원책이 필요합니다.
- 수소생산과 저장문제 : 수소는 가벼운 원소이며, 폭발성이 강력하기 때문에 안전의 주의해야 하며, 수소 생산 과정에서 별도의 전력소비가 필요합니다.
- 낮은 온도 성능 : 현재의 수소발전 기술은 주위 환경 온도가 낮아지면 효율이 떨어지는 문제가 있습니다.
- 촉매 단가 : 수소발전을 위해서는 백금과 같은 촉매가 필요하며, 그 단가가 상당히 높기 때문에 수소생산 단가를 낮추는데 어려움이 있으며, 저렴한 대안 촉매 기술이 필요합니다.
- 수소 인프라 부족 : 수소발전을 위한 인프라가 부족한 상황으로 즉, 수소 충전소, 저장시설, 운송 등의 인프라 구축을 위해 막대한 자금이 필요합니다.
| 장점 | 단점 | |
| 환경 영향 | 온실가스 배출 없음 발전 소음 없음 | 물 생산 과정에서 에너지 소비 블루수소의 경우 100% 무탄소 아님 |
| 경제성 영향 | 높은 에너지 효율 장기간 저장, 운송 가능 다양한 산업군에 활용 가능 | 높은 초기 투자 비용 수소생산, 저장 비용 기술 개발 필요 화석연료에 비해 수소 생산 단가 높은 |
| 지속가능성 | 풍부한 물 기반 자원 신재생 에너지와 결합 가능 | 수소 생산 과정에서 전기 소비 발생 |
| 사회적 영향 | 에너지 안보 강화 수소 경제에 따른 직업 창출 경제 활성화 | 안전문제 우려 사회적 에너지 변환 패러다임 인식 변화 필요 |
| 기술적 영향 | 수소 생산 기술 개발 수소발전 기술 개발 | 국가 단위의 막대한 지원금 필요 |
수소발전과 화석연료발전 차이점
친환경적인 수소발전과 화석연료를 기반으로 하는 발전과의 차이점은 아래와 같이 비교할 수 있습니다.
| 구분 | 수소발전 | 화석연료발전 | 원자력발전 |
| 연료 | 수소 | 석탄, 석유, 천연가스 | 우라늄 |
| 연소시 부산물 | 수증기 | 이산화탄소, 질소 산화물, 황산화물 | 방사성 폐기물 |
| 환경 영향 | 낮음 | 높음 | 중간(상대적) |
| 지속가능성 | 높음 | 낮음 | 중간 |
| 에너지 효율 | 높음 | 중간 | 높음 |
그만큼 기후변화 대응을 위한 전력수요 측면에서는 수소발전이 유리할 것으로 예상되고 있죠.
수소발전 전망
IEA(국제에너지 기구)에서는 수소발전(수소연료전지)을 지속 가능한 에너지 시스템의 핵심 기술로 보고 있습니다. 그만큼 미래에는 기후변화 대응을 위한 탄소중립 목표 달성이 절실할 것입니다. 수소발전은 깨끗하고 지속 가능한 에너지를 생산하는 기술이기 때문에 국가정책, 기업들의 기술발전, 시민들의 에너지 사용 인식변화가 중요하며 그만큼 국제적으로 협력이 절실합니다.
결국, 더 나은 미래를 위해 지속 가능한 에너지 생산 기술인 수소발전의 기술을 발전시키고 범용적으로 상용화할 필요가 있어야 할 것으로 보고 있습니다.