수소 에너지는 미래의 지속가능한 에너지로 불리고 있습니다. 물의 전기분해를 통해 생산되는 수소는 이산화탄소를 배출하지 않고, 연료전지를 이용하여 전기를 만들 수 도 있습니다. 다만, 현재 생산단가, 운송, 저장 등 해결해야 할 점들도 분명히 존재합니다.
수소란?
수소(H)는 우주에서 약 75%를 차지할 만큼 풍부한 원소이며, 주기율표에서 1번을 가지고 있을 만큼 가장 가볍습니다. 지구상의 물과 모든 유기 화합물에 포함되어 있으며 다양한 화학적 특성을 가지고 있죠. 그 이유는 수소의 작은 크기 때문이며, 다른 원소들과 쉽게 결합할 수 있는 이유입니다. 또한 그만큼 색깔도 없으며 냄새도 없고 맛도 나지 않습니다.
이러한 수소는 연소반응에서 발생하는 에너지가 있는데 이 에너지가 수소를 에너지원으로 활용하는데 중요한 역할을 합니다.
- 2H2 + O2 -> 2H2O + 에너지
다만, 수소는 공기 중에 수소가 20% 이상 혼합되면 폭발 위험성이 있을 만큼 가연성이 높기 때문에 위험할 수 있지만 결국 이 반응이 연료로 활용될 수 있음을 의미하기도 합니다.
수소의 활용
철강 산업
철강 산업은 전 세계에서 가장 많은 온실가스를 배출하는 산업으로 알려져 있습니다. 따라서 탄소 배출을 줄이는 기술이 미래의 기술이며 결국 수소를 활용하여 온실가스 배출을 줄이려고 하는 노력을 기울이고 있습니다.
그중 코크스를 대체할 수 있는 수소가 주목받고 있습니다. 철강 생산 공정에서 높은 열이 필요로 하는데 코크스는 특정 고온까지 높이는 역할을 합니다. 이 과정에서 많은 양의 온실가스가 배출되는 것이죠. 이때 수소를 대체함으로써 온실가스 배출을 줄이고자 하는 목적이 있습니다. 다만 대표적으로 물이 배출되기 때문에 고온을 유지할 수 있는 시스템 기술 등이 필요하며, 상용화 측면에서 기술 발전이 필요한 상황입니다.
결론적으로, 수소는 코크스보다 에너지 밀도가 높기 때문에 동일한 양의 열을 발생시키는데 더 적은 양의 수소가 필요하며 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 깨끗한 에너지로 주목받을 수 있는 것이죠. 이외에도 용접, 열처리, 탈황 등 다양한 철강 생산 공정에서 수소가 활용될 수 있습니다.
자동차 산업
자동차 산업의 수소 역할은 대중들에게 가장 잘 알려진 수소차이며, 그 종류로는 수소연료전지 자동차와 수소 내연기관 자동차를 활용분야로 예를 들 수 있습니다.
수소연료전지를 활용하여 전기를 만들어 낸 다음 그 전기로 모터를 구동시켜 자동차의 동력을 얻는 방법과 일반 내연기관 자동차처럼 수소를 연소시켜 동일한 메커니즘으로 자동차를 구동시키는 역할을 할 수 있습니다.
다만, 현재는 수소연료전지(FCV, Fuel Cell Vehicle)를 활용하여 자동차를 구동시키는 차를 일반적인 수소차로 부르고 있습니다. 수소연료전지 자동차는 배기가스 대신 수증기를 배출하기 때문에 완벽한 친환경 차량에 속하고 있죠.
이외에도 동력이 필요한 지게차, 화물차 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
유리 제조 산업
유리 제조에서는 석유의 코크스가 필수적인 연료입니다. 코크스는 석유를 정제하는 과정에서 발생하는 부산물이며, 유리에 높은 내구성과 광택을 부여하죠. 이때 석유 코크스 생산 과정에서 수소가 촉매역할을 하여 석유 코크스와 가스로 분리하는 역할을 하고 있습니다.
또한 용광로를 가열하기 위해 화석연료를 사용하여 현재까지도 막대한 이산화탄소 배출을 하고 있지만, 수소를 가열 연료로 사용하여 이산화탄소 배출을 낮출 수 있는 대체 가능성이 높습니다.
수소발전 분야
수소발전은 수소를 연료로 전기를 생산하는 발전입니다. 수소 연소 방식 혹은 수소 연료 전지를 통한 방식이 있으며, 친환경적인 발전은 수소 연료 전지 발전이 더 가깝습니다. 수소 연소 방식은 소량의 질소 산화물이 배출되기 때문입니다. 다만 기존의 화석연료 내연기관보다는 훨씬 낮은 수준이죠.
수소 연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 장치이며, 이러한 발전 과정에서 나오는 배출물은 물이기 때문에 친환경 발전으로써 역할을 할 수 있습니다.
수소에너지 장점
수소 에너지는 화학적으로 탄소가 없기 때문에 이산화탄소를 배출하지 않습니다. 따라서 대표적으로 미래의 지속 가능한 에너지로 주목받고 있습니다.
상대적으로 화석연료보다 에너지 밀도가 높습니다. 즉, 1kg당 더 많은 에너지를 가지고 있죠. 따라서 장거리 에너지 운송이나 휴대용 에너지원으로 활용할 가능성이 높습니다.
전력을 생산하는 발전뿐만 아니라 교통, 난방, 산업 분야에서 활용될 수 있습니다. 즉, 수소경제를 이룰 수 있습니다. 이러한 의미는 단편적인 에너지 수준을 넘어 해양 운송, 저장, 발전, 각종 산업분야의 활용성이 폭넓기 때문에 대규모 경제를 이끌 수 있는 미래 에너지로 기대하고 있습니다.
수소 에너지가 활용된다면, 국가 단위의 에너지 자립도를 높일 수 있습니다. 즉, 자국에서 수소를 생산하고 사용하면서 에너지 안보 강화에도 기여하게 됩니다.
또한 수소는 물을 전기분해하여 생산할 수 있기 때문에 일부 나라에 편중되지 않아 자국에서 수소를 생산할 수 있습니다.
결국, 수소 에너지는 대규모 경제를 이끌 수 있는 에너지이기 때문에 생산, 저장, 운반, 활용 등 다양한 분야에 일자리가 만들어질 것으로 알려져 있습니다.
수소에너지 단점
현재 수소의 최대 단점으로는 생산단가입니다. 최소 수소 1kg당 1달러 이하의 채산성이 있어야 화석연료와 비교 시 경쟁력이 있다고 알려져 있습니다. 하지만 현재 5~8달러 수준이기 때문에 여전히 경쟁력 측면에서 단점이죠.
즉, 전기 분해 방식이 전력을 생산하는 단가가 높기 때문입니다. 따라서 경쟁력을 갖추기 위해서는 기술 개발 혹은 규모 경제를 달성해야 합니다.
또한 수소 에너지는 저장, 운송에 대한 어려움이 있습니다. 수소는 가스 상태로 존재하기 때문에 고압 저장탱크나 액화 수소 기술이 필요하며, 안전성도 확보해야 합니다.
추가로 수소 경제를 이루기 위해서는 인프라 확보가 필요합니다. 생산, 운반, 저장, 충전소 등 실용화를 위해서는 막대한 투자비용이 필요하며 국가 단위의 투자, 정책 등 상당한 시간이 필요합니다. 다만, 미국, 유럽 등은 수소 경제를 이루기 위해서 구체화된 정책들을 발표함으로써 수소 경제의 초석을 다지고 있습니다.
| 장점 | 단점 | |
| 친환경성 | 이산화탄소 배출 X 화석연료 대체 가능성 미래 지속 가능 에너지 | 수소 생산 과정서 이산화탄소 배출(CCU 기술) 수소 연소 과정에서 질소 산화물 소량 배출 |
| 에너지 밀도 | 에너지 밀도 높음(석탄 대비 3배) 대용량 에너지 저장에 적합 | 고온, 고압 저장, 생산 기술 필요 |
| 다양한 활용도 | 교통, 발전, 산업 등 실용화 가능 수소차 보급 확대 가능 철강, 화학등 친환경 공정 도입 가능 | 수소 생산 단가 높음(화석 연료 대비) 가격 경쟁력 미흡 수소 산업 인프라 부족 |
| 에너지 보안 강화 | 세계 지역적으로 편중되어 있지 않음 해외 수입 의존도 낮출 수 있음 자국 에너지 자원 활용 가능 | 수소 생산, 활용 기술 확보 어려움 수소 생산 기술 의존도 |
| 일자리 창출 | 수소 경제로 대규모 일자리 창출 관련 산업 경제 활성화 촉진 | 숙련된 인력 양성 필요 |