청소년 에너지 입문서[수소에너지 백과사전_2]
Hydrogen has the lightest properties among gases, and when leaked into the air, it quickly disperses upwards, reducing explosion risks. Its high autoignition temperature makes it less prone to spontaneous ignition, classifying it as a safe fuel. However, since the flame is not visible, leak detection devices are necessary. Currently, the adoption of LPG vehicles is increasing in South Korea, and plans are underway to expand the use of hydrogen energy.
수소는 안전한가요?
우리가 발 딛고 선 땅 속 깊은 곳에는 보이지는 않지만, 여러 개의 파이프가 묻혀 있다. 우리가 사용할 물이 흐르는 상수도관, 사용한 물이 버려지는 하수도관, 주유소로 연결되어 있는 유관, 땅 위에서 땅 속으로 내려온 전기선, 현대사회에 없어서는 안 될 통신선, 그리고 그 중 하나가 바로 도시가스관이다.
도시 곳곳을 촘촘히 하나의 그물망으로 뒤엉켜 있는 도시가스 배관을 통해 우리는 쉽고 깨끗하게 연료를 사용할 수 있다. 또 통에 담겨서 사용하는 LPG는 어떠한가? 도시가스관이 닿지 않는 산동네나 농촌 마을 외딴집에서 쉽고 편하게 가스를 사용할 수 있도록 해준다.
택시 트렁크를 열면 LPG 연료탱크를 볼 수 있다. 택시 회사나 개인택시 사업자는 싸고 편하게 도심에서 탱크에 가스를 충전할 수 있다. 우리가 살고 있는 도시는 가스 없이는 살아가기 어렵게 되었다. 땅 속에서도 땅 위에서도 가스는 우리 생활 속에 편리함을 심어주고 있다.
수소는 200여 년 전 영국 등 유럽에서 석탄가스와 함께 도시가스로 사용되다가 1980년경 지금 우리가 사용하는 LNG와 LPG로 교체되었다. CNG와 LNG는 땅속 가스에서 생산되며 LPG는 석유를 정제하는 과정에서 생산되는 가스를 말한다. LNG를 '액화천연가스', LPG를 '액화석유가스'라고 부르는 이유이다. 원유에는 오염물질이 많아 채굴한 그대로 사용할 수 없다. 정제 과정에 따라 디젤과 벙커C유, 휘발유 등으로 분류된다. 정제 과정이 많을수록 사용할 때 대기오염을 유발하는 물질이 더 배출되고 공정이 복잡해지기 때문에 가격은 올라간다.
가스의 안전성을 평가할 때 통상 두 가지 성질을 본다.
그 중 하나는 연소범위다. 연소범위란 우리가 사용하는 가스가 공기 중으로 누출되었을 때, 불이 붙거나 폭발이 일어날 수 있는 범위를 말한다. 연소범위가 어느 정도냐에 따라 위험성을 평가할 수 있다. LPG의 경우 공기 중에 약 1.89.5%가 존재해야 연소나 폭발이 일어날 수 있으며, 메탄을 주성분으로 하는 LNG, CNG 등 도시가스의 경우 공기 중에서 515%의 연소범위를 갖고 있다. 그렇다면 수소는 어떠할까? 수소는 4~75%의 연소범위를 갖고 있어 수치의 폭만 보면 수소가스는 모든 가스 중 가장 위험하다고 여겨질 수 있다.
그러나 두 번째 기준점인 가스 무게를 보면 그 생각은 달라진다. 공기의 무게는 약 29g이다. 공기보다 무거운 가스는 공기 중에 섞였을 때 바닥으로 가라앉으며, 공기보다 가벼운 가스는 위로 확산되어 대기 중으로 날아가게 된다. 수소는 공기보다 가볍다는 게 강점이다.
LPG, LNG, 그리고 수소, 똑같은 양의 이 세 가지 물질이 공기 중으로 누출되면 어떤 물리적 차이를 보일까?
세 가지 가스 중 가장 무거운 가스는 LPG로 무게가 44~58g이다. 공기 중에 누출되었을 경우 공기보다 약 1.5배에서 2배나 무거워 바닥에 가라앉고 쉽게 확산되지 않는다. LPG는 이런 성질로 인해 누출되었을 때 상대적으로 연소나 폭발 위험성이 높다. 천연가스와 수소는 공기의 무게보다 각각 0.35배, 0.06배 가벼워 공기 중 누출되었을 경우 위로 확산되고 공기 중에 섞여 날아간다. 가정집에서 사용하는 가스가 LPG에서 LNG로 바뀌면서 가스폭발에 의한 화재가 급격히 줄어든 이유도 이 때문이다. LPG가 집안에 누출되었을 때 창문이 열려 있다 하더라도 창문 아래에 누출된 LPG는 빠져나가지 못하고 가라앉아 있다. 그 상태에서 전기 콘센트 등에서 작은 불꽃이 생긴다면 가라앉은 LPG는 폭발하게 된다. 하지만 LNG는 공기보다 가볍기 때문에 창문을 통해 빠져나가게 되고, 집안에는 LNG가 남아 있지 않는 것이다.
특히 수소는 원소번호 1번으로 세상에서 가장 가벼운 물질이다. 공기 중에 섞이자마자 위로 곧장 날아가기 때문에 자연상태에서는 불이 붙기가 매우 어렵다. 빠른 속도로 대기 중에 섞이게 되어 응축력이 사라지게 되는 것이다.
자연발화온도에서도 수소는 다른 연료와 비교할 때 역시 우위를 점하고 있다. 수소는 자연발화 온도가 575°C로, 500°C인 휘발유, 345°C인 경유보다 높아 자연 발화가 어려운 가스이기도 하다.
한국산업안전공단의 평가 역시 수소가 안전한 기체임을 증명하고 있다. 공단은 발화온도, 독성, 불꽃온도, 연소속도 등 위험도를 측정하는 기준을 정하고 있다. 이러한 요소들을 모두 고려한 종합적인 위험도 분석에서도 수소는 안전하다. 우리가 매일 사용하는 도시가스보다도 위험도가 낮은 것으로 평가되었다.
그런데 수소의 경우 사용할 때 불이 붙게 되면 불꽃이 식별되지 않는 약점이 있다. 육안으로는 수소에 불이 붙었는지 잘 알 수 없기 때문에 수소충전소나 수소전기차를 사용할 때 수소누출 감지 센서, 수소불꽃 감지기와 같은 별도 안전장치를 반드시 설치해야 한다.
LPG 택시, 안전할까요?
이제 일반인도 LPG 차량 구입이 가능합니다. 기존에는 택시나 장애인 운전자가 LPG 연료 탑재 차량을 운행할 수 있었습니다. 연료 값이 싸기 때문에 혜택이라고 할 수 있었지요. 하지만 미세먼지 저감 방안으로 법이 개정되면서 일반인들도 LPG 차량을 구입하여 사용할 수 있게 되었고, LPG 차량을 운행하는 차량 대수는 더욱 늘어날 전망입니다. 2019년 8월 기준 국토교통부 통계를 보면 국내 LPG 차량은 200여만 대입니다.
LPG는 휘발유나 경유처럼 눈에 보이는 연료가 아니라 보이지 않는 기체이기 때문에 많은 주의가 필요합니다. 자동차를 움직이는 LPG 가스통은 차의 뒷부분인 트렁크 안쪽에 자리잡고 있죠. 가스는 안전을 위해 전체 용량의 85% 이상을 채울 수 없게 되어 있습니다.
만약 교통사고가 나서 차가 파손되거나 화재가 발생했을 경우 운전자는 즉시 운전석 옆에 있는 긴급차단 스위치로 가스 공급을 끊고 신속하게 대피하여 2차 폭발사고를 막아야 합니다. 가스폭발 사고는 설비 문제보다는 사용자가 안전규칙을 지키지 않아 일어나는 경우가 많습니다. 원칙대로 관리한다면 안전하게 사용할 수 있습니다
5장 나를 위해 온실기체를 줄여요!
비닐하우스라고 불리는 온실을 이용하면서 제철 과일 혹은 제철 채소라는 말이 무색해졌다. 온실을 이용해 태양빛으로 실내 온도를 높이고 외부 공기를 조절해 계절과 날씨에 상관없이 어떤 과일이나 채소를 재배할 수 있게 됐다. 우리 인류 역시 지구라는 커다란 온실 속에 살고 있다. 지구를 둘러싼 대기층은 태양에서 오는 적외선 복사열을 흡수하고 방출하는 과정을 반복하면서 지구 온도를 약 15°C로 일정하게 유지시켜 주고 있다. 대기층이 온도를 지켜주지 못한다면 지구에 생명체가 만들어지지 못했을 것이다. 그러나 지구를 둘러싼 대기층에 온실기체의 양이 늘어나면서 태양으로부터 오는 에너지가 지구 밖으로 나가는 일이 어렵게 되었다. 우리는 지구라는 커다란 온실 속에 갇혀 있으며 온실 속 온도는 점점 올라가고 있다.
1860년대 산업혁명 이전에는 온실기체의 대기 중 농도가 비교적 일정해서 지구온도에 미치는 영향이 미미했다. 하지만 지금은 사정이 다르다. 산업혁명 이후 지구온도의 상승폭은 가파르다. 산업혁명의 견인차였던 석유와 석탄 등 화석연료 사용이 늘어난 것이 주요 원인이다. 화석연료가 탈 때 이산화탄소(CO₂)가 만들어지는데, CO₂는 지구온도를 높이는 대표적인 온실기체이다.
지구온도는 100여 년 전보다 약 1°C 정도 상승했다. 온대 지방에서는 여름과 겨울의 온도 차가 50°C 가까이 차이가 나고 하루에도 일교차가 10°C 이상 차이가 나는 날이 많은데 겨우 1°C 차이가 무슨 상관인가 생각할 수도 있다. 하지만 지구에서 평균 온도 1°C 상승은 매우 심각한 문제를 일으킨다. 지구의 온도 변화는 집이나 사무실과 학교에서 난방기를 켜고 에어컨을 틀어서 방 안 공기를 조절하는 것과는 전혀 다른 문제이기 때문이다. 생긴 기온 1°C 상승은 지구의 운명을 가를 어마어마한 재앙을 만들 수 있다.
지구온도의 상승은 쉽게 말해 나비효과의 시작이라고 할 수 있다. 나비효과란 중국 베이징에 있는 작은 나비의 날갯짓이 다음 달 미국 뉴욕에서 폭풍을 일으킬 수 있다는 기후과학 이론이다. 지구온난화는 이 세상 곳곳에 존재하고 있는 나비효과와 같은 위험들을 하나 둘 세상으로 풀어 놓고 있다.
우선 가장 심각한 것은 극지방의 얼음이 녹고 있는 것이다. 극지방의 얼음이 녹으면서 해수면이 상승하고 있다. 당장 해안가에 사는 수억 명의 사람들이 삶의 터전을 잃거나 생명을 위협받을 수 있다. 남태평양의 작은 나라 투발루에서는 이미 현실이 되었다. 이뿐만 아니라 민물인 얼음이 짠물인 바닷물을 희석시키면서 해류의 흐름이 바뀌기 시작했다. 지구 대기순환은 염분 농도에 따라 흐름이 변한다. 태풍이나 가뭄 등 여러 자연재해가 자주, 더 강하게 발생하고 있다. 언론을 장식하는 '메가톤급 태풍'이라는 용어도 익숙한 상황이 되었다. 아프리카 및 건조지역에서는 사막화 현상이 가속화되고 있으며, 꽃피는 시기도 변하면서 곤충들의 생존도 위협받고 있다. 먹이사슬에 놓인 동물들의 생태계에도 심각한 영향을 주면서 농업 생산성에도 영향을 미쳐 생산량이 감소하고 있다. 결국은 인간의 생존에도 큰 위협이 되고 있는 것이다.
기후변화로 인한 위협은 먼 나라만의 이야기가 아니다. 5조원이 넘는 피해를 발생시켰던 2002년의 태풍 루사, 2003년 태풍 매미, 2012년 태풍 볼라센 등 우리나라에도 큰 피해를 주고 있는 태풍이 해마다 불어오고 있다.
그렇다면 온실기체는 어떤 성분들로 구성되어 있을까? 온실효과를 일으키는 6대 온실기체는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소(N₂O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF₆)이다. 1985년 세계기상기구(WMO)와 국제연합환경계획(UNEP)은 온실기체 가운데 가장 많은 양을 차지하는 이산화탄소가 지구온난화의 주범이라고 선언했다.
사실 이산화탄소보다 나머지 5대 기체가 온난화 지수, 즉 온난화에 영향을 끼치는 정도가 크다. 이산화탄소의 지구온난화 영향, 즉 그 지수를 1이라고 할 때, 아산화질소의 온난화지수는 310, 육불화황의 지수는 무려 2만 4,900이다. 아산화질소의 경우 질소 비료의 사용으로 점차 대기 중에 쌓이고 있으며, 반도체 공정에서 발생하는 과불화탄소, 육불화황 역시 산업 발전으로 그 양이 늘어나고 있다. 하지만 이산화탄소 양에 비할 바는 아니다.
이산화탄소가 지구온난화의 주범으로 지목된 이유는 다름 아닌 발생량 때문이다. 전체 온실기체의 77%를 차지하고 있으며, 지금도 급속히 늘어나고 있다. 이산화탄소는 화석연료의 에너지원인 탄소가 연소하며 공기 중 산소와 만나 만들어진 기체다. 따라서 온실효과가 유발하는 지구온난화를 해결할 방법은 오직 화석연료 사용을 줄이는 일뿐이다.
전 세계는 지구온난화의 위험성을 인식하고 있다. 세계 각국은 화석연료 사용을 줄이기 위해 1992년 유엔기후변화협약(UNFCCC)을 채택하였다. 1997년에는 각국의 이산화탄소 발생량을 줄이는 이행 협약인 교토의정서가 만들어졌다. 교토의정서는 2020년이면 실효를 다하는데, 교토의정서를 대체하기 위해 세계 195개국은 2021년 1월부터 적용될 신기후체제, 즉 파리협정을 2016년 11월 발효시켰다.
신기후체제의 핵심은 지구 평균기온 상승을 '1.5°C 이하로 제한하기 위한 노력을 추구한다는 점과 전 세계 국가의 대부분이 참여했다는 점이다. 당시 외신들은 '인류의 화석시대가 이 날로 점진적 종언을 고했다'고 보도했다. 교토의정서가 일부 선진국에만 온실기체 감축 의무를 주었던 반면, 파리협정은 거의 모든 국가가 UN에 자발적으로 2020년 이후의 온실기체 감축 목표를 제시하게끔 했다. 전 세계가 온실기체 감축이라는 하나의 목표를 향해 달려가고 있다.
파리협정을 체결하며 우리나라도 자발적으로 2030년까지 온실기체 배출전망치(BAU) 대비 탄소배출량을 37% 감축하겠다고 국제 사회에 약속했다. BAU는 온실기체 감축을 위한 인위적인 조치를 취하지 않았을 때의 배출량을 의미한다. 우리 나라는 BAU를 8억 5,080만 톤으로 전망하고 있다. 이 약속이 이행된다면 우리나라는 3억 1,480만 톤의 탄소배출을 감축하고 5억 3,600만 톤의 탄소를 배출하게 된다. 2019년 제3차 에너지기본 계획 등에 반영하고, 발전소와 지역 냉난방 분야에서 화석연료의 사용을 줄이기 위해 노력하고 있다. 그런데 단순히 온실기체를 감축한다고 해서 지구온난화를 막을 수 있을까? 화석연료의 사용을 완전히 중지하는 것만이 지금의 상태를 유지할 수 있는 최선의 방법이다. 다만 지금 당장 화석연료를 완전히 중지하는 것은 불가능하다. 당장의 경제활동, 삶의 필수조건 등과도 직결되는 문제이기 때문이다. 화석연료의 사용을 당장 전면 금지할 수는 없지만 실현할 수 있는 해법을 마련해야 한다. 그 적극적인 해법이 바로 신재생에너지 사용으로의 정책 전환이다.
현재 우리나라는 2030년까지 수력, 풍력, 태양에너지, 수소에너지와 같은 신재생에너지의 사용 비율을 20%까지 높이는 정책인 이른바 '재생에너지 3020' 정책을 추진하고 있다.
신재생에너지의 사용으로 화석연료를 대체할 수 있는 가장 효율적인 방법 중 하나가 교통 분야에서의 에너지 전환이다. 정책이 효과적으로 시행될 수 있기 때문이다. 온실기체 배출의 20% 정도를 차지하는 교통 분야에서 신재생에너지를 사용한다면 큰 효과를 얻을 수 있다. 그 중 가장 실효성 있는 방법은 대다수가 사용하는 연료인 휘발유와 경유 등 화석연료를 '수소에너지'로 대체하는 것이다. 이산화탄소를 전혀 배출하지 않고, 공기 정화 기능까지 갖춘 수소전기차 확대 방안은 이와 맥을 같이하는 최선의 선택이다. 물론, 이때 사용하는 수소를 어떻게 만들어 낼 것인가는 우리가 풀어야 할 숙제다. 최종 목표는 물을 전기분해하는 수전해 방식으로 수소를 생산해 사용하는 것이지만 아직은 기술개발 등 가야 할 길이 멀다.
인간은 요구가 절실할 때 기술을 발전시키고 문명을 완성시켜 왔다. 지금 당장 수소를 에너지로 전환하는 것은 기술과 경제성 면에서 뒤떨어진다. 하지만 인류의 생존과 직결된 문제이기 때문에 단기 및 중장기 계획을 갖고 준비해야 한다. 정부는 수소전기차에 대한 지원을 확대하고, 수소충전소 보급을 가속화해 많은 국민들이 수소전기차를 사용할 수 있도록 하는 정책을 분명히 하고 있다.
1992년 브라질 리우(Rio)에서 최초로 개최된 기후변화협약은 일본 교토에서 선진국의 역할을 확실히 언급했다. 비록 각 나라가 안아야 할 부담 문제로 인해 교토의정서는 수년이 흐른 후 2005년에 발효되었지만 인류의 절박함은 명확했다. 교토를 출발해 10년 만에 파리에 도착한 인류는 이제 모든 국가의 온실기체 감축 의무를 명시했다.
파리협정은 선언이 아닌 책임이자 의무이다. 만약 우리가 그의 무를 다하지 못한다면 지구에는 어떤 운명이 다가올 것인지 인류는 분명히 알고 있다. 지구를 지키는 일이 분명 나를, 우리의 아이들을, 우리의 미래를 지키는 일임도 잘 알고 있다.
수소에너지백과사전
지은이 이원욱, 이승훈 지음
