청소년 에너지 입문서[수소에너지 백과사전_7]
The transition of energy sources for transportation from fossil fuels to hydrogen. It discusses the innovative shift from coal and oil to lithium-ion batteries and hydrogen fuel cells, highlighting the advantages of hydrogen-powered vehicles like hydrogen electric cars. Hydrogen, with its high energy storage density and fast refueling times, has great potential to become a key energy source in the future. Hyundai's NEXO, for example, is an eco-friendly hydrogen electric vehicle with a long driving range. However, expanding hydrogen refueling infrastructure is essential for the widespread adoption of hydrogen vehicles.
탈 것을 바꾸는 수소
애니메이션 '은하철도 999'의 우주를 날아다니 는 기차는 석탄을 연료로 하는 증기기관차다. 배 경은 우주이지만, 연료는 낡은 연료라 여겨지는 화석연료인 석탄이다. 석탄에서 석유, 그리고 LPG로 이어지며 '탈 것'의 연료는 시대에 따라 변하고 있다. 탈 것에서 이제 인간 스스로 '탈 것'과 한 몸 이 되어 변신하는 경우도 있다. 영화 '아이언맨iron Man'을 보면, 아이언맨을 날게 하고, 그에게 파워 를 주는 동력은 바로 핵융합이다. 아이언맨의 슈 트에 설치된 핵융합로는 수소를 공급해야 동력을 얻을 수 있다. 팔라듐 Palladium이라는 원료가 수소 를 만나 엄청난 에너지를 발산하게 되는 것이다. 친환경 이동수단의 경우, 첫 변혁은 전기차 분야에서 일어났다.
리튬이온전지를 장착한 전기차가 대중화되었지만 여전히 전기차 는 장거리보다는 단거리에 적합한 운송수단이라고 알려져 있다. 그런데 왜 단거리에 유리한 것일까? 전기차와 수소전기차의 공통 점은 전기를 이용한다는 것이지만 차별점은 그 전기가 외부에서 만들어져 저장된 전기인가, 차 안에서 직접 만들어지는 전기인가 하는 점이다.
전기차는 외부 발전소에서 만들어진 전력을 저장하고 있다가 필요할 때 사용하는 것이지만 수소전기차는 수소로 차 안에 장 착된 연료전지를 이용해 전기를 만들고 그 전기로 움직인다. 전 에너지의 저장 용량에 한계가 있어 배터리를 이용한 전기에너지 활용은 자동차와 이륜차 등 육상교통의 일부에만 사용되고 있다. 화석연료의 에너지저장밀도는 리튬이온전지 등과 비교하면 현저 하게 높은 편이지만 화석연료를 태우는 내연기관차의 경우 효율 이 13%로 낮은 편이다. 하지만 여전히 인류가 화석연료를 차량의 주에너지원으로 사용하는 이유는 에너지저장밀도가 월등히 높기 때문이다.
수소의 에너지저장밀도는 어떠할까? 전기차에 쓰이는 리튬이온 전지의 137배나 된다. 또 저장하기 위한 시간도 훨씬 짧다. 전기 충전(4시간~10시간)보다 수소 주입 시간(약 5분)이 짧아 긴 시간 을 기다려야 하는 불편함을 덜어준다. 많은 에너지 전문가들이 화석연료를 대체할 에너지원으로 수소를 주목하는 이유가 바로 여기에 있다.
수소에너지를 사용하는 분야 중 가장 빠르게 성장하고 있는 곳은 자동차 분야다. 차체 안에서 전기를 만들어내기 때문에 굳이 별도로 전기를 저장하지 않아도 된다. 수소탱크 속 수소와 차 체 안으로 들어온 공기가 서로 만나 전기를 생산하는 연료전지만 장착하면 되기 때문이다. 현재 수소 전기차는 세계적으로 네 개 제 조사가 양산하고 있으며 우리나라 현대자동차가 2014년 세계 최 초로 양산에 성공했다.
대중교통 분야에서도 변혁이 일어나고 있다. 먼저 가장 보편적인 대중교통 버스를 살펴보자. 유럽의 경우 2020년까지 수소버스 300대를 운행할 예정이며, 일본은 이미 2017년부터 5대를 실증하 고 있다. 중국의 경우는 좀 더 빠른 행보를 보이고 있다. 2016년 수소버스 10대에 대해 실증사업을 벌이고 있으며, 연간 5,000대 규모의 버스용 연료전지 공장을 설립하는 등 활발하게 움직이고 있다. 우리는 그나마 부생수소 보급이 활발한 울산과 수요가 가 장 많은 서울 등에서 버스 두 대에 대한 실증사업이 2019년 말까 지 진행 중이다.
수소열차 부분도 그 윤곽을 드러내고 있다. 수소열차 분야에 서 가장 빠른 발전을 선보이고 있는 독일의 경우엔 프랑스기업인 알스톰 Alstom이 개발한 기차를 운행하고 있다. 추가로 열차 열네대를 배치하기 위한 후속 준비도 착착 진행되고 있다. 또 일본.중국·미국 등에서도 연료전지와 배터리를 같이 이용하는 하이브 리드 열차의 주행시험에 성공하였다. 우리는 현재 철도기술연구 원과 국토교통과학기술진흥원 등에서 수소열차 기술개발, 인프 라 확충 등에 대해 연구를 진행하고 있으며, 2021년이면 완료될 전망이다. 트럭은 전기차, 대형의 경우엔 수소전기차로 주력 분야를 나누어 연구 중이다. 또 이미 수소자전거 수소차가 출시되었으며, 수소선박과 수소드론 등은 실증을 통해 출시될 예정이다. 주목할 만한 것이 또 있다. 순수 수소전기차 외에도 하이브리드 형태의 차량도 만들어지고 있다. 여러 수송분야 에서 수소에너지를 사용할 수 있는 여지가 더욱 커지고 있다.
트럭에서도 수소에너지를 적용한 기술개발이 이루어지고 있다. 우리나라는 스위스에 2023년까지 수소트럭 1,000대 납품을 목 표로 연구하고 있으며, 미국은 물류시장이 큰 만큼 대형수소트럭 을 적극적으로 보급하기 위해 대형 수소트럭을 실증 중이다. 일 본은 2019년까지 소형 수소트럭을 납품할 예정인데, 우리는 소형 수소 관련 글로벌기업 CEO협의체인 '수소위원회는 2030년까지 세계 연료전지 판매량이 연간 550만 개에서 650만 개에 달할 것 이라고 분석하고 있다. 이에 따라 필요한 수소는 연간 500~700만 톤이 될 것이라고 예측된다. 수소위원회의 보고서에 따르면 자율주행 택시와 셔틀, 트럭과 드론 등 다양한 수송 분야에서 수소에너지가 활용될 것으로 전망된다
우리는 '수소기술 로드맵'에서 '탈 것'에 대한 구체적 전략을 발 히고 있다. 우리가 경쟁력을 가지고 있는 승용차와 상용차 기술 을 활용해서 2030년까지 육상용 수송수단과 연안 선박, 대형 물 류운송용 드론 등에도 수소를 적용할 방안이다. 인류는 가축을 이용해 물건을 나르고, 사람이 이동하던 시 대에서 석탄을 활용해 열차를 움직이던 시대를 거쳐, 석유로 문명을 발전시켜 왔다. 그 사이 문명은 눈부신 발전을 거듭했 다. 상상할 수도 없었던 기술이 도입되면서 자율주행과 수소에 너지가 결합하는 시대로까지 나아가고 있다. '탈 것'에서 수소가 활용되는 것은 단순한 에너지가 도입된 것만이 아닌 삶의 가치를 바꾸는 것이다. 탄소시대에서 수소시 대로, 발전소에서 전력을 생산하고 이용하는 시대에서, 직접 전 력을 생산해 바로 이용하는 시대로! 그것은 지금까지는 없었던 새로운 가치의 발현이자 의미 있는 혁명이다.
달리는 공기청정기, 수소전기차
'수소, 우주의 75% 그 무한한 수소로 자동차를 달리게 하다'
-현대자동차의 '넥쏘' 광고 카피
우주에 무한한 원소인 수소로 달리는 수소전기차, 수소가 상 상치 못했던 에너지의 신세계를 열어주고 있다. 지구에는 자연상 태에서 존재하지 않지만 우주에는 가득한 원소기호 1번 수소, 수 소와 공기와의 만남을 통해 전기를 생산하는 그 신비 속에서 자 동차는 달리고 또 달린다. 넥쏘에 수소를 가득 채우면 서울에서 부산까지 충전 없이 달리고도 남는다. 그렇다면 수소전기차의 원리는 무엇일까. 수소전기차란 수소와 공기 중 산소가 만나 전기화학적 반응을 일으키며 전기를 생성하 고, 모터 구동해 운행되는 자동차를 말한다. 명칭은 다양하게 사용되는데, 국제적으로 통용되는 명칭은 수 소연료전지자동차 HFCV. Hydrogen Fuel Cell Vehicle, 줄여서 연료전지 차 FCV. Fuel Cell Vehicle 라고도 한다. 국내에서는 보통 FCEV Fuel Cell Electric Vehicle 로 많이 통하며, 수소연료전지차·수소전기차·수소차 로 불린다. 국회에서는 명칭을 국민들이 쉽게 인지할 수 있도록 '수소전기 차'로 하는 법안개정안이 올라와 있기도 하다. 이원욱 의원이 대 표발의한 법안이다. 휘발유와 경유 등 석유를 이용한 차량, LPG를 이용한 차량, CNG를 사용하는 차량, 전기차, 수소전기차 등에서 쓰이는 각종 자동차의 연료와 반응원리, 그리고 방출되는 배기가스 등을 살펴 보면, 수소전기차의 장점을 확인할 수 있다. 수소전기차의 구조는 크게 스택과 운전장치로 이루어진 연료전 지시스템·전장장치 · 수소저장장치로 나뉜다. 스택 Stack은 쌓인다 는 뜻을 지녔는데, 수소와 산소가 만나서 전기를 발생시키는 장 치가 겹겹이 쌓여 있는 상태에서 이름을 따왔다. 스택에 수소와 공기를 공급하고, 여기서 발생되는 물과 열을 제거하는 운전장치, 수소를 공급하는 '수소공급장치, 외부의 공기를 공급하는 '공기 공급장치, 스택에서 발생되는 열 등을 관리하는 장치인 '열 및 물 관리 장치'로 이루어져 있다. 전장장치는 스택에서 생성된 전기 모터에 공급하고 제어하는 장치다. 수소저장장치는 수소를 700bar로 저장한다. 수소전기차 내부 구조도를 보면, 실제로 장치들 이 어디에 장착되고 쓰이는지 잘 알 수 있다. 스택은 수소와 공기를 이용해 전기를 만드는 연료전지 발전기이다. 차량이 움직이기 위한 동력을 공급하는 장치로 기존 휘발유·경유 등의 화석연료를 활 용한 차가 내연기관을 구동시켜 움직인다면, 수소 전기차는 스택에서 만들어진 전기로 바퀴에 달린 모터를 구동시켜 차량을 움직이게 한다. 운전장치는 네 가지 핵심부품으로 구성되어 있다.
첫째, 공기공급 장치는 연료전지 양극에 공기를 공급해 스택에서 일어나는 전기화 학반응에 필요한 산화제를 공급한다.
둘째, 수소공급장치는 수소를 공급한다. 셋째, 열 및 물관리장치 는 스택에서 발생하는 열을 방출하여 스택 내부의 온도와 습도를 조절한다. 넷째, 공조장치는 자동차 실내환경의 쾌적성 유지를 위한 장치로 실내 냉방과 난방 역할을 담당한다.
이런 모든 기술이 응축된 현대차의 넥쏘는 우리나라뿐 아니라 세계 최고 수준의 대표 수소전기차다. 현대차는 넥쏘를 만들기 전 2013년 투싼 ix45 FCEV를 만들었다. 이 차량은 세계 최초로 양산된 수소전기차로, 2018년 넥쏘를 출시하며 생산과 시판 을 멈추었는데, 총 187대가 팔렸다. 주로 관공서 등에서 '환경친 화적 자동차의 보급에 관한 법률'에 정해진 의무구매제도를 준수 하기 위해 투싼 ix45 수소전기차를 구입했다. 수소전기차의 운명 은 187대로 그치는 것 같았지만 넥쏘는 달랐다. 정부의 수소경제에 대한 강력한 의지가 가장 큰 원인이 되었다. 출시되자마자 1주 일 만에 판매 예약이 1,000대를 넘어섰다. 2018년 상반기에는 미세먼지 문제에 대한 시민의 우려가 커지면서 500대의 보조금에 해 당하는 112억 5천만원이 추가 편성되기도 했다. 지방정부도 크게 관심을 갖기 시작했다. 서울·충남 등을 시작으로 화성시 지방정부에 이르기까지 보조금과 각종 혜택을 하나 하나 마련했다. 투싼이 단순히 관공서용으로만 쓰였다면 넥쏘는 달랐다. 일반시민이 구매를 시작한 것이다. 그리고 수소버스 역시 수소전기차의 새로운 전환을 보여주고 있다. 전 세계 수소버스 완성차가 대부분 연간 100대 이하의 소규 모 생산 수준을 보여주고 있지만 점차 확대되고 있다. 울산시의 경우 첫 수소버스가 운행하고 있으며, 서울에서도 시범사업을 진행하고 있다. 2019년 서울에서 수소택시 열 대가 시범운행을 시작했다. 서울 에서 수소버스와 수소택시 등 수소를 이용한 대중교통이 기지개 를 켜게 된 데는 그나마 국회수소충전소가 있기 때문이다. 충전 소의 구축은 교통의 전환을 불러오는 힘이 된다. 수소전기차의 확대에서 가장 큰 문제는 충전소다. 수소전기차에 대한 구매요구 는 점차 커지고 있지만 시민이 수소전기차를 구매하고, 이용하기 위해서는 충전소 보급이 절실하다. 수소전기차의 성공은 수소충 전소 구축 속도와 위치 등에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 우주의 75%인 수소로 달리는 수소전기차를 통한 인류의 지속 가능한 미래, 지금 열리고 있다.
