청소년 에너지 입문서[수소에너지 백과사전_7]
The Taean oil spill and the Gulf of Mexico oil spill highlighted the severity of marine pollution and emphasized the importance of eco-friendly energy. Traditional fossil fuel-based ships and trains cause significant pollution, but the emergence of LNG and hydrogen fuel cell-powered ships and trains is being recognized as a green alternative. Hydrogen ships, as eco-friendly technology capable of replacing fossil fuels, are being pursued by countries to protect marine environments and achieve economic benefits. Hydrogen trains are also being hailed as a future mode of transportation, with the potential to reduce carbon emissions.
바다를 가른다. 수소선박
2007년 있었던 충남 태안 앞바다에서 발생했던 태안기름유출사고, 즉 홍콩 유조선 허베이스피리 트호 기름유출에 따른 해양오염사고 손해배상책 임 사건이 2019년 9월 최종 종결되었다. 무려 12년 만이다. 당시 태안 만리포해수욕장 근처 바다에서 허베이스피리트호와 삼성중공업의 크레인 부선이 충돌했고, 그 여파로 허베이스피리트호가 싣고 있던 원유 약 1만 900톤이 태안 앞바다와 인근 해상으로 유출되었 다. 오염된 지역은 375km. 어디 태안뿐일까. 바다는 원유가 유출되면 속수무책으로 당할 수밖에 없다. 2004년 4월 20일에도 멕시코만 루이지애나 Louisiana -연안에서 영국 대형석유회사 브리티시 페트롤의 석유시설 폭발 사고가 있었다. 브리티시 페트롤륨 발표에 따르면 유출된 기름 중 제거할 양은 65만 7,300배럴이다. 그런데 2010 년 9월 21일 한 언론 기사에 따르면, 미국 정부는 이번 사태로 원유 490만 배럴, 즉 2억 600만 갤런 이 유출된 것으로 추정하고 있다. 미국 국립해양 대기청 NOAA 플로리다주립대는 2019년 6월 공동 보고서를 통해 수중 음파탐지 기술 등 신기술을 활용해 유출량을 측정한 결과 매일 4,500갤런이 넘는 석유가 멕시코만으로 유 출된 것으로 발표했다.
석유와 같은 화석연료는 주 생산지인 중동지역에서 유럽·아시 아. 미주대륙 등 세계 곳곳의 나라로 이동되어 가공해 사용된다. 원유를 이동하기 위해서는 대형 유조선이나 가스운반선이 반드시 필요한데, 초대형 유조선은 보통 30만 톤 정도 규모로, 길이가 300m에 이르며 이것은 축구장 세 개를 나란히 이어 놓은 정도다. 어마어마한 크기의 유조선들이 탱크에 원유를 가득 싣고 쉴 새 없이 바다 위를 지나다니고 있다. 선박은 대부분 중유 중에서 벙커C유를 사용한 다. 거대한 크기의 유조선 또한 마찬가지다. 벙커 C유 또는 중유라 불리는 선박용 기름은 가장 덜 정제된 상태로, 열량은 높지만 에너지를 얻기 위해 태우게 되면 이산화탄소 등 대기오염물질을 대량으로 배출한다. 국제해사기구 IMO는 환경기준을 정하고 선박회 사들이 대기오염 방지와 해양환경 보호를 위해 그 기준을 따르도록 하고 있는데, 바로 가장 중요한 기준이 선박의 연료인 '에너지원이다.
그래서 중요하게 대두된 것이 LNG를 이용한 선박이다. 최근 삼 성중공업이 LNG를 연료로 사용하는 30만 톤급 초대형 유조선 개발에 성공하며 친환경 선박시장 공략에 박차를 가하고 있다. 현재 약 2,000여 척의 LNG선박이 건조될 준비를 하고 있다. 그 러나 이마저도 역시 화석연료이기 때문에 강화되는 기준을 맞추기 위해서는 친환경연료로 전환해야 한다.
수소선박은 기존 화석연료 엔진을 사용하던 선박과 비교하면 매우 간단한 구조이다. 액화수소나 압축수소를 연료탱크에 싣고 다니며 연료전지시스템에 수소를 공급해 전기를 발생시킨다. 이 전기 배터리에 보관되며 이를 통해 모터를 돌려 추진력을 얻게 된다. 선박에서 배출되는 것은 순수한 물뿐이다. 많은 선원이 장 기간 바다에서 생활하기 위해서는 많은 양의 물이 필요한데, 연료 전지 발전을 통해 나오는 물을 이용할 수 있기 때 문에 별도로 물을 갖고 다닐 필요도 없다. 해양 이나 대기를 오염시키는 요소는 전혀 없는 완벽한 친환경 선박이다. 비교적 제작이 쉬운 소형 여객선의 경우엔 적용하기 쉽다. 미국에서 2019년 가을 부터'워터 고 라운드라는 프로젝트로 실제 소형 선박을 운행할 예정이다.
미국뿐 아니라 독일·노르웨이·일본 등 여러 선진국가에서도 환 경보호 및 기술시장 확보를 위해 국가 차원에서 '수소선박 프로 젝트'를 진행하고 있다. 일부 기술은 상용화 수준이며, 기술을 보 유한 국가는 해당 시장을 독점할 기회를 가질 수 있다. 국제적으 로 가장 먼저 기술을 선점해 국제표준을 획득하게 되면 그 표준을 따라야 하기 때문이다.
노르웨이가 그 대표적인 국가다. 2018년 6월, 하이온 Hyon은 세계 최초로 선박용 수소연료전지에 대한 기본 승인을 획득해 수소 연료전지 선박에 대한 기술검증을 완료했다. 곧 시장 진출이 임박했음을 말해준다. 노르웨이의 액화수소벙커링선박 기술을 살펴보자. 액화수소를 저장할 전용 화물창은 진공단열로 감싸 안전을 도모한다. 어쩔 수 없이 기화되는 소량의 수소가스는 다시 액화해서 보관하거나 선박의 연료전지로 이동해 연료로 사용할 수 있도록 설계됐다. 그리고 액화수소를 싣고 내리는 시스템 역시 핵심기술이다.
이런 액화수소벙커링선박이 상용화된다면, 어떤 변화가 일어날 까? 바로 대량 생산된 수소를 환경오염 없이 대량으로 운반해 전 세계 곳곳에 저렴한 가격으로 공급할 수 있게 된다. 수소의 대중 화에 커다란 역할을 하게 될 것이다. 기술의 진보는 새로운 가치를 창출할 수 있다. 태양전지로 생산된 전기로 바닷물을 분해해 수소를 생산하고, 이 수소를 현장에서 액화하여 수소연료전지로 움직이는 벙커링선박을 통해 공급할 수만 있게 된다면 진정한 무 공해수소 밸류체인이 완성되는 것이다. 물에서 추출한 수소를 액 화하는 것으로 시작해 다시 연료전지에서 산소와 결합해 전기를 만들고 다시 물로 돌아가는 수소의 친환경 순환이 이루어지는 것이기도 하다. 수소선박의 개발과 상용화는 수소경제로 가는 가장 빠른 길이 자 견인차임이 분명하다. 우리나라는 '수소경제활성화 로드맵을 발표하면서 연안선박과 대형선박으로 나눠 추진하겠다고 밝혔다. 기술개발과 실증을 통 한 성능개선 이후 2030년 수소선박을 완성하여 상용화하겠다고 발표했다
해양분야 활용형태에 따라 주요 선박의 기술현황은 모두 다르 다. 군사용 함정의 경우 디젤엔진과 수소연료전지의 하이브리드 형태로 기술개발이 이루어졌다. 일반선박은 이미 연료전지 기술이 반영된 선박의 실증을 마치고 운항하고 있다. 태안 앞바다와 멕시코만에서 보여준 그 검은 바다의 모습은 우리에게 보내는 경고장이다. 바다의 오염은 곧 생명의 소멸이며, 미래의 소멸이다. 수소선박의 개발과 상용화를 통해 우리는 '희망의 답신을 보내야 한다.
친환경을 넘어 대륙으로 수소기차
2017년 10월 26일 중국 허베이성 탕산시 탕산시가 개최한 중 국 관광산업발전대회 현장으로 붉은색 열차가 선로를 따라 천천 히 들어왔다. 일반 여객열차보다는 비교적 낮은 차체에 3량짜리 트램(노면전차)이었다. 사람들의 시선은 온통 트램 상부로 향했다. 트램이라면 당연히 있어야 할 전력을 보내주는 가 선과 전차를 이어주는 연결선이 없었기 때문이었다. 이 노면전차는 세계 최초로 상업운행에 들어간 중국 쭝처그룹의 수소연료전지 구동 저상트램이었 다. 트램이 플랫폼에 들어서고 문이 열리자 사람 들은 편안하게 트램으로 올라탔다. 트램이 출발하자 땅바닥에는 수소연료전지발전으로부터 나온 작은 물방울 자국만 남아 있었다.
2016년 4월 쑹저 탕산공장에서 생산된 이 수소연료전지 트램은 외부 전원을 공급하지 않아도 수소연료전지가 전기를 생산해 움직인다. 15분 동 안 수소를 충전하면 약 40km 주행이 가능하다. 최고운행속도는 시속 70km, 총 좌석은 66개로 최대 336명까지 탑승할 수 있다.
2015년 3월 중국 칭다오의 시 팡 공장에서 만든 수소연료전지 추 진 트램 SkodalST는 최고속도 70km/h로 100km 주행이 가능하다.최대 360명까지 탑승도 가능한데, 현재 칭다오에서 운행 중이다.방식은 연료전지 및 배터리 하이브리드 방식으로, 배터리로 는 리튬이온 전지를 사용하고 있다. 수소탱크에는 약 10kg 정도 의 수소를 저장할 수 있다. 우리나라에서는 현대로템이 현대자동차와 함께 2019년부터 수 소연료전지 트램을 개발 중이다. 100kW급 연료전지 8기를 장착하게 된다. 현대로템에 따르면, 수소전기트랩은 배터리로 동력을 얻는 트램 보다 1회 충전 주행거리가 무려 5배로, 150km 이상이며, 1회 충 전 시간도분에서 15분으로 아주 짧다. 이에 비해 에너지밀도는 높아 안정적인 에너지원으로 달릴 수 있게 된다. 2019년 10월 환경부가 발표한 내용에 따르면, 2030년까지 온실가스 배출량을 5억 3,600만 톤으로 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 국내에서 운용되고 있는 디젤 전기기관차의 CO, 발생량은 1년에 최대 36만 1,113톤이다. 내구연한을 초과한 열차 등에 대해서는 친환경연료를 사용하는 열차로 해 대비해야 한다.
프랑스 알스톰에서 만든 독일의 수소연료전지 열 차의 이름은 '코라디아 아이린트Coradia이다. 수 소저장탱크를 차량 지붕에 장착하여 차량 1량당 약 94kg의 수소를 저장한다. 한 번 충전하면 약 1,000km를 주행할 수 있다. 이 열차는 2019년 1월 말부터 2월 중순까지 독일의 여러 도시를 오 가며 시험 운행을 마쳤는데, 기존 디젤열차와 동일 한 성능임이 증명됐다.
알스톰은 독일 정부와 수소연료전지 열차 공급계약을 체결했 다. 기존 디젤열차를 퇴출시켜 주변 도시의 대기질을 개선할 수 있도록 할 예정이다. 또 경제적인 측면에서도 우수하다.
수소연료전지를 이용한 열차 제작비용이 기존 전기열차보다 다 소 비싼 편이지만 선로에 전기를 공급하는 전기화 궤도를 건설하는 것보다는 훨씬 경제적이다. 본격적 양산체제가 갖춰진다면 수
소열차의 전망은 밝다.
각국은 수소연료전지 기차를 만드는 데 경쟁을 벌이고 있다. 영 국은 2040년까지 디젤기차의 완전퇴출을 선언하고 2022년 정식 운행을 목표로 하이드로플렉스 HydroFLEX 프로젝트를 통해 수소 도차량을 개발하고 있다.
미국도 디젤연료와 배터리 하이브리드 차량을 개조하여 총 330 마력으로 IMW이상의 전력을 생산할 수 있도록 준비 중이다. 이 열차는 최대 127톤을 수송할 수 있으며, 완성되면 우선 민간 재 난 구조에 차량 동력원으로 사용할 계획이다. 미국 국방부가 이 계획을 주도하고 있다.
미국 엔지니어링 회사인 비이클 프로젝트 Vehicle Projects LLC가 2000년대 초반 개발한 것은 1.2MW의 연료전지연이다. 이 열차는 콜로라도에 있는 트랜스포테이션 테스트센터와 로스앤젤레스 기자에서 실제 철도환경에 따른 다양한 운전시험을 진행했다. 미 국이 이렇게 연료전지열차 개발에 나선 것은 사회적 비용과 규제비 용의 절감 때문이다. 디젤 전기기관차를 만들고, 그 열차에 전기 공급을 위한 인프라를 만들기 위한 비용. 또 대기환경 규제가 있는 지역에서의 환경비용까지 생각하면 수소열차를 도입하는 것은 결코 비싼 비용을 지불하는 것은 아니다.
일본은 JR동일본사가 중심이 되어 2006년, 수소연료전지와 배 터리를 조합한 하이브리드 열차 주행시험을 공개했다. 이 열차는 세계 최초의 하이브리드 열차다. 하이브리드 열차는 브레이크를 작동시킬 때 발생하는 에너지를 저장하고, 이를 가속할 경우 연 료전지의 출력을 돕는 방식이다. 현재 일본은 이런 하이브리드 출 력장치에 관한 연구를 계속 진행 중이다. 일본의 시험차량용 하이브리드 열차는 수소탱크가 차체 아래에 있다. 탱크는 총 6개이며 연료전지는 두 개다. 또 지붕 위에는 5 개의 축전지를 탑재하고 있다. 그렇다면 우리나라는 어떨까? 우리 공공기관은 다른 국가에 비해 수소열차 연구개발이 다소 늦은 편이다. 한국철도기술연구 원을 중심으로 2018년 4월부터 개발을 시작했고, 2022년 12월 개발을 목표로 추진하고 있다.
디젤에서 전기로, 전기에서 수소연료전지로, 열차가 변신하고 있다.인류가 원하는 변화가 일어나고 있다. 머리 위를 가로지르는 복잡한 선 없이 푸른 하늘 아래에서 소리 없이 철로를 오가며 맑은 공기를 만들어내는 수소연료전지차를 타고 달려보자. 그리 고 이왕이면 그 기차를 타고, 더 멀리 갈 수 있다면, 그곳이 통일을 넘어 먼 베를린 까지라면 어떨까.
