청소년 에너지 입문서[수소에너지 백과사전_8]
The text provides an explanation of future hydrogen economies and eco-friendly technologies applied to ports and logistics systems. It introduces ports where hydrogen fuel cell-powered ships and trucks operate without emitting carbon dioxide, as well as the use of hydrogen forklifts and drones. California and Pyeongtaek Port are making efforts to transition into such environmentally friendly ports, which are expected to contribute to solving environmental issues by reducing fine dust and CO₂ emissions.
이산화탄소 제로 지역, 항구
멀리서 커다란 뱃고동 소리가 들려온다. 얼마 지나지 않아 저 멀리 조금씩 뱃머리가 보이기 시작한 배는 한참이 지나서야 그 모 습을 눈앞에 드러냈다. 부두로 다가오는 것은 수소운반선이다 그 커다란 배를 끌고 몇 달간의 항해를 이어온 것도 바로 수소 를 사용한 연료전지의 힘이다. 배는 엔진소리 하나 없이 시커먼 인기도 없이 완전히 배를 대고 멈춰선다. 뱃고동 소리가 없었다면 항구로 배가 들어오는 것도 모를 정도로 조용하다.
수소운반선이 집안을 마치자 커다란 파이프라인이 연결된다. 배 한가득 싣고 온 수소는 이 파이프라인을 통해 항구에 있는 액화 수소저장탱크로 이동된다. 이 수소는 수소탱크를 실은 차량이나 외부로 연결된 파이프라인을 통해 다시 소비자들에게 옮겨진다.
맞은편 부두에도 비슷한 크기의 화물선이 집안을 하고 하역 준비를 시작한다. 수십 대의 컨테이너 운반 트럭이 자기들이 싣고 컨테이너의 하역을 기다리고 있다. 컨테이너 운반 트럭은 사 이 걸리지 않은 듯 조용하다. 하지만 자기 차례가 오르게 컨테이너를 받기 위해 커다란 몸체를 움직인다 무거운 너 뒤에 실렸지만 트럭은 힘이 넘치는 듯 빠른 속도로 항구를 중지 어 빠져나간다.
하루에도 수십 척의 배가 오가는 미래에 보게 될 대형 항구의 모습이다. 하지만 우리가 알던 검은 연기에 가끔 냄새가 나고 에서 새어 나온 기름띠가 떠다니는 항구가 아니다 당장 현실 모습은 아니지만 멀지 않은 시기에 미국 캘리포니아 6개의 항구 에서는 더 이상 배와 트럭에서 나는 검은 연기를 볼 수 없을 것이다. 캘리포니아 에너지위원회는 주내 항구도시와 파트너쉽을 체결하여 항구도시들이 직면한 환경적 과제들에 대해 강구 하고 있다. 청정수송가슴이 대안으로 적용되고 있다
전 세계의 항구를 오가는 대형 화물선들은 인간의 몸으로 치 면 대동맥이다. 항구에 내린 이들을 싣고 필요한 곳으로 달을 하는 트랙들은 우리 몸의 곳곳에 전달하는 모세혈관과 같은 기능을 한다
컨테이너 운반 트럭 한 대가 배출하는 CO2의 양은 일반 자동차 스물두 대와 맞먹는다. 캘리포니아 로스앤젤레스 항만청에 따르면 로스앤젤레스 항구에는 무려 2만 대의 트럭이 운행 중이다. 따라서 이곳에서 만 44만 대의 일반 자동차가 운행하는 양의 CO₂ 가 발생하고 있는 셈이다. 로스앤젤레스 항만청 추산 연간 120만 톤에 달하는 CO₂가 트럭에서 뿜어져 나온다. 2019년, 기후 협약으로 인해 거래가 가능해진 탄소 배출권 가격이 1톤에 약 3만원 정 도인데, CO, 120만 톤을 줄일 수 있다면 대략 360여억원을 절감 할 수 있다. 이렇듯 항만을 돌아다니는 2만 대의 트럭을 모두 수소연료전지 차량으로 대체한다면 지구온난화 예방에 적잖은 힘을 실어 줄 수 있다는 얘기다.
실제 로스앤젤레스 항만청은 일본 도요타자동차와 손잡고 '프로젝트 포탈'이란 이름으로 수소연료전지 트레일러 운행을 계획중이다. 670마력의 힘을 내는 트레일러 엔진을 수소연료전지를 동력으로 이용할 수 있도록 개조하겠다는 것이다. 트레일러에는 두 개의 연료 전지팩이 사용되며, 수소운반선이 싣고 온 수소를 이 용해 충전한다. 트레일러 운반 차에 장착된 12kW 배터리는 도요 타의 수소전기차 '미라이'에서 사용되는 것과 같은 배터리로 수소 충전에는 20분이 걸리고, 완충하면 360km 이상 달릴 수 있다.
항구에서 출발하는 트럭 중에는 컨테이너 외에 액화수소가 가 득 실린 수소탱크를 싣고 가는 트럭도 있다. 이 역시 수소연료전지로 가는 트럭이다. 파이프라인이 연결되지 못하는 지역으로 액화 수소를 운반하는 역할을 맡는다.
CO₂를 배출하지 않는 수소 운송프로젝트는 먼 나라만의 이야기가 아니다. 우리의 경우에도 2025년 수소를 수입하면 수입방식·운반선·저장소 등 프로젝트를 수행하기 위한 적절한 수소항구 방식을 계획해야 한다. 또 수소항구는 수소 수입뿐 아니라 물류를 담당할 수소지게차, 수소트레일러 등을 주요 운송수단으로 삼아야 한다.
경기도가 계획하고 있는 평택시에 대한 비전은 향후 수소항구에 대한 기대를 낳게 한다. 현재 세 워져 있는 평택 LNG기자를 수도권 수소생산 거점으로 삼겠다는 것이 경기도의 복안이다. 그렇다면 여기에 수소생산기지와 배관망, 수소충전소 등 다양한 인프라가 구축되어야 한다. 2018년 기준 1월부터 10월 사이 평택 항에 입출항한 선박 수는 2만톤급 컨테이너선을 포함, 모두 3,391척이었다. 이들 대형선박은 육상에서 사용되는 벙커C유보다 무려 7배나 황을 많이 포함 하고 있는 벙커C유를 사용한다. 황함유량이 육상용 병벙커C유가 0.5%라면, 선박용 벙커C유는 3.5%에 달한다. 평택항 대기질 오염 의 주범이다. 평택항에 드나드는 선박에 수소연료전지를 적용하면 엄청난 양의 미세먼지 절감이 가능하다.
평택시는 수소항구가 될 수 있을까, 경기도의 비전이 그려낼 최 종점은 수소항구다. 미세먼지로 뿌옇던 항구가 청정항구가 되고, 그 항구로 수소 운반선이 들락거리는 모습을 그려본다. 그 동안 LNG를 수입하고 전국으로 이송하는 충분한 경험을 삼아 수소거점으로서의 항구를 만들고, 항구인프라 역시 수소에너지를 이용한 시설과 장비들로 형성하면 된다.
수소강국으로의 길, 수소항구가 그 문을 연다.
하늘을 날게 하는 '수소'
제주도 탐라해상풍력단지, 풍력발전기가 제대로 작동하는지 알 아보기 위해 기계가 출동한다. 두산모빌리티이노베이션의 드론이다. 이 드론은 세계 최초로 드론용 연료전지파워팩을 장착했다. 무려 2시간 이상 비행할 수 있다. 산업현장을 탐색하고 문제를 해결하기 위해 드론은 이곳 저곳 비행한다. 안전성을 인증받은 수 소 용기가 있어 드론은 더욱 안전하게 비행할 수 있다.
어디 드론뿐일까, 인간의 날고 싶은 욕구가 산업으로 이어지고 있다.
인간은 날아가는 새를 보며 하늘을 나는 것을 동경해 왔다. 과학기술이 발달하면서 새의 날개를 본은 각양각색의 비행체를 만들어 날아오르려고 했다. 하지만 이 보다 먼저 하늘로 날아오른 것은 공기에 열을 가해 가볍게 만든 열기구였다.
프랑스의 과학자 조제프 미셸 몽골피에 Joseph-Michel Montgolfier 1783년, 최초로 사람을 열기구에 대위 하늘로 올려보냈다. 이후 공기를 뜨겁게 데워 열기구를 띄우는 방식에서 공기보다 가벼운 공기를 풍선에 담아 띄우는 방식으로 변화되었다. 이때 사용한 원료는 비싼 헬륨 대신 수소였다. 그런데 수소를 사용하는데도 고려해야 할 사항이 있다. 항공기는 지상 운송수단에 비해 무게와 부피가 중요한 변수이다. 가스 상태로 수소를 저장하는 것은 압력이 늘고 부피가 커지기 때문에 탱크 역시 무게와 부피가 감당할 수 없을 만큼 커지게 된다. 그래 서 반드시 기체가 아닌 액체수소를 연료로 사용해야 한다. 또 항 공기의 안전성을 위해서는 대기압 부근의 낮은 압력에서도 수소를 액제로 유지해야 하기 때문에 수소가 기세로 변화하지 않도록 -260℃의 초저온 상대를 유지해야 한다. 수소는 -254℃에서 액 화되기 때문이다. 그렇다면 반드시 필요한 것은 탱크의 단열이다. 조제프 미셸 몽골피에가 열기구에서 수소를 이용한 후 인류는 수소를 추진 동력으로 사용하기 위한 연구개발을 계속해왔다. 1937년 가스터빈을 수소연료로 해서 최초로 실험했고, 실험이 아닌 실제 비행으로 완성된 것은 러시아에서 TU-1547) 의 엔진 하나를 수소로 운전해 비행한 경우다.
이제 수소를 이용해 하늘을 날기 위한 연구는, 대형 항공기에 서 소형 무인기로까지 이어지고 있다. 소형 무인기는 보통 배터리를 장착하는데, 배터리에 에너지를 저장하는 것에 한계가 있기 때 문에 장시간 비행하기는 어렵다. 장시간 비행을 위해서는 연료전지 가 적용되어야 한다. 이를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
소형 무인기에 수소연료 전지를 적용하기 위한 기술개발은 국내외 모든 곳 에서 활발하게 이루어지고 있다. 최근 수소연료전지의 성능이 개선되고 고압의 액체수소를 저장할 수 있는 가볍고 튼튼한 저장탱크가 개발되면서 소형 무인항공분야에서는 활발한 연구가 진행되어 상업화 초기 단계에 있다.
해외 소형 연료 전지 무인기 개발은 2003년 비행 가능시간이 불과 15분 정도였지만 현재 약 48시간 정도를 운행할 수 있는 수준으로 발전했다. 미국 해군연구소가 개발한 이온타이거 lon Tiger 무인항공기가 세운 기록이다. 자체 개발한 극저온 연료저장탱크 및 이동시스템을 활용하여 기존 26시간이었던 비행시간 기록을 거의 두 배 가까이 늘릴 수 있었다.
소형뿐 아니라 대형 고고도 장기체공 무인기에 서는 왕복동 엔진에 수소를 연료로 사용하는 방 식이 연구되고 있다. 보통 우리가 이용하는 민항기 는 10km 정도 고도로 다닌다. 이 높이보다 더 높 은 고도를 다니는 것을 '고고도'라 부른다. 고고 도를 비행할 수 있다면 인공위성이 하는 임무를 보완하는 역할을 수행할 수 있다. 교통감시·통신 중계 등 다양한 사업에서 사용될 수 있다. 고고도 장기체공 무인기 개발 초기에는 전체 동력을 연료전지로 사용 했다. 최근엔 주요 연료는 태양광에서 얻고, 뜨고 내릴 때만 수소 를 연료로 쓰는 방식에 대한 연구가 진행되고 있다.
고고도는 구름보다 높은 곳이기에 태양광발전이 훨씬 쉽다. 연 료를 별도로 충전할 필요가 없는 태양광발전은 무척 유용한 기 술이 된다. 페이스북 구글 등 글로벌 플랫폼 기업들도 태양광을 이용한 성층권 비행 무인가를 한창 개발하고 있다. 한 번 이륙하 면 5년 동안 체공한다는 것이 목표인데, 태양광발전이 있기에 가 능하다. 그런데 문제는 성층권으로 진입하거나 지상으로 돌아올 때 동력이 되는 연료다. 이때 사용하는 동력이 바로 수소를 원료 로 하는 연료전지발전이다.
미국항공우주국 나사 NASA '헬리오스 프로토타입 3'은 주요 구 조가 태양광발전을 위한 태양전지, 왕복운동을 하는 엔진을 위한 연료전지, 배터리 등으로 이루어져 있다. 무인기 상부는 전면이 태양전지로 이루어져 태양광발전이 쉽다. 고고도 무인기 역시 수소 왕복운동을 하는 엔진으로 수소연료전지를 사용하고 있는데, 이 부 분은 포드사의 엔진을 개조하여 만들어졌다.
소형 유인기에서도 수소연료전지가 사용되고 있는데, 수십 분 가량 비행이 가능하다. 대형 유인기 분야는 아직 탐색 단계다. 유 인항공기에서 수소가 활발하게 동력원으로 사용되지 못하는 이 유는 추진 동력원을 신뢰하지 못하기 때문이다. 아직까지는 수소 연료전지가 화석연료를 사용하는 제트엔진의 자리를 대신하지는 못하고 있다. 다만 유인항공기 분야에서도 오랫동안 쓰여왔던 가 스터빈이나 프로펠러와 같이 기술적으로 신뢰를 얻은 방식에 수 소를 접목해 연료로 사용할 수 있는 연구가 진행되고 있다. 조만 간 상업적으로 적용이 가능한 성과를 얻을 것으로 보인다.
2000년에 유럽연합 EU은 대형 항공기의 대체 연료로 수소를 이 용하기 위한 프로젝트를 수행했다. 당시 가장 이슈가 되었던 것 이 연료 저장, 즉 항공기 내 액체수소탱크 문제였다. 같은 양의 에 너지를 만들 때 화석연료 대비 액체수소의 무게는 3분의 1이지만 부피가 4배이기 4문이다.
수소를 영상으로 비행기의 추진력을 얻는 연구는 수소연료 전지를 이용해 수소 에머지를 이용하거나 수소를 직접 연소해 추진력 혹은 왕복운동 에너지를 이용하는 등 다양한 방법으로 진행 되고 있다. 우주선이나 미사일 등 발사체에서도 수소는 연소속도 가 빨라 주요 연료로 사용되는 등 항공분야에서 전방위적으로 쓰인다. 액체수소의 부피와 무게를 낮추는 획기적인 기술만 개발 된다면 수소연료에 대한 신뢰는 더욱 높아질 것이다. 아직은 요원 해 보이지만 이 기술개발을 위해 누군가는 나서줄 것이다.
우리 과학영재들의 손길로 수소가 더 넓게, 더 멀리, 더 많이 쓰 일 수 있기를 바라본다.
미세먼지 주범의 오명을 벗는다. 다양한 건설기계
근로자들이 분주히 오가고 있는 미국 월마트 Walmart, 지게차를 통해 월마트 매장 곳곳에 놓을 물건과 박스를 옮기고 있다. 지게 차는 보통 디젤을 사용한다. 디젤에서 나오는 CO₂는 건강에 나 쁜 영향을 미치는데, 특히 실내에서 일하는 물류노동자들에게 그 러하다. 그래서 바로 고안한 것이 바로 수소지게차다.
월마트는 미국 19개 권역에서 미국 플러그 파워 Plug Power 의 연 료전지가 적용된 수소지게차를 3,000기 이상 사용하고 있다. 또 수소를 공급하기 위한 전용 수 소공급시스템도 구비하고 있다. 수소지게차를 가장 적극적으로 도입하고 있는 나라는 미국이다. 코카콜라 역시 2012년 이후 50기 이상 수소지게차를 운용하고 있으며, 프랑스의 대표적인 가스 기업인 에어 리퀴드 Air Liquide의 액체수소 공급시스템을 이용해 수 소를 공급하고 있다.
식품 물류센터에서도 깨끗한 에너지, 수소를 이용한 수소지 게차가 이용되고 있다. 아마존 Amazon은 수소지게차 사업을 위 해 플러그 파워의 연료전지 사업에 7천만 달러를 투자하고 지분 을 23% 인수하는 등 수소연료전지 지게차 사업에 박차를 가하 고 있다. 아마존의 성장을 보았을 때 물류 인프라 확충에 수소연 료전지 기술을 도입하는 것은 큰 의미다. 앞으로 물류시장에서의 수소혁신을 예측할 수 있다. 자동차회사인 벤츠도 자사 물류센 터에 수소지게차를 도입했다.
일본은 일찍이 수소공항을 구축하기 위해 노력 하고 있다. 수소지게차뿐 아니라 수소리무진버스 등도 도입하여 아시아 최초의 수소망으로 전력을 가동하고 운송수단을 사용하는 수소공항을 구축하고 있다. 특 히 물류분야에서의 획기적인 아이디어들이 도입되었다. 공항 안에 서 짐을 싣고 내리는 포크 리프트 Forklift를 수소전기차로 바꾸었 다. 간사이 국제공항에서는 도요타가 개발한 수소지게차를 도입 하여 물건을 나르고 있다. 이 지게차는 3분 만에 충전이 가능하 며, 8시간 동안 이어서 운행할 수 있다.
우리나라에는 가온셀의 수소지게차가 있다. 가온셀은 중소기업 으로 2015년 '수소지게차'를 개발했다. 이전 이름은 프로파워로 최근 기업 이름을 바꾸었다. 소형 수소굴삭기를 개발한 기업도 있 다. 범한산업과 두인은 2019년 이 굴삭기의 현장시험을 진행하고 있다.
이렇게 건설현장과 물류현장에서 수소에너지가 적극 도입되고 있 는 이유는 지게차·건설기계 등이 미세먼지와 같은 오염물질을 많이 배출하기 때문이다. 대기오염 물질은 배출원에서 직접 배출되는 형 태의 1차 오염물질과 직접 배출되지는 않지만 이미 배출된 다른 물 질이 대기 속에서 화학반응을 일으켜 만드는 2차 오염물질로 나뉜 다. 2차 오염물질은 측정조차도 불가능한 경우가 많다. 미세먼지도 마찬가지다.
미세먼지의 가장 큰 오염원인 비산먼지는 어떠할까? 비산먼지 비 율이 46%, 초미세먼지가 17.2%이다. 비산먼지 배출량의 절반 정 도는 포장도로와 비포장도로에서 자동차가 달릴 때 흩날리는 먼 지로 추정된다. 건설공사 중에는 주로 토목공사 과정에서, 나대지 에서는 강한 바람이 불어 표면의 흙먼지를 날릴 때 발생한다. 건 설기계의 에너지원을 청정에너지로 바꾸면 미세먼지 발생을 상당 히 줄일 수 있다.
그런데 건설기계의 경우 반드시 필요한 부분은 안정적인 충전 방안이다. 보통 건설현장이 도심에서 멀리 떨어져 있어서 충전 시 간이 길고, 지속 시간이 적은 경우엔 사용하기가 적절하지 않다. 이런 문제를 극복할 수 있는 기술이 수소연료전지를 활용한 건설 기계이다.
건설기계 장비기업들은 수소연료전지 건설기계를 개발하는데 주 력하고 있다. 굴삭기 생산 세계 3위 업체인 제이씨비 JCB는 2015 넌 이미 수소연료전지업체 주식을 인수하여 수소굴삭기 사업을 검 토 중이다. 보쉬 Bosch는 독일 정부의 지원을 받아 공항에서 사용되는 견인트럭·승객수송·화물이송 트럭에 적용할 수 있는 수소트럭을 개발했다. 자동차회사 볼보 역시 2012년 수소굴삭기를 개발하고, 중량을 높여 2017년 2.5톤급 수소굴삭기를 공개한 바 있다.
아직은 걸음마 단계이지만 미세먼지를 줄이기 위 해 반드시 필요한 수소연료전지 건설기계는 꼭 확대 해야 할 분야다. 수소굴삭기·수소트럭 등 수소를 적용한 건설기계의 개발과 도입은, 우리 아이들에게 마스크를 벗고 맑은 공기를 마시며 살아갈 수 있는 미래를 선물할 것이다. 아이들에게 봄날의 화창함을, 차갑지만 상쾌한 겨울의 시작을 알려주고 싶다. 건설기계에 두루두루 수소에너지를 적용해 아이 들이 '계절의 향취를 맘껏 누릴 수 있도록 하자.
