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에너지/환경 수소의 미래

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-01-22 13:06:00
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출처 : https://www.itmedia.co.jp/business/articles/2002/01/news007.html

 

에너지 믹스는 자연스러운 흐름이다

 

이야기를 시작하기 전에, 에너지의 다양성에 관해 이야기하지 않을 수 없다. ‘내연 기관이 완전히 사라지고, 모든 자동차가 EV가 된’ 세계는 영원히 오지 않을 것이다.

 

그 이유는 간단한데, 전 세계를 둘러보면 아직 전기가 존재하지 않는 세상에서 사는 인구가 10억 명에 이르며, 세계 인구 약 77억 명의 10%가 넘는다. 전기는 인프라 의존도가 높은 에너지이므로, 보급하려면 경제가 발전되어야 한다. 그리고 경제 발전과 인프라의 정비를 위해서는 평화로워야 한다.

 

즉 지구상의 자동차를 100% EV화하려면, 먼저 전 세계에서 전쟁을 없애야 한다. 그것은 인류가 이루지 못한 꿈이며, 매우 어려운 일이다.

 

분쟁 지역에서는 에너지 밀도가 높고 차량에 실어 나를 수 있는, 정적(静的)으로 저장할 수 있는 에너지가 아니면 사용할 수 없다. 전기를 저장하는 일반적인 방법은 전지인데, 전지는 에너지 밀도가 낮아 포터블한 에너지원으로서는 효율적이지 않다. 그러므로 인프라가 발달하지 않은 환경에는 적합하지 않다.

 

한 번 상상해 보라. 예를 들어, 극지를 탐색하는 데에 EV를 이용한다면 리스크가 훨씬 높아질 것이다. 석유 에너지는 드럼통에 가득 채우면 어디에든 가져갈 수 있고, 적은 무게ㆍ부피로 장시간 동안 차량을 가동시킨다. 석유 연료 자동차는 인프라가 없는 지역에서 운용하기에 매우 편리하며, 어쩌면 그러한 지역에서는 내연기관 자동차가 없으면 물류가 성립되지 않는다.

 

이러한 현실과 달리, 선진 국가들에게는 파리 협정을 따를 것이 요구되며, 특히 2050년 목표를 위해서는 화석 연료를 단절해야만 한다. 지역과 시대와 목적에 따라 에너지에 대해 요구되는 특성은 서로 다르다. 즉 에너지는 지역별로 다양하게 존재하는 것이 자연스러운 일이다. 예를 들어, 휘발유와 디젤이 적재적소에서 오랫동안 공존해온 것처럼, 석유, 가스, 전기, 수소 역시 비율은 다르더라도 적재적소에서 활약하게 될 것이다.

 

에너지는 혼합되어 운용된다. 오늘날 일부 사람들이 ‘EV만이 최고다’라고 주장하지만, 왜 무엇이 가장 좋은지를 정해두고, 그 이외의 것은 적으로 간주하여 없애버려야 하는 건지 이해할 수 없다. ‘성서인가 죽음인가?’ 만큼은 아니지만, 역사적으로 볼 때 가열 찬 종교의 색채가 느껴진다.

 

FCEV가 가진 문제

 

그러한 혼합된 에너지 속에 수소가 존재하는데, FCEV에는 다양한 결점이 있다. 그러므로 현재로서는 보급되지 않고 있다. 가장 근원적인 문제는 적어도 현시점에서 수소가 애초에 석유나 가스를 개질함으로써 만들어지고 있다는 점이다. 탈화석연료를 목표로 하여, 포스트 내연 기관을 생각하고, 그 후보 중 하나로 FCEV를 두고 있다면, 화석 연료의 사용을 줄이기 위해 ‘화석 연료에서 유래한 수소’로 대체하는 것에는 아무런 의미가 없다. 그러므로 수소를 제조하는 방식은 바뀌어야 한다.

 

또 한 가지 문제는 수소의 에너지 밀도를 높이려면 초고압 압축이 필요한데, 예를 들어 도요타 MIRAI는 700기압까지 압축한 수소를 충진한다. 이렇게 압축하려면 방대한 에너지가 필요하며, 애초에 700기압(약 70Mpa)이라는 압력은 기체가 가연성인지 아닌지와는 상관없이 위험하다. 이해를 돕기 위해 덧붙이자면, 일본의 고압가스 보안법에서 정한 고압가스의 기준은 대략 1Mpa이며, 700기압은 그의 약 70배다. ‘수소는 위험하지 않다’고 반론하는 사람이 있다. 물론 물질 자체가 가진 열량을 보면 휘발유가 훨씬 위험하지만, 앞서 말한 것처럼 수소라서 위험하다는 것이 아니라 ‘초고압 기체’이기 때문에 위험하다고 할 수 있다.

 

<그림1> FCEV인 MIRAI에서 수소가 연료로 사용되는 흐름

 

그러한 뿌리 깊은 문제 속에서 FCEV는 어디에서 활약할 기회를 찾을 수 있을까?

 

에너지 믹스의 TPO

 

화석 연료를 개질하여 수소를 만드는 것이 안 된다면, 그 밖에 다른 방법이 있을까? 사실 수소는 석유 정제 및 제철의 부산물로서 대량으로 생성된다. 이러한 수소는 부생수소라 불리며, 순수하게 양만 놓고 보면 400만 대의 자동차를 가동시킬 수 있을 만큼 많은 양임에도 불구하고, 지금까지는 쓸모없이 버려져 왔다.

 

에너지로 볼 때는 그야말로 꿈같은 이야기지만, 이러한 부생수소는 연료전지로 사용하기는 순도가 낮으며, 제정 공정을 거쳐야 한다는 문제를 갖고 있다. 기존에는 이러한 정제 비용이 문제가 되어 폐기되어 왔다. 하지만 파리 협정의 이념을 생각해 보면, 쓸모없이 버려지는 부생수소를 에너지로 재이용할 수 있다면, 당연히 이용해야 하며, 순환 사회의 올바른 형태라 할 수 있다. 양적으로도 방대하므로, 기술만 확립되면 유용한 자원이 된다.

 

이러한 수소가 전국에 보급된 수소 스탠드에서 공급되고, 많은 승용차가 FCEV로 바뀌는... 그러한 미래는 너무나도 낙천적이다. 다만 기업집단과 같이 대량의 부생수소가 매일 발생하는 지역을 기점으로 하는 물류 차량은 FCEV로 전환하기 쉽다. 왜냐하면 외부로부터 조달하던 연료를, 내부에서 재이용할 수 있기 때문이다.

 

이러한 발전의 담당자로서, 예를 들어 JFE 스틸의 제철소를 보유한 가와사키시가 부생수소의 이용을 촉진한다면, 지역 내의 버스 및 공용 자동차를 FCEV로 전환하는 것도 충분히 생각할 수 있다. 부생수소의 전량을 사용할 만큼 FCEV가 금방 보급되지는 않을 것이므로, 남은 수소를 에너지원으로 삼아 정제가 끝난 수소를 압축한다면, 모든 FCEV의 연료를 부생수소의 재이용으로 충당할 수 있다.

 

각종 에너지를 가지고 영역 싸움을 벌여, 단 하나의 승리자만을 결정하는 등의 무의미한 발상을 멈추기만 한다면, 거의 공짜에 가까운 수소가 풍부하게 존재하는 지역에서, 일부러 전기세를 내고 충전할 필요가 없게 된다. 수소에게는 수소만의 살아갈 길이 있다.

 

부생수소 외에도 수소에 대한 접근방식이 존재한다. 현재 도요타가 요코하마/가와사키 임해 지역에서 실증실험을 하는 중인데, 풍력발전의 전력을 저장하는 방법으로서 수소를 사용하는 방식이다.

 

전력회사는 전국 각지의 전력 사용량을 살피면서 전력량을 결정한다. 실시간으로 소비되는 전력과 상응하는 양을 발전해야 하기 때문이다. 저장할 수 없는 전기는, 오래전부터 궁극의 온디맨드였다.

 

하지만 바람은 전력 수요에 따라 불지는 않는다. 수요와 상관없이 바람의 세기에 따라 발전량이 결정된다. 그러므로 발전량이 충분할 때 풍차가 휙휙 돌아간다고 해도 어찌할 도리가 없다. 그렇다면 그러한 전력으로 물을 전기분해하여 수소를 만들면, 완성된 수소는 재생에너지를 저장하는 방법이 될 수 있다. 이 역시 도요타와 각 기업의 협력을 통해 요코하마에서 실증실험을 진행하고 있다.

 

<그림2> 요코하마시 풍력발전소(하마윙). 부지 내에서는 풍력발전을 이용하여 수소를 제조하고, 저장 및 압축하는 실증실험을 하고 있다.

 

풍력으로 얻은 에너지에서 압축 수소로 회수(이 경우도 포집인가요?)할 수 있는 효율은 결코 바람직한 수준은 아니지만, 원료가 재생에너지라면 온난화를 방지하는 데 도움이 된다. 부생수소와 풍력에서 유래한 수소라면, LCA(라이프사이클 애세스먼트)의 관점에서도 CO2 배출량이 적기 때문이다. 현재 상황을 전제로 한다면, 아직 옛날 방식의 석탄 화력발전소를 배제할 수 없는 인프라 전력보다 훨씬 깨끗하다.

 

초고압 저장 솔루션

 

이제 마지막으로 남는 문제는 고압 기체의 취급이다. 고압을 견디기 위해 차량에 탑재하는 탱크도 구형이나 원형이 될 수밖에 없으며, 운송 및 보급 면에서도 쉽게 다룰 수는 없다. 이러한 문제를 어떻게 하는가가 중요하다.

 

<그림3> FCEV MIRAI의 수소 탱크

 

이러한 문제에 대해, 치요다 화공건설이 매우 흥미로운 개발을 하고 있다. 치요다 화공건설에서는 수소를 톨루엔과 반응시켜 메틸씨클로헥산(MCH)으로 전환하고, 저장 및 운송하는 ‘SPERA 수소’라는 기술을 보유하고 있다. 수소 가스를 상온/상압에서 액화시킴으로써 500분의 1로 압축할 수 있다.

 

톨루엔은 제4 석유류, 즉 휘발유와 같은 분류에 속한다. 즉 기존의 주유소 인프라를 그대로 사용할 수 있다. 하지만 급유 전에 수소를 분리하여 제 역할을 마친 톨루엔을 빼내는 작업이 필요하다. 참고로 이러한 톨루엔은 재이용할 수 있다.

 

2019년 도쿄 모터쇼에서 치요다 화공건설의 해설자에게 이 기술에 관해 물어보았다. 내가 듣고 싶었던 말은, SPERA 수소를 휘발유처럼 급유하고, 차량에 탑재된 촉매 분리 시스템에서 수소를 빼낼 수 있는지였다. 기술적으로는 불가능하지 않지만, 그에 관한 연구는 아직 이루어지지 않았다는 답이 돌아왔다.

 

도요타와 혼다가 치요다 화공건설과 함께 수소의 액화 이용을 연구했으면 좋겠다. 주유소가 격감하고 있는 세상에서, 새로운 비즈니스의 싹을 틔울 수 있을지도 모른다.

 

이처럼, 수소의 미래에는 많은 장애물이 있다. 해결해야 하는 문제는 여기서 다룬 것처럼 많이 있다. 하지만 어쨌든 기술적, 이론적으로 불가능한 것은 없다. 언젠가 수소가 자동차의 에너지로서 확고한 입지를 다지는 날이 오게 될 가능성도 적지 않다.

 

 

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