인류 에너지 문제의 유일한 대안 ‘수소’
수소에너지(hydrogen energy)란 수소 형태로 에너지를 저장하고 사용할 수 있도록 한 대체에너지로서 연소시켜도 산소와 결합하여 다시 물로 변하기 때문에 배기가스로 인한 환경오염의 염려가 없어 석유·석탄의 대체 에너지원으로서 인류 궁극의 연료로 주목받고 있다. 게다가 수소에너지는 비교적 쉽게 구할 수 있는 물을 원료로 하기 때문에 무한대로 에너지를 생산할 수 있다.
또 소음 및 인체에 유해한 대기오염물질의 배출이 거의 없으며, CO₂ 배출량도 LNG 화력발전 대비 40% 가량 저감할 수 있다. 뿐만 아니라 기존의 에너지들은 저장이 되지 않았기 때문에 생산 시 바로바로 사용해야 했지만 수소에너지의 경우 저장이 가능한 에너지이기 때문에 에너지캐리어로서 역할을 잘해낼 수 있을 것으로 보인다.
이러한 수소에너지의 장점으로 인해 ‘수소경제’라는 용어가 등장하기도 한다. 이는 수소가 가시권에 있는 인류 에너지 문제의 유일한 대안으로서 추후 주요 연료가 될 것을 의미한다.
이러한 수소를 발전용, 가정용, 수송용, 휴대용 등 용도에 맞게 저장하여 사용할 수 있도록 만든 것이 바로 연료전지다. 연료전지 발전시스템은 산업화 달성 시 금속, 전기, 전자, 기계 및 제어 산업과 부수적인 장치를 공급하는 새로운 시장을 창출할 수 있는 막대한 경제적 부가가치 파급효과를 지니고 있다.
특히 연료전지는 기존 화력발전과 달리 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키기 때문에 에너지 손실이 적어 현존하는 발전설비 중 효율이 가장 높다.
세계 최대 규모 친환경 연료전지발전소 착공
이렇듯 세계의 관심이 연료전지에 집중된 가운데 우리나라 정부와 기업들 역시 연료전지 개발에 전력을 다 하고 있다. 정부의 2011년 그린에너지 로드맵에 따르면, 발전용 연료전지는 2015년 약 2조 원 규모의 세계시장 형성과 이후 연간 35%의 성장세가 예상되며, 2030년에는 수 MW급의 대형 발전소를 중심으로 18조~41조 원 규모의 시장 형성이 전망된다.
또한 정부는 2008년 9월과 2009년 1월 향후 대한민국의 5년, 10년을 이끌 22개 신 성장동력 중 하나로서 연료전지 발전시스템을 선정한 바 있다.
현재 수소에너지에 가장 많은 관심을 보이고 기술의 선두에 올라있는 기업은 단연 포스코에너지다. 한국수력원자력과 삼천리, 포스코에너지는 2011년 11월 경기도 화성에 경기그린에너지(주)를 설립하고, 작년 11월에 착공하여 연료전지발전소를 건설 중이다. 올해 12월 준공될 이 연료전지발전소는 세계 최대규모인 60MW 규모의 발전소로 연간 4억 6,400만KWh의 전력을 생산할 수 있다.
이는 화성시 가정용 전력소모량의 약 70%에 해당하는 13만 5,000가구에 전력을 공급할 수 있는 규모다. 게다가 연료전지를 생산하면서 한해 6만tCO₂를 저감할 수 있어 친환경적이다.
이러한 연료전지발전소에 참여하는 세 기관 중 한수원은 신재생에너지 공급인증서(REC) 구매와 관리를, 삼천리는 연료를 공급하고 발전소의 발생열을 수용하여 인근아파트에 공급하는 역할을 한다.
포스코에너지에서는 기자재를 공급하고 시공하는 역할을 맡아 세 기관의 협력과 상생을 보여주는 사례로서 좋은 귀감이 되고 있다.
세계 최초 매립가스 이용한 수소스테이션
또 서울시는 2008년 ‘신재생에너지 랜드마크 우선사업 추진계획’의 일환으로 2011년 5월 마포구 상암동에 소재한 ‘수소스테이션’을 준공했다. 공사는 SK건설에서 실시했으며, (주)에코에너지홀딩스에서 이를 맡아 운영하고 있다.
이는 세계 최초로 매립가스를 이용한 수소 생산시설로서 청정 무공해 연료전지자동차의 운행 기반을 구축한 사례라는 평을 받고 있다.
수소스테이션에서는 발생하는 매립가스로부터 수소를 생산하여 축적하고, 수소충전소 및 발전시설을 운영하는 등의 실증사업이 추진 중이다. 다른 수소스테이션들이 주로 도시가스나 LPG를 원료로 활용하는 반면, 세계 최초로 쓰레기 매립가스를 청정연료인 수소로 전환시키는 시도로 주목받고 있는 상암 수소스테이션은 고유가 시대에 관련 산업 등에 초석이 될 것으로 전망된다.
이곳에서 생산되는 수소량은 승용차 약 30대를 충전시킬 수 있는 양으로 1시간당 30Nm³이다. 이에 따라 1주일에 수소연료전지차 13대를 충전하고 있으며, 서울시에서 운행하는 22대의 연료전지자동차 중 8대가 이곳에서 충전된다.
상암 수소스테이션의 이승민 소장은 “앞으로 수소스테이션은 월드컵공원의 친환경 신재생에너지 랜드마크 역할에 톡톡히 기여할 것”이라며 “이를 통해 수소에너지 상용화에 기여하고, 연료전지자동차의 확산에 앞장설 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.
실용화 위해 확실한 유용기술 개발돼야
이와 같이 수소에너지에 대한 기대감과 긍정적인 평가들이 있는 반면, 수소에 대한 엇갈린 견해와 이슈들도 있기 마련이다. 그중 가장 큰 문제가 바로 가격, 즉 경제성에 대한 논란이다.
수소는 사실 생산하는 것부터가 쉽지 않다. 수소는 지구상에 존재하지 않는 물질로 화석에너지, LNG, LPG, 바이오매스 등에서 수소성분만을 분해해야 한다. 그러나 이를 분해하는 데 또 다른 에너지가 필요하기 때문에 에너지로 에너지를 만드는 것이 결국은 불합리하다는 것이다.
따라서 수소는 최대한 저렴한 방법으로 생산하고, 이를 유용할 수 있는 기술을 개발하는 것이 핵심이다.
코발트스카이 김도연 대표는 “수소에너지는 분명 경쟁력 있는 에너지이지만, 앞으로 실용화되기 위해서는 수소생산에 확실한 촉매제 역할을 할 수 있는 기술이 개발돼야 할 것”이라고 강조했다.
현재로서는 천연가스(LNG)를 가장 많이 사용한다. 그러나 점차적으로 기술이 개발됨에 따라 수소를 생산하는 데 신재생에너지를 사용할 수 있을 것으로 전망된다. 물론 이는 아주 장기적으로 시도돼야 할 일이지만, 신재생에너지 분야와 함께 성장할 것으로 보여 기대를 받고 있다.
연료전지, LNG보다도 안전하다
이외에도 수소가스를 산업적으로 저장할 수 있는 기술이 없다는 것 역시 문제다. 현재 수소가스는 수소탱크, 즉 고압 탱크에 수소를 싣고 운송한다. 따라서 수소탱크의 압력을 최대한 증가시켜서 많은 양을 저장해야 하는 데 기술의 초점이 맞춰져 있다.
그러나 이 역시 운송거리를 최소화시켜서 발전소에서 직접 에너지를 사용할 수 있도록 한다면 얼마든지 해결할 수 있다. 그러나 수소를 압축시켜야 하다 보니 빠지지 않고 나오는 의혹이 수소에 대한 ‘폭발위험성’ 문제다.
그 이유는 수소가 갖고 있는 폭발성 때문인데, 불에 닿았을 때 쉽게 연소돼 화재위험이 있기 때문이다. 특히 수소는 가장 가벼운 원소로 공기 중에 잘 흩어지며 아무리 저장을 잘한다고 해도 바깥으로 샐 위험이 있어 이를 우려하는 의견이 많다.
그러나 한편에서는 수소의 위험성에 대해 원자력, LPG와 같은 에너지들도 위험성을 감수하고 개발하는 것 아니냐는 의견을 피력하기도 한다.
KIST 연료전지센터 홍성안 박사는 “수소가스를 사용한지 20년이 됐는데, 여태껏 수소가스가 터졌다는 얘기는 어디에서도 들어본 적이 없다”면서 “혹시 수소가 샌다고 하더라도 공기보다 훨씬 가벼운 수소가 공기 중에 흩어지기 때문에 발화가능성도 낮다”고 수소의 위험성을 일축했다.
공기보다 무거운 LPG가 발화되면 아래로 퍼지기 때문에 화재위험이 크지만, 수소는 공기보다 15배 가량 가볍기 때문에 새어나오더라도 공기 위로 올라가서 화재로 이어지지 않는다는 것이다.
포스코에너지의 관계자 역시 “연료전지는 화염이나 연소가 없어 기존 발전설비와 달리 폭발 및 화재의 위험성이 없다”며 “연료전지 발전시스템의 주 연료는 LNG인데, 연소과정이 없어 가스레인지나 히터보다 오히려 안전한 것으로 알려져 있다”고 밝혔다.
정부의 지속적인 육성정책과 지원 필요
연료전지 발전시스템은 전 세계적으로 기술개발 초기단계로서 선진국과의 기술격차가 작아 집중적인 투자가 이뤄진다면 단기간에 글로벌 선두기업으로서 부상할 수 있는 잠재력이 높은 산업이다.
처음 태양광, 풍력발전을 운영할 때에도 화력발전이나 원자력발전과 비교했을 때 경제성이 턱없이 낮아 정부의 지원정책이 뒷받침을 해줬다. 수소에너지도 마찬가지로 현재는 경제성이 낮다고 하더라도 정부의 지속적인 육성정책과 지원을 통해 얼마든지 적정 가격을 맞출 수 있을 것이다.
특히 수소에너지가 더욱 발전하기 위해서는 신재생에너지가 함께 발전해야 한다. 화석연료로도 얼마든지 수소연료전지 등을 만들 수 있지만 이는 당장의 생산 방법일 뿐 경제성과 환경을 생각했을 때 이 방법에 머물러서는 안 된다.
즉 재생 가능한 에너지체계 중심에 수소가 있다는 뜻이다. 세상에 수소만 존재하는 것이 아닌 신재생에너지도 함께 포함된 것이 수소경제다.
KIST 연료전지센터 홍성안 박사는 “신재생에너지를 운영하는 관계자들이 연료전지는 안 된다고 주장한다”며 “이 주장을 가만히 들여다보면 신재생에너지 역시 안 된다는 얘기가 된다”고 단언한다.
즉 연료전지를 상용화하기 위해 정부의 지원과 기업의 기술개발이 함께 나아가야 하며, 이를 통해 수소에너지를 생산하고 저장하는 기술이 발전함에 따라 신재생에너지도 함께 발전할 것이라는 뜻이다.
이러한 선순환이 시작될 때 가장 현실적이고 궁극적인 대안에너지 수소 에너지가 국내 에너지 문제를 해결하고 세계 에너지시장을 선도하게 될 것이다.
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