default_top_notch
default_news_top
default_news_ad1
default_nd_ad1

수소연료전지 빛을 보는 이유 : 2020년 수소연료전지 사업 전망과 해결점

기사승인 2020.06.02  18:22:15

공유
default_news_ad2

우리 지구를 살릴 수 있는 대체 에너지, ‘수소에너지’

인류의 산업 활동에 필수적인 에너지는 그 사용량이 계속하여 증가하고 있다. 그러나 지구의 화석연료 자원은 한정적이며, 자원의 생성 속도보다 10만 배 이상 빠른 소비 속도로 인해 세계 에너지 시장은 점차 불안정해지고 있다. 지구생태발자국네트워크 이하 GFN에서는 전 세계인이 특정 국가만큼 자원을 사용하게 될 때 필요한 지구의 개수를 나타낸지표를 만들었다.

1위는 호주로 5.4개의 지구, 2위는 미국으로 4.8개의 지구, 공동 3위는 한국·스위스·러시아로 각각 3.3개의 지구가 있어야 해당국의 소비를 감당할 수 있다. 그러나 국가 면적 대비 1인당 소비량으로 나타내면 가장 소비가 큰 나라는 우리나라다. 이러한 소비가 지속될 경우 에너지 자원은 점점 한계에 다다르게 되고 화석 에너지에 의한 기후변화 문제 또한 더욱 심각해질 것이라는 전망이다.

이때 수소 에너지는 궁극적으로 인류가 당면한 에너지 및 기후변화 문제를 동시에 해결할 수 있는 대체 에너지 자원이다. 수소는 지구에서 가장 많이 존재하는 물에서 얻을 수 있어 자원의 제한이 없고, 연료로 사용하게 되면 후에 물로써 돌아가기 때문에 생태학적으로 안정적이고 친환경적인 에너지원이기 때문이다. 그러나 아직까지 화석연료를 직접 사용하는 것보다 수소에너지를 이용하는 것은 에너지효율이 낮아 경제적이지 못하다. 이러한 수소에너지의 문제점을 극복하고 앞으로 시대를 이끌어갈 기술이 바로 ‘수소연료전지’이다.

 

수소에너지 시장을 선도할 ‘수소연료전지’ 기술

수소연료전지는 수소에너지 경제에서 대체에너지의 불안정한 공급 문제를 경제적으로 조절하고 보완할 수 있는 에너지 기술이다. 여기에서 연료전지(Fuel Cell)란 수소를 연료로 하여 전기에너지로 전환하는 기술로써 물의 전기분해반응의 역반응을 이용해 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어내는 전기화학기술이다. 아래 그림은 수소연료전지의 원리를 나타내며 이에 해당하는 화학 반응식은 다음과 같다.

연료전지의 기본 구성은 양극, 음극, 전해질이 접합된 셀이며 다수의 셀을 쌓아 스택을 만들어 원하는 전압과 전류를 얻는다. 일반적으로 연료인 수소를 음극에 공급하면 수소는 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화된다. 그리고 양극에서는 산소(O2)와 전해질을 통해 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 결합하여 물(H2O)을 생성시키는 환원반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를발생시키는 원리이다.

아래 표는 연료전지와 기존발전 방식을 비교한 표이다. 이를 바탕으로 연료전지의 특징을 정리하면 다음과 같다.

(1) 높은 발전 효율
열역학적으로 화석연료는 전기에너지를 얻기까지 운동에너지 및 위치에너지 손실과 마찰손실이 발생하여 효율이 낮다. 그러나 연료전지의 전기발전 효율은 열손실과 부품손실을 고려하여도 기존 화석연료보다 효율이 높다. 연료전지는 연료의 연소과정과열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 과정이 없기 때문이다. 일반적인 가솔린, 가스 엔진의 경우 출력 규모가 작으면 발전 효율이 감소하지만, 연료전지의 경우 출력 크기와 관계없이 일정한 효율을 가지는 것 또한 이점이다.

 

(2) 설치의 용이성

건설기간이 기존 화석연료보다 현저히 짧고 환경에 해로운 가스를 발생시키지 않기 때문에 도심 지역에서도 발전시설 건설이 가능하다. 따라서 전력의 요구조건에 따라 산간지역, 섬지역 등 기존 화석연료 단지가 들어서기 어려운 조건에서도 독립적인 설치 및 운전을 할 수 있다. 더불어 다른 발전에 비해 소요 면적이 적은 이유도 존재한다.

 

(3) 전기와 열의 동시 생산
타 발전에서의 반응 과정에서 발생하는 열에너지는 에너지 손실을 크게 한다. 그러나 연료전지는 발생하는 열을 유효하게 이용하는 것이 가능하다. 이를 Cogeneration 시스템이라고 한다. 가정용 연료전지의 경우 투입한 도시가스 에너지의 40%가 전기, 40%가 증기에너지로 발현되는 뛰어난 장치 역할을 하게 된다.

(4) 친환경성
연료전지는 SOx와 NOx 등의 환경에 유해한 가스 발생이 거의 없다. 또한 이산화탄소의 발생량도 기존 내연기관보다 월등히 낮다. 연료전지 반응은 물의 전기분해 반응의 역반응이므로 전체 반응에서 결과물은 물을 발생시키므로 무공해 친환경적인 특징을 가지는 기술이다.
 

(5) 기타
이외에도 연료전지는 소음공해가 적고 순수 수소이외에 다른 발전 방식으로 수소를 생산할 수 있기 때문에 연료의 제한이 적은 특징이 있다. 다시 말해 연료전지는 높은 발전효율과 친환경성을 동시에 잡으면서도 비교적 제약 없이 건설 및 이용을 할 수 있다는 어마어마한 장점을 지닌다.

 

국내외 수소연료전지 상용화 사례

이처럼 수소연료전지의 기술적인 잠재성과 친환경적인 특성 덕분에 최근 수소연료전지의 상용화가 활발하게 늘어났다. 대표적인 사례는 수소차 상용화이다. 서울시는 최근 3월 31일 현대자동차와 ‘친환경 수소전기차 및 수소 충전 인프라 보급 양해각서(MOU)’를 체결하며 수소전기차와 충전소 보급과 함께 서울 시내 수소 전기 버스를 정규 버스 노선으로 확대 운영할 계획을 밝혔다. 그동안 수소차와 충전소 인프라 보급에 대한 협약들은 있었지만, 대중 교통 수소차를 위한 구체적인 협약은 처음이라 볼수 있다.

올해에는 전년도 2배 규모인 325대 및 40개 노선으로 보급 예정이다. 수소차를 위한 서울시
의 정책이 올해 더욱 구체적으로 자리 잡고 있다. 서울시는 교통 분야를 넘어 수소연료전지 사업에도 힘쓰고 있다. 서울시는 또한 연료전지 시민펀드를 진행했었다. 1호 ‘노을 연료전지 시민펀드’는 마포구 노을공원 내 수소연료전지 발전 사업에 시민이 직접 투자할 수 있도록 한 상품이다. 3년 전 당시 판매 시작 1시간 30분 만에 조기 완판되는 모습을 보였다. 펀드 사업은 시민의 투자금으로 건립된 발전소에서 창출된 수익을 시민과 공유한다는 점에서 수소연료전지의 상용화를 위한 좋은 발걸음이라 볼 수있다.

서울시 대기기획관은 “수소 경제 정착을 위해 더욱 다양하고 발전된 시민참여 모델을 만들어 나가겠다.”고 말했다. 서울시와 함께 수소전기차, 수소 전기 버스 사업을 도모한 현대자동차는 수소연료전지 확대를 위한 새로운 사업들을 도모 중이다. 최근 세계 아이돌가수 방탄소년단과 함께 ‘세계 수소 캠페인’ 영상을 20년 지구의 날 4월 22일 유튜브 계정을 통해 발표하였다.
위 영상에서는 ‘아름다운 대자연의 소중한 언어들’을 주제로 다음 세대에게 아름다운 자연을 물려주기 위한 지속가능성이 중요하다는 메시지가 담겨있다. 영상 마지막에 현대자동차의 수소전기차인 ‘넥쏘(NEXO)’가 등장하며 ‘수소’와 현대자동차의 미래에 대한 비전을 밝힌다. 위 캠페인은 젊은 세대들에게 지구 환경에 대한 관심을 두도록 유도하는 데 성공하였다. 뉴욕 타임스퀘어에도 영상이 공개되었으며 미국 그래미 상에 방탄소년단이 수소전기차 ‘넥쏘’를 타고 나타나며 전 세계적으로 수소 캠페인과현대자동차의 뜻을 밝혔다.

현대자동차의 수소연료전지 기술은 국외에서도 그 위상이 높다. 20년 2월 미국 정부 에너지부와 함께 수소 사회 구현을 위한 ‘기술혁신과 세계 저변확대’ 공동 협력을 진행하였다. 또한, 미국 에너지부에 수소전기차 ‘넥쏘(NEXO)’ 5대를 기증하고 워싱턴 DC에 수소충전소 구축을 지원하며 미국에서 수소연료전지가 원활히 보급 될 수 있도록 힘쓴다. 위협약은 수소와 수소연료전지 기술의 글로벌 활용도를 높이는 것이 핵심이다. 이번 수소 협약 사업이 수소연료전지 기술 부분 상위자 현대자동차와 글로벌영향력 최상 미국과의 만남으로 협업이 더 기대되
는 이유다.

산업통상자원부는 산업기술보호위원회의 심의를 거쳐 현대차의 수소연료전지시스템 기술 수출을 승인하였다. 수소연료전지 기술은 현대차를 비롯하여 극소수의 기업만 보유하던 기술이라 이번 미국과 유럽에 수출하는 것으로 전세계 수소차 보급에 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

 

수소연료전지 소비시장 분석

국내 수소연료전지 소비시장은 증가하는 추세다. IBK투자증권의 발표로는, 국내 2040년 발전용 연료전지는 15GW(48배), 가정?건물용은 2.1GW(300배) 보급이 목표임을 나타내었다. 2019년 1월 발표된 한국 정부의 수소 경제 활성화 로드맵에 따르면 발전용 연료전지는 2018년 307.6MW(41개소)가 보급되었으며 중소형 LNG 발전과 대등한 수준으로 발전단가를 하락시켜 중장기적으로 설치비 65%, 발전단가 50% 수준으로 하락을 목표. 중장기로는 2040년까지 15GW(내수 8GW)를 목표로 하고 있다고 밝혔다. 또한 가정?건물용의 경우 2018년 7MW(3,167개소)가 보급되었고, 2022년과 2040년 보급목표는 각각 50MW와 2.1GW를 목표로 하고
있음을 확인할 수 있었다.

해외 수소연료전지 사업도 마찬가지로 활성화되고 있다. 일본 후지경제에 의하면 2030년 연료전지시장은 4조9,275억엔(약 50조원) 규모로 2017년 대비 28배 성장할 것으로 알려졌다. 더 구체적으로 지역별로는 한국, 중국, 일본 등 아시아 비중이 2018년 45%에서 2030년 58%로 절반 이상을 차지할 것으로 전망되었다.

 

수소연료전지의 한계점과 해결을 위한 연구

다양한 장점이 있는 수소연료전지는 반면 두 가지 큰 문제점을 지닌다. 원료로 쓰이는 수소는 가연성이 있고 가스 상태에서는 밀도가 낮은 용도에 맞도록 저장하기가 어렵고, 연료전지에 사용되는 촉매의 가격이 너무 비싸다는 점이다. 이 문제점을 해결하기 위한 국내외 연구 사례를 알아보도록 하자.

(1) 수소 저장을 위한 LOHC 기술 개발과 활용 수소연료전지의 큰 단점 중 하나라고 할 수 있
는 수소의 낮은 저장밀도는 경제적인 대용량 저장과 장거리 운송을 어렵게 한다. 또한, 수소를 저장하기 위한 인프라 구축을 위해 대규모의 투자가 필요하다. 이러한 수소의 문제점들을 해결하기 위한 전략이 바로 액상 유기화합물을 수소운반체 즉, LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)로 활용하는 것이다.

여기에서 LOHC는 촉매 수소화 반응을 이용해 수소를 특수한 액체 화합물과 결합하는 신개념 저장기술이다. LOHC 기술의 중요 요소는 세 가지다. 첫째, 대용량 (질량 대비 6% 이상)을 저장할 수 있어야한다.

둘째, 수소를 액체에 넣어 장시간 저장하기 위한 안정성이 확보되어야 한다.

셋째, 수소를 저장했다가 다시 용액으로부터 꺼낼 때의 탈수소화 반응의 효율이 높아야 한다.
LOHC 기술을 활용할 경우 가장 큰 장점은 ‘큰 부피’와 ‘높은 무게’ 부분에서의 저장 밀도가 탁월하다는 것이다. 예를 들어, 수소 전기차 1대당 약 5kg의 수소를 충전한다고 하면, 부피를 갖는 LOHC는 수소전기차 10대 이상을 충전할 수 있는 수소를 저장할 수 있게 된다. 또한 수소저장(수소화 반응) 및 수소 방출(탈수소화 반응)을 반복할 수 있어 효율성이 크고 현재의 휘발유 인프라를 그대로 사용할 수 있어 대규모 수소저장과 이동을 할 수 있다.

현재 LOHC 기술은 전세계으로 활발한 연구 중이다. 국내에서는 한국화학연구원은 박지훈 탄소자원화연구소 박사팀이 서영웅 한양대 교수팀, 한정우 포항공대 교수팀과 공동으로 수소저장체기술(LOHC)의 핵심이 되는 액체 물질을 국산화하는 데성공했다고 밝혔다. 이는 초고압으로 압축해 저장하는 수소의 폭발 위험성을 줄여주는 역할을 한다.

해외에서도 LOHC 연구개발에 집중하고 있다. 대표적으로 일본과 독일의 사례를 소개하고자 한다. 일본 치요다화공건설 기업에서는 톨루엔 메틸시클로 헥산(MCH)을 이용하여 수소 분리 및 저장 방법을 개발하고 있다. 이를 바탕으로 일본 정부는 LOHC를 통한 ‘수소공급망에 대한 국가적 로드맵과 전략’을 수립해 MCH를 이용한 수소 연료 활용 방안을 진행 중이다.

 

(2) 효율성 증가를 위한 촉매 연구

기존의 값비싼 촉매의 가격 탓에 문제점을 겪고 있는 수소연료전지는 재료 및 기능을 바꾸어 효율성을 증대시켰다. 국내 사례부터 살펴보자. 김광수 포스텍 교수팀은 DNA와 그래핀이 결합한 하이브리드 물질을 개발, 기존 촉매보다 훨씬 작은 백금입자를 더 촘촘히 표면에 붙여 반응 표면적을 늘림으로써 촉매 성능을 높이는 데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 DNA와 그래핀으로 만든 하이브리드 물질에 1나노미터(㎚) 크기의 백금입자를 균일하게 분산시킨 복합체 물질을 합성했다.

입자들은작을수록 서로 뭉치려는 경향이 있는데 백금이온이 DNA 사슬의 염기들과 강하게 결합하는 성질을 이용하였다. 이를 통해 초기 성능의 95%를 유지, 상업용 백금 나노입자(50%)에 비해 훨씬 우수한 결과를 만들었다.


경북대 화학과 최상일 교수팀과 고려대 화학과 이광렬 교수팀은 공동연구를 통해 백금-니켈 나노 멀티프레임 촉매를 개발했다. 연구팀은 백금 양을 줄이면서 높은 성능을 보이는 백금-니켈 합금 합성법을 시도했고, 합금 성분의 성장 속도를 미세하게 조절해 나노입자 내부가 다공성 구조를 가지는 촉매를 얻었다. 개발된 촉매는 표면적이 넓고 고체 결정성이 높아 기존의 백금 촉매보다 뛰어난 성능과 안정성을 유지한다. 또한, 비싼 백금 함량을 줄여 연료전지 제조 단가를 낮춰 경제성을 확보했다.

결론 : 바로보는 수소에너지, 수소연료전지의 전망

현재 국내 연료전지 기술 운영 사례

현재 국내 연료전지 사업은 다양한 분야에서 응용되어 운영되고 있다. 소형 전자기기의 충전을 위한 휴대용 시스템과 가정용 연료전지 시스템은 활발히 연구되고 있으며 실제로 판매 중인 상품이다. 수소 연료를 이용하는 연료전지 자동차는 유독한 배기가스를 전혀 배출하지 않는 친환경 자동차 (ZEV,Zero emission vehicle)로써 도로 주행을 통해 내구성을 시험하는 등 안전성을 확보하였다.

이외에도 현재 연료전지는 우리 생활 곳곳에서 이용 및 활용되고 있다. 앞으로의 수소연료전지 사업은 어떻게 예상되는가? 개인 자원 소비량은 월등히 많지만, 자원보유량이 없는 우리나라는 수소에너지 및 수소연료전지는 국가의 미래 에너지 사업을 좌지우지하는 기술로써 작용하게 될 것이다. 유가의 변동이 심한 현재 우리 사회가 직면한 현재의 문제를 해결하는 방안으로도 적용된다. 그러나 완전한 실용화에는 여전히 해결해야 할 부분이 남아 있다. 현재 실용화가 늦어지는 이유는 수소의 생산·저장·공급 기술, 전력변환 및 전기전자어 등의 기술이 동반되지 못하고 있기 때문이다.

연료전지 기술은 자동차산업과 마찬가지로 여러 부품이 상호 간에 의존성이 강하기 때문에 적극적인 참여와 정보교류가 필요하다. 이를 위해서는 여러 관련 기술이 개발 및 융합되어야 하며 관련 기업, 연구소, 고등 교육기관이 수소연료전지 개발을 위한 역할을 하여야 한다. 이러한 발전이 거듭되면 기술 한계를 뛰어넘어 연료전지의 실용화로써 우리에게 성큼 다가올 것이다. 친환경 발전을 위한 수소연료전지의 상용화 사업을 응원하며, 앞으로의 잠재적인발전을 지켜봐 주길 바란다.

 

R.E.F 17기 강 하 은
ref.haeun@gmail.com

R.E.F 16기 김 미 림
alfla2221@gmail.com

R.E.F 17기 손 예 지
a38876754@gmail.com

R.E.F 17기 강하은 ref.haeun@gmail.com

<저작권자 © 한국에너지정보센터 무단전재 및 재배포금지>
default_news_ad5
default_side_ad1
default_nd_ad2

인기기사

default_side_ad2

포토

1 2 3
set_P1
default_side_ad3

섹션별 인기기사 및 최근기사

default_side_ad4
default_nd_ad6
default_news_bottom
default_nd_ad4
default_bottom
#top
default_bottom_notch