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[팩트체크] 수소경제와 재생에너지는 상호보완재다<수소경제 진단> ③ 수소의 진정한 가치는 유연성과 확장성
뉴스톱의 <수소경제 진단> 시리즈

한국의 수소경제 발표안은 미국의 타임라인을 많이 참조한 것으로 보인다. 하지만 미국은 생산에서 소비까지 전체 시스템의 통합 문제를 선언한 반면 한국은 유독 자동차를 중심으로 한 경제체계를 중심으로 발표해 전체적인 그림을 그리는데 한계가 있다.

현재 수소경제와 관련되어 논쟁이 생긴 지점은 다양하다. 단순히 수소차와 전기차의 장단점을 비교하는 기사도 있어 오히려 혼선을 부르고 있다. 3회차 기사에서는 정부가 그리고 있는 수소경제의 전체적인 아웃라인을 확인하고 수소경제가 가지는 기술적ㆍ경제적 함의를 알아보고 오해를 팩트체크하고자 한다.

1. 수소차는 수소를 태워서 가는 차다?

사실이 아니다. 적지 않은 사람들이 수소차를 수소를 연료로 태워 그 폭발력으로 구동되는 일종의 내연기관 자동차로 알고 있다. 그런 방식도 한 때 검토된 적이 있지만 현재 수소차는 수소 연료전지차 혹은 연료전지차(FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle)로 부르는 게 정확한 표현이다. 전지차라는 용어로 알 수 있듯이 구동계는 전기차(BEV)와 마찬가지로 전기모터다.

전기차는 외부 플러그를 이용해 배터리에 전기를 충전하고 그 전기에너지로 모터를 구동하여 동력을 얻는 것이다. 반면 수소 연료전지차는 수소를 산소에 반응시켜 물과 함께 생산되는 전기를 에너지원으로 사용한다. 하여 수소를 에너지원(Energy Source)으로 보지않고 전기처럼 에너지전달자(Energy Carrier)로 말하기도 한다.

수소를 직접 연소시켜 그 폭발력으로 자동차를 구동하는 방식이 없었던 것은 아니다. 문제는 효율성과 안정성이 수소 연료전지차에 비하여 떨어지고 기존 내연기관의 단점은 그대로 가지고 있어 현재는 추가 연구가 이뤄지지 않고 있다. 자동차회사 입장에서는 수소연료전지차 기술을 확보하면 전기차 기술 역시 보유하게 된다. 물론 수소차에는 수소연료 탱크를 장착해야 하기 때문에 차 내부 디자인이 다를 수밖에 없다.

수소 연료전지차의 기본 구성. 전기차와 결정적으로 다른 점은 수소를 담을 탱크가 필요하다는 점이다.
연료전지의 단면도. 수소가 산소와 만나면 전기와 물을 생산한다.

2.수소는 친환경적이다?

질문이 명확해야 한다. 수소는 친환경적 연료지만 수소생산과정은 현재로서는 친환경이라고 말하기 힘들다. 수소 자체는 분명 친환경적 에너지원이다. 전기를 생산하는 과정에서 수소전지차는 공기청정기 역할을 한다. 부산물은 물만 나오며 이산화탄소로 대표되는 온실가스는 발생하지 않는다.

문제는 수소를 생산하는 과정에서 적지 않은 온실가스가 발생한다. 연료(에너지)의 생산 및 소비과정 상에 개인이나 단체가 발생시키는 온실가스의 총량을 탄소발자국(Carbon Footprint)이라고 하는데 수소생산과정의 탄소발자국은 기존 화석연료와 비교해 적지 않다. 아래 그림은 석유가 자동차에 사용되기까지 과정에서 나오는 이산화탄소를 도식화한 것이다. 일본 자동차회사 마쯔다는 전기차와 내연기관차의 이산화탄소 발생총량을 비교하는 연구(웰 투 휠 Well-to-Wheel)를 사우디아라비아 정유기업인 아람코와 함께 했다. 유정에서 발전소나 정제소를 거쳐 자동차 탱크로 가는 과정(Well-to-Tank)과 주유소 탱크 연료를 자동차 구동을 위해 사용하는 단계(Tank-to-Wheel)로 나눌 수 있다.

일본의 자동차 회사 마쯔다는 사우디아라비아의 정유기업인 아람코와 함께 웰 투 휠 연구를 진행중이다. 그림은 내연기관차와 전기차의 온실가스 배출과정을 비교한 것이다.

수소 연료전지차와 전기차의 탱크 투 휠(TANK-TO-WHEEL)의 온실가스발생량은 사실 제로에 가깝다. 하지만 최초 연료 추출 및 정제 운송을 포함한 전기 생산 과정인 웰 투 휠(WELL-TO-WHEEL)을 보면 온실가스가 발생한다.

결국 웰 투 휠 관점에서는 수소 연료전지차나 전기차 모두 100% 친환경적이라고 말할 수 없다. 전기를 생산하는 과정이나, 수소를 생산하는 과정 모두 이산화탄소를 발생시키기 때문이다. 수소 연료전지차나 전기차를 생산하는 자동차공장 생산과정에서 온실가스와 각종 폐기물이 배출된다면 이를 친환경적인 자동차라고 단언할 수 있을까? 여름에 전력과부하로 인한 블랙아웃을 걱정해야 하는 상황에서 전기차가 늘어 추가 전기생산을 화석연료에 의존한다면 온실가스 문제는 더욱 악화될 수 있다. 그래서 전기차를 언급할 때는 재생에너지가 항상 같이 나온다. 전기차 이용이 늘면 전기 사용이 당연히 증가하는데 화석연료발전을 줄이고 재생에너지 비중을 늘릴 필요가 있다는 것이다.

수소경제를 논할 때는 단계별로 구분해서 살펴볼 필요가 있다. 수소 연료전지의 친환경성과 효율성을 전기차의 배터리 충전 방식과 비교하는 자동차 산업 관점과 수소 생산에서 이용까지 전 과정(웰 투 휠)을 조망하는 에너지 공급망 관점을 분리해서 살펴봐야 한다.

3. 수소의 에너지 효율성은 떨어진다?

관점에 따라 다르다. 수소경제에 대한 주요 우려는 수소 생산과정에서 온실가스가 발생할 뿐 만 아니라 에너지 전환 과정이 비효율적이라서 에너지 낭비가 심하다는 점이다. 이헌석 팩트체커 기사에서 확인할 수 있듯이 수소 생산방식은 다양하다. 석유처리과정에서 부산물로 수소를 얻을 수 있고, 천연가스(CH4)를 고온의 물로 처리해 수소를 얻을 수 있다. 모두 1차 에너지 전환을 통해 2차 에너지원인 수소를 얻는 방식이다. 그런데 전환 과정에서 에너지 손실이 발생할 수밖에 없다. 수소로 전환해서 사용하는 것보다 그냥 1차 에너지를 사용하는 것이 낫다는 지적은 어느 정도 타당하다.

단위 무게당 약 236배 정도 높은 고유 전력 에너지를 가지고 있는 수소

그러나 수소 에너지 자체 효율은 매우 높다. 에너지 전환 기술이 아직 따라오지 못할 뿐이다. 단위 무게당 수소 자체의 고유 전력 에너지는 전력 그리드 충전을 통한 리튬이온 배터리의 에너지보다 200배 이상 크다. 이러한 물리적 특성이 배터리보다 빠른 충전을 가능하게 한다. 다르게 표현하면 단위 고유 에너지량 대비 무게가 수소쪽이 월등히 가볍다. 구동체의 에너지 효율에 가장 큰 영향을 미치는 전체 중량 증가 측면에서 수소쪽이 이점이 있는 것은 사실이다. 그래서 수소를 효율적으로 얻을 수 있는 방법을 찾을 수 있다면 수소 역시 충분히 경쟁력이 있다.

4. 수소 생산과정이 비효율적이다?

수소 에너지 공급사슬. 출처: 과학과 기술 2012년 4월호.

수소는 자연계에는 거의 단독으로 존재하지 않아 이를 얻기 위해 추가적인 에너지를 필요로 한다. 수소경제에 대한 비판 중 하나는 다른 에너지원을 사용해 전기를 생산하고 그 전기로 수소를 만들어서 운반 후 다시 연료전지를 통해 전기를 생산하는 과정이 비효율적이고 비경제적이라는 것이다.

울프 보셀의 논문에 실린 재생에너지에서 추출한 유용한 수송 에너지 개념도. 수소자동차의 비효율성을 설명하는 자료로 종종 쓰인다.

이러한 주장들 대부분은 2006년 10월 IEEE 학회 프로시딩 논문이었던 독일 울프 보셀 박사의 'Does a Hydrogen Economy Make a Sense?'에 근거를 두고 있다. 울프 보셀은 대표적인 수소경제 반대론자로서 관련 많은 보고서를 낸것으로 알려졌다. 위의 도표는 해당 프로시딩 논문에 포함된 대표적 수소경제 비효율성에 대한 도표로서 지금까지 많이 인용되고 있다.

도표상으로 보면 재생에너지를 통해 수소를 만들고 운반하여 이를 다시 연료전지에서 전기로 만드는 것보다 그냥 재생에너지를 전력 그리드를 통하여 전송하여 배터리를 충전해서 사용하는 것이 3배 더 효율적이라는 내용을 담고 있다. 그러나 2006년 발표된 이 그림은 2019년 기준으로 보면 맞지 않는 부분들도 있으며 수소에너지 가능성을 여러 측면에서 새로 살펴볼 필요가 있다.

첫번째, 전기분해방식 수소생산 비용이 지속적으로 낮아지고 있다. PEM(Proton-Exchange Membrane)이나 수소생산과 연료전지를 결합SOFEC의 경우 이미 효율이 80%를 넘은 상태다(SOFEC시스템의 SOEC 모드 상태에서는 이론적으로 에너지 효율이 90% 이상이다). 소형화를 통해 가정 및 충전소 규모에서도 직접 수소 생산이 가능하여 수소 운송 비용을 절감할 수도 있다.

또한 액체 유기 수소 운반체 (LOHCs)기술 등 혁신이 효율상의 한계들을 극복하고 있다. 울프 보셀의 경우 순수 수소 경제(Pure Hydrogen Economy)와 비교해서 LOHCs를 통한 부드러운 수소경제(Mild Hydrogen Economy)에 대한 가능성을 논하기도 하였다. 미국 에너지국의 수소경제 진행상황에 대한 리포트를 보면 현재 기술적 진보와 함께 효율성과 경제성 수준을 엿볼 수 있다.

전기와 수소를 생산할 수 있는 두 가지 모드를 가진 SOFEC. SOEC 모드시 전기도 적게 든다.

두번째는 울프 보셀의 도표는 배터리 효율을 정확히 묘사하지 않았다. 전기차 배터리 에너지 효율은 현재수준으로는 장거리 고중량 이동체에서 수소에 비해 떨어진다. 전기차(Battery Electric Vehicle)의 에너지 효율은 소형 단거리에서 강점이지만 운행거리가 길수록 그리고 대형(고중량)일수록 에너지효율이 급격히 감소한다. 울프 보셀의 도표에서 전기차와 연료전지차의 에너지 효율을 제대로 비교하려면 단위거리(Km) 및 단위중량(Kg)당 소모되는 kWh 관점으로 표현되었어야 했다.

전기차 배터리 효율은 장기리를 운행하면 수소차에 비해 큰 폭으로 떨어지게 된다.

세번째는 전력 그리드를 통한 전기 송전/배전상의 손실율 문제다. 이 에너지 손실율은 실제로는 일정하지 않고 전력 그리드의 길이 그리고 전력 그리드의 성숙도에 따라 국가별, 지역별, 그리드 노드별 편차가 존재한다. 추가적으로 에너지원에 따라서도 전력 손실율은 편차가 있다. 영국에서 천연가스를 통한 전력 생산의 경우 49% 수준의 저효율을 보이기도 한다.

상대적으로 우리나라는 전력 손실율도 아주 낮고 전력 그리드의 총길이 역시 짧다. 그리드 상의 노드들 역시 촘촘하여 송배전상의 효율성은 높은 편이다. 이 때문에 한국에서는 수소연료전지차보다 전기차가 유용하다고 보는 시각이 우세한 것은 맞다. 다만 수소경제 범위가 Tank-To-Wheel상의 자동차만을 의미하는 것은 아니기 때문에 다른 조건을 살펴볼 필요는 있다.

전력 그리드 길이 비교. 한국은 미국의 6분의 1 수준으로 매우 짧아서 전력 낭비가 덜하다.
국가별 전력 손실율 조사에서 한국은 비교 대상국가에서 가장 낮은 편에 속한다.

네번째는 수소 연료전지의 백금 촉매가 비싸다는 의견들이 많은데 이는 효율이 더 좋으면서 단가는 훨씬 저렴한 백금 촉매 대체제들이 개발되고 있고, 리튬 2차전지의 양극재 핵심인 코발트의 저개발국가 착취를 통한 채굴과정과 단가변동폭을 생각해보면 비교대상의 문제가 아니라는 것을 이해할 수 있다.

5. 수소경제가 재생에너지 저장에 유리하다?

연도별 캘리포니아 전력 부하 현황과 전망, 오리 모양의 덕커브가 나타나고 있다.

캘리포니아, 유럽 등 재생에너지 발전소가 많이 보급된 지역에서 최근 재생 에너지 발전량 증가로 인한 낮 시간 동안의 순부하량 급감현상이 나타나고 있다. 기존 전력 수요 커브인 카멜 커브(Camel curve)와 반대로 앉아 있는 오리의 모습을 닮았다하여 덕 커브(Duck curve)라고 지칭한다. 전세계적으로 재생 에너지 발전이 확대 보급됨에 따라 덕 커브 현상은 더욱 심화될 것으로 보인다.
참고로 독일은 이렇게 남는 전기를 생산비용보다 싸게 국외에 팔고 있다. 덤핑판매이다.

덕 커브 현상이 심화되면 다음과 같은 문제들이 발생할 수 있다.

낮시간대 과잉발전: 출력변동성 심화로 순부하량 예측 정확성이 하락하고 이는 전력망 운영비용상승을 가져온다. 재생에너지의 특성상 날씨 변동에 따른 발전량을 정확히 예측할 수 없어 만약 기상조건이 좋지 않은 날 낮시간대 재생에너지를 통한 전력량이 급감하면 블랙아웃 가능성이 높아진다.

일몰 후 단시간 내 부하 급증: 2020년에는 3시간 내 수요 증가량이 13,000MW까지 달할 것으로 예측되며 기저발전원의 운영정지·재가동 반복 등에 따른 운영·유지비용 증가 가능성이 있다.

전력가격 상승 초래: 미국 전력청은 덕 커브 현상으로 인해 전기 가격이 오를 수 있다고 봤다.

태양열에너지에 의존하게 되면 수요공급 불일치가 나타난다. 전기 생산은 한낮에 피크를 찍지만 전기 수요는 아침 저녁에 몰려 있기 때문이다.

이런 문제들 때문에 잉여생산된 전기를 저장하는 방법이 중요한 전력관리 방안으로 필요하다. 잉여전력이 생기면 저장해 두었다가 전력 부하량이 증가하면 저장된 전기를 이용하는 것이다. 기존에는 단시간 내 추가 전력생산이 가능한 가스발전으로 대비하고 있으나 온실가스 문제 때문에 점차 ESS(Energy Storage System)에 대한 수요가 증가되고 있다.
ESS는 대표적으로 리튬이온 배터리를 이용하는 방식과 수소기반 에너지 저장방식인 HESS가 있는데 각각 장단점이 있다.

배터리의 경우, 10시간 이내의 단기간 저장과 10MWh 이하의 소규모 전기저장에 유리하며, HESS의 경우, 1GWh~1TWh의 대용량 저장과 최대 1000 시간 장기간 저장에 유리하다.
특히 장기적인 에너지저장에 대응하기 위한 HESS 투자비용(CAPEX : Capital Expenditure) 및 전력 단가(LCOE : Levelized Cost of Electricity)가 기존 배터리 기반 에너지 저장방식에 비해 더 경제적으로 분석되었다. 물론 이러한 분석은 현재 기술 수준을 배경으로 한다. 어느 분야나 빠르게 발전하고 있다. 관건은 시장성, 경제성, 효율성 경쟁일 것이다.

ESS방식에 따른 비용 비교. 출처: https://www.nrel.gov/docs/fy10osti/47547.pdf

현재 전력 시스템은 실시간으로 수요와 공급이 일치하는 중앙 집중형 시스템이다. 전력 사업자가 수요를 예측해서 공급 계획을 수립하면, 발전소에서 일괄적으로 전기를 생산해서 소비자에게 즉시 제공하는 방식이다. 때문에 전력회사들은 정확하게 수요를 예측해, 적시에 적절한 수의 발전기를 돌려, 적절한 양의 전력을 생산하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나 재생에너지의 경우는 그것이 쉽지 않다.

전력 품질 문제도 제기되고 있다. 일반적으로 전력품질은 전압과 주파수로 평가된다. 우리나라의 경우 집안 콘센트에 적혀있는 전압 220V, 주파수 60Hz가 전력의 질을 평가하는 기준이 되고 있다. 공급되는 전력이 해당 기준의 오차범위를 벗어날 경우 각종 전자제품의 고장 및 오작동의 원인이 될 수 있다. 재생에너지를 바로 연결해 사용할 수 없는 이유이다.

실제로 갑자기 바람의 방향이 바뀌거나, 맑은 날씨임에도 설치된 태양광 패널 위로 구름이 지나가는 일이 빈번하게 발생하고 있다. 독일의 전력회사인 E.ON Netz에 따르면 하루 만에 풍력 발전량의 최고치와 최저치간 차이가 4340MW에 이른다고 한다. 이는 대형 발전소 6~7 개에 해당하는 양이다. 들쭉날쭉한 발전량은 전력관리 비용의 증가와 함께 관련 기업들의 투자역시 망설이게 만든다.

따라서 재생에너지의 안정적인 사용을 위해서는 낮에 과잉생산된 전기를 효율적으로 대량 저장하는 방법이 필수이다. 재생에너지의 확대에 따른 대용량 전기 에너지 저장 방식으로 여러가지가 고려되고 있지만 수소를 이용한 HESS가 현재까지는 가장 경제적인 에너지 저장 수단이다. 수소경제의 가장 큰 효용성을 바로 이것으로 보는 견해가 많다. 수소경제와 재생 에너지는 상호보완적인 관계이지 대치관계가 아니다.

재생에너지를 효율적으로 저장하는 수소저장장치. 수소경제의 가치를 저장장치에서 찾는 전문가가 많다.

6. 수소경제가 분산전원 구축에 효율적이다?

제레미 리프킨의 2002년 저서 <수소경제>

수소경제(Hydrogen Economy)라는 개념의 시작은 유전학자였던 홀데인(JBS Haldane)에 의하여 최초 그 개념이 제안되었으며 1970년 GM의 기술센터에서 진행된 대담에서 텍사스 A&M 화학과 교수였던 존 보크리스(John Bockris)에 의해 용어가 처음 만들어 졌다.
결정적으로는 문명비평가이자 환경철학자로 잘 알려진 제레미 리프킨(Jeremy Rifkin)의 2002년 저서 <수소경제>를 통해서 일반 대중들에게 널리 알려지기 시작하였다.

한 국가의 에너지 관련 중요 정책으로 처음 수소경제가 채택된 것은 2003년 1월이다. 미국의 부시대통령이 에너지 자립을 위해 수소경제시대로의 이행을 선포하고 수소연료선도계획(HFI: Hydrogen Fuel Initiative)을 발표하면서부터다. 이라크전쟁을 겪으면서 지역적 특수성(중동 정세)에 영향을 받는 화석 연료와 석유경제체제에서 형성된 집중형 에너지 경제체제의 한계와 근본적인 변화가능성을 염두에 둔 계획이다. 수소 생산과 수소를 통한 전기 생산은 이론적으로는 지구 어느 지역에서나 가능하다고 판단하였다. 특히 태양열, 풍력, 조력, 파력과 같은 재생에너지원 역시 입지조건에 따라 전력 생산 편차가 심한 지역적 한계를 가지고 있기 때문에 안정적인 수소가 주목을 받았다.

IT기술 발전과 함께 부각되고 있는 스마트 그리드의 궁극적인 목표 역시 기존 중앙집중적이고 수직적인 전기생산을 수평 분산시켜 전기 소비자가 동시에 전기 생산자가 되는 분산 전원에 있다. 작게는 가정집 지붕위의 태양광 발전에서부터 바닷가의 거대 풍력발전까지, 다양한 재생에너지를 여러 곳에서 생산할 수 있는 분산 전원 시스템이 핵심이다. 생산한 전기를 필요에 따라서는 한군데 모두 모아 저장하기도 하고 전기가 모자라면 중앙에 맡겨둔 전기를 필요시 바로 꺼내 사용할 수 있는 하이브리드 전력원을 구성하는 데 있어서 에너지 저장, 분산, 수송 매체로서 수소가 가지는 유연성에 수소경제의 가치가 있다.

주요 국가들의 수소 관련 정책. 출처: 충남 수소경제사회 구현 전략 수립
미국정부의 수소경제 타임라인. 2040년에는 인프라가 깔리는 것으로 되어 있다. 출처: The Current Hydrogen Economy and Its Challenges
한국의 수소경제 타임라인. 출처: 산업자원통상부 보도자료


이러한 전력 생산의 수평 분산화는 한 국가의 문제를 넘어 국가간 에너지 에코시스템의 협력에도 중요한 의미를 지닌다. 우리만 깨끗한 에너지원을 사용해봤자 이웃나라 중국이 여전히 화석계 연료를 통한 발전소를 늘려간다면 우리의 미세먼지 문제는 영영 해결 할 수 없다. 국가간 에너지 협력에서 가장 중요한 부분이 국가간 에너지 생태계 호환성인데 수소경제의 유연성이 이를 뒷받침할 것이라는 게 수소경제 지지론자들의 주장이다.

수소경제를 제대로 알기 위해서는 수소가 가질 수 있는 유연성과 확장성에 대한 이해가 선행되어야 한다. 수소는 에너지원이자, 에너지 저장원 그리고 전달자다. 단순히 전기를 뽑아쓰기 위한 충전용 배터리 대비 연료전지 효용만 봐서는 수소경제의 지향 가치를 지나칠 수 있다. 배터리와 수소, 재생에너지와 수소경제는 대체재가 아니고 상호보완재다.

지금 시급한 것은 공해를 저감하고 온실가스 배출을 줄이는 것이다. 온실가스와 매연을 줄이기 위해서는 무슨 일이든 해야할 정도로 우리 지구가 한계에 이르렀다. 수소경제는 충분히 재생에너지 시스템의 보완재가 될 수 있으며 그 부분이 수소경제가 나아갈 길이다.

* <수소경제 진단> 시리즈에 대해 반론이 있거나 수소차나 수소경제와 관련해 기고를 원하시는 전문가는 contact@newstof.com으로 연락주시면 상의 뒤 게재하겠습니다.
지윤성   saxoji@newstof.com    최근글보기
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지윤성 팩트체커  saxoji@newstof.com

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기사 댓글 1
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  • 장미혜 2019-06-08 11:42:33

    잘정리되긴 했는데 참으로 답답합니다. 믹구의 부하와 한국의 부하는 다릅니다. 한국의 부하는 비가 오지않는 날의 태양광 발전과 비슷한 커브를 그리고 있어 저장장치가 많이 필요치않습니다. 한국은 산용용이 55%이고 미국은 가정용이 55%이상이어서 밤과낮의 차이와 무하의 덕커브가 됩니다. 허나 한국은 낮에 부하가 갑자기상승하는 곡선이므로 왜미국것을 적용해서 저장하지 않으면 난리나는지 정말 전력시   삭제

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