[효성적 일상] 수소에너지와 효성

 

우리는 수소에 대해 얼마나 알고 있을까요? 주기율표 1번, 가장 가벼우면서 질량 기준으로 우주의 75%를 구성하고 있는 가장 흔한 원소, 그리고 자동차를 달리게 하고 앞으로 화석연료를 대신하게 될 거라는 것 정도인 것 같아요. 그런데 지식의 갭 차이가 상당해요. 앞의 것은 중학교 화학 시간에 배운 내용인데, 뒤의 것은 에너지 패러다임 전환에 대한 내용. 앞뒤 다 자르고 불쑥 결론부터 써놓은 느낌이랄까요? 수소 사회가 다가오고 있다는 건 알지만, 정작 우리는 수소에 대해 모르는 게 너무 많다는 이야기입니다. 그래서 이번엔 수소에너지에 대해 이야기해볼까 합니다. 더 정확히는 수소로의 에너지 전환이 어떻게 진행되고 있는지에 대한 내용이 되겠군요.

 

 

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수소에너지가 중요한 이유

 

인류는 140만 년 전 불을 발견하고 탄소로 구성된 나무를 태워 에너지를 얻었습니다. 그 뒤로는 더 효율이 좋은 석유를 태웠고, 이젠 탄소 1개를 함유한 천연가스(CH4)를 사용합니다. 탄소를 태웠으니 당연히 탄소 산화물이라는 찌꺼기가 발생했고, 아시다시피 그 찌꺼기라는 부작용이 생존을 위협하고 있습니다. 무언가를 태워서 열과 전기 에너지를 얻는 시대를 끝내야 할 때가 된 것이죠.

 

 

제러미 리프킨이 <수소 혁명(The Hydrogen Economy)>를 통해 무한한 가능성을 거론한 수소에너지는 에너지 전환 측면에서 몇 가지 장점을 가지고 있어요.

 

첫째, 앞서 말했듯 화석 연료 사용 시에 발생하는 대기오염물질이 나오지 않습니다. 수소를 활용할 경우 극소량의 질소 발생을 제외하고는 이산화탄소와 같은 온실효과를 일으키는 오염물질이 발생하지 않습니다. 둘째, 수소는 고압가스, 액화수소와 같은 다양한 형태로 저장이 가능하기 때문에 수송에 용이합니다. 셋째, 수소는 물을 원료로 사용하여 제조할 수 있으며, 에너지로 사용 후에는 다시 물로 바꿀 수 있기 때문에 재순환도 가능합니다. 넷째, 수소는 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있습니다. 산업용 기초 소재로부터 일반 연료, 수소 자동차, 수소 비행기, 연료전지 등 다방면에서 활용 가능합니다. 게다가 수소는 가스 상태로 주거용, 난방용, 발전용으로 쓸 수 있기 때문에 기존 인프라를 계속 사용할 수 있습니다.

 

이런 장점에도 불구하고 수소 사회로의 전환이 쉽지 않은 이유가 있는데요, 바로 순수한 수소를 생산하는 연구가 완성되지 않았기 때문입니다.

 

 

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수소를 얻는 방법

 

수소는 생산방식에 따라 세 가지로 나눕니다.

 

그레이 수소(Grey Hydrogen)는 수소 생산 과정에서 이산화탄소가 발생하는 수소를 말합니다. 이런 방식으로 생산된 수소는 부생수소, 천연가스 개질 등이 있어요. 여기서 부생수소는 석유화학 공정에서 부산물로 나오는 수소를 말하고, 천연가스 개질은 천연가스를 고온・고압의 수증기로 분해해 수소를 만드는 방식인데요. 수소 1kg 생산하는데 10kg의 이산화탄소가 나온다고 합니다.

 

블루 수소(Blue Hydrogen)는 그레이 수소를 만드는 과정에서 나오는 이산화탄소를 포집•저장하여 탄소 배출을 줄인 수소를 말합니다. 현재는 대부분 이 CCS(Carbon Captuer and Storage, 탄소 포집)를 활용해 수소를 생산하고 있습니다.

 

그린 수소(Green Hydogen)은 재생에너지 전력으로 물을 전기분해(수전해)하여 생산하는 수소를 말합니다. 재생에너지 발전 전력을 이용하기 때문에 온실가스 배출이 없는 가장 친환경적인 방식이라고 할 수 있어요. 궁극적인 목표는 그린 수소를 만드는 것인데요, 전 세계적으로 아직은 활용이 적습니다. 가장 큰 이유는 생산단가가 비싸기 때문입니다.

 

출처: Deloitte

 

BloombergNEF에 따르면, 2050년에는 청정 수소의 생산 단가가 현재의 1kg당 2.5~4.6달러에서 0.8∼1.6 달러 수준까지 하락할 것으로 보고 있습니다. 1kg당 3달러 수준을 경제성 확보 기준으로 보고 있는 만큼, 2030년경에는 수소 경제의 본격화를 충분히 예상할 수 있습니다.

 

 

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효성의 수소 사업

 

기술이 완성될 때까지 손 놓고 기다릴 수 없어요. 수소 생산 단가의 경쟁력을 갖추는 사이에 우리는 생산과 저장, 유통을 위한 인프라를 구축해놓아야 합니다.

 

효성중공업은 2008년부터 한국에 수소충전소 보급을 시작했습니다. 2019년 9월 국회에 서울시 첫 상업용 수소충전소를 준공했고, 지난해 8월에는 정부세종청사 안에 수소충전소를 구축하는 등 최근까지 총 18곳의 수소충전소를 보급한 국내 시장점유율 1위 업체입니다. 특히 효성중공업이 만든 수소충전소는 700바(Bar)급 규모로 3~5분 안에 충전이 가능해 시간당 수소차 5대 이상을 충전할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.

 

효성중공업이 건립한 울산 경동의 수소충전소

 

효성중공업은 지난해 4월 산업용 가스 전문 화학 기업인 독일 린데그룹과 함께 2023년까지 액화수소 생산, 운송 및 충전 시설 설치와 운영을 망라하는 밸류 체인을 구축하겠다는 계획을 발표하기도 했는데요. 우선 울산 용연공장 내 부지 약 3만㎡(약 9000평)에 연 생산량 1만 3000톤 규모의 액화수소 공장을 신설할 계획입니다. 효성화학이 생산하는 폴리프로필렌의 주원료인 고순도 프로필렌을 만드는 과정에서 부생수소가 발생하거든요. 이를 활용하여 액화수소를 생산한다는 것이죠. 여기에 액화수소 공장 완공 시점인 2023년에 맞춰 액화수소 충전 인프라도 공동 구축할 예정에 있습니다. 공장에서 생산한 액화수소의 공급을 위해 전국 주요 거점 지역에 120여 개의 수소충전소(신설 50곳, 액화수소 충전 설비 확충 70곳)를 짓기로 했습니다.

 

효성첨단소재도 수소 사업의 핵심 소재를 만들고 있습니다. 바로 탄소섬유인데요, 탄소섬유는 수소에너지의 안전한 저장과 수송•이용에 반드시 필요한 소재로, 효성첨단소재는 2011년 국내 최초 독자 기술로 탄소섬유 개발에 성공했으며, 현재 국내에서 탄소섬유를 제조할 수 있는 유일한 업체입니다. 탄소섬유는 섬유에 탄소를 92% 함유하고 있는데요, 무게는 철의 4분의 1에 불과하지만, 강도는 10배, 탄성은 7배에 달합니다. 평균 기압의 최고 900배를 견디면서도 가벼운 무게를 유지해야 하는 수소 연료 탱크 소재로 적합합니다.

 

효성첨단소재가 만든 탄소섬유가 적용된 수소 연료 탱크

 

효성첨단소재는 전주 탄소섬유 공장에서 2028년까지 약 1조 원을 투자해 연간 2만 4000톤의 탄소섬유를 생산할 계획입니다. 지난해 2월 1차 증설을 완료하고 연간 4000톤 규모의 생산 능력을 확보했죠. 전주시 탄소 소재 특화단지의 앵커기업으로 지정된 만큼, 효성첨단소재는 대한민국의 탄소섬유 산업을 이끌며 수소가 일상이 될 미래를 탄탄하게 만들어갈 겁니다.

 

 

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수소는 어떻게 우리 생활을 바꿔 놓을까?

 

아시다시피 수소로 전기를 만들기 위해서는 수소 연료전지(Fuel Cell)를 사용합니다. 연료전지는 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질막으로 구성됩니다. 한 전극에는 수소를, 다른 전극에는 산소를 공급하면 수소 측 전극에서는 수소 분자가 수소이온과 전자로 분리되고, 산소 측 전극에서는 수소 이온과 산소가 결합하면서 물이 생기는데요, 이 과정을 거치면서 전기에너지로 변환되고, 여러 연료전지를 직렬로 연결하면 원하는 전압을 만들 수 있게 되는 것이죠.

 

출처: Doosanmobility

 

연료가 외부에서 지속적으로 공급될 수만 있다면 계속해서 전기를 발생시킬 수 있고 에너지 효율도 화석 에너지와 크게 다르지 않을 뿐 아니라 크기도 작아 높은 에너지 효율을 기대할 수 있어요. 그렇기 때문에 현재의 대규모 발전 시설은 더 이상 필요로 하지 않습니다. 도시 가까운 곳에 또는 도시 곳곳에 발전을 위한 연료전지가 배치될 것이고 구축된 인프라를 통해 수소를 공급받아 전기를 생산하게 되겠지요. 어찌 보면 중앙에 집중되어 있는 현재의 생활 방식이 분산되는 경험을 하게 될지도 모릅니다.

 

많은 것이 바뀌겠지만 바뀌지 않을 겁니다. 콘센트에서는 언제나 그랬듯이 전기가 흘러나올 것이고 우리는 그 전기를 편리하게 사용하겠죠. 같은 전기이지만 같지 않은 전기, 에너지 전환은 간단하지만 간단하지 않게 진행됩니다.

 

 

수소에너지에 대해 더 많은 정보를 보고 싶다면 H2KOREA(수소융합얼라이언스)가 주최하고 효성중공업이 후원하는 대국민 수소 퀴즈 이벤트 <수소왔소 퀴즈쇼>에 참여해보세요. 수소에 대해 배우고, 수소의 고수가 된다면 수소사회를 미리 경험해볼 수 있는 수소전기차가 생길 수도 있습니다.


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