수소 경제의 필요성: 왜 필수적인가?
수소 경제가 다가오는 이유는 단순히 새로운 에너지원을 찾는 것이 아닙니다. 이는 환경적 위기와 기존 에너지원의 한계를 극복하기 위한 필수적인 대안으로 자리 잡고 있습니다. 우리가 직면한 가장 큰 문제 중 하나는 이산화탄소 배출과 그에 따른 기후 변화입니다. 산업 혁명 이후 급격히 증가한 이산화탄소 농도는 지구의 기후 시스템에 커다란 변화를 가져왔으며, 이러한 변화는 미래 세대에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
이를 해결하기 위해 전 세계는 신재생 에너지에 대한 투자를 확대해 왔습니다. 태양광과 풍력 같은 신재생 에너지는 친환경적이고 이산화탄소 배출이 적다는 점에서 큰 장점을 가지고 있지만, 안정적인 에너지 공급에는 한계가 있습니다. 예를 들어, 태양광은 구름이 태양을 가리거나 밤이 되면 전력을 생산할 수 없고, 풍력은 바람의 세기와 방향에 따라 에너지 생산이 크게 좌우됩니다.
이러한 불안정성을 보완하고 안정적인 에너지를 제공하기 위해 수소 에너지가 대두되었습니다. 수소는 신재생 에너지로 생산된 전기를 저장하고 필요할 때 다시 전기로 변환하여 사용할 수 있는 방식으로, 에너지의 안정적인 공급을 가능하게 합니다. 특히, 수소는 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 장기간 저장이 가능하며, 다른 화학 물질로 변환하여 운송과 저장의 효율성을 높일 수 있습니다. 이로 인해 수소 경제는 단순한 선택이 아닌 필수적인 미래로 자리 잡게 되었습니다.
또한, 수소는 기존의 전기 저장 장치인 이차전지보다 에너지 밀도가 높아 장거리 운송과 대규모 저장에 적합합니다. 이를 통해 산업 전반에서 안정적인 에너지 공급을 가능하게 하고, 전력 공급망의 유연성을 확보할 수 있습니다. 현재의 이차전지는 운송 수단에 사용될 수 있지만, 대규모 에너지 저장과 안정적인 공급면에서 효율이 떨어지는면이 있어 수소의 역할이 더 크게 부각되고 있습니다.
수소 경제의 도전과 기회
수소 경제로의 전환은 그 자체로 도전과 기회를 모두 제공합니다. 먼저, 수소 경제로의 전환 과정에서 가장 큰 도전 중 하나는 초기 인프라 구축 비용입니다. 수소를 생산, 저장, 운송하기 위한 인프라를 구축하는 데에는 많은 비용이 들며, 이는 수소 경제로의 전환을 지연시킬 수 있는 요소 중 하나입니다. 하지만 수소가 가진 잠재력을 고려했을 때, 이러한 초기 투자 비용은 장기적으로 큰 이익을 가져다줄 수 있습니다.
또한, 수소의 생산 방식 중 하나인 '그린 수소'는 신재생 에너지를 통해 생산되기 때문에 완전히 친환경적입니다. 반면, 현재 대부분의 수소는 화석 연료를 사용하여 생산되는 '그레이 수소'와 '블루 수소'입니다. 이 과정에서 이산화탄소가 발생하므로, 그린 수소로의 전환이 필수적입니다. 이를 위해서는 수소 생산 기술의 발전이 필요합니다.
수소 경제는 다양한 산업에 걸쳐 새로운 기회를 제공합니다. 특히, 수소는 에너지 저장과 운송에서 중요한 역할을 할 수 있으며, 이는 전력 생산뿐만 아니라 운송, 건설, 제조 등 여러 산업에서의 활용 가능성을 열어줍니다. 또한, 수소 연료전지는 기존의 내연기관을 대체할 수 있는 중요한 기술로 평가받고 있습니다. 이로 인해 자동차 산업을 포함한 다양한 산업에서 수소 기술을 활용한 혁신이 기대되고 있습니다.
*회색(gray) 수소: 천연가스나 메탄을 이용하여 생산한 수소
*청색(blue) 수소: 천연가스나 메탄을 이용하여 생산하였으나 탄소포집 기술을 이용하여 저탄소 방식으로 생산한 수소
*녹색(green) 수소: 재생에너지를 통해 생산된 전력으로 물을 전기분해 하여 생산한 수소
*분홍(pink) 수소: 원자력 발전을 통해 생산된 전력으로 물을 전기부해 하여 생산한 수소
*백색(white) 수소: 지하 퇴적물에서 자연 발생한 지질학적 수소
수소 경제에 직면한 기술/경제적 과제
수소 에너지는 친환경적이지만, 여전히 여러 기술/경제적 장벽에 직면해 있습니다. 특히 생산단가가 높아 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 예를 들어, 유럽의 경우 천연가스를 수입해 시간당 1메가와트의 전력을 생산하는데 40달러의 비용이 드는 반면 그린수소를 이용하여 같은 양의 전력을 생산한다면 약160달러로 약 4배 이상의 비용이 소모됩니다. 주성분이 탄화수소(C,H로 이루어진 화합물)인 천연가스를 활용한 수소 생산 방식은 수소를 다소 싼가격에 생산할 수 있지만, 이 과정에서 이산화탄소가 발생하여 친환경적이지 않다는 문제가 있습니다.
친환경 수소 생산 기술의 한계는 수소를 물에서 전기분해 하려면 많은 에너지가 필요하며, 이 과정에서 사용되는 수전해설비가 높은 에너지로 인해 파손될 우려가 있습니다. 또한, 현재 백금이나 이리듐 같은 고가의 촉매를 사용하고 있다는 점이 경제성을 해치는 요인입니다. 이러한 문제를 해결하고자 최근 메탄(CH4)을 촉매를 이용하여 탄소와 수소로 분리하는 방안이 대두되고 있습니다.
기체 상태인 수소를 액화 상태로 운반하려면 -235도의 초저온 상태를 유지해야 하는데, 이는 에너지 소모가 크고 인프라 구축에도 많은 비용이 듭니다. 이를 해결하기 위해 수소를 암모니아(NH3)로 전환해 운반하는 방법이 연구되고 있습니다. 암모니아는 상대적으로 낮은온도(-33도)에서 운반할 수 있어 수소 운반 문제를 해결하는 대안으로 주목받고 있습니다.