2015년 파리기후변화협정을 통해 국제사회는 기후위기 대응을 위한 탈탄소사회로 가는 길에 동참하였습니다.
탈탄소사회를 이루기 위해서는 석탄과 석유를 대신할 수 있는 대체 에너지 생산이 중요합니다.
대체 에너지 중에서도 수소 에너지 생산과 사용이 왜 중요한지 알아보겠습니다.
탈탄소사회를 위한 재생에너지와 수소에너지
현재 세계는 에너지 전환의 방안을 재생에너지와 수소에너지 두 종류에 주목하고 있습니다.
재생에너지란 태양광이나 풍력 등 자연의 힘을 이용해 전기를 생산하는 것이고, 수소에너지는 수소에 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 방식입니다.
대한민국 정부도 '2025년 탄소중립 추진전략'을 발표하고 탄소중립의 핵심으로 '수소에너지원'을 꼽은 바 있습니다. 현재 한국은 한국수자원공사에서 2022년 9월 14일 그린수소 생산시설 준공식을 열고, 국내 최초로 정수장 소수력을 활용한 그린수소 생산을 시작했습니다. 하루에 수소차 약 40대 분량인 1Nm3(노르말 세제곱미터)를 생산할 수 있으며 연간 약 1200톤의 온실가스 감축 효과가 있다고 합니다.
수소에너지 종류 : 생산방식의 차이
- 그레이수소: 천연가스 주성분인 메탄과 고온의 수증기를 촉매 화학 반응시켜 생산하는 수소, 곧 화석연료로부터 생산하므로 1kg의 수소 생산 시 약 10kg의 이탄화탄소를 배출하기 때문에 지구온난화에 악영향을 미칩니다.
- 블루수소: 화석연료로부터 생산하는 그레이수소를 만드는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집 저장하여 탄소배출을 줄인 수소입니다. 역시 탄소배출로부터 자유로울 수 없습니다.
- 그린수소: 태양광, 풍력 등 재생에너지에서 나온 전기로 물을 분해하여 생상하는 수소로, 생산과정에서 탄소 배출이 전혀 없는 '궁극적인 친환경 수소'입니다.
현재 그린수소 생산 비용이 그레이수소나 블루수소에 비해 높으므로 아직은 생산량이 적습니다.그레이수소의 kg당 생산비용이 2000원 미만인 것에 비해, 그린수소의 kg당 생산비용은 9000원~10000원으로 약 4,5배 이상 비쌉니다. 그러나 기술발전을 통해 생산 비용이 낮아진다면 그린수소야말로 미래의 친환경 에너지로 자리잡을 것입니다. 그린 수소를 사용한다면 연간 탄소 배출량을 약 7.8t 감축할 수 있습니다. 이는 나무 약 50그루가 1년 동안 흡수하는 탄소량과 동일하다고 합니다.
그린수소 : 수소를 분리하는 수전해 방식으로 생산
수전해란 물에 전기를 가해 수소를 분리하는 방식입니다.
물은 H2O, 즉 수소원자 2개와 산소원자 1개가 결합되어 있는 형태인데 여기서 물에 전기를 가해 주면 플러스 극에는 산소원자가 이동하고 마이너스 극에 수소원자가 이동하면서 분리가 된 수소를 얻는 방식이입니다.
수전해도 기존방식과 마찬가지로 에너지가 필요하긴 하지만 화석연료가 아닌 친환경 재생에너지를 사용하므로 탄소배출 없이 생산된 수소라는 점에서 그린수소가 불립니다.
다양한 수전해 방식 중 동일면적에서 더 많은 수소를 생산할 수 있는 것이 바로 PEM수전해 방식입니다.
PEM이란 수소이온 교환 전해질막을 말하는데, 물을 머금으면 수소이온만을 남길 수 있게 됩니다. 물에서 분리된 수소이온이 PEM을 통과해 마이너스 극에서 전자와 만나 수소가 발생하게 됩니다. PEM 수전해 기술은 높은 효율로 고전류밀도 운전이 가능하기 때문에 상대적으로 설비 설치에 적은 부지가 필요하다는 장점이 있습니다.
그린수소를 만드는 수전해 방식의 단점과 극복
그린수소 수전해방식은 재생에너지를 사용하다 보니 날씨에 따라 에너지 생산량이 달라지고 에너지가 적은 날은 수소 생산이 중단되기까지 하는 치명적인 단점이 존재합니다. 이 문제를 해결하기 위해 한국에너지기술연구원에서 수많은 연구가 진행되었으며 그 결과 촉매의 모양 변경을 통해 기존보다 10배 이상의 수소를 생산할 수 있게 되었습니다. 이를 통해 자연으로부터 얻은 에너지를 통해 수소를 생산하고 생산된 수소를 또 다른 에너지로 바꿔주는 그린수소의 사용은 탄소중립이 아닌 탄소제로의 시대를 열 수 있는 핵심 키라고 할 수 있습니다.