최근 ‘탄소제로’와 ‘RE100’의 일환으로 이차전지를 이용한 전기자동차와 함께 수소연료전지자동차가 대두되고 있다. 수소연료전지는 전기를 저장하고 있는 전지(배터리)라고 생각하기 쉽지만, 사실은 정확하게 표현하면 전기를 직접 만드는 발전기의 일종이라 볼 수 있다. 수소연료전지는 전기를 저장하고 필요할 때 사용하는 이차전지와는 달리, 화학 반응을 통해 전기를 직접 생산하여 사용하는 장치이다.
수소연료전지로 발전하고 전동기를 구동하는 수소연료전지자동차가 승용차와 버스, 그리고 트럭으로 생산되어 현재 상용화되고 있다. 수소연료전지자동차는 기존의 자동차와는 다르게 주행 시 CO2라든가, NOX 등이 발생하지 않는다. 또한, 한번 충전으로 주행거리가 이차전지를 사용하는 전기자동차(약 400 km 정도) 보다 더 길며(600~700km) 충전 시간도 훨씬 빠르며(한 번 충전에 3~5분 정도) 유지보수비용이 저렴하게 들어가는 장점이 있다. 반면에 수소연료 충전에 필요한 충전소 운영 시스템이 복잡하고, 설치 및 정비(고장이 잦음)에 많은 비용이 소모된다(한 군데 설치에만 30~50억 정도). 뿐만 아니라 수소기체는 두껍고 무거운 고압수소 탱크를 탑재해야하기 때문에 효율적인 차량 내부 공간 활용이 어렵다. 더불어 차량의 무게도 늘어나는 것은 기정사실이다. 수소연료전지자체가 백금 등의 촉매제 사용으로 고가이고 화학반응에 의한 발전으로 이온교환수지의 마모에 의한 성능저하 때문에 연료전지의 교체주기(~3년 정도)가 일반 전기 자동차에 사용되는 이차전지에 비해 빠르다는 문제점을 내포하고 있다.
수소연료전지로 전기를 생산하기 위해서는 필수불가결의 조건으로 대두되는 것이 있다. 그것은 바로 수소기체(H2)를 어떻게 생산해 안정적으로 공급하느냐다. 수소(Hydrogen, H)는 물질을 구성하는 가장 간단한 원자번호 1번으로 우주에서 가장 많이 존재하고 가장 가볍고, 매우 격렬하게 반응하는 특징을 가지고 있는 원소이다. 수소는 본래의 목적인 제품에서 부수적으로(덤으로) 생산되는 부생(By-product)과 원래 수소를 생산할 목적으로 인위적인 방법을 통한 주생(Dedicated product)의 두 가지 방법으로 생산된다. 이러한 수소 생산에서 탄소를 배출하는 여부에 따라 그레이(Gray) 수소, 블루(Blue) 수소, 그리고 그린(Green) 수소로 나누어진다. 그레이 수소는 탄소를 배출해 만든 수소로 정유화학공정의 부생 수소를 말하며, ‘수소전’(석유의 ‘유전’처럼 지구의 지각에 수 조톤의 천연의 수소가 존재)에서 수소를 채굴한 경우를 포함한 화이트(White) 수소와 석탄(갈탄)을 이용해 만든 브라운(Brown) 수소로 나누어진다. 블루 수소는 탄소 포집을 하며 만든 수소로 탄소 포집으로 유용한 고체 탄소(C)나 메탄올 등을 만들며 만든 수소인 터퀴즈(Turquoise) 수소와 오일샌드에 수압 파쇄법을 이용해 이산화탄소는 지하에 둔 채 수소만 지상 추출한 아쿠아(Aqua) 수소로 나누어진다. 마지막으로 현재 많은 관심의 대상이 되고 있는 그린 수소가 있다. 그린 수소는 상용전력(재생에너지 등)으로 물을 전기분해하여 만든 옐로 수소(Yellow)와 원자력으로 물을 전기분해하여 만든 핑크(Pink) 수소, 원자력의 고온과 전기로 수소를 만드는 퍼플(Purple) 수소, 그리고 원자력 고온 분해로 수소를 만드는 레드(Red) 수소로 나누어진다. 현실적으로 가장 관심의 대상이 되고 있는 것은 당연히 그레이 수소와 그린수소이다. 사실 부생은 고 탄소 배출 업종인 석유화학업계에서 주로 생산되므로, 탄소제로 정책으로 인해 본 제품 생산이 감소하고 있으므로 그 양은 제한적이고 그나마 우리나라는 나프타 생산 과정의 부생으로 얻어진 수소를 이용해 암모니아, 요소, 요소수를 만들고 있기 때문에 더욱 어려운 환경에 놓여 있다. 결국 수소 생산은 그린 수소에 의존할 수밖에 없으며, 이 또한 전기 소모량이 많아 현실적으로 어려움이 많은 것이 사실이다.
수소연료전지자동차의 성공적인 발전을 위해서는 재생에너지원으로부터 전기를 생산해야 되지만 재생에너지 간헐성에 따른 전력의 불안정성을 해결하는 방안이 필요하다. 그 방안의 일환으로 언제 어느 때나 전기 생산이 가능한 원자력을 활용한 시스템과 연계하여 수소 수급의 문제를 해결할 방안을 모색해야만 한다. 수소연료전지자동차는 수소 저장소와 충전소 등과 함께 수소연료전지의 일차적인 문제점을 제외하더라도 수소의 원활한 수급이 없이는 성공하기가 어렵다.
하양 울산과학대 전기전자공학부 교수
