차세대 에너지로서 세계 각국이 수소(H2)에 대해 쏟고 있는 관심은 이미 '대단하다' 등과 같은 몇몇 단어들로 표현할 수 있는 수위를 넘어서 있다.
머지않은 미래에 현실화될 화석에너지의 고갈을 맞아 수소에너지를 정점으로한 신․재생에너지 관련 기술력이 곧 국가 경쟁력의 척도이자 국가안보와도 직결된다는 인식이 확산되고 있기 때문이다.
그러나 에너지로서 수소가 지닌 무한한 가능성 만큼 불확실성 또한 적지않은 것이 사실이며 수소경제에 대한 관심과 투자가 높아질수록 이같은 불확실성들을 근거로한 수소경제(hydrogen economy) 무용론자들의 반론들이 곳곳에서 제기되고 있다.
일부에선 수소경제가 구현될 가능성 자체를 부정하기도 하며 혹은 전체적인 흐름은 인정하더라도 방법론적으로 상이한 의견을 제시하기도 한다.
이 과정에서 수소에너지의 개념적.기술적 비(非) 완벽성에 따른 정보의 부족이 원인이 되어 종종 사실과는 동떨어진 다소 모순되고 왜곡된 정보들이 양산되고 있는 실정이다.
이에 미국 록키마운틴연구소의 공동 설립자이자 물리학자인 Amory Lovins 박사가 수소에너지와 관련한 일부 왜곡된 논평과 그로인한 그릇된 시각들을 바로잡기 위해 작성한 '수소에 대한 20가지 오해(Twenty Hydrogen Myths)'라는 글의 일부를 현상황에 맞게 재구성하여 소개한다.
이 글은 일부 에너지 전문가들의 견해와 다를 수 있으며 독자들의 이해를 돕기 위해 원문(原文)에 편집자의 부가설명과 첨삭, 각색이 더해졌음을 미리 밝혀둔다.
[Myth-1] 모든 수소에너지 기술개발이 백지상태에서 시작돼야 한다
일반인을 포함한 수소에너지 비전문가들이 수소에 관해 언급할 때 자칫 빠지기 쉬운 오해의 하나로 '지금까지 인류는 수소를 에너지원으로 사용한 전례가 없기 때문에 수소경제구현에 필요한 수소에너지 관련 기술들도 개발된 것이 전혀 없다'라는 생각을 들 수 있다.
그러나 이는 일반인들이 최근까지 수소에 대한 정보를 접할 기회가 적었고 공상과학물에서나 볼 수 있었던 수소자동차를 마치 하늘을 나는 자동차와 같은 상상의 산물로 판단하는데서 비롯된 것으로 사실과는 전혀 다르다.
실제로 인류는 극히 제한적이기는 하지만 이미 수소를 에너지원으로 활용하고 있다. 우주항공 분야가 그것으로 오래전부터 우주왕복선, 로켓 등의 추진체 연료로서 액체산소(LO2)와 함께 액체수소(LH2)가 사용된다.
또한 수소는 현재 전세계적으로 연간 5천만톤(약 5천억N㎥) 가량이 생산되고 있으며 정유, 비료, 광섬유, 반도체, TFT-LCD, 제약, 금속 등의 산업에 광범위하게 활용되면서 제조, 저장, 배송, 활용 등과 관련된 많은 기술들이 상용화되어 있다.
일례로 초기 수소경제에서 주도적으로 수소의 생산을 맡게 될 '천연가스 증기개질법'의 경우 현재 전세계 수소생산의 48%를 담당하고 있을 만큼 완성된 공정이며 태양력, 풍력 등 자연에너지와 연계해 집중적인 연구가 진행중인 '물전기분해법' 또한 경제성 확보에 어려움을 겪고 있을뿐 기술적 문제는 거의 없다.
[Myth-2] 폭발성 수소를 연료로 사용하는 것은 위험하다
많은 사람들이 수소라는 단어를 들으면 '청정에너지'라는 이미지보다는 '수소폭탄'의 이미지를 먼저 떠올린다.
이로인해 몇몇 인사들은 이처럼 위험한 가스를 일반시민들을 대상으로한 공공에너지로 광범위하게 사용한다는데 상당한 불안감을 표명하고 있다.
물론 수소는 강력한 폭발력을 내재한 가연성 가스임에 틀림없으며 확산성이 천연가스의 4배, 가솔린 증기(gasoline fumes)의 12배에 달하기 때문에 폭발시 파괴력도 그만큼 강력하다.
그러나 수소 뿐만아니라 천연가스, 석유 등 모든 종류의 연료가 폭발의 위험성이 있고 취급에 세심한 주의가 요구된다는 점을 전제로 생각하면 수소는 오히려 여타 탄화수소계 연료들보다 안전성 확보가 용이한 물질이다.
수소의 강력한 확산성은 공기중에 누출된 수소가 축적되지 않고 신속하게 사라짐을 뜻하며 화재시 화염의 복사열(radiant heat)도 여타 탄화수소물질의 10%에 불과하기 때문에 누출지점으로부터 일정거리만 유지하면 화상을 입지 않는다.
물론 낮시간대에 수소의 화염을 눈으로 보기 위해선 특별한 장비가 필요하므로 소방대원들은 수소 화재를 달갑지 않게 여기겠지만 화염과 직접 접촉하지 않는 이상 피해를 받지 않으며 연기로 인한 질식의 우려도 없다.
더욱이 수소는 밀폐된 공간에 고농도(천연가스 대비 2배 수준)로 축적되지 않는 이상 일반 공기중에서는 강제로 불을 붙인다 해도 폭발에 이를 가능성이 매우 적다.
또한 이론적으로 수소는 천연가스에 비해 14배 적은 열 에너지로도 화재가 일어날 수 있지만 이는 이론에 불과할 뿐 천연가스가 정전기에 의해 불이 붙는 반면 수소는 그렇지 않다.
즉 건물내부와 같은 밀폐공간에서 수소가 누출된다해도 폭발보다는 화재수준에 머무를 가능성이 더 크다.
이와관련 많은 이들이 수소의 위험성을 상징하는 사건으로 지난 1937년 미국 뉴저지에서 승객 36명의 목숨을 앗아간 독일 힌덴부르그號 수소비행선 폭발사고를 꼽고 있지만 이 사고도 외부로 알려진 것과 실제 사실에는 큰 차이가 있다.
이 사건의 수사를 담당했던 NASA(미국항공우주국) Addison Bain 박사의 조사결과, 힌덴부르그號는 폭발이 아닌 화재사고였으며 사망자들은 모두 추락, 디젤연료의 화재, 기체 파편 등에 의해 숨졌고 수소 화염(hydrogen fire)에 의한 사망자는 단 한명도 없었던 것으로 밝혀졌다.
Addison Bain 박사는 또 수소가 승객들에게 직접적인 위해를 주지 않았기 때문에 62명이 살아남을 수 있었으며 만약 수소가 아닌 불연성 헬륨을 충전했더라도 피해규모에는 별다른 차이가 없었을 것이라고 밝힌바 있다.
한편 최근의 실험결과에서도 일반 휘발유 자동차는 휘발유 누출에 따른 화재발생시 차체가 전소되는 반면 수소자동차의 경우 누출부위에서 순간적으로 불길이 치솟지만 2분이내에 화염이 사라져 차체나 운전자에 대한 피해가 미미한 것으로 나타났다.
[Myth-3] 수소생산에 투입되는 에너지가 수소로부터 얻는 에너지보다 많다
A라는 에너지를 B라는 에너지로 변환하고자 할 때에는 항상 후자(後者)에 의해 얻을 수 있는 에너지보다 많은 에너지의 투입이 필요하다.
이처럼 에너지 전환과정에서 나타나는 효율 손실은 물리학적으로 불가피한 일종의 불변의 법칙에 해당한다.
수소도 예외가 아니며 천연가스 증기개질 공정의 경우 약 15~28%, 물전기분해공정의 경우 약 15~30% 정도의 효율이 에너지 변환과정에서 사라지는 것으로 알려져 있다.
그러나 이 문제의 핵심은 에너지 변환과정에서 어느정도의 에너지 손실이 발생하는가 보다는 이를통해 얻어지는 최종 결과물의 가치가 에너지 손실을 감내할 만큼 중요한가에 있다.
만일 이같은 사실에 이의를 제기하고자 한다면 우리가 현재 상당한 에너지 손실을 감수하며 원유(原油)에서 휘발유를 만들고, 화석연료로 전력을 생산하고 있음을 먼저 부정해야 한다.
또한 원유를 휘발유로 전환하는 것이 천연가스를 수소로 전환하는 것보다 효율성이 높다는 주장도 수소연료전지 자동차를 구동시키는 수소연료의 효율이 내연기관자동차를 구동시키는 휘발유의 효율보다 2배 가량 높다는 사실을 좌시한 그릇된 정보(red herring)에 불과하다.
우리가 수소를 에너지화 하려는 이유가 원유와 같은 화석연료의 고갈 때문이라는 사실은 차치(且置)하더라도 말이다.
다시말해 에너지 전환손실은 비단 수소의 생산공정에만 국한된 것이 아니며 수소생산시 발생하는 에너지 손실량도 수소가 인류에게 가져다줄 효용성과 경제적 가치 등을 감안할 때 충분히 정당화될 수 있는 수준에 불과하다.
[Myth-4] 기존 천연가스 배관망을 수소배송에 활용할 수 없다
이미 언급된 바와 같이 수소는 천연가스와 물성(物性)적으로 전혀 다른 물질이다.
이 때문에 일각에선 기존에 설치.운용되고 있는 천연가스 파이프라인 네트워크를 수소의 배송에 활용할 수 없으며 막대한 자금을 투자해 수소 전용 배관망을 새롭게 설치해야 한다고 설명한다.
하지만 이는 사실이 아니며 기존 천연가스 배관망을 수소 배송망으로 사용할 수 있다.
예컨대 하수관의 리모델링에 쓰이는 폴리머복합라이너(polymer-composite liners)를 추가하거나 수소저장용 복합탱크에 사용되는 강화코팅 및 강화라이너를 채용하는 것으로 용도변경이 가능하다.
만약 파이프라인 자체를 강화할 필요성이 있다면 외부를 복합재로 감싸면 된다.
이와관련 기존 파이프라인에 어떠한 추가 조치도 하지 않은 상태에서 수소와 메탄의 혼합물인 하이탄(Hythane)을 안전하게 배송할 수 있다는 사실이 네덜란드의 거대 가스기업인 Gasunie社에 의해 증명되기도 했다.
물론 하이탄 형태로의 수소배송은 메탄과의 혼합시 수소농도를 일정 수준이하로 낮추어야하고 엔드유저가 수소를 사용하기 위해 별도의 분리공정을 진행해야하기 때문에 현실성이 다소 떨어지지만 기존 배관망을 수소배관으로 전환하는데 큰 어려움이 없음을 입증했다는데 의미가 있다.
특히 일본이 추진중인 '시베리아-중국-일본' 천연가스 배관의 경우처럼 최근에 설치되었거나 설치될 예정인 파이프라인의 경우 배관의 재질, 밸브, 실(seal) 등 제반 설비와 시스템에서 곧바로 수소배관으로 전환해도 무방한 수준이다.
배관의 안전성 확보를 위해 복합재료 인발성형(pultrusion)과 같은 신기술로 수소배관을 제작해야 한다는 의견도 있지만 이미 몇 년전 2백마일(322㎞)에 이르는 원유배관망이 수소배관으로 전환, 사용되고 있는 것에서 알 수 있듯 용도변경에 따른 안전성 문제도 현재의 기술로 해결가능한 수준이다.
물론 이러한 파이프라인 공급은 수소경제가 어느정도 활성화되어 트럭(카트리지, 트레일러)배송으로는 감당할 수 없을 만큼 대량 배송의 필요성이 대두되고 중앙집중식 수소제조가 온사이트식 및 분산식 수소제조에 비해 효율적, 비용적으로 우수하다는 두가지 전제가 먼저 성립되어야 한다.
[Myth-5] 충전을 위한 압축공정에 과도한 전력에너지가 소비된다
수소자동차에 수소연료를 충전하기 위해 사용하는 컴프레셔(압축기)가 상당한 전력에너지를 필요로 하는 것은 사실이다.
일반적으로 약 93~94% 효율의 중간냉각(intercooled)기술을 사용하는 압축기가 350bar 압력으로 수소를 충전할 경우 수소연료가 보유하고 있는 에너지의 9~12%에 해당하는 전력에너지가 소비된다.
그러나 일반 내연기관 자동차와 달리 연료전지를 장착한 수소자동차는 스로틀밸브(0.3~3bar)가 아닌 소형 극저온냉각기(turboexpander)를 채용하고 있기 때문에 수소충전시 소비된 압축에너지의 대부분은 수소자동차에 수소연료가 충전된 이후 복구될 수 있다.
또한 압축기 외부로 방출되는 열에너지를 버리지 않고 적절한 용도로 재활용할 수 도 있다.
특히 압축에너지는 대수(對數, logarithm)이므로 1bar에서 10bar로 압축할 때 소요되는 에너지나 10bar에서 100bar로 압축할 때 소요되는 에너지가 동일하다.
즉 수소자동차가 350bar 대신 700bar 저장탱크를 사용하게 되면 압축에너지는 9~12%에서 10~13%로 최대 4%이상 상승하지만 에너지소비량은 1~2% 포인트 가량 늘어나는데 그쳐 에너지효율 증진효과를 거둘 수 있다.
실례로서 대다수 전기분해장치들이 30bar 압력의 수소를 생산하도록 디자인되어 있지만 필요에 따라 생산압력 200bar급 설비들도 존재하고 있으며 두 설비의 에너지소비량 차이는 극미한 수준에 불과하다.
이를 활용하면 350bar 저장탱크에 충전하기 위한 압축에너지를 수소연료가 보유하고 있는 에너지의 3%~6%까지 낮출 수 있다.
물론 캐나다 국립연구소(NRC)가 개발한 ‘전기구동 멤브레인’ 처럼 기계장치를 사용하지 않는 압축기술들의 개발을 통해 이 문제는 좀더 손쉽게 해결될 수도 있다.
[Myth-6] 수소가격이 휘발유에 비해 지나치게 비싸다
전문가들에 따르면 천연가스의 가격이 1기가줄(GJ)당 5.69달러(또는 1MBTU당 6달러) 수준인 2003년 미국을 기준으로 할때 소형 온사이트 증기개질장치에서 수소를 생산하여 수소자동차에 충전하는데까지 들어가는 비용은 약 2.5달러/㎏이다.
반면 미국의 비과세 휘발유 도매가격은 리터당 0.24달러(2003년 기준), 과세후 소매가격은 리터당 0.36달러 수준이며 이를 수소로 환산하면 각각 2달러/㎏, 3달러/㎏가 된다.
이는 수소연료를 현재의 휘발유와 비슷한 가격으로 공급할 수 있음을 의미하며 다수의 증기개질장치를 가동할 경우 수소가격은 더욱 낮아질 수 있다.
물론 미국의 휘발유 가격은 생수보다도 저렴하고 한국, 일본, 유럽 등과 같은 국가들은 천연가스 가격이 미국에 비해 월등히 비싼 것이 사실이다.
하지만 이들 국가들은 높은 천연가스 가격 이상으로 휘발유 가격도 높게 책정되어 있다.
일부 국가의 휘발유 가격은 수소로 환산할때 1㎏당 8달러에 이를 만큼 비싼 곳도 있다.
이와같은 수소의 비용적 잇점은 위의 [Myth-4]에서 기술된 바와 같이 수소공급시 기존의 천연가스 배관을 활용할 수 있기 때문에 얻어진다.
이같은 이유로 BP, 포드 등의 기업들은 이미 천연가스로부터 생산한 수소의 공급가격이 휘발유와 경쟁할 수 있는 수준임을 확인하기도 했다.
수소경제를 추진중인 거의 모든 국가들이 수소생산과 관련하여 물전기분해 방식이 아닌 천연가스 증기개질방식을 중심으로 연구를 진행하고 있는 것도 고가의 전기에너지를 필요로하는 물전기분해의 경우 상업성이 떨어지는 소형설비이거나 정부의 대대적인 자금지원이 없는 이상 현재의 휘발유와 같은 경제성을 가질 수 없기 때문이다.
이에따라 물전기분해방식 수소제조는 중앙집중식 대량 수소생산 및 공급망 구축이 어렵거나 소규모 온사이트형 수소제조가 유리한 경우, 그리고 풍력.태양열.지력 등 자연에너지를 통해 저렴하게 전력을 생산할 수 있는 지역과 같은 틈새시장을 집중 공략하고 있다.
한편 미국 DOE는 지난 2001년 국가수소프로젝트 기본계획을 통해 연료전지자동차에 적합한 수소의 순도를 5N(99.999%)으로 보고 당시 ㎏당 15~22달러인 5N급 수소의 가격을 2010년까지 절반수준으로 낮춘다는 계획을 수립했다.
그러나 지난 2003년 중순경 새롭게 책정한 목표는 2010년 현재 수소공급가격을 ㎏당 1.5달러로 만든다는 것이다.
이러한 대폭적인 가격 하향조정이 가능했던 것은 기술의 발달로 인해 더이상 연료전지 자동차에 5N급 수소가 필요치 않기 때문이다.
실제로 현재 수소자동차용 수소연료는 4N(99.99%)이면 물의 없이 사용가능한 것으로 알려져 있으며 일부 기업 및 연구기관들은 순도 3N(99.9%)이하의 수소를 사용할 수 있는 시스템을 개발하고 있는 중이다.
[Myth-7] 재생가능에너지와의 예산경쟁으로 수소경제가 지연될 수 있다
세계 각국은 수소에너지를 신재생에너지라는 큰 범주내에서 연구하고 있으며 태양력, 풍력, 바이오매스 등 재생가능에너지 분야에도 상당한 R&D자금을 투입하고 있다.
이로인해 실제로 각각의 신재생에너지들이 한정된 정부의 예산을 놓고 치열한 경쟁을 벌이고 있으며 종종 이것이 수소에 지원될 예산을 감소시키는 것으로 보여질 수 있다.
그러나 수소에너지와 재생가능에너지는 상호간의 우열을 가리기 힘들만큼 국가발전과 에너지안보 구축에 있어 매우 가치있고 중요한 분야로서 두가지 모두를 함께 연구해야하는 것이 당연하다.
또한 수소와 재생가능에너지는 '태양열-수소생산' '풍력-수소생산' '지열-수소생산' 등의 연구에서 알 수 있듯 서로 경쟁하는 관계가 아닌 상호보완적인 관계로 각각의 연구에 시너지효과를 창출해낼 수도 있다.
즉 수소와 재생가능에너지와의 예산경쟁은 예산의 한정성에 따른 현실적 문제일 뿐 수소가 재생가능에너지에 비해 중요성이 떨어진다거나 그 반대의 이유에서 비롯된 것이 아니다.
같은 맥락에서 지원된 예산의 낭비와 부적절한 사용도 수소경제 조기도입의 걸림돌로 지적되곤 한다.
이는 수소경제라는 개념이 기술적.개념적으로 세부적인 부분까지 완성되지 않은 탓에 모든 가능성을 열어놓고 다방면에서 관련연구가 진행되고 있기 때문이다.
하지만 이는 수소를 포함한 거의 모든 R&D프로젝트에서 나타날 수 있는 현상이며 연구개발단계에서 발생하는 필요악(?)이기도 하다.
각국은 이러한 오류를 최소화하기 위해 프로젝트를 수정, 개선하고 있으며 일부에서 발견된 오류로 인해 전체 프로젝트를 중단하는 경우는 없다.
특히 국가와 국책연구기관들의 역할은 이론정립과 기초기술 확보단계까지이며 이를 상용화하고 체계화하는 것은 이윤을 추구하는 민간자본에 의해 자연스럽게 이루어질 것이다.
[Myth-8] 단기간내 수소자동차의 보급은 불가능하다
수소연료전지자동차의 상용화가 수소경제를 현실화하는 최대의 견인차라는 점에는 누구도 이의를 달지 않는다.
이와관련 일부 전문가들은 미국의 자동차 교체주기가 약 14년 정도인 점을 들어 자동차메이커들이나 수소에너지 학자들의 예상처럼 단기간내 수소자동차로의 전환이 이루어지지 않을 것이라고 주장한다.
실제로 비교적 오랜 역사를 지닌 하이브리드 자동차(hybrid car)는 매년 판매량이 눈에띄는 신장세를 보이고는 있지만 아직도 전세계 자동차 수요의 1%도 점유하지 못하고 있으며 틈새시장 공략을 위한 연료절약형 자동차의 경우에는 휘발유가격의 급격한 상승으로 더욱 힘겨운 싸움을 벌이고 있는 실정이다.
그러나 수소연료전지 자동차의 경우 소비자들의 교체욕구가 발생할 때 까지 기다리는 것이 아니라 국가정책적 차원에서 적극적으로 교체를 유도할 것이기 때문에 기존의 교체주기를 그대로 적용하는 것은 오류의 소지가 있다.
구체적으로 대다수 국가들은 휘발유자동차를 수소자동차를 비롯한 친환경자동차로 조속히 전환하기 위해 세제감면, 구입자금 및 보조금 지원 등과 같은 각종 지원책을 준비하고 있다.
우리나라 또한 지난 2004년 '환경친화적자동차의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률'을 제정, 수소연료생산자와 구매자들에 대한 법적 지원근거를 마련한바 있다.
이같은 정부지원책 중 가장 높은 효과를 보일 것으로 예상되는 것은 일명 '당근과 채찍'으로 불리는 '피베이트(feebates)' 정책이다.
요금(fee)과 보상(bate)의 합성어인 피베이트는 소비자가 구입하려는 자동차의 효율성 및 친환경성이 높으면 보상금(할인)을 지원하고 그 반대의 경우 일종의 환경부담금 명목으로 요금을 부과, 친환경 자동차로의 전환을 촉진하는 방법이다.
물론 이 경우 현재 대당 1백만달러(약 10억원)에 이르는 수소자동차의 가격을 일반 휘발유 자동차와 유사한 수준으로 인하해야 한다는 전제조건이 선결되어야만 한다.
즉 정부는 수소경제의 조기도입을 위해 수소자동차를 포함한 친환경자동차의 생산자와 구매자 모두에게 금전적인 지원을 해야하므로 결국 수소경제 조기도입의 핵심열쇠는 정부가 쥐고 있다해도 실언은 아닌 셈이다.
