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수소, 넘버원

곧 다가올 미래 연료는 수소가 될지도 모른다

2021.06.16

 

나는 자동차업계에서 쌓은 30년 경력 대부분 ‘수소는 미래 연료다’ 이론을 지지하고 있다. 하지만 최근의 개발 융합이 어쩌면 우주에서 가장 작은 분자인 수소에 대한 변곡점일지도 모른다. 

 

대형 트럭 운송에 사용하는 연료전지 개발 속도를 올리는 건 관련 인프라를 활성화할 것이다. 또한 연료전지차(FCEV) 도입을 촉진하는 데 필요한 규모의 경제도 끌어낸다. 재생에너지의 확산은 다양한 잉여 전력망 저장 방법을 요구한다. 그 방법 중 하나가 바로 수소다. 최근에는 친환경 수소를 저렴하게 생산하는 새로운 방법이 등장하고 있다.

 

미국 국립재생에너지연구소의 선임 연구원이자 연료전지 그룹 매니저 브라이언 피보바르는 최근 ‘오토라인 디트로이트’의 공개 토론회에서 나에게 이 변곡점에 대해 귀띔해줬다. 그의 연구소는 ‘하이블렌드(HyBlend)’ 프로젝트에서 다섯 곳의 국립연구소와 협력해 천연가스에 수소를 20%까지 혼합하는 것을 연구한다. ‘잉여 태양광과 풍력 에너지에서 비롯되는 전기분해에 의해 수소가 발생한다’고 말하는 그 프로젝트에 따르면 천연가스의 온실가스 총 배출량을 낮출 수 있다.

 

수소가 에너지 밀도가 낮고 메탄보다 폭발력이 강한 만큼 하이블렌드 프로젝트는 이런 수소와 메탄 혼합물의 안정성과 효율성을 평가하는 데 무려 2년이 걸렸다. 프로젝트는 투과성이 세 배 더 강한 H2 분자가 수송관 자체에 미치는 영향에 대해서도 연구할 예정이다. 이런 연구는 2575km에 불과한 수소 운송관 네트워크를 확장하는 것은 물론, 1조 달러짜리 천연가스 인프라로 만들 수 있는 청정 수소 시장을 창출할 것이다.

 

토요타, 현대, 다임러, 볼보는 대형 연료전지로 움직이는 트럭을 보유하고 있다. 이들의 초기 트럭은 중심지의 대규모 재급유를 활용한 지역 운송과 항구 내 운반에 집중될 것이며, 장거리 수소 트럭 운송이 뒤따를 것이다. 수백만km로 예상되는 사용 기간 동안 장거리 디젤 트럭은 일반적으로 트럭 구입 비용의 세 배에 달하는 연료를 태운다. FCEV 트럭은 디젤 트럭보다 효율성이 훨씬 뛰어나다. 그래서 수소연료전지 파워트레인은 디젤 엔진보다 비싸지만 수명 주기 등을 보면 여전히 경제적 타당성이 있다. 승용차나 5톤 이하 트럭의 경우, 자동차 구입 가격 대비 연료비의 수명 비율은 1:1에 가깝다. 따라서 경형 FCEV의 파워트레인 비용을 낮추기 위해선 규모의 경제가 필요하다. 대규모 재급유와 소유권 공유가 경형 FCEV의 채택을 촉진할 수 있다.

 

한편, 캐나다 캘거리의 프로톤 테크놀로지스는 유해한 이산화탄소와 석탄에서 나오는 합성가스를 지상에서 격리하는 과정에서 버려진 유정과 천연가스정으로부터 순수한 수소를 추출하는 산소 주입 방법을 개발했다. 그 방법은 공기에서 액화 산소를 극저온에서 분리하는 것부터 시작된다. 산소는 충분한 압력으로 빠르게 증발한 뒤 유전으로 강제 주입되고, 대부분의 유전 바닥에 있는 물을 거쳐 거품을 만든다. 물과 석유(또는 가스) 접점에서의 산화는 기화, 액체 열분해, 수소를 해방시키는 수성가스 전환 반응에 동력을 주는 열과 증기를 발생시킨다. 수소가 분출되거나 타오르는 지하 연소는 수년 동안 석유 생산에 도움을 줬다. 이제는 팔라듐 합금 촉매와 화학 필터를 통해 수소만 지표면에 흐르도록 할 수 있다.

 

현장에서 생산된 수소로 산소 주입 작업에 전력을 공급하면 친환경적이고 비용도 적게 든다. 예상 생산 원가는 kg당 0.2달러 이하다. 이는 증기-메탄 개량을 통해 수소를 생산하는 데 필요한 kg당 2~3달러에 훨씬 못 미치는 금액이다. 또 토요타 미라이가 연료 공급에 지불하는 kg당 16.7달러보다 훨씬 저렴하다. 산소 주입으로 만들어진 수소는 휘발유나 경유보다 저렴하다. 새로운 방식의 최고 장점은 잠재적인 산소 주입 현장 대다수가 인구 밀집 지역이나 에너지 인프라에 근접해 있어 운송을 간소화할 수 있다는 점이다.

 

수소는 아직 그 자체로 운송 연료로서 경제적 타당성이 없다. 잉여 친환경 에너지를 저장할 수 있는 수소 인프라를 구축하는 것 자체가 어렵기 때문이다. 하지만 그 기술들을 모아 버려진 유정망을 이용해 깨끗하고 저렴한 수소를 만들어낸다면 그 어느 미래 연료보다 합리적이다.

 

 

 

 

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CREDIT

EDITOR : 프랭크 마커스PHOTO : 모터트렌드

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