수소 경제에 대해서(신재생 에너지, 수전해, 연료전지)

 

그린 뉴딜, 수소 경제 관련하여 공부를 하고 있습니다. 관련하여 연료전지에 대해 공부한 내용을 소개 및 정리하고자 작성하였습니다. 

 

 

1. 수소 

• 수소가 차세대 에너지로 각광을 받는 이유는 연소 시 CO2 배출이 없으며, 물을 통해 어디서는 구할 수 있는 에너지원이기 때문입니다.
• 지구 온난화로 인해 환경 규제는 지속적으로 강화되고 있기 때문에 향후 에너지원은 점차 수소로 나아갈 것으로 예상하고 있습니다.
• 수소는 기존 석유와 같은 탄화수소와 달리 지역적 편중이 없기 때문에 한국과 같이 에너지 자급률이 낮은 국가는 수소 경제 활성화 시 파급 효과가 크게 나타날 수 있습니다.
• 수소 경제는 단순히 현재의 수소차를 말하는 것이 아닌 재생 에너지로 수소를 생산하고, 생산된 수소를 통해 에너지를 전달하는 Energy Carrier의 역할을 하는 시스템을 말합니다.
• 현재 수소는 기존 연료인 LNG 개질이나 석유 정제 부산물을 통해 얻고 있지만, 궁극적으로는 신재생 에너지로 물을 전기 분해해서 생산하는 것을 수소 경제의 핵심으로 나아가고 있습니다.

 

 

2. 신재생 에너지와 수소

• 신재생 에너지의 취약점은 계절과 날씨에 따라서 출력 변동이 높기 때문에 이를 관리하기 위한 에너지 저장 수단이 필요하다는 점입니다.
• 미국에는 태양광/풍력 발전으로 인한 초과 공급으로 출력 제한이 지속 발생하고 있으며,

• 최근 한국에서도 신재생 에너지가 급증하면서, 전력 공급 과잉 문제가 대두되고 있습니다.

전력 부족도 문제지만 공급 과잉도 위험…넘쳐나는 태양광·풍력에 '전력대란 비상'

• 현재 신재생 에너지의 저장 수단은 ESS를 위주로 적용이 되고 있으나, 향후에는 수소로 대체가 될 가능성이 있는 것으로 보입니다.

• 위의 그래프를 보게 되면, Y축은 저장 기간, X 축은 저장 용량을 의미합니다.
• Batteries는 저장용량이 작고 저장 기간이 짧아서 소규모 저장에 용이하며, 태양광과 같이 낮에 충전하여 밤에 쓰는 방식의 1일 정도의 저장 기간을 갖고 있습니다.
• 하지만, 수소의 경우에는 대용량 저장이 가능하며, 압축이 가능하여 기술 발전 시 같은 부피에서도 더 많은 양을 저장할 수 있습니다.
• 또한, 수소의 경우 ESS보다 저장 기간이 길기 때문에 여름에 충전하여 겨울에 쓰는 방식도 가능합니다.
• 따라서, 신재생 에너지 발전에 따라서 점차 수소 경제로 진화해 나갈 것을 기대하고 있습니다.

 

 

3. 청정 수소 생산

• 앞서 말씀드린 바와 같이 신재생 에너지와 수소는 연결되어 있다고 생각을 할 수 있을 것 같습니다.
• 수전해 수소는 물을 전기 분해하여 생산하는 수소를 말하며, 수소 경제에서는 신재생 에너지에서 만들어진 전기를 이용하여 수소를 생산하는 방식입니다.
• 현재는 기존 LNG를 개질 하여 수소를 생산하는 방식이 가장 비용이 싸지만, 향후에는 신재생 에너지를 통해 수전해 방식으로 수소를 생산하는 단가가 지속 낮아질 것으로 기대하고 있습니다.

현재는 LNG 개질 및 개질 과정에서 발생한 이산화 탄소를 포집하여 생산하는 수소 단가가 가장 싸다.

• 하지만, 신재생 에너지를 통해 수소를 생산하는 방식은 잉여 전력을 활용한다는 점에서 수소 생산 비용으로 포함되지 않을 수 있습니다. 이 경우 원가는 크게 하락할 수 있습니다.

 

 

4. 수소 활용(연료전지)

• 수소를 활용하는 방법에는 수소자동차, 수소 드론과 같은 모빌리티와 연료 전지가 중심이 되어 있습니다.
• 모빌리티에 관해서는 이미 현대자동차를 통해 어느 정도 상용화가 되었으며, 실제로 길에서 지나다니는 수소차인 넥소를 볼 수 있습니다.
• 수소가 Energy Carrier 역할을 하기 위해서는 핵심적인 기술이 연료전기이기 때문에 모빌리티 보다는 연료전지에 대해서 알아보았습니다.
  (사실 수소차도 결국 연료전지를 통해 수소를 전기로 전환하여 움직이는 전기차입니다)
• 연료전지는 전해질층으로 분리된 연료극과 공기극을 가지고 있으며, 연료극(Anode)에서 수소가 수소이온과 전자로 나누어집니다. 전해질의 고분자 막은 수소 이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 됩니다.
  수소 이온은 고분자 막을 통과하여 공기극(cathode)의 산소와 결합하여 물이 되고, 이 극 사이의 전위차에 의해 전류가 발생합니다.
• 연료 전지가 중요한 이유는 수소가 Energy Carrier로서의 역할을 하게 되면, 에너지 사용처에서는 연료전지를 이용하여 수소를 전력으로 바꿀 수 있기 때문입니다.

 

출처: 수소융합얼라이언스추진단

• 배터리와 비교했을 때 연료전지가 갖는 장점은 앞서 말한 바와 같이 에너지 저장 용량이 크고, 저장 기간이 길다는 점입니다. 따라서, 수소 경제 활성화에 따라서 연료 전지의 중요성이 지속 강조될 것으로 예상합니다.

 

 

5. 수소 경제 = 수소 시스템

• 신재생 에너지 증가에 따라서 수소 경제는 활성화될 것으로 예상됩니다.
• 수소 경제 활성화에 따라서 수소는 점차 Energy Carrier로서의 역할을 하게 되며, 이에 따라서 수전해 및 연료전지 업체가 각광받을 것으로 기대합니다.
• 수소 경제는 신재생 에너지에서 발생한 잉여 전력을 활용해서 수전해를 통한 수소를 만들고, 생산된 수소를 이송하여 사용처에서 연료 전지를 이용해 다시 전기를 생산하는 시스템이 궁극적인 모습이라고 생각합니다.

• 수소 경제가 활성화된다면 한국은 에너지 빈국에서 신재생 에너지를 통해 생산된 수소를 수출하여, 에너지를 수출하는 나라로 변모할 가능성도 있습니다.
• 최근 한국에서는 수소 경제 활성화 정책 발표 후 연료전지 업체인 두산 퓨얼셀이 크게 급등하는 모습을 볼 수 있었습니다.
• 연료전지의 경우 실제 적용 사례가 있으며, 한국에 적용된 발전 업체에서는 영업이익이 흑자로 나타나서 시장에서도 우호적으로 받아들일 것으로 생각됩니다.
• 다만, 아직 발전 단가, 설치 비용 등 많은 Issue가 있기에 수소 경제의 성공을 속단하기는 어려울 것 같습니다.

 

 

블룸에너지, Bloom Energy (차세대 연료전지, 블룸SK퓨얼셀)

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