수소경제

수소경제



이민환 외 지음

맥스미디어 / 2022년 2월 / 295쪽 / 20,000원





수소 : 미래 에너지 사회의 필수 매개체



기후 변화 - 성큼 다가온 위기 상황

뜨거워진 지구, 심상치 않은 증상들: 2018년 11월 8일, 미국 캘리포니아주의 주도인 새크라멘토시의 북쪽에 있는 부티 카운티에서 전력 송전선 문제로 인해 엄청난 산불이 발생했다. 실종자만 약 600여 명에 이르렀고 불타버린 전체 면적은 서울의 3배가 넘었다. 우리나라에서는 2021년 1월, 전례 없는 한파가 몰아치면서 엄청난 폭설이 내렸고, 가장 남쪽에 위치한 제주도에서도 한파특보를 운용한 1964년 이래 처음으로 한파경보가 내려지기도 했다. 이처럼 산불, 한파, 극심한 더위, 파괴적인 폭풍우, 해수면 상승, 가뭄, 식량난, 어획량 감소 등의 자연재해는 이제 특별한 일이 아닌 게 되고 말았다. 그런데 이러한 현상은 많은 이들이 알고 있듯이 지구온난화 현상에서 기인한다.

산업화 이후 인류는 화석연료인 석탄, 석유, 천연가스 등을 태워 열에너지, 기계 에너지, 전기 에너지 등으로 변환하여 이용해왔다. 그리고 이 과정에서 이산화탄소(CO2)가 부산물로서 생성되는데, 이렇게 대기 중에 지난 백여 년간 쌓여온 이산화탄소가 태양으로부터 대기권 내로 유입된 열을 거두어 버림으로써 지구가 서서히 달궈지게 되었다. 한편 산업혁명 이후 1970년대까지는 유럽과 미국이 탄소 배출의 주범이었으나, 최근에는 탄소 배출량이 정체 또는 소폭 감소하는 추세를 보이고 있다. 반면에 21세기 이후 세계 인구 비중이 높아진 중국을 비롯한 제3세계의 탄소 배출량이 급격히 증가함에 따라 전 지구적인 총 배출량 역시 여전히 급증세를 보이고 있다.

지구가 버틸 수 있는 임계점: 지구가 버텨낼 수 있는 능력의 한계, 다시 말해 임계점이 다가오고 있다고 말하는 전문가들이 늘고 있는데, 이는 지구가 스스로 균형을 찾아가는 자정 능력을 지니고 있지만 그 능력으로도 도저히 감당할 수 없을 정도의 변화가 진행되고 있다는 뜻이다. 더 이상 원래의 상태로 돌아가지 못하는 임계점, 그 시점을 대체로 과학자들은 산업혁명 이전을 기준으로 온도가 2도 상승한 때라고 판단하고 있었다. 그런데 2018년 개최된 제48차 ‘기후 변화에 관한 정부 간 협의체’ 회의에서는 1.5도로 그 목표치가 상향 조정되었다. 지구 온도 2도 상승 시 예상되는 현실이 너무 암담하기에, 더욱 적극적이고도 과감한 탄소 저감 노력을 촉구하려는 의미이다. 한편 2021년 현재 이미 1.2도에 이르렀고, 이대로 간다면 2030년 이전에 1.5도에 도달할 것으로 과학자들은 예상하고 있다.

2050년까지 탄소 배출 제로, 가능할까?: 200여 년 전 산업혁명과 함께 시작된 대기 오염과 그로 인한 지구온난화 문제는 다소 식상하기까지 한 주제라고 할 수도 있다. 너무 익숙해서 그 심각성을 느끼지 못할 지경이다. 그러나 다행스럽게도 20세기 들어 전 세계는 이 문제를 심각하게 받아들여 대책을 세우기 시작했다. 이산화탄소를 비롯한 6종의 온실가스 배출 감소를 위해 2005년 교토의정서를 채택했으며, 2015년에는 무려 195개국이 참가한 파리기후변화협약을 채택하기에 이르렀다. 한편 파리기후변화협약은 기후 협약으로서는 최초로 어느 정도 구속력이 있어, 2020년에는 협약 당사국들이 각자 탄소 배출을 줄이겠다는 중장기 계획을 발표하기도 했다. 예로 독일을 위시한 EU는 2021년 7월 기후 변화 대응 로드맵인 ‘Fit for 55’를 발표했는데, 2030년까지 탄소 배출을 1990년 대비 55% 이상 감축하겠다는 계획이다. 우리나라와 일본 역시 2050년까지 탄소중립을 추진하겠다는 뉴딜을 선언했고, ‘세계의 공장’이라 불리는 중국마저도 2060년까지는 탄소중립을 달성하겠다는 다짐을 발표했다.

탄소세와 탄소국경세: 지난 몇 년간 진행되어 온 여러 가지 사례들을 보면, 우리가 탄소사회에서 재생에너지사회로 나아가고 있음은 명확하다. 우선 많은 나라가 탄소 에너지를 쓴 만큼 탄소세라는 세금을 부과하고 있는데, 1990년대 핀란드에서 시작되어서 지금은 50여 개국이 시행하고 있고, 더욱 많은 나라들이 탄소세의 도입을 검토 중이다. 한편 유럽의 경우에는 2005년부터 온실가스 배출권 거래제(ETS)를 시행하고 있는데, 2021년까지 1990년 기준 24%의 온실가스 배출량을 감축했다고 한다.

그러나 기업들의 경우, 탄소세 부과로 인해 제품 생산에 드는 비용이 증가하기 때문에, 이를 시행하는 국가에서 생산된 제품이 그렇지 않은 곳에서 생산된 제품에 비해 가격 경쟁력이 떨어질 수밖에 없는데, 이를 상쇄하고자 EU에서는 소위 ‘탄소국경세’의 도입을 추진하고 있다. EU의 경우, 2023년부터 시범 적용하고 2026년에 본격적으로 적용한다는 계획이다. 탄소국경세는 탄소를 많이 사용해 만들어진 제품을 수입할 때는 무역 관세를 추가적으로 부과하는 것이다.

탄소국경세는 일회성이 아니라 지속적이기 때문에, 신재생에너지 기반의 인프라가 갖추어지지 않은 나라의 기업들은 수출을 통한 중장기적인 이윤 도모가 어려워지게 되고, 국가적으로는 지속적인 국부 유출이 생기는 셈이 된다. 이처럼 급변하는 기업 환경에 대처하기 위해 많은 나라들이 신재생에너지 기반의 인프라와 제도를 구축하는 대응 방안을 적극적으로 모색할 수밖에 없는 상황에 이르렀다.

깨끗한 에너지 사용하지 않으면 퇴출: 최근 전 세계적인 친환경 기류 속에서, 국가 차원의 대응뿐 아니라 각 기업들도 자발적으로 소위 ‘RE100’에 가입하고 있다. ‘RE100(Renewable Electricity 100)’이란 100% 신재생에너지에서 얻은 전기만을 사용해서 제품을 생산하자는 캠페인인데, 2022년 1월 현재 페이스북, 구글, 마이크로소프트 등 IT 업계와 BMW, 폭스바겐, GM 등 자동차 업계, 그리고 스타벅스, 모건스탠리 등 서비스 및 금융 업계의 굵직굵직한 340여 개의 글로벌 기업들이 이 운동에 동참하고 있다. 또 그 외의 많은 기업들도 가입을 추진하고 있어 앞으로 그 숫자는 급속히 커질 것으로 보인다. 우리나라도 2022년 1월 기준 SK 4개 계열사, LG 에너지 솔루션 등 9개 사가 가입해 있다.

주목해야 하는 사실은 이런 기업들이 자신들의 회사에서 직접 생산하는 제품뿐만 아니라 자신들의 회사로 부품을 제공하는 업체에 대해서도 ‘RE100’을 요구하고 있다는 것이다. 일례로, BMW는 배터리를 납품하려는 LG화학에도 ‘RE100’을 조건으로 내걸었다. 이러한 최근의 흐름은 시사하는 바가 명확하다. 이제 신재생에너지의 사용은 회사의 이미지 개선이나 사회적 책임 이행 등에 머무르지 않고 있다는 뜻이다. 기업의 영리 활동에 직접적으로 영향을 미칠 뿐만 아니라, 기업의 흥망까지 결정하는 주요한 요인으로 자리 잡아 가고 있는데, 이러한 움직임은 앞으로도 계속 커져갈 것이 분명하다.

풍력, 태양광 시대의 필수 요건 : 전기 에너지 저장

전기 에너지 저장_ 신재생에너지 시대의 필수 요건: 산업혁명 이후 지금까지 인류의 주요 에너지원은 화석연료였다. 그러나 앞으로는 그 자리를 신재생에너지가 차지하게 될 것이다. 특히 풍력과 태양광이 주류를 이룰 것으로 전망된다. 화석연료라는 에너지원과 풍력 및 태양광이라는 에너지원 간에는 큰 차이가 존재한다. 화석연료는 에너지원이면서 동시에 에너지 매개체이기도 하지만, 풍력과 태양광은 에너지원일 뿐 에너지 매개체는 아니기 때문이다. 화석연료는 특정 장소에 보관하다가 우리가 원하는 때에 가져다가 화력 발전 등을 통해 전기를 만들어낼 수 있다. 다시 말하면, 화석연료는 다른 에너지로 전환할 수 있는 에너지원이기도 하면서 그 자체로 에너지를 오랫동안 보관할 수도 있고, 에너지가 필요한 다른 지역으로 보낼 수도 있는 에너지 매개체이다.

반면 신재생에너지는 깨끗한 에너지원이기는 하지만 에너지 매개체는 될 수 없다. 즉 바람과 햇빛을 저장할 수도 없고, 다른 곳으로 보낼 수도 없다. 바람과 햇빛을 이용해 즉시 전기를 만들 수는 있는데, 전기는 생산되는 순간 소비되거나 다른 형태로 저장되지 않으면 버려질 수밖에 없는 에너지이다. 이런 의미에서 본다면 전기 자체도 에너지 매개체는 아니다. 불행히도 전기 수요에 딱 맞추어 바람이 더 쌩쌩 불고 햇빛이 더 쨍쨍 내리쬐도록 할 수가 없기 때문이다.

그래서 필요한 양을 초과하는 전기가 생겼을 때 저장해 두었다가 전기 수요가 커지는 시점에 가져다 쓸 수 있도록 전기를 저장할 수 있는 매개체가 필요하다. 그리고 시기적인 수급 불균형뿐만 아니라, 에너지를 생산한 곳에서 에너지 수요가 큰 다른 장소로 이동시킬 수 있으려면 역시 에너지 매개체가 필요하다. 이렇듯 시기적, 공간적 에너지 수급의 불균형 해소 측면에서도, 또한 전기 출력이 들쭉날쭉한 신재생에너지를 기존 전력 계통에 무리를 주지 않으면서 대규모로 연계시키기 위해서도 유틸리티급(한국 전력과 같은 전력 생산업체에서 생산하는 규모)의 에너지 저장 장치는 필수적이라고 하겠다.

수소 = 미래의 에너지 매개체! 왜?

전기 에너지 저장을 위한 조건: 신재생에너지 사회에서 에너지 매개체로 사용되기 위한 자격 요건은 상당히 까다롭다. 우선 석탄과 석유를 이곳저곳 필요한 곳으로 가져와서 쓸 수 있었던 것처럼, 신재생에너지 사회에서도 에너지 매개체를 에너지가 필요한 다른 곳으로 손쉽게 옮길 수 있어야 한다. 또 다른 주요한 요건 중 하나는 연료에서 전기로, 또 전기에서 연료로의 전환 과정에서 탄소를 배출하지 않아야 한다는 점이다. 당연하게도 이 전환을 위한 기술이 존재하고, 이들 시스템의 설치와 운영이 경제성 측면에서도 경쟁력을 갖출 수 있어야 한다. 그리고 자동차, 기차, 트럭, 선박, 항공기 등 운송 수단의 파워트레인에도 널리 이용할 수 있을 정도로 기본적인 에너지 밀도(무게당 추출할 수 있는 에너지) 역시 충분히 높아야 한다. 아울러 일부 한정된 용도가 아니라 운송, 발전, 난방 등 모든 섹터의 에너지 매개체로 쓰일 수 있어야 한다는 점도 중요한 조건이다.

수소가 답이다: 위와 조건을 모두 만족하는 연료는 수소가 유일하다. 수소는 저장 탱크에 저장할 수 있고, 저장된 수소는 파이프라인을 통하거나 트럭, 배 등의 운송 수단에 실어 먼 거리로 이동시킬 수도 있다. 또 수소는 무게당 에너지 밀도가 휘발유의 4배, 천연가스의 3배 정도이고, 전기차에 쓰이는 리튬 이온 배터리에 비해서도 100배 가량 커서 운송 수단의 연료로도 상당한 강점이 있다. 다만 기체 상태의 수소는 부피당 에너지 밀도가 아주 낮기 때문에 다양한 방법을 통해 대응할 필요가 있는데, 고압으로 압축하거나 액화시키거나, 아니면 새로운 화합물로 전환시키는 등의 방식들이 쓰이고 있다.

그리고 수소는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해시키는 수전해 장치를 통해서 대량 생산이 가능하며, 이렇게 만들어진 수소를 연료전지 장치 안에 넣으면 공기 중의 산소와 반응시켜 다시 전기를 생산할 수 있다. 또한 이 전기와 수소 간의 전환 과정은 탄소를 배출하지 않아서 깨끗하다. 뿐만 아니라 지금 인류가 사용하고 있는 모든 자연 상태의 화석연료와 가공된 연료(가스, 석유 등)는 화합물로서 수소를 포함하고 있는데, 앞으로 필요한 경우 수소를 이용해서 이들 연료를 재합성할 수도 있다. 이러한 수소의 능력은 앞으로 수소사회로 나아가기 전에 거쳐야 할 과도기에서 상당히 유용한 능력이라고 할 수 있다. 항공기와 같이 수소 기반의 파워트레인으로 전환되기까지 기술적, 산업적으로 상당한 시간이 소요될 수밖에 없는 곳에서는 기존의 탄화수소 연료에 상당 기간 의존해야 하기 때문이다.

배터리로 저장하면 안 되나?: 현재까지 양수 발전을 제외하고 가장 많은 에너지를 저장할 수 있는 방법은 대형 배터리를 이용하는 방식이다. 흔히 ESS(Energy Storage System)라고 부르는 에너지 저장 장치의 대부분은 재충전 가능한 배터리, 즉 이차전지로 만들어진다. 2020년 기준으로 전 세계에 누적 규모 약 50GWh의 에너지 저장 용량이 ESS로 구축되어 있는데, 이는 현재 가동되고 있는 전 세계 양수 발전 시설의 3.1% 정도에 해당한다. 앞으로 본격적으로 펼쳐질 재생에너지 사회에서는 시간적(계절 간), 공간적(대륙간) 에너지 수급 안정을 위해서 총 연간 전기 에너지 수요에서 적어도 10% 정도(전 세계적으로 2020년 기준 약 2,700TWh)는 저장될 필요가 있는데, 그 양을 배터리 기반의 ESS로 구축하기 위해서는 천문학적인 자본과 자원이 들게 된다. 그러므로 수소로 변환해서 저장하는 것이 수천 배는 저렴한 방식이다. 발전소 규모의 대형 시설에 대해서는 더욱 그렇다.



수소는 어디에 쓰이나



아직도 낯선 이름, 연료전지

수소 이용법, 태우거나 산소와 반응시키거나: 수소를 에너지원으로 사용하는 방식은 수소를 직접 연소시키는 방식과 연료전지를 통하는 방식으로 나눌 수 있다. 직접 연소하는 방식은 현재의 가스터빈 발전과 원리가 같다. 가스터빈 발전기는 연료가 가진 화학적 에너지를 전기 에너지로 바꾸어 주는 장치라고 할 수 있는데, 우선 압축된 공기에 연료를 연소시켜 생긴 높은 압력을 이용해 터빈을 돌리고(화학적 에너지를 기계 에너지로 바꾸고), 그 터빈의 회전력을 이용해 전기를 만든다(기계 에너지를 전기 에너지로 바꾼다). 즉 현재는 천연가스나 석유 등 화석연료를 연소시켜서 열이나 기계 에너지를 얻는데, 이들 화석연료 대신 수소를 사용하는 것인데, 메탄가스(CH4)가 주성분인 천연가스를 연소하게 되면, 이산화탄소(CO2)가 물(H2O)과 함께 발생되지만(CH4 + 2ㆍO2 → CO2 + 2ㆍH2O), 수소를 연소하면 물만이 유일한 부산물이므로(2ㆍH2 + O2 → 2ㆍH2O) 깨끗한 에너지 전환의 방법이 된다.

하지만 수소를 직접 연소해서 에너지를 얻는 방식에는 여러 가지 어려움이 존재한다. 근본적으로 수소는 기존 화석연료와는 연소 특성이 다르다. 그러므로 화석연료를 태워 터빈을 돌리는 기존 시스템을 수소에 그대로 적용할 수는 없고, 수소만을 위한 새로운 시스템을 구현해야 한다. 그런데 새로운 시스템을 구축하고 최적화하기 위해서는 화석연료를 위한 시스템을 최적화하는 데 필요했던 것처럼 긴 시간이 다시 소요될 것이 분명하다. 즉 한꺼번에 화석연료를 수소로 전환하기는 어려워서, 현재는 수소로의 점진적인 전환을 꾀하고 있는 추세이다. 해외에서는 수소와 LNG의 비율을 3:7로 하는 수소 혼소 발전 기술이 이미 상용화되어 있고, 우리나라도 한국서부발전을 중심으로 기존 천연가스 기반의 가스터빈의 개조를 통한 수소 혼소 발전 사업을 추진하고 있다.

그리고 수소의 연소는 발전소용뿐만 아니라 자동차 내연기관에도 시도되어 왔다. 지금까지 자동차에 적용되어 온 내연기관의 개념을 그대로 가져가되 기존 가솔린이나 디젤 대신 수소를 이용하는 것이다. 대표적인 예가 2000년대 중반 BMW사에서 만들었던 하이드로젠 7(Hydrogen 7)이다. 린데(Linde)사의 액체수소를 12기통 내연기관의 연료로 이용한 모델인데, 탄소를 배출하지 않는 청정에너지 차량이라는 점에서 이목을 끌었지만, 낮은 효율과 너무 비싼 가격, 미미한 수소 인프라 등의 이유로 일부 테스트용 차량을 만든 후 생산을 중단하게 되었다. 또한 산소(O2)뿐만 아니라 질소(N2)도 많이 포함하고 있는 공기와 연소하는 과정에서 또 다른 대기 오염 물질인 질소산화물(NO2)도 만들어지기 때문에, 별도의 배기가스 정화 과정을 거쳐야 하는 추가적인 어려움도 있었다.