수소의 특성

 

수소는 모든 원소 중 그 구조가 가장 간단하다. 그러나 순수한 형태로 이를 생산하기 위한 프로세스는 그렇게 간단하지가 않다. 이는 매우 에너지 집약적이면서 대량의 에너지 손실이 발생 하는 과정이며, 또 상당한 비용이 소요되는 과정이다. 또한 이 과정 자체에서 탄소가 배출될 수도 있다.

 

 

수소의 특성

 

수소는 우리에게 친숙한 물질이면서, 지금까지의 그 어떠한 에너지 체계와도 상이한 특성을 지닌다. 전기의 경우와 마찬가지로 수소는 에너지 운송 매체로서, 신재생 에너지를 통한 생산이 가능하며 (연료 전지로 구성된) 배터리를 ‘충전’ 하는 용도로도 활용이 가능하다. 화석 연료의 경우와 같이 수소는 폭발성을 지니며, 연소 시 열을 발생시킨다. 수소는 탄화수소로부터 추출이 가능하며, 탱크 내에 저장할 수 있고 파이프라인으로 운반도 가능하다. 또한 장기 저장이 가능하며, 기체와 액체 상태 사이에 전환이 가능하다. 또한 파생 물질로 변환할 수도 있다.

이러한 특성은 수소를 에너지 전환을 위한 유망한 물질로 만들어 주고 있으나, 동시에 안전성, 인프라, 생산, 용도, 상업적 채산성 등과 관련하여 도입의 장애 요인도 발생하고 있다.

 

 

풍부하면서 저탄소/신재생 에너지 매체로 생산하기는 고비용인 물질

수소는 우주에서 가장 흔한 원소이나 지구에서는 화합물에 속해 있는 형태로만 존재한다. 가장 흔히 존재하는 형태는 산소와 결합한 물의 형태이나, 탄화 수소의 형태로도 존재하고 있다.

에너지 운송 매체로 사용하거나, 탄소 무배출 연료로 수소를 이용하기 위해서는 산소와 수소 간의 결합을 일시적으로 해제하거나, 탄화 수소로부터 추출해야만 한다. 수소는 모든 원소 중 그 구조가 가장 간단하다. 그러나 순수한 형태로 이를 생산하기 위한 프로세스는 그렇게 간단하지가 않다. 이는 매우 에너지 집약적이면서 대량의 에너지 손실이 발생하는 과정이며, 또 상당한 비용이 소요되는 과정이다. 또한 이 과정 자체에서 탄소가 배출될 수도 있다. 대규모 수소 이용의 가장 주된 촉진 요인은 에너지 체계의 탈탄소화에 있어 특히 탄소 이용률 감축이 어려운 분야를 중심으로 한다(예: 직접적으로 전기화가 불가능한 분야). 이로 인해 저탄소 또는 무탄소 수소를 생산하고 운반하는 것이 반드시 필요해진다. 더불어 이 과정에서 발생하는 물과 산소, 폐열 등의 부산물도 효율적으로 사용할 수 있어야 한다.

 

 

가연성이지만 천연 가스와는 다른 특성을 보유.

수소는 일반 대기압 및 상온에서 가연성을 지니는 기체 상태로 존재한다. 그러나 천연가스와는 그 행태가 달라 인프라, 기기, 안전 표준의 조정 및 개발이 요구된다.

천연가스 또는 유증기와 같이 익히 알려져 있는 대체제와 비교할 때, 수소는 그 발화에 필요한 에너지 소요량이 매우 낮으며, 가연성 범위가 매우 넓다. 확산 동태는 다른 기체와 다른 양상을 보이는데, 이는 수소의 원자 크기가 작기 때문이다. 수소는 무색 무미 무취이다. 따라서 특정한 센서나 향취 첨가제를 사용하여야만 감지가 가능하다. 또 수소가 연소할 시 일반인이 익숙한, 눈에 보이는 색상의 불꽃으로 연소가 이루어지도록 하기 위해서는 별도의 첨가제를 넣어야 한다.

 

 

중량이 가벼우나 낮은 에너지 밀도가 문제

수소는 가장 가벼운 원소이며, 그 중량과 비교해 보면 높은 에너지 밀도를 지녀 중량이 문제가 될 수 있는 용도에서는 이점을 지닌다. 중량물 운송 분야 등이 여기에 해당한다. 그러나 전체적으로는 수소의 부피 대비에너지 밀도가 더 중요해지는데, 이 밀도는 다른 연료에 비해 크게 낮은 실정이다. 이로 인하여 수소는 저장과 운반에 더 많은 어려움이 따르게 된다. 낮은 에너지 밀도는 최소한 기체 상태의 수소에 있어서는 전력망에 정기적으로 또는 직접적으로 연결되지 않은 용도의 수소의 타당성을 떨어뜨리는 원인도 된다. 선박, 또는 항공이 이러한 예에 속한다. 이를 위한 해결책이 바로 수소를 액체 상태로 압축시키는 것이나, 이 역시 부분적인 해결책 밖에 되지 않는다. 또는 암모니아나 메탄올, 합성 연료 등의 다른 파생물질로 변환하는 방법도 있다.

 

 

액체 수소 및 파생 물질은 한계를 극복할 수가 있으나, 변환 과정의 효율 저조가 문제

압축 수소는 장거리, 대량 운송에 있어 일반적으로 비용 대비 효율성이 가장 높은 매체이다. 그러나 이를 위해서는 파이프라인을 건설해야 하며, 상당한 기술적 난관이 수반된다. 수소를 사용한 운용시에는 압력(또는 속도)을 천연 가스/바이오 메탄과는 달리 해야 할 수가 있으며, 재료(에; 파이프나 밸브 등)에 악영향을 미칠 수도 있다.

가솔린이나 디젤 등의 액체 연료가 밀도 및 유연성에 있어서 지니는 이점에 대응하기 위해 수소를 액화 시키는 방법도 있으나, 수소의 액화 온도는 극저온인 -253ºC에 달하며 이를 달성하기 위해서는 상당한 양의 에너지가 요구된다. 수소를 액화한다고 하더라도 화석연료와 비교할 만큼의 에너지 집약도는 지니지 못한다. 액화 수소는 압축 수소 가스와 비교해 안전상 특성도 까다롭다. 예를 들어, 압축 수소 가스의 경우 누출 시에는 공중으로 날아올라 비산하지만, 액화 수소의 경우는 무거운 기체가 되어 축적될 수가 있다.

수소는 암모니아 등의 파생 물질로 변환이 가능하다. 암모니아의 경우는 단위 체적 당 에너지 밀도가 액화 수소에 비해 높으며, 저압에서, 또는 1기압 섭씨 영하 33도에의 저온 탱크 내에서 운송이 가능하다. 암모니아는 파이프라인이나 선박, 트럭, 기타 벌크 운송 비용도 저렴하다. 한 가지 주의할 점은 암모니아를 합성한 후 탈수소화(dehydrogenation)을 통해 수소를 방출하고자 할 시 상당한 에너지가 소요된다는 점이다.

 

 

상당한 잠재력을 갖추고 있으나 어려움 또한 많이 따르는 물질

수소가 지닌 특성은 에너지 전환에 대한 잠재력을 부여하며, 수소의 특성으로 인해 발생하는 어려움에 대해서도 해결책이 존재한다. 그러나 이러한 해결책을 적용하기 위한 반대 급부로 에너지가 필요한 경우가 많은 것도 사실이다. 수소 생산을 위한 분리 또는 추출 공정은 에너지를 필요로 하며, 그로 인해 산출된 수소의 에너지량은 항상 투입 연료의 에너지량, 수소 공정에 필요한 에너지에 비해 낮게 나타난다. 바꾸어 말하면, 수소를 생산하여 변환하는 것은 비효율적이며, 상당한 손실이 발생하게 되는 것이다. 수소는 저장 및 운송 과정에도 기존의 다른 연료에 비해 더 많은 에너지가 소요된다. 이와 같은 생산, 분배, 사용 과정의 에너지 손실을 정당화하기 위해서는 순수한 형태의 수소가 사용자 또는 사회 전반에 대해 지니는 가치가 이를 상쇄할 수 있어야 한다.

수소는 그 특성 상 용도와 맥락에 따라 수소 가치 사슬 전반을 검토할 필요가 있다. 그래야 최상의 공급원과 상태, 파생물질 및 관련 인프라, 용도 등을 판별하고, 수소 특성에 따른 장점은 극대화하면서 부작용은 최소화할 수 있기 때문이다. 성공적인 수소 가치 사슬은 장점과 단점, 물리적 위험 및 안전성 위험, 비용 대비 이익, 다른 에너지와 비교하여 수소가 지니는 탈탄소화 잠재력을 검토해야 한다.

전기화 확산, 또는 수소 이용의 확대 중 어느 방안에 주력할 것인가를 결정할 때 반드시 고려해야 하는 한 가지 중요한 문제가 있다. 특정 분야에서 직접적인 전기화를 통한 탈탄소화가 타당성이 있는 경우, 이러한 방법이 가장 우선시되어야 한다. 전기를 수소로 변환하는 과정은 효율이 떨어지기 때문이다. 전기화가 불가능한 분야, 또는 전기화가 가능하지만 좋은 방법이라고는 할 수 없는 분야에서는 수소가 최적의 대안이 될 수 있다. 소위 말하는 감축이 어려운 분야가 여기에 속한다. 에너지 산업계에서는 수소의 역할, 전기화의 역할이 각각 무엇인지에 대해 이미 명확한 입장을 세우고 있다. 설문 결과 에너지 분야 종사자 중 80%는 수소와 전기화가 서로 시너지 효과를 창출해 상호 간의 규모 확대에 도움을 준다고 판단하고 있었다. 수소와 전기화 방안이 에너지 믹스 내에서 하나의 위치를 두고 서로 경쟁 관계에 있다고 답한 비중은 16% 에 불과했다.

 

Reference : DNV — 2050 수소 전망 예측