에너지 패러다임의 변화, ‘수소’ 미래의 대체에너지가 될 것인가?

이기암 기자 / 기사승인 : 2019-08-16 17:44:31
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▲ 광주 그린카진흥원 내의 진곡충전소. 보통 수소충전시간은 4~5분 걸린다고 하지만, 수소차 1대를 충전하고 난 후 다른 차량에 다시 충전하기 위해서는 수소를 압축하는 시간이 필요하다고 한다. 압축하는 시간을 포함한다면 완전히 충전하기까지는 보통 1대 당 약 10~15분 정도 걸린다고 한다. ⓒ이기암 기자

 

기획취재 순서 

 

1. 에너지 패러다임의 변화, ‘수소’ 미래의 대체에너지가 될 것인가?
2. 토요타시의 친환경차량보급 정책, ‘사쿠라프로젝트’
3. ‘전기차 VS 수소전기차’ 앞으로 향방은 어떻게?
4. 액체수소 기반의 수소에너지 시대를 준비하고 있는 ‘MetaVista’
5. ‘수소 스마트 시티 계획’을 선포한 고베. 일본의 수소산업 전략은?


울산시, 주력산업위기 극복 위해 수소도시비전 선포  


자동차, 조선, 석유화학 등 울산의 주력산업이 위기를 맞고 있는 가운데 울산시는 새로운 미래 성장 동력으로 수소차, 수소연료전지 등 신재생에너지 사업을 추진하고 있다. 문재인 대통령은 2019년 첫 지방 행보로 성윤모 산업부장관 등 정부부처 장차관들과 대동해 울산을 방문, ‘수소경제 활성화 로드맵 및 울산 미래에너지 전략 보고회’에 참석했다. 문 대통령은 이 자리에서 “수소경제를 위한 우리 정부의 의지는 확고하며, 2030년 수소차와 연료전지에서 모두 세계시장에서 점유율 1위를 하는 것이 우리의 목표”라고 말하면서 울산이 수소산업의 메카가 될 수 있도록 전폭적으로 지원하겠다고 약속했다. 울산은 침체된 주력산업의 위기를 극복하고 수소산업을 통해 신재생에너지 산업의 메카로 다시 도약할 수 있을까? 울산시는 2019년 2월 울산 수소경제 연관산업 고용·투자 확대 업무협약과 관련해 울산시와 현대자동차, SK가스 등 13개 기업·기관 간의 후속사업 발굴회의를 열었다. 이 회의는 지난 1월 수소경제 관련 문재인 대통령 울산방문 시 울산시와 13개 기업·기관 간 체결한 업무협약과 정부 수소경제 활성화 로드맵을 중심으로 후속사업 발굴과 실현을 위해 마련된 것이다. 회의 참여 13개 기업·기관은 현대자동차, SK가스, 에쓰오일, 두산, 효성중공업, 덕양, 세종공업, 동희산업, 현대로템, 한국선급, 자이언트드론, 프로파워, 한국수소산업협회 등이었다. 이와 같이 울산시는 ‘수소도시 울산’을 만들겠다는 구상을 구체화하고 있다. 발전용 수소연료전지 시스템 실증 사업을 진행 중이고, 2030년까지 수소충전소 60곳과 수소차 6만7000대를 보급할 계획이다. 울산시가 미래의 먹거리로 선택한 수소. 시민들 역시 다가올 미래의 에너지원 수소에 대해 막연한 불안감만 가질 것이 아니라 이 물질에 대해 좀 더 알고 친숙해 질 필요가 있을 거 같다.
 

▲ 수소경제정책 수립, 수소관련 연구개발, 연관산업 육성 등 수소경제를 주도하기 위해 필요한 수소경제 컨트롤타워 ‘수소산업진흥원’을 울산에 유치하기 위한 ‘수소산업진흥원(가칭) 울산유치 10만 명 서명운동 발대식’이 2019년 5월 16일 울산상공회의소에서 열렸다. ⓒ이기암 기자

 

새로운 에너지로 주목받는 수소, 수소는 어떤 물질인가?

수소는 모든 원자의 근원이다. 우리가 중학교때 배운 원소주기율표에 보면 수소(H)가 가장 먼저 나온다. 과학자들은 우주탄생 37만 년 후에 수소원자(H)가 생겼을 거라고 봤다. 또한 우주탄생 3억년 후부터는 최초의 항성이 생겨나 빛을 발하기 시작했는데, 그 항성이 수소로 이루어졌다고 한다. 우주에 존재하는 원자를 개수로 비교했을 때 약 92%정도가 수소 원자라고 한다. 이처럼 수소원자는 우주에 압도적으로 많은 원자인데, 우주에 수소원자(H)가 많은 반면 지구에는 수소원자 형태로 존재하는 경우는 거의 없다. 왜냐면 수소는 다른 원자와 결합하는 특성이 뛰어나기 때문이다. 산소원자(O)와 결합해 물(H₂O)이 되거나, 탄소원자(C)와 결합해 유기 화합물이 되는 것처럼 수소는 항상 다른 원자와 결합한 형태로 지구상에 존재한다. 우리가 흔히 말하는 기체수소는 수소 원자 2개가 결합한 것(H₂)을 말한다. 그런데 이 기체수소(H₂)가 현재는 지구에 극히 적은양으로 존재한다고 한다. 왜 그럴까? 초기 지구 대기에는 수소, 헬륨이 많이 분포했었다. 하지만 지구의 중력이 약해 대부분 우주로 날아가 버렸다고 한다. 따라서 현재 지구의 대기는 수소보다는 조금 무거운 원소인 탄소, 질소, 산소 등으로 이뤄진 분자로 구성돼 있다고 한다.

수소는 모든 기체 중 가장 가볍고 또 불에 타기 쉽다.

수소를 처음 발견한 사람은 영국의 화학자이자 물리학자였던 헨리 캐번디시(1731~1810)이다.캐번디시는 ‘가연성 공기’라고 불린 수소기체를 모으고 그 성질에 관해 연구를 했는데, 그는 아연, 주석, 철 등에 붉은 황산이나 염산 등을 반응시켜 이 가연성 공기를 얻어냈던 것이다. 그는 서로 다른 금속과 산들의 반응에서 발생하는 가연성 공기가 모두 동일하고, 이 공기의 밀도가 보통 공기보다 매우 작다는 점을 발견했다. (오늘날 수소는 공기보다 14분의 1정도로 가볍다고 본다) 이 가연성 공기가 후에 프랑스의 화학자 라부아지에에 의해 수소라고 불려지게 됐다. 라부아지에는 가열된 관에 수증기를 통과시켜 산소와 수소로 분해하는 실험에 성공했는데, 이 실험에서 발생하는 수소는 바로 물이 분해된 것이라고 확신했던 것이다. 이를 라부아지에는 수소를 ‘물을 만드는 원리’라고 불렀다. 수소는 모든 기체 가운데 가장 가벼우며, 수소의 무게는 공기보다 매우 가볍고 불에 타기 쉽다. 또한 수소가 위험한 물질이란 것은 부정할 수 없는 사실이다.

 

▲ 2019년 6월 서울 서울 동대문 디자인플라자(DDP)에서 열린 ‘2019 대한민국 수소엑스포’에 견학을 간 학생들이 물의 전기분해로 얻어지는 수소생성과정을 관찰하고 있다. ⓒ이기암 기자

 


노르웨이의 수소충전소 폭발과 강릉의 수소탱크 폭발

이처럼 불에 타기 쉬운 수소의 위험성이 그대로 드러나게 된 사고가 있었다. 1937년 당시 세계 최대의 비행선이라고 불리던 독일의 ‘힌덴부르크’호가 뉴욕의 공항에 착륙하던 중 큰 폭발음이 들렸고 몇 분 만에 이 비행선은 완전히 불에 타버렸다. 이 비행선은 독일의 체펠린 비행선회사가 1931년부터 1936년까지 5년에 걸쳐 설계, 제작한 비행선으로, 정식 명칭은 LZ 129이고 축구장 3배정도 크기였다고 한다. 힌덴부르크호는 거대한 선체의 대부분을 공기보다 가볍지만 폭발성이 강한 수소 기체로 부력을 얻고 있었다. 사고원인은 명확하지 않지만 전문가들은 힌덴부르크호는 헬륨가스를 써야 했지만 비싼 헬륨가스 대신 수소를 썼다가 사고를 당했다고 한다. 당시 헬륨가스는 미국이 제조특허권을 가지고 있었고, 독점적으로 생산하던 중이었는데 미국이 전략자원 상 헬륨가스를 독일에 수출금지했고, 힌덴부르크호는 헬륨가스 대신 수소를 사용했던 것이었다. 많은 승객이 목숨을 잃은 이 사건 이후 유럽에서는 수소를 이용한 비행선은 감히 생각하지도 못했다고 한다. 최근에 사고를 보면 2019년 6월 10일 노르웨이 산드비카에서 수소 연료 충전소가 폭발한 사건이 있다. 이번 폭발로 주변 차량의 에어백이 터지며 2명이 다쳤다고 한다. 외신 보도에 따르면 이 폭발사고는 상당히 심각할정도로 컸다고 한다. 주변에 세워진 차량의 유리창이 산산조각이 났으며, 소방당국은 인근교차로와 도로를 통제하고 주변 500m를 위험지대로 선포했다. 사고 현장 부근 도로와 터널은 화재 진압과 추가 폭발 위험 때문에 양방향 모두 폐쇄됐고, 당일 밤늦게나 정상화됐다고 한다. 소방당국은 폭발이 수소충전소 탱크쪽에서 일어난 것으로 봤다. 외신들은 이번 사고로 인해 수소충전소와 수소연료 전지자동차에 대한 신뢰가 크게 흔들릴 것으로 보고 있다. 또한 현대차와 도요타의 FCV 차량 판매도 일시적으로 중단됐다. 이에 앞서 지난 5월 23일에는 강원도 강릉 수소연료발전소에서 수소탱크가 폭발했다. 이 폭발로 8명의 사상자가 발생했고 3동의 건물이 무너졌다. 피해액규모도 340억 원을 넘는다고 한다. 폭발과정역시 섬뜩했다. 순간적으로 강렬한 빛이 번쩍였고, 벽과 지붕 등이 무너졌으며 약 150m 정도 떨어진 건물에도 큰 피해가 발생했다고 한다. 이번 사고는 수소가 화학적 연쇄폭발을 일으켰을 가능성이 있다. 수소는 거의 어떤 농도에서든 폭발하는 기체다. 수소와 공기 혼합체의 경우 불을 붙여도 수소가 폭발하지 않는 것은 수소가 부피의 약 4% 미만인 저농도이든가 약 75% 이상의 고농도인 경우 뿐이다. 약 4~75% 범위의 농도라면 수소는 미세한 열을 가하는 것만으로도 폭발하며, 이번 폭발이 7기압과 12기압으로 설계된 탱크의 단순한 물리적 폭발 때문이라고 보기에는 피해가 너무 컸다. 고압으로 압축된 가스탱크는 위험할 수밖에 없다. 탱크가 파열되거나 밸브가 깨지면 무서운 흉기로 돌변해버린다. 이번 폭발은 철판을 이어붙인 용접이 부실했거나, 지나치게 많은 양의 수소가 주입되어 폭발이 일어났을 수도 있고, 탱크에 산소가 섞여 들어가 탱크 내부에서 화재가 발생했을 수도 있다. 그러나 7기압과 12기압으로 설계된 탱크의 단순한 물리적 폭발 때문이라고 보기에는 피해가 너무 컸다. 결국 국립과학수사연구원의 감정결과 사고원인은 산소유입에 따른 화학적 반응에 의한 폭발로 밝혀졌다.


지금까지 심각한 폭발사고가 없었던 것은 숙련된 작업자들의 관리가 있었기 때문?

세상에서 가장 작고 가벼운 수소는 공기 중에서 매우 빠르게 움직인다. 저장탱크에서 새어나온 수소는 공기보다 14배나 가볍기 때문에 누출이 되면 위로 상승하면서 빠르게 흩어진다. 그렇게 탱크에서 새어나온 수소 분자가 충분히 흩어지기 전에 정전기나 작은 불씨에 의해 2개의 수소 원자로 분해되면 사정이 완전히 달라져버릴 수 있다. 수소 원자는 음속보다 평균 5.4배나 빠르게 날아다니면서 공기 중의 산소 분자와 연쇄적으로 격렬한 연소반응을 일으켜 초음속의 강력한 충격파를 발생시킨다. 모 대학 화학공학과 A교수는 한 언론과의 인터뷰에서 이번 수소폭발현상에 대해 전투기가 음속을 돌파할 때 엄청난 굉음과 함께 폭탄이 터진 것처럼 건물이 흔들리는 소닉붐이 발생하는 것과 똑같은 현상이라고 봤다. 수소의 폭발이 LNG·LPG·휘발유의 유증기보다 훨씬 더 무서운 것도 초음속 충격파 때문이다. 공기 중에서 수소의 농도가 4~75% 범위에 들어가면 그런 일이 벌어진다. 다만 작고 가벼운 수소는 빠르게 흩어지기 때문에 반응성이 낮고 무거운 가연성 가스가 폭발할 때처럼 뜨거운 화염이 발생할 가능성이 낮은 것이 그나마 다행이다. 그동안 정유·비료·화학·식품 등의 산업현장에서 수소를 대량으로 활용하면서 상당한 수준의 안전관리 기술을 쌓아온 것은 사실이다. 기업들은 강한 탄소섬유로 충분히 튼튼한 저장탱크도 만들 수 있고, 수소의 누출을 막아주는 다양한 안전장치도 개발했다. 그러나 지금까지 심각한 폭발 사고가 흔치 않았던 것은 산업현장에서 숙련된 작업자들이 관리를 해왔기 때문이라는 견해도 있다. 

 

▲ ‘2019 대한민국 수소엑스포’를 참관하고 있는 시민이 수소연료전지 시스템을 들여다보고 있다. ⓒ이기암 기자


수소는 안전한 물질이라는 인식 심어줘야

앞서 소개한 각종 사고로만 보면 수소는 정말 위험한 물질임에 틀림없다. 수소자체는 위험한 물질이지만, 수소차의 수소저장용기는 철보다 10배 강한 탄소섬유 강화 플라스틱으로 제조돼 에펠탑 무게(7300톤)도 충분히 견딜 수 있다고 한다. 또한 수심 7000미터에서도 안전하고 파열, 화염, 총격, 낙하 등 17개 분야의 안전성 시험을 거친다고 한다. 전문가들은 수소사고는 대부분 인재라고 얘기하듯이, 이 물질을 얼마나 잘 관리하느냐가 중요하다고 한다. 어떤 특정 원소를 새로운 에너지의 일환으로 쓴다는 것은 참으로 획기적인 성과요, 패러다임의 전환이라고 볼 수도 있다. (일반 사람들은 새로운 에너지라고 생각할 수 있으나, 정확히 얘기하면 변환과정을 거쳐 얻어야 하는 2차에너지라고 볼 수 있다.) 수소의 장점은 우선 우주에서 가장 흔한 원소이자, 물의 구성원소인 만큼 거의 무궁무진한 자원이라는 점, 그리고 연료전지 등을 통해 전기를 발생시킬 수 있고, 기체연료로 쓸 수 있으며, 풍부하게 공급되고 있는 태양에너지의 중요한 저장 수단인 에너지 매체라는 점이다. 비록 현재 경제성은 떨어지지만 태양전지, 풍력발전을 이용해 전기를 만들어 사용하고, 남는 전기는 물을 분해해 수소로 저장해 필요할 때는 연료전지를 통해 전기를 생산하는 것이 가능하다. 위에 언급한 일련의 사고들만 본다면 사람들은 수소를 위험한 물질이라고 생각해 반감을 가질 수도 있다. 하지만 결국 위 사고들도 인재라고 봐야 하며, 그 인재를 최소화한다면 분명 수소는 우리미래의 확실한 대체에너지로 자리매김 할 수 있을 것이다. 국내 여러 도시들의 수소산업 관련부서의 공무원들 얘기를 들어보면, 공통적으로 하는 말이 수소충전소가 도심 중앙부에 있어도 전혀 이상하게 생각하지 않는 사람들의 인식이 필요하다고 얘기한다. 현재 에너지 패러다임은 나무, 석탄, 석유, 가스를 거쳐 오면서 탄소를 점차 줄여가는 방향으로 발전해가고 있다. 탄소를 줄이는 이유로는 바로 많은 양의 탄소배출로 인한 세계기후의 변화와 그로 인한 자연재난의 증가의 감소가 목표다. 이러한 내용을 담은 여러 국가간의 협약으로 기후변화협약(UNFCC)의 출범이 본격화 된 건 1992년 브라질에서 열린 유엔 기후변화협약 체결이라고 볼 수 있다. 이처럼 전 세계적으로 에너지 패러다임이 변화하고 있는 상황에 사람들의 인식변화는 필연적이라고도 볼 수 있다. 수소차를 재차 신청한 끝에 구매할 수 있었다는 B씨는 “남이 알아주지 않아도 내가 수소차를 타고 다니면 대기오염을 시키지 않는다는 것에 대한 사명감이 있으며, 다른 수소차 이용자들도 나와 같은 생각을 많이 하고 있을 것”이라고 말했다. 수소차에 대한 주변반응에 대해 B씨는 전기차도 혁신적인데 수소차라고 하면 더욱 큰 관심을 가진다고 한다. 하지만 아직까지는 수소충전소가 인프라가 부족한 건 사실이며, 수소충전소 이용이 편해야 사람들이 수소차를 많이 구매할 것이라고 한다. 지난 5월 울산에서 열린 수소토론회에서도 김재경 에너지경제연구원 박사는 “지금은 수소시장이 굉장히 열악한 상황이며, 수소차와 충전소 등 보급을 확대해 시장을 만들어주는 것이 급선무”라고 언급했다. 토론회에 참석한 정상열 효성중공업 팀장도 “수소경제가 안착이 되기 위해서는 대형차 위주의 수소충전소 보급이 필요하다”고 지적했다. 결국, 수소가 미래에너지원으로 자리 잡기 위해서는 사람들이 이용하기 편해야 하고, 인프라가 잘 구축이 된다면 수소에 대한 사람들의 긍정적인 인식변화도 동반될 것으로 보인다.

 

▲ ‘2019 대한민국 수소엑스포’에서 수소전기차 ‘넥쏘’가 미세먼지정화 과정을 선보이고 있다. 수소전기차 1대면 연간 성인 2명이 마실 수 있는 공기를 정화 할 수 있다. 또 수소차 1대는 경유차 2대가 내뿜는 미세먼지, 수소버스 1대는 경유차 50대가 배출하는 미세먼지를 정화하는 저감하는 효과를 낸다고 한다. ⓒ이기암 기자

 

※이 기사는 지역신문발전기금을 지원받았습니다.

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