수소경제(제18회)

우주에 무한한 존재

물과 유기체의 원소

청정한 에너지

인류의 성패는 수소 이용?

 

▲수소경제

 

 

 

제18회

 

 

수소경제

 

[수소경제 배경]

지난해(올해가 2020년이니까) 문재인 대통령은 수소사회를 공언했다.

수소는 우주 질량의 3/4을 차지하는 가장 풍부한 원소.

사회가 급변한다지만 수소사회 혹은 수소경제는 처음 들어본다.

민주사회나 자유사회도 아니고 수소사회?

 

그렇다고 수소 덩어리인 붙박이별 몇 개를 따오겠다는 뜻으로 수소경제를 공언하는 것은 아닐 테고.

 

“우주에 수소가 있다는 게 너무 다행스럽지 않나요? 물을 만드는 원소이고 유기체인 생명계에는 필수적이니까요.”

 

이단아는 지태풍에게 수소의 고마움을 그렇게 표현하기도 했다.

 

이 시대 3대 미래 투자 전략품은 뭘까?

그것은 인공지능, 빅데이터 그리고 수소경제이다.

한국은 세계최초 5G를 상용화한 나라.

5G는 4G의 20배 속도로 국내 20조 시장을 예상한다.

 

전기차의 40%를 3D 프린터로 찍어내는 시대에 전기차 배터리 산업 성장세는 매우 빠르다. 우리의 전기차 배터리 수주액(110조원)이 조선업(30조원)이나 건설업(36조원)의 3배나 된다.

 

전기차의 강력한 경쟁자로 수소차가 등장한 것이다.

현대차그룹은 기묘하게도 전기차는 기아차가, 수소차는 현대차가 담당하는 양분 작전으로 나가고 있다.

 

2013년 세계최초 수소차 양산체제에 들어선 현대차는 2020년 발 빠르게 수소차에 엑셀을 밟고 있다. 전기차와 수소차 중 어느 것이 미래차가 될지 아직 모르지만 디젤차에 비교적 약한 한국과 일본이 수소차에 더 관심을 갖는 것은 오히려 당연하다.

 

그럼 현대차가 수소차에 올인하는 이유는?

 

궁금증은 전문가의 대담에서 찾아야 할 것 같다.

현대수소차연구소 연구위원이 인사동에 있는 유튜브 방송사에 출연했다.

요즘 방송은 유튜브가 대세임을 웅변해준다.

 

평일에 이뤄지는 대담이지만 이단아는 환경부 팀장의 허락을 받고 청중으로 참석했다.

 

사회자는 유튜브 방송사 앵커이다.

 

“무한 에너지인 수소를 이용하여 아무도 걸어보지 않은 길을 가는 것인데 이제 전기차와 수소차가 비교됩니다. 현대차가 수소차에 올인하는 이유가 뭡니까?”

 

“4차산업의 총아가 어떤 차가 될지는 아직 모릅니다. 다만 전기차의 발전은 대체로 끝나 개발할 기술이 많지 않으나 수소차는 지금이 시작이라고 봅니다.”

 

“그러면 수소차의 경쟁력은 어떻습니까?”

 

“현대차가 먼저 시작했지만 생산은 오히려 일본 도요타와 혼다가 더 많이 생산하고 있죠. 일본은 충전소 인프라가 빨리 조성되기 때문이죠. 지금은 중국도 수소차 개발에 박차를 가하고요.”

 

“초기단계에서는 충전소 인프라가 중요할 것 같은데, 정부의 역할이 클 텐데요?”

 

“현재 상암동에 350바 충전소는 절반밖에 충전하지 못하고, 양재동 700바 충전소는 완전 충전할 수 있으나 양이 부족하여 절반 정도 충전할 수 있는 상황입니다.”

 

“가솔린처럼 셀프 충전이 가능한가요?”

 

“위험성 때문에 현재 우리나라만 불법입니다. 시민들이 안전성을 확신하게 되면 셀프 충전이 가능하겠지요.”

 

“수소가 우리 주변에 많더라도 위험성 때문에 연료로 다루기는 어렵지 않을까요?”

 

“결론부터 말하면 수소가 부탄이나 프로판, LNG, CNG보다 더 안전합니다.”

 

“이유를 들어봐도 될까요?”

 

“수소는 분자량이 공기보다 훨씬 작아 빠르게 확산하나 LPG는 상대적으로 무거워 가라앉게 되지요. 그러므로 수소가 LPG나 LNG보다 오히려 안전합니다. LPG차는 전체가 타지만, 수소차는 촛불처럼 한 곳만 탄다는 거죠.”

 

“수소 저장이 문제가 될 텐데요?”

 

“수소는 무게당 에너지 밀도는 아주 높지만 부피당 에너지 밀도는 적은 편이라 같은 부피에 많은 양의 수소를 저장하는 방법을 개발해야 합니다. 가격에 비해 고연비의 장점이 있습니다만.”

 

“수소 하면 수소폭탄을 연상하는데?”

 

“수소와 수소폭탄은 관계가 없습니다. 수소폭탄을 만들려면 중수소나 삼중수소를 사용하지만 수소차는 일반수소를 사용합니다.”

 

“연료전지에서 폭발할 가능성은 없나요?”

 

“연료전지는 에너지가 없어 폭발하지 않습니다.”

 

모든 에너지는 폭발해야 한다. 태워서 폭발력이 있어야 한다.

그러나 수소는 폭발력이 적어 폭발 엔진을 포기하고 연료전지로 사용한다. 전기차와 수소차는 모두 전기로 구동하나, 전기차는 배터리에서 저장된 전기로, 수소차는 스택에서 생산된 전기로 구동한다는 점이 다르다.

 

금년 2020년은 경제가 온전치 않다. 수소경제가 아직 힘을 발휘하지 못했고, 탈원전, 4대강 보 해체, 근로시간 단축, 최저임금, 소득주도성장 등이 이론과 일치하지 않은 결과가 나타나 정부는 총선을 앞두고 초조한 상황이다.

 

“계획대로 경제가 호전되지 않고 있으니 정부가 수소경제를 강조하는 건 아닐까요?”

 

“경제전문가는 아닙니다만 경제정책에 혼선이 있는 것만은 틀림없어요. 이럴 때 수소경제라는 대타를 내세워 보는 것도 의미가 있죠.”

 

“그럼 수소를 어떻게 취득하죠?”

 

“부생가스와 천연가스, 물 분해 등의 3가지 방법이 있습니다.”

 

부생가스는 석유화학이나 제철공장에서 얻어지는데 양은 5% 정도다. 천연가스(LNG)는 수입해 와야 한다. 물 분해에서 수소를 무한정 만들 수 있지만 전기가 많이 소요된다. 전기가 무한정 있으면 유토피아가 될 것이다.

 

“태양광 에너지는 무한정 있잖아요?”

 

“태양광 작동은 하루 평균 3.6시간에 불과해 이를 보완하기 위해서는 화석 및 LNG발전소, 원전자력발전소가 필요합니다. 화석연료는 미세먼지를 발생시키고…….”

 

“그럼 놀고 있는 원전을 가동하면 되겠군요.”

 

“지금은 탈원전 정책에 막혀서 안타깝군요.”

 

“천연가스에서 수소를 추출하는 방법이 궁금합니다.”

 

“비교적 낮은 압력과 촉매 그리고 여과막 등을 활용해 천연가스(CH₄)와 물(H₂O)을 수소와 이산화탄소로 바꿉니다. 이 장치로 가정에서 쉽게 수소를 만드는 날이 올 것입니다.”

 

“그야말로 수소사회로군요. 기술 특징을 말씀해 주시겠습니까?”

 

첫째 연료생산기술로서 생산, 저장, 보급

둘째 활용기술로서 수소차와 수소연료전지

그는 크게 두 가지로 특징지었다.

 

“수소차의 작동원리가 궁금합니다. 설명 부탁드려요.”

 

이런 질문을 받으면 연구위원은 신이 나는가 보다. 알아듣든 말든 설명이 일사천리다.

 

“수소연료전지차의 핵심은 전기 발생은 수소와 산소가 촉매를 통해 반응하여 생성되는 전기로 모터를 구동시키는 거죠.”

 

추가 설명은 이랬다.

수소탱크로부터 공급된 수소는 연료전지 스택의 음극으로 이동하여 촉매를 통해 산화 반응해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해된다. 분해된 수소이온은 전해질을 통하고, 전자는 전선을 통해 양극(공기극)으로 이동한다. 외부로부터 공급받은 산소(O₂)와 수소이온(H+), 전자(e-)는 양극에서 화학반응을 통해 물(H₂O)과 열을 발생한다. 발생된 전기는 모터를 구동하고, 남는 전기는 배터리에 저장된다. 물(수증기)은 외부로 배출된다. 열은 냉난방에 사용해도 될 것이다.

 

“수소를 태우는 것이 아니라 전기를 만드니, 소형 수소발전기도 가능하다는 뜻이군요. 그럼 촉매는 어떤 걸로 쓰죠?”

 

“백금을 쓰는데 그 가격이 만만치 않아 수소차 가격의 40%를 차지할 정도지요. 싼 촉매 개발이 급선무입니다.”

 

대체 촉매로 탄소촉매 합성법이 연구되고 있는데 아직 실용화는 아니다. 망간 등을 이용한 저비용, 고효율 촉매 물질 개발이 필요하다.

    

▲신재생에너지 수소

 

 

[전기차와 수소차 비교]

두 번째 대담은 대학 자동차학과 교수와 이뤄졌다.

앵커의 멘트가 끝나자 교수는 먼저 환경 부분을 언급한다.

 

“수소차는 수증기를 배출하면서 달리는 공기청정기라고 하죠.”

 

“수소차를 따라가면 숨쉬기가 좋다는 뜻으로 해석해도 되나요?”

 

“수소차 한 대 운행은 성인 43명분의 청정 공기를 제공합니다. 그만큼 미세먼지가 적어진다는 뜻이죠.”

 

“수소차에는 꼭 청정기를 달아야 합니까?”

 

“맑은 공기를 연료전지에 공급해야 효율이 좋아지니 일반적으로 수소차 효율은 50%로 휘발유차 30%보다 훨씬 높아요.”

 

2년 후인 2022년 우리나라 전기차와 수소차 운행 대수를 비교함은 흥미롭다.

- 전기차 43만대, 충전기 1만 곳(주유소 숫자와 비슷)

- 수소차 승용차 6만5,000대 버스 2,000대 총 6만7,000대(2030년 50만대, 2040년 620만대), 충전기 310곳(2040년 1,200곳)

 

“전기차와 수소차의 승자가 결정될지, 아니면 공존할지 현재로선 알 수 없지만 차이를 검토해봄이 좋겠네요.”

 

교수가 설명하는 비교표는 이렇다.

- 주행거리: 전기차 400킬로미터, 수소차 600킬로미터

- 충전시간: 전기차 30분, 수소차 5분

- 충전소 설치비: 전기차 500만원, 수소차 30억원

- 자동차 가격: 전기차 4천만원, 수소차 7천만원

 

설치비나 가격은 정부와 지자체의 가격보전 및 정책지원이 있으므로 실제 소비자가구매할 시에는 가격 차이는 10% 이내일 것이다. 수소차 주문이 폭주할 만하다.

 

독일은 2030년 디젤 가솔린 내연기관차의 판매를 금지한다. 대부분 전기차로 바뀌겠지만 수소차 개발이 예상되기도 한다. 전기 생산량은 수소차 10만 대가 원자력 1기와 맞먹는다.

 

“액화수소의 제조와 저장, 운송이 높은 기술을 요구하는데 미국의 기술 수준은 어떻습니까?”

 

“우주로켓용 액화수소 연료를 쓰는 미국은 수소차에 대하여 급하지 않습니다. 그들은 이미 기술이 준비돼 있으므로, 수소차를 못 만드는 것이 아니라 안 만드는 것일 뿐입니다.”

 

대규모 액화플랜트는 필수로서 정부와 대기업의 선제적 지원이 필요하다.

액화플랜트는 항공산업, 드론산업, 수소충전소 확충의 기초가 된다.

혁신에 익숙해 있고 혁신을 두려워하지 않는 한국은 가능하다.

 

이왕 수소경제를 선포했다면 국가적 지원체제와 수송 저장탱크도 4중 5중 안전 시스템이 필요하다.

 

도심 수소충전소 설치가 가능해지면서 수소차 보급 역시 가속화될 전망이다. 업계는 규제 샌드박스로 수소사회로 가는 가장 높은 문턱을 넘었다는 입장이다.

 

현재로선 부생수소(부산물) 이송 비용이 높지만, 효율이 높은 고압튜브 트레일러에 대한 규제가 풀리면 이송량이 3~5배가량 늘어나 경제성이 높아진다.

 

전기차는 배터리 무게 때문에 단거리 위주, 수소차는 가벼운 연료전지로 장거리 위주로 운행하는 것이 경쟁력이 있다. 수소탱크 수만 늘려주면 된다.

 

“그럼 수소차의 현재 기술 수준은 어떻습니까?

 

“승용차는 괜찮으나 버스와 트럭의 요구를 맞출 수 없습니다. 원가절감이 요구됩니다.”

 

아래의 장점을 적극 활용하고, 단점을 보완해야 할 것이다.

 

수소차의 장점

- 효율 양호

- 친환경적(미세먼지 저감)

- 발열(냉난방 가능)

- 재생에너지와 연계(잉여전기 이용)

- 부품사업 활성화(전기차보다 많음)

 

“재생에너지를 어떻게 연계한다는 뜻인가요?”

 

“예컨대 수소를 얻기 위해 수전해에서 잉여전기를 이용하는 등 여러 가지가 있죠.”

 

“미세먼지 저감효과를 예를 들면?”

 

“경찰버스 시동에도 걱정할 필요가 없고 공기청정기로 미세먼지도 줄고요. 수소버스는 매년 6% 미세먼지를 줄인다죠.”

 

수소차의 단점은 이렇게 정리될 수 있다.

- 고가(촉매와 분리막이 가격의 40% 차지하고 전기차보다 구조가 복잡)

- 충전소 인프라 부족(설치비, 저장, 유통, 관리비 고가)

- 수소 생산 비효율(자연 상태 수소는 이용할 수 없음)

 

“전기차는 배터리, 수소차는 연료전지의 소형화가 중요하겠지요?”

 

“배터리의 소형화와 충전용량 증가를 위해 LG, 삼성, SK가 불철주야 노력하고 있고, 연료전지 소형화는 현대차연구소가 심혈을 다하고 있죠.”

 

지금은 전기차가 수소차보다 더 친환경적이지만 수소를 얻는 방식이 석유나 천연가스 등 화석연료가 아닌 물 분해에서 얻는다면 혁명적인 일이다. 운반을 위한 고압 충전에 잉여전기를 쓴다면 수소경제는 현실화되는 셈이다.

“수소 탱크의 안전이 걱정되지 않습니까?”

 

“수소를 액화시키기 위해선 영하 235도까지 내려야 하는데, 수소차와 충전소에서는 고압으로 보관합니다. 액화수소는 우주로켓 추진에 사용되고 있죠. 충전소에서는 350바 이상 유지하지만, 수소차 수소탱크에서 수소를 공급할 시에는 9.5바 낮춥니다.”

 

수소탱크가 누설하면?

아차, 이건 문제 중의 문젠데 과연?

수소는 너무 가벼워 공기로 발산하고 마니까 덜 위험하다.

수소의 가격이 궁금한데, 휘발유의 3분의 1쯤 되나 충전소가 100개 정도 되면 가격이 더 저렴할 것이다.

 

“수소사회에서는 집에 수소연료전지가 있으면 조명과 난방라인을 따로 할 필요가 없네요. 가정용 수소연료전지에서 전기와 열을 얻고 또 공기청정까지 하니 팔방미인이로군요.”

 

교수가 설명하자 앵커는,

 

“이런 이유로 수소 사기꾼이 나올까 걱정입니다.”

 

하고 말했는데 상당히 당황스럽기도 했다. 유튜브 방송에서나 허용될 수 있는 표현인가.

 

과잉 선전으로 만병통치약 파는 약장수가 탄생하면 곤란하다.

이렇게 해서 2050년에는 탄소배출 제로시대를 열고, 태양광이나 풍력에서 남아도는 전기로 수소를 저장하고, 원전을 더 건설할 수 있으면 금상첨화가 될 것이다.

   

▲수소차 충전

 

 

[LNG선과 LNG엔진]

공기가 정체해 있는 날이면 부산 하늘은 온통 희뿌옇다.

예상과는 달리 부산의 초미세먼지 농도는 전국 최고 수준이다.

 

부산항을 드나드는 연간 10만 척의 선박이 주원인이다. 벙커C유 등 선박 연료의 연소 과정에서 나오는 황․질소 산화물 때문이다. 황 함량 0.5% 이하 연료 사용이 지켜지지 않고 있다.

 

글로벌 화두는 환경적 조선업이다.

선박엔진에 변화가 빨리 나타나고 있다.

LNG선에는 물론 벌크선에도 LNG엔진이 장착될 정도다.

 

유럽연합은 2021년까지 자동차 대당 이산화탄소 배출량(95g/km) 규제를 강화한다.

환경 규제 강화 등으로 2040년 선박의 LNG 연료 점유율은 13%에 이를 전망이다.

 

최근 LNG 무역량 증가는 최근 매년 평균 10%에 이른다.

호주, 카타르, 미국 등이 천연가스 공급을 늘여가고 있는데 호주와 카타르는 세계 수출량의 절반을 차지한다.

 

LNG선과 LNG엔진과 관련하여 유튜브 방송은 삼성중공업 이사를 대담에 초청했다.

 

“그럼 LNG를 운송하는 선박은 어디서 건조합니까?”

 

앵커가 물었다.

이사는 대담 자료를 테이블 위에 펼쳤다.

 

“카타르는 한국 조선소에 2019년 60척을 발주했습니다. LNG 수요가 많아지고 선박 건조 가격이 상승할 것이라는 이유죠. 한국이 많은 수주를 한 것은 LNG선 원천설계가 가능하기 때문이죠.”

 

“그럼 LNG선 수요가 많아지는 이유는?”

 

“세 가지를 들 수 있는데, 첫째 환경 규제가 심해지고, 둘째 산유국 패권이 퇴보한 반면 미국이 셰일가스 수출을 늘이고, 셋째 남은 가스를 다른 나라에 판매하는 것을 미국이 허용하기 때문이죠.”

 

이미 50척의 LNG선을 보유하고 있는 카타르는 세계 LNG 수출의 25%를 차지하면서 연간 8,000만 톤의 LNG를 수출한다. OPEC을 탈퇴한 카타르는 20년 전 도크 부족과 선가 상승의 경험을 한 암울한 전철을 밟지 않겠다는 의도이기도 하다.

 

운반선이 대형화되는 중에 LNG선은 17만m3에서 25만m3으로 용량이 커지고 있다. 전세계 매년 70~100척의 LNG선이 발주되고 있다.

 

“15년 전처럼 조선업 주가는 300% 오르겠네요.”

 

신문에 나온 기사를 앵커는 언급했다.

 

“3년 사이 선가가 40%나 오른 적이 있었으니까요.”

 

충분히 나이 먹은 어른은 그런 호경기가 있었다는 걸 기억한다.

그러니 건조 시기가 중요하다는 뜻이다.

 

LNG는 액화에 고비용이 든다는 걸 잘 알고 있다. 기체 상태로 600배나 부풀어진 부피를 액체 상태로 변환시키려면 영하 162도로 낮추어야 한다. 그러니 채굴한 것은 바로 선적하여 운반하는 게 비용이 적게 든다.

 

“육상이든 해상이든 온실가스 배출이 문제가 되고 있습니다.”

 

“배에서 중유 쓰던 시대는 지나갔습니다. 이제 LNG를 써야 하는 시대에 왔지요.”

 

삼성 이사는 설명을 보충한다.

 

“친환경 에너지 수요가 늘어나는 시대에 한국은 좋은 기회를 만난 셈입니다. 금년부터 선박 연료유의 황 함유량이 3.5%에서 0.5%로 규제가 강화되었는데 저유황유의 단가 상승 등 공급이 원활하지 않은 상태에서 천연가스의 수요가 많아지고 있습니다. LNG를 연료로 하는 엔진 개발이 발전하는 이유죠. 환경규제가 심하다는 건 배가 고부가선으로 변화하고 있다는 증겁니다.”

 

“한국이 LNG선 수주를 싹쓸이하다시피 하는 이유를 어떻게 설명하시겠습니까?”

 

“품질의 우수성과 납기의 정확성이라 할 수 있지요.”

 

호주로 향하던 어떤 LNG선은 항해 도중 정선해버렸다. 중국에서 건조한 지 2년도 채 안 된 배인데 수리를 시도했으나 결국 포기해야만 했다. 그나마 공선 상태여서 다행이었다. 만약 만선 상태였더라면 그 많은 화물을 다 기화시켜야 하니 생각만 해도 끔찍하다.

 

선박기술의 신뢰성 상실로 중국조선소는 작년 한 척의 선박도 수주하지 못한 조선소가 75%나 된다. 덕분에 한국조선소의 수주율은 44.2%가 됐다. 용접이 허술한 배의 품질 문제와 납기를 지키지 못한 탓이다.

 

LNG선의 경우는 한국이 독보적이다. 다년간 기술을 축적해온 덕분이다.

 

2018년 LNG선 70척 중 66척을 한국에서 수주했다. 비교적 부가가치가 적은 VLCC 경우에도 39척 중 34척을 한국이 따냈다. 중국의 저임금 경쟁도 저물고 있다는 방증이 된다.

 

한국의 조선업이 경쟁력을 가지고 있는 것은 메가블록 조립 방법 때문이 아닐까.

이사의 설명을 열심히 듣고 난 앵커는 메가블록의 연결이 궁금했다.

 

“큰 블록을 붙일 때는 용접기술이 아무래도……?”

 

“로봇용접을 하는데 로봇은 3,400도 불꽃으로 강철판을 자릅니다.”

 

500톤 정도의 작은 블록을 모아 용접하면 3,000톤짜리 메가블록이 되고, 메가블록은 초대형크레인으로 탑재한다. 8일 걸리던 공정을 단 4시간 만에 끝낸다. 6개의 메가블록이라면 24시간 걸린다는 뜻이 될까.

 

“메가블록의 조종은 백퍼센트 정신집중이 요구되고 때로는 스트레스 받는 작업이기 때문에 근로자는 4시간마다 교대합니다. 공중에 오래 머물면 작업에 지장을 주기 때문이죠.”

 

“그렇군요.” 앵커는 감동하지 않을 수 없다.

 

금년 삼성중공업이 건조하고 있는 석유탐사선은 1조원의 가격이다. 부가가치도 크다. 쇄빙유조선이나 쇄빙LNG선은 한국이 최초 개발했다. 2~3m 유빙을 뱃머리로 퍽퍽 깨며 북극해 유전을 오간다. 쇄빙 역할까지 하니 가격은 일반 유조선이나 LNG선의 1.5배이다. 러시아가 대우해양에 수주한 쇄빙LNG선은 3억 달러를 넘는다고 한다.

 

대담이 끝나자 청중들은 긴 박수를 보냈다.

대담장을 나온 후에도 이단아의 가슴은 여전히 박수를 치고 있다.

  

  ▲선박 메가블록

 

<계속>