수소연료전지자동차의 에너지 효율은 어떻게 될까요/ 수소경제 - 국내글 링크

재미있는 기사가 있길래 겸사겸사 몇 가지 보고 정리하며 적는 글입니다.

수소연료전지차에 들어가는 수소는,

지금은 부생수소라고 해서 주로 제철산업과 석유화학공업(그러니까 석유와 천연가스를 수입해 가공해 생산품을 만드는 공장)에서 부산물로 나오는 것을 사용합니다. 부산물이라고는 하지만 버리던 수소는 아닙니다. 바로 그 공장이나 같은 산업단지에 소재한 다른 공장에 보내거나 판매해 재료로 투입하(수소첨가공정이라든가)는 게 대부분이라고 하고 수소를 사쓰는 곳도 많다고. 어쨌든 수소가 나오기는 하기 때문에 그것의 일부를 수소연료전지를 충전하는 데 쓴다고 합니다. 어떤 기고문에 따르면 (2016년) 당시 국내 수소생산량은 연간 190만 톤 정도고, 대부분 자가소비되고 30만톤 안쪽이 남는 공장에서 필요한 공장으로 판매되었다고 합니다. 그리고 차량수송할 경우 수소의 톤당 판매가격은 600만원 정도고 산업단지 안에 설치한 배관을 통할 경우 200만원대. 위의 기고문에 따르면 법규를 고쳐 훨씬 고압으로 수송가능하게 하면 차량운반단가도 내릴 수 있을 것이라 말했는데, 3년 전 이야기라서 지금은 어떨지 모르겠습니다. 

정부 공식 발표로는 수소연료전지차가 상당히 보급되더라도 앞으로 한동안^[각주:1] 공급가능한 정도는 되는 모양이라고 하지만 이에 대해서는 업계와 정부 시각차가 있습니다.

대통령도 로드맵 발표 행사에서 "대규모 석유화학 단지에서 수소차 확산에 필요한 부생수소를 충분히 생산할 수 있다"고 설명했다.

그러나 석유화학 업체들은 업계 자체적으로 사용하기에도 부족해 외부 조달 물량을 확대하는 상황에서 부생수소를 추가로 생산하더라도 수소차에 투입할 여력은 없다며 '울상'을 짓고 있다.

에쓰오일은 지난해 고도화 설비 가동을 앞두고 자체적으로 생산한 부생수소만으로 부족해 수소 제조업체인 '덕양'으로부터 조달받기 시작했으며, SK이노베이션도 비슷한 처지인 것으로 전해졌다.

특히 정부가 추가 공급 물량으로 추산한 '5만t'에 대해서도 업계에서는 현실과 동떨어진 숫자라는 지적을 내놓고 있다.

업계 관계자는 "정부는 정유업체들이 생산설비를 풀가동하지 않고 있기 때문에 부생수소를 늘릴 수 있다고 판단한 듯하다"면서 "그러나 설비 가동률은 항상 100%가 아니라 시황에 따라 조절하는 것"이라고 말했다.

그러면서 "부생수소 5만t을 추가로 얻자고 팔리지도 않을 휘발유와 경유 등을 생산할 수는 없는 것 아니냐"고 반문했다.

- 매일경제신문 2019.3.3

정부가 정당한 비용을 부담하지 않고 고정가로 싸게 공급해라할까봐 겁내는 듯 하군요. 예가 없는 것도 아니니, 자라보고 놀란 가슴 솥뚜껑보고 놀란다 해도 탓할 수는 없습니다. 이야기를 분명하게 해야 하는 쪽은 정부입니다.

정부는 공식 발표로 "kg당 수소가격을 2022년에 6천원 2040년에 3천원까지 내리겠다"고 포부를 밝혔지만, 어떻게 할 지는 설명이 없었습니다.^[각주:2] 하긴 전기차가 그랬듯이 보조금으로 채우면 3천원이 아니라 무료로 줄 수도 있기는 합니다만.

수소경제의 경제적, 기술적 이슈 - 포스코경영연구원 2019.5.1

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"글로벌 수소 생산의 약 96%(천연가스:49%, LPG:29%, 석탄:18%)가 화석연료를 사용하는 열화학적 생산 방식. 잉여재생에너지를 활용하여 수소를 생산할 수도 있지만 친환경적인 신재생에너지의 낮은 보급과 효율 문제로 비중은 매우 낮음."

"재생에너지에서 수소를 생산하려면 우선 전기를 생산하고 생산된 전기를 수전해로 수소에너지로 전환(현재 에너지 효율 55% 수준에서 2022년까지 70% 향상 목표), 저장과 수송 과정(에너지 효율80~90%)을 거쳐 최종 사용처에서 연료전지를 통해 전환된 수소를 다시 전기에너지로 변환(전기에너지 40%, 열에너지 40%)하는데, 전 과정에서 에너지의 60% 이상이 손실될 수 있음."

장기적으로는 태양광으로 물분해해 직접 수소를 뽑아내려 하고 그 기술이 연구 중입니다만(그리고 재미있을 만한 기초연구가 나오면 정부 공식 홍보사이트에서 보도자료를 배포하고 언론매체에 수수료를 줘 기사화해 국민계몽하고 있습니다^[각주:3]), 그건 결국 촉매기술입니다. 타고 남은 재(=물)의 낮은 수준에서 연료(=수소와 산소)의 높은 수준으로 에너지를 채워넣는 과정에 낭비를 조금이라도 줄이려는. 

태양광에너지는 바로 전기에너지가 됩니다. 하지만 그 전기로 수소를 만드는 것은 에너지 저장이란 이점이 있지만^[각주:4] 대신 전기생산->수소생산->최종적으로 사용할 전기생산이란 전환과정에 불가피하게 에너지 손실이 생깁니다. 그리고 수소는 저장하기 편리한 물질은 아니며, 취급하기 편하게 메탄화하거나 다른 물질로 바꾸었다가 전기에너지를 끌어내면 추가적인 에너지 손실이 생기는 단점이 있습니다. 단, 그 저장면에서 이득이 더 크면 그렇게 바꾸는 게 낫겠지만요. 한편 연료전지반응 자체는 지금까지는 순수한 수소를 쓰는 게 구현하기 쉽다고 합니다.

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출처: 수소경제의 경제적, 기술적 이슈 - 포스코경영연구원 2019.5.1

하지만 이점이 있으니까 우리만이 아니라 미국도 일본도 그리고 중국까지 하려고 투자 중일 텐데요..

미세먼지로부터 자유로운 도시, 수소도시의 미래 - KB금융지주 경영연구소, 2019.4.10

○ 수소도시란 기존에너지 공급원을 수소만으로 가능하게 설계한 도시로 수소의 생산과 이송, 저장, 활용까지 전 주기에 걸친 시스템을 사람들의 생활에 직접 연결

○ 수소도시의 주요 구성으로는 수소모빌리티, 수소에너지, 수소생산, 수소유통체계가 있음

- 2040년까지 전국적으로 수소차 620만대와 수소충전소 1200개소 구축 추진 목표

- ′18년 발전용 연료전지 307.6MW, 가정•건물용 연료전지 5MW를 ′40년까지 발전용 연료전지15GW, 가정•건물용 연료전지 2.1GW로 확대

- 처음에는 부생수소을 더 끌어쓰고 LNG개질해 쓰다가, 일본처럼 외국^[각주:5]에서 수소생산해 수입.

- 수소공급 파이프라인^[각주:6]과 저장소를 LNG공급망처럼 전국단위로 구축

- 일본, 독일. 그리고 영국 H21 Leeds City Gate 시범사업

○ 미래의 친환경 에너지로서 수소에너지가 가장 중요하다고 단정할 수는 없지만, 최근 국내외 수소경제 활성화 움직임을 보면 수소에너지가 미래의 친환경 에너지로서 중요한 부분을 차지 할 것으로 예상됨

○ 다만, 수소에너지는 다른 친환경 에너지 산업에 비해 아직 성장단계로 수소경제를 통해 국제적인 경쟁력을 확보하기 위해서는 정부의 지속적인 관심과 연구가 필요

기자재가 거의 수입품이라서 충전인프라를 구축하는 비용이 너무 비싸 국산화가 시급하다는 내용이  있는 기사 하나"

[기획] 수소산업 짚어보기 - 투데이에너지 2019.05.20

수소충전소 사고 위험성 낮고 ‘안전’

충전시설 확충될수록 비용 절감 커

美·日 등 이미 인프라 확산 ‘활발’ 

정부의 적극적 정책 지원 필요

그 다음,

저는 이쪽은 잘 모르고 계산 잘 못하니까 틀렸을 수 있습니다. 생각해간 것 정리니까 일단 상상입니다.

"1회 충전에 450km 달려"…업그레이드된 수소전기버스

머니투데이 2019.06.05

5일 공개된 신형 버스…공기청정 기능 '여전', 시내버스 특성 반영한 성능 개량

현대차의 저 시내버스모델(그러니까 승용차가 아니라 대형차입니다)은

수소 1kg 으로 13.5km를 달릴 수 있다고 했습니다.

(대전시기준, 수소연료가격은 kg당 8200원입니다. 순수 단가는 아니고 보조금줘서)

1몰당 질량은 수소분자 2g, 산소분자 32g, 산소 질소 이산화탄소 등의 혼합물인 공기는 1몰에 28g 정도라고 합니다.

아 바보.. 이걸 틀리냐..

2H2 + O2 -> 2H2O

수소 1kg을 완전히 반응시킬 때 필요한 산소는 8kg이고 그 결과 물 9kg. (연소반응은 열에너지만 내지만 연료전지를 통하면 전기에너지와 열에너지를 냅니다. 어쨌든 결국 수소는 산소와 반응해 물이 됩니다.) 산소 8kg을 분리하기 위해 필요한 공기는?

  

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B3%B5%EA%B8%B0

공기 중 산소의 중량비는 23%이므로, 8kg / 0.23 = 34.8kg 의 공기가 수소 1kg을 물 9kg으로 바꾸는 데 필요합니다.

(이 공기 34.8kg의 부피는 34.8kg * 1m^3/1.293kg = 26.9 m^3)

그런데 저 기사에서는

"수소연료전지버스 1대가 1km를 달리면 공기 4863kg을 정화한다"고 소개했습니다.

이 수소연료전지버스의 연비가 수소 1kg당 13.5km이므로 1km를 달리는 동안 소비하는 수소는 1kg / (13.5km/kg) = 74그램밖에 안 되고, 이 수소를 물로 만드는 데 필요한 산소는 0.074kg x8 = 0.592kg, 그리고 그 산소가 들어있는 공기는 0.592kg / 0.23 = 2.6kg밖에 안 됩니다. (그리고 이 공기의 부피는 2.6kg * 1m^3/1.293kg = 2.0 m^3) (틀린 부분 고쳤습니다. 또 있을텐데.. -_-)

그런데 공기 4863kg을 정화한다? 공기 4863kg에 든 산소는 4863*0.23=1118kg이나 되는데요. 어? 2.6kg은 반응에 필요한 최소 공기량이니까 그 10배로 잡아도 26kg인데, 4863kg은 거의 200배나 됩니다. 

신문기사에 있는 저 숫자 어떻게 계산해 나온 거죠? 이상한데요.

아무래도 제가 계산을 잘못한 게 있는 것 같은데.. 좀 봐야겠네요.

여담. 

수소연료전지차는 배기가스 미세먼지가 거의 없다 = 맞음.

수소연료전지차만이 대기중 미세먼지를 정화할 수 있다 =  틀림.

수소연료전지차의 흡기필터가 미세먼지를 정화하는 이유는, 연료전지 반응에 고순도 공기가 필요하기 때문입니다(심지어 LNG와 LPG유출을 느낄 수 있도록 첨가하는 냄새나는 물질도 연료전지용에는 넣으면 안 됩니다). 

예를 들어 정부나 서울시가 할 생각만 있으면 우선 시내를 운행하는 디젤버스나 천연가스(CNG)버스, 그리고 서울시 관용차의 엔진 흡기필터에 연료전지차에 달아주는 헤파필터를 달아주면 대기정화가 됩니다! 내연기관자동차는 흡기량이 연료전지차보다 훨씬 많기 때문에 필터가 걸러내는 미세먼지양도 훨씬 많겠죠.

내연기관자동차는 자기가 뿜어내는 것도 있으니 더하고 빼면 효과가 있냐고 반문할 수 있고 그 말이 맞지만, 이삼 년 안에 전기차 수소차로 전량 교체하진 않쟎아요? 그러니 만약 서울시가 시내 미세먼지문제가 정말 급하다고 본다면 이것도 생각해볼 수 있을 것입니다. 그리고 이걸 하려고 자동차에 손대는 김에 디젤엔진버스의 배기가스를 줄이는 쪽도 어떻게 해보는 것도 좋겠습니다.

다만 이런 것은 일반 서울시민에게는 의무화하지는 못하고, 서울시가 필터 관리비용(정기적인 교체비용.. 더 작은 먼지를 걸러내는 에어필터일수록 비싸고 수명이 짧습니다. 그래서 가정용 청소기조차 괜찮은 놈은 필터는 상대적으로 큰 입자를 걸러내는 대신 씻어서 재사용가능한 것과 쓰고 버리고 새걸 다는 헤파필터, 2단계로 달기도 합니다)을 부담하거나 필터설치/교체증명을 하면 자동차세를 경감하는 조건으로 달아달라고 해야 할 것 같습니다. 필터수명이 다 되어 흡기량이 줄어들면 엔진성능과 연비도 떨어지므로, 일회성 이벤트로 끝나면 필터 수명이 다 되는 시점에 사람들은 떼놓고 다니겠지요. 그리고 이런 정책을 만들더라도 잘 시행되려면, 카센터에서 간단히 혹은 DIY로 쉽게 설치/교체가능하고 양산가격이 싸고 여러 차종에 호환성있는 필터키트를 개발하는 것도 필요할 것입니다.

이쪽이 어쩌면 꽤 중요할 수도 있는데, 관용차와 노선버스, 고속버스 등 운수사업체소속은 공공성도 있고 교체주기도 짧아 정부 정책을 적용하기 좋지만, 개인이 가진 자동차를 정부가 임의로 운행하지 마라 할 권리는 없기 때문입니다.^[각주:7]  그럼 흡기하며 정화하고 배기하며 덜 내는 장치를 개발하는 것은 여전히 필요합니다. 

이래저래 "자동차 10년타기 운동? 먼지때문에 안 돼요!"하는 세상이 되어가는군요.

그리고 수소 74그램을 태워서 나오는 열에너지는 10.5MJ인데, 이건 약 2.9kWh라고 합니다. 

수소 1kg을 태워서(=물로 만들어) 나오는 열에너지는 141.8MJ(286kJ/mol)이라고 합니다. (링크 하나) (영문 위키백과) 링크 속에 나오는 표에는 1kg당 디젤의 3.1배 정도라고 합니다. 즉 수소 1kg을 그냥 태우면 경유 3.1kg에 해당하는 열에너지가 나온다는 거. 경유의 밀도는 0.832kg/L라니까 경유 3kg은 3.72리터. 오피넷 전국 평균 경유가는 오늘기준 리터당 1395원이니까, 태웠을 때 수소 1kg과 동등한 에너지를 내는 경유 3.1kg(= 3.72리터)은 약 5200원.

현대자동차 넥쏘(공식 홈)의 제원입니다. 

고속도로 92km/kg. 내연기관 자동차로 치면^[각주:8] 3리터카인가요? 좋네요.^^ ^[각주:9]

6.33kg x 92.6km/kg = 한 번 충전에 고속도로 586km 주행입니다. 제원표상 항속거리는 609km.

장거리 주행에 적합하다는 것이 현 세대 전기자동차대비 수소연료전지 자동차의 최대 장점입니다. 전기자동차대비 단점은 복잡하고 총소유비용이 더 든다는 것.

길게 보면 수소연료전지자동차가 살아남을 길은 '착하다'는 프로파간다^[각주:10]와 보조금밖에 없어보입니다만^{[각주:11] [각주:12]}, 그건 나중 일이고, 어쨌든 지금은 실용적인 장점이 있습니다. 

여러 뉴스를 보면 장거리 육상화물운송용으로 충전배터리대신 수소연료전지를 도입하거나, 전기자동차의 배터리 에너지 밀도를 높이는 연구를 더 하거나, 호환품 배터리를 중간지점에서 교환해주거나(우리나라의 버스 운행에 이 아이디어가 나온 적 있지 않았나요), 고속도로의 트럭 차선에 급전선을 가설해 전기트럭이 일단 들어서면 팬타그래프든 폴이든 올려 그 전기를 유선으로 받아쓰도록 한 아이디어(독일)가 시험 중이라고 합니다.

여기까지 잡담이었습니다. 생각나는 대로 좀 덧붙이고 고쳐가겠습니다.

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* 글이 길어져서 외국 수소경제관련 문서는 새 글로 나누었습니다.

1. 다만 수소연료전지는 정부가 밀고 있는 수소연료전지자동차만이 아니라 발전소용으로도 늘리는 정책을 펴고 있기 때문에, 2020년대들어서먼 부산물이 아니라 수소생산만을 위한 시설을 지어야 할 것이라고들 전망합니다. [본문으로]
2. 다른 문서를 보면, 일본이 하는 것처럼 따라가겠다는 것 같은데.. [본문으로]
3. 이 루트 자체는 원래 있던 것입니다. 동네 반상회가 없어진 지 오래고 수많은 정부 부처가 대민홍보를 하려면 정보 자체가 너무 범람하다 보니, 언론매체에 수수료를 주고 지면이나 웹페이지를 삽니다. 세금이 어떻게 바뀐다, 교통법규가 어떻게 바뀐다, 분리수거 이렇게 하세요 등 실용적인 목적. [본문으로]
4. 그리고 그 수소와 대기 중 이산화탄소를 사용해서 유기탄소화합물을 합성해 에너지원이 아니라 소재로서 사용하는 것은 또 다른 이야기지만. [본문으로]
5. 일본은 호주에서 사오겠다 했다는데.. [본문으로]
6. 수소생산자와 소비자인 사업자가 있는 도시를 연결하는 수소파이프라인은 유럽과 미국에서 전부터 운용 중(근거리 파이프라인은 우리도 산업단지에서 건설해 운영 중). 단, 수소분자는 작고 수소취성(Hydrogen embrittlement)이라 불리는 특성이 있어서, LNG공급망에 가스만 바꿔 재활용하는 식은 안 되고 수소에 맞는 기술, 소재, 운영방식이 필요함. 미국과 유럽 모두 저압수송하고 생산시설과 소비시설은 되도록 인접해 건설함. [본문으로]
7. 정기적인 배기가스 검사를 엄격하게 해서 폐차시키고, 또 노후 화물차는 폐차지원금이 얼마 있다고는 하지만요. 그리고 친환경자동차가 어느 정도 보급된 다음 정말 상황이 나빠지거나 정부가 마음을 독하게 먹으면 유류세를 두 배로 올릴 수도 있겠죠. [본문으로]
8. 바로 비교해도 될까 잘 모르겠지만. [본문으로]
9. 세계적으로 보면, 내연기관자동차로서 3리터카는 폭스바겐 루포(1999년)가 있습니다( http://egloos.zum.com/whitebase/v/719274 ). 가솔린 하이브리드로 1리터카(기름 1리터로 100km주행) 컨셉카는 조금 찾아보니 2010년을 전후한 시기부터 폭스바겐, 르노 등에서 발표한 게 검색됩니다. 하지만 우리나라 자동차시장에 3리터카 내연기관 승용차는 없습니다. [본문으로]
10. 라고는 해도, 예를 들어 지금은 유연휘발유를 쓰지 않지요.우리 후세는 그런 개념으로 생각할 수도 있겠습니다. 단, 이산화탄소는 납하고는 달라서 원소 자체는 문제가 아닙니다. 공정개발이 어떻게 되느냐에 따라 대우가 달라질 겁니다. [본문으로]
11. 연료전지발전이라는 방식 전체를 보면 당연히 미래가 있다고 생각합니다. [본문으로]
12. 쭉 적다 보니, 인프라를 갖춰갈수록 전기차가 유리할 것 같습니다. [본문으로]