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수소차 및 수소경제 (KIST 권석준 박사님 Facebook 발췌)
Writer 관리자 Date 2019-04-02 View 214

최근 정부 차원에서 수소차 및 수소 경제에 대한 이야기가 많이 나오고 있는데, 몇 가지 생각할 부분이 있으니 일단 팩트 위주로 짚고 넘어가 보도록 합시다. (참고로 저는 에너지 관련 연구자가 아니며, 따라서 수소차 및 수소경제 관련해서는 제가 지금까지 배운 화학과 물리학, 그리고 공학적 지식의 범위에서만 논할 것입니다. 자료가 틀렸거나 논리가 이상하면 지적을 환영합니다.)

 

일단 일반적으로 말하는 수소차는 대부분 수소연료전지자동차 (Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle)를 의미합니다. 물론 수소연료를 현재의 휘발유처럼 내연기관에서 소모하여 운행하는 수소연료자동차도 있지만, 에너지 효율이 낮고 위험성이 높아서 아마도 정부 계획에서는 제외되어 있을 것입니다. 따라서, 이 글에서는 주로 수소연료전지자동차 (줄여서 수소차)에 대해서만 논할 것입니다.

 

수소차는 원리적으로는 우리가 흔히 볼 수 있는 전기 자동차와 다를 바가 없습니다. 전기 자동차가 덩치가 큰 배터리를 차 바닥에 싣고 다니는 것 대신, 수소차는 덩치가 큰 연료전지를 싣고 다니면서, 전지로부터 전기 에너지를 이용하여 자동차의 구동 장치를 가동시킨다는 점에서는 똑같은 것입니다. 수소차에 쓰이는 연료전지는 음극 (anode), 전해질 (electrolyte), 그리고 양극 (cathode)로 구성되는데, 이 전지에서는 순수한 수소분자 (H2)가 음극으로 들어 와 수소 이온 (proton, H+)이 되고, 수소 이온이 전해질을 통과하여, 양극으로 들어 온 (공기 중의) 산소 분자와 만나 물이 되는 화학 반응이 일어납니다. 수소 분자가 수소 이온이 될 때, 남은 전자 두 개는 외부에 연결된 전기 장치 (예를 들어 전기 모터 등)으로 흘러가서 구동 에너지 역할을 하고 나서 다시 전지의 양극으로 들어 오고, 수소 이온은 양극으로 들어온 전자와 산소 분자와 만나 물이 되므로, 배기 가스는 이론적으로는 수증기 혹은 응축된 물 밖에는 안 나올 것입니다.

 

위에서는 연료전지의 구조를 이해를 돕기 위해 굉장히 단순화했지만, 열역학적으로 가만히 놔 둬도 수소 분자가 수소 이온이 되는 반응과 수소 이온이 산소 분자 + 전자와 만나 물이 되는 반응, 그리고 수소 이온이 전해질을 안정적으로 통과하는 동역학적 과정은 상온에서 효율적으로 일어나기는 어렵습니다. 따라서, 고온의 환경을 갖추고 촉매와 프로톤 교환 수지 (proton exchange layer)가 필요하죠. 지나친 고온의 환경은 폭발의 위험성이 있으니, 적절한 뜨거운 온도 하에 후자의 케이스를 선택하게 되고, 그래서 대부분 음극와 양극은 기체 확산막 (gas diffusion layer)과 그를 지지하는 귀금속 촉매 구조체로, 전해질은 프로톤 교환수지로 이루어집니다.

 

문제는 이러한 귀금속 (주로 백금 (Pt) 계열) 단가가 비싸기 때문에, 웬만한 수소차용 연료전지의 단가도 같이 비싸진다는 점입니다. 예를 들어 현대자동차가 개발한 수소차인 넥소에 들어가는 스택형 (Stack) 수소연료전지 단가는 3,800만원이 넘는 수준인데, 이는 동사의 웬만한 중형차 가격보다 비싼 수준입니다. 현재는 이에 대한 정부 보조금이 있기 때문에, 그나마 현실적인 가격 (1억원 미만)에서 수소차를 구입할 수 있다고는 하지만, 보조금 없이 과연 대 당 1억이 훌쩍 넘는 수소차를 구입할 수 있는 소비자가 과연 얼마나 있을지 의문입니다. 국내용은 그나마 보조금을 지급할 수 있다고 하더라도, 정부가 계획하고 있는 2040년까지 330만대에 달하는 수출용 수소차의 가격은 어떻게 할 것인지는 저는 잘 모르겠습니다. 설마 보조금 지급하며 수출하지는 않을 것이니 말이죠.

 

정부를 비롯하여 '수소차'를 지지하는 사람들은, 무엇보다도 수소차가 친환경적인 이동 수단이라는 점을 강조합니다. 위에서 살펴 보았지만, 그도 그럴 것이, 수소차에 있는 연료전지의 부산물은 반응하지 않은 수소 분자, 공기, 그리고 물 밖에 없기 때문입니다. 겉으로 봐서는 이산화탄소 (CO2)나 질소산화물 (NOx) 같은 오염 물질이 나오지 않기 때문에 매우 친환경적이라고 볼 수도 있겠습니다. 그렇지만, 한 가지 잊지 말아야 하는 것은 수소를 생산하는 과정 자체는 그리 친환경적인 공정은 아니라는 것입니다. 현재까지 가장 경제성이 높은 수소 생산 공정은 천연가스를 태워서 수소 가스와 일산화탄소 (CO)로 바꾸는 공정입니다. 예를 들어, 프로판 가스 (Propane, C3H8 (g))의 연소 과정은
2C3H8 + 3O2 -> 6CO + 8H2 + Heat
같은 화학 반응으로 이루어져 있고, 보시다시피 두 개의 프로판 가스가 연소하면서 여섯 개의 일산화탄소 분자를 만들어 냅니다. 일산화탄소 분자는 다시 아래 화학 반응과 같이 물과 반응하여 수소 가스와 이산화탄소를 만들어냅니다.
6CO + 6H2O -> 6CO2 + 6H2 + Heat
즉, 두 반응을 합쳐서 생각하면, 프로판 가스 분자 2개가 연소하여, 이산화탄소 분자 6개와 수소 분자 14개를 만들어 내는 것입니다. 14개의 수소 분자를 만드는 과정에서 6개의 이산화탄소가 부산물로 나왔고, 이 이산화탄소는 갈 곳이 없으니 그냥 대기로 날라갑니다.

 

이러한 화학 반응에 대한 기초 사실, 그리고 지금까지의 통계치를 살펴 보면, 아주 러프하게 말해서, 가솔린 자동차보다, 수소차는 결국 이산화탄소를 (차량 1대 기준으로) 40% 정도 저감하는 정도의 효과 밖에는 못 냅니다. 물론 40%나 이산화탄소를 저감하는 것 자체는 매우 고무적인 일입니다만, 정부가 계획하는대로 2040년까지 수소차가 290만대로 늘어난다고 한 들, 현재 우리나라의 자동차 총 대수 2,300만대가 내뿜는 이산화탄소량은 2018년을 100으로 본다면, [(2010*100) + (290*60)]/2300 = 94.96~95 수준으로 밖에는 안 떨어집니다. (물론 2040년에도 우리나라의 총 자동차 대수는 2,300만대에서 크게 변하지 않을 것이라는 가정을 했습니다. 인구가 아마 정체하고 있을 확률이 높으므로 자동차 대수도 크게 늘거나 줄지는 않을 것입니다..) 결국, 수소차를 290만대로 늘린다고 한들, 그렇게 강조하던 이산화탄소 저감은 실질적으론 5% 정도 줄이는 수준 밖에는 안 되는 것입니다. 물론, 수소차의 환경적 혜택은 단지 이산화탄소 같은 온실가스 량을 줄이는 것 이상으로, 황산화물, 질소산화물, 중금속 등의 비산먼지와 대기오염 물질을 줄이는 데에도 있으므로, 이산화탄소량이 5% 정도 줄어드는 것을 빌미로 수소차 전체를 공격하는 일은 없어야 할 것입니다. 그럼에도 불구하고, 이렇게 단순하게 계산한 수치만 놓고 봐도, 이산화탄소 저감 효과는 그렇게 드라마틱하지 않고, 따라서 온실가스에 대한 선제 대응 근거로는 딱히 설득력이 크지 않다는 것을 짚고 넘어 가야 합니다.

 

수소차의 친환경적 측면은 그렇다고 치더라도, 이번에는 경제성이 과연 좋은가에 대한 고려를 해 보아야 할 것입니다. 위에서 이야기한대로, 수소차의 경제성은 이른바 수소 생산 단가가 가솔린이나 디젤보다 저렴하다는 것에 기반을 두고 있습니다. 실제로 수소 1 kg 생산 및 운송에 대략 $2.32~$5.25 정도 필요한 것으로 계산되고 있습니다. 이는 나라마다, 운송 방식마다, 생산 방식마다 달라지는 값으로, 조건에 맞게 보정될 필요는 있습니다. 실제로 우리나라에서 2018년 현재 공급되는 수소 가격은 대략 1 kg 당 8천원 수준에서 형성되어 있는데, 환율이나 수수료 등을 생각해보 예측치와 크게 차이 나지는 않습니다. 다른 나라와 비교하면 많이 저렴한 편이고요 (i.e., 미국의 경우 1 kg 당 $10-15). 대략 현재 기술로 수소 1kg으로 일반적 크기의 자동차가 100 km 정도를 주행할 수 있는데, 다시 말해 우리나라에서 수소차는 100 km 주행에 8천원 정도가 필요한 것이죠. 현재 가볍고 좋은 전기차 (i.e., 아이오닉)는 대략 1 kWh 당 10 km 정도의 연비가 나옵니다. 1 kWh 당 단가는 대략 313원 정도하니, 아이오닉 기준으로, 100 km 주행에 3천원 정도 나옵니다. 비슷한 체급의 가솔린차를 11 km/l 의 연비를 가정하면, 1,300원/l 유가 기준으로, 가솔린차의 경우 100 km 주행에 1만 2천원 정도, 디젤차도 대동소이한 비용 (1만원~1만 1천원)이 나옵니다. 단순 거리 당 경제성 비교만 놓고 보면, 수소차는 (연료 보조금 지급 조건 하에) 전기차에 비해서는 경제성이 반 정도에도 못 미치고, 기존의 기름차에 비해서도 딱히 압도적인 경제성을 보여 주지 못 하는 것이죠. 전 세계적으로 그렇지만, 우리나라에서 지난 몇 년간 전기차에 대한 인기가 급속도로 높아지고 있는데, 그 이유는 대부분 전기차의 유지 비용, 특히 주행 거리당 소요 비용이 무척이나 저렴하기 때문이라는 사실을 상기시켜 보면, 주행 거리 당 경제성에서 딱히 장점을 보여 주지 못 하는 수소차가 과연 얼마나 더 인기를 끌 수 있을지 의문입니다.

 

수소차를 논할 때 사실 수소 경제도 같이 논합니다. 그럴 수 밖에 없는 것이 수소차가 저절로 굴러다닐 수는 없기 때문인데, 수소생산시설, 수소운송시설, 수소저장시설, 수소충전시설, 수소차 제조 및 정비에 관한 산업이 클러스터링이 될 수 밖에 없기 때문입니다. 위에서는 수소차의 주행 경제성에 대해 살펴 봤는데, 사실 수소 생산 및 운송에 대한 경제성도 만만치 않은 문제입니다. 우리나라에서의 수소 생산은 아직까지는 자체 생산-소비의 구조라서, 대부분 종합화학단지에서 생산 및 소비가 이뤄져 왔지만, 앞으로 수소의 수요처가 화학 공정이 아닌 수소차로 쏠리게 되면, 단가를 낮춰야 하는 압박 때문에, 위에서 살펴 봤던 천연가스 기반의 공정으로 옮겨 가야 할 것입니다. 문제는, 천연가스의 가격 변동을 우리나라가 제어할 수 없다는 것이고, 그에 대한 대안으로 생각하는 물 전기 분해에 의한 수소 생산 역시, 전기 생산 단가에 영향을 받을 수 밖에 없다는 것입니다. 또한 고려하지 않을 수 없는 것이 수소의 운송입니다. 수소는 kg 당 열량이 높은 대신, 분자량이 극히 가벼워서, 부피는 무진장 큽니다. 가볍기 때문에 확산 계수도 무진장 높고, 금속용기에 담아도 잘 새어 나옵니다. 따라서, 수송의 효율성을 위해서는 수소를 고압으로 압축하거나 액체 수소로 만들 수 밖에 없습니다. 고압이나 액상의 수소는 확산은 덜 할지 모르지만, 조금식 금속 표면에서 반응을 일으켜, 용기의 강도를 약하게 만듭니다. 따라서 용기의 수명은 짧아질 수 밖에 없죠. 기존 금속재 천연가스관을 수소 운송용 수단으로 그대로 쓸 경우, 가스관이 원래의 수명보다 짧아지는 것을 감내해야 하는 것입니다. 이 과정에서 비용이 또 상승하게 되죠. 또한, 액상이나 고압의 수소를 운송할 수 있는 장비 역시 매우 단가가 높은데 (예를 들어, 수소 운송용 차량은 같은 급의 유조차에 비해 탑재할 수 있는 용량이 많이 낮아집니다. 필수적인 장비를 같이 설치해야 하는데, 그 장비 질량만큼 차량 중량이 증가하기 때문입니다.), 이를 모두 포함하면 생산 단가보다 저장 및 운송 단가가 더 높아지는 결과를 보게 되는 것입니다. 미국의 경우 앞서 살펴 봤듯, 1 kg 생산은 5불 수준 미만이지만, 운송 및 저장까지 생각하면 15불 까지도 원가가 올라가죠. 수소 경제를 논할 때, 아마도 이러한 수소 생산 뿐만 아니라 운송 및 저장에 대한 고민이 많을 것입니다. 그리고 그에 대한 정책도 더 정교하게 설계해야 할 것이고요.

 

수소 경제에서 빼 놓을 수 없는 것이 바로 수소 충전 시설입니다. 수소차가 전기차에 비해 그나마 내세울 수 있는 장점은 아마도 충전 속도일 것입니다. 전기차가 슈퍼차저 기준으로 완충에 20-30분 정도, 집에서 할 경우 5시간 이상으로 충전 시간이 걸리는 것에 비해, 수소차는 5분 이내로 충전이 완료되니, 분명히 장점은 있습니다 (물론 이는 순수하게 수소가 차량에 흘러 들어가는데 걸리는 시간이고, 실제로 연결 및 해제까지 포함하면 보통 10분 내외가 걸린다고 합니다..). 따라서 단순하게 생각하면, 수소 충전소를 주유소처럼 전국 곳곳에 수백 군데 만들면 충전의 편의성이 보장될 것이라고 생각할 수 있습니다. 그러나 전기차 충전소와 근본적으로 다른 것이 있으니, 그것은 바로 충전 난이도와 위험성입니다. 수소 충전 과정에서 폭발의 위험성을 아무리 제어한다고 해도, 한 번 폭발하면 그 피해가 막심하기 때문에, 수소 충전소는 인구 밀집지역이나 공장 밀집지역을 피해서 지어야 합니다. 물론 수소 가스가 LPG 가스처럼 가연성이 있어서 폭발한다는 위험보다는, 저온의 초고압 가스가 갑자기 상온의 환경으로 새어 나올 때의 위험이 더 크다는 것을 고려해야 합니다. 또한 충전 역시 전기자동차 충전소처럼 아무나 쉽게 할 수 있는 순이 아니라, 압력 모니터링을 하면서 해야 하기 때문에 당분간 충전을 담당하는 전문 인력이 충전을 맡아서 할 수 밖에 없습니다. 이런 상황에서 전기차 충전소처럼 대형 마트나 아파트 지하 주차장에 충전소를 설치하는 것은 난망한 일이 될 것이고, 따라서 충전을 위해 도시를 벗어난 외곽지역에서 충전하는 일이 잦아질 것입니다. 충전 난이도와 위험성을 획기적으로 개선할 기술적 방법이 나올 것이라 예상하지만, 그것이 현 정부의 계획에 보수적으로 고려되고 있는지는 의문입니다.

 

이외에도 본격적으로 수소 경제 체제에 돌입하려면 기술적 경제적 난제는 산적해 있고, 이러한 난제들은 독립적으로 존재하는 과제라기 보다는 서로 영향을 주고 받는 난제들이라, 동시다발적으로 기술적 연구와 경제성 정책 개발이 필요한 부분이라고 할 수 있을 것입니다.

 

사실 정부도 이에 대한 계산과 고민은 이미 하고 있을텐데, 정부입장에서는 수소차에 대해서도 전기차 보급에 적용했던 정책을 당분간 고수할 것으로 보입니다. 즉, 수소 연료에 대한 보조금을 지급하는 정책과 충전소를 급속도로 늘리는 정책입니다. 그렇지만, 결국 이는 수소 연료에 대해 세금으로 특혜를 주겠다는 정책으로 밖에는 읽히지 않습니다. 전기차 만큼 경제성을 갖추게 하려면 지금보다 보조금을 훨씬 많이 지급해야 하는데, 과연 그 재원이 쉽게 조달될 수 있을지도 의문이고, 그나마 보조금 정책은 국내에서는 통용될 수 있다고 하더라도, 수출용 차에 대해 다른 나라들이 비슷한 보조금 정책을 수립하여 시행할지는 더더욱 의문입니다.

 

정부 발표에 따르면 2018년 말 현재 893대의 수소차를 2040년까지 290만대 (수출은 330만대)로 늘리겠다는 계획이라고 합니다. 이를 아주 단순하게 등비 수열로 계산한다면, 연 평균 15.96%씩, 즉 거의 16%씩 수소차 대수가 증가해야 함을 의미합니다. 과연 이렇게 무서울 정도의 속도로 급증하는 수소차 및 수소 경제 성장 속도를 기술과 정책이 맞춤맞게 따라갈 수 있을지 걱정이 됩니다. 뭐든지 선도하는 기술과 정책에는 영광과 함께 위험이 따르는 법이라고는 하지만, 우리나라 같이 내수 시장이 작고 아직 관련 기술이 무르익지 않은 상황에서, 더구나 규모의 경제가 충분히 갖춰지지 않은 이 분야에 거의 올인하다시피 정부가 집중하는 것이, 과연 장기적으로 우리나라에 어떤 영향을 미치게 될지 저는 잘 모르겠습니다. 저 같은 일개 과학자도 생각할 수 있는 부분을, 이미 관계 분야의 전문가와 정책 입안론자들이 많이 고민했을 것이라, 그리고 대책도 충분히 마련하여 굳건한 로드맵을 가지고 있으리라 믿을 수 밖에 없겠습니다. 그 과정에서 쓰이는 세금이 모쪼록 제대로 쓰이기를 바랄 뿐입니다.