세계 최초, 최대 규모의 수소산업 전문전시 'H2 MEET 2022'가 일산 킨텍스 전시장에서 지난달 31일 개막했습니다. 전 세계 16개국에서 241개 기업과 관련 기관이 참여한 이번 전시회에는 수소전기버스와 수소 전기 경찰 버스를 비롯해 수소 전기 살수차와 수소 전기 청소차 등 수소전기 특장차와 같은 다양한 수소 전기차를 선보였습니다.
직경 6m, 최대 700kg 중량으로 비행할 수 있는 대형 수소 멀티콥터 드론과 공항에서 항공기 계류작업이나 수화물을 운송하는데 사용되는 특수 차량인 터그(Tug)에 30kW급 수소 연료 전지 파워팩을 탑재한 수소 전기 터그 콘셉트카와 같은 수소 전기 모빌리티도 공개돼 눈길을 끌었지요.
특히 이번 H2 MEET 2022 전시회는 단순한 수소모빌리티 전시뿐만 아니라 수소의 생산부터 저장 및 운송, 수소 활용분야에 이르는 수소산업의 전체적인 가치사슬(Value Chain)로 전시품목이 확대되어 화석연료중심의 탄소 경제에서 수소 에너지를 기반으로 한 수소경제로의 에너지 전환 패러다임을 엿볼 수 있었습니다.
수소 에너지란 수소를 산소와 결합시키는 화학반응을 통해 얻어지는 열과 전기 에너지로 에너지 변환 과정에서 오염물질을 전혀 배출하지 않고 오로지 물만 배출하는 친환경 에너지로 일컬어지고 있습니다. 그러나 천연가스에서 수소를 뽑아내거나(천연가스 개질추출방식) 석유화학제품 생산과정에서 얻어지는 수소(부생수소)와 같이 수소의 생산과정중에 이산화탄소를 배출하므로 엄밀히 따지면 친환경적이라고 말하기 어렵습니다.
최근에는 이러한 수소 생산과정에서 이산화 탄소를 포집 및 저장하는 기술을 적용한 블루 수소 개념이 도입되었으며, 물을 전기 분해해 수소를 얻는 수전해 방식이나 태양광 및 풍력에너지 등을 이용해 수소를 생산함으로써 이산화탄소를 전혀 발생시키지 않는 그린수소가 새로운 에너지원으로 자리잡는 추세입니다.
일반적으로 수소는 LPG나 도시가스에 비해 연소(폭발)범위가 넓어 폭발성이 강한 위험한 물질로 알려지고 있지만 화학원소중 분자량이 가장 가벼워 공기중으로 쉽게 확산되는 성질과 발화점(571℃)이 휘발유(550℃)나 경유(345℃), 메탄(537℃)보다 높아 안전성이 높다는 것이 전문가들의 이야기입니다.
또한 핵융합이나 핵분열을 통해 강력한 폭발을 일으키는 수소폭탄의 경우 인공적으로 만들어지는 불안정한 삼중수소 또는 중수소를 이용하지만 수소에너지의 경우 자연상태로 존재하는 안전한 수소분자(H2)인 경수소를 이용하므로 근본적으로 적용원리가 다르고 안전성 또한 높다고 말합니다.
실제 미국의 연료전지 관련기관인 BTI(Breakthrough Technologies Institute)가 수소 전기차와 휘발유차 연료탱크의 연료누출 화재 때 화염전파 실험을 한 결과, 수소 전기차는 화염이 좁고 높게 형성되었지만 급속하게 작아지는 반면 휘발유차는 연소 속도가 늦어 상대적으로 화염이 더 넓게 퍼져 자동차 실내로 번져 차체 전부가 전소되는 것으로 나타나기도 했습니다.
이외에도 수소 전기차에 사용되는 수소 저장 탱크는 7300여톤의 무게에도 끄떡없어야 하고 충돌 테스트는 물론 화재, 충격, 혹한, 폭발 테스트 등 무려 17가지 안전성 테스트를 통과해야 할 만큼 높은 안전성이 요구되고 있습니다. 수소 충전소도 가스누출 및 불꽃감지기 등을 통해 수소 가스가 누출될 경우 긴급 차단 장치가 작동되는 등 2중, 3중 안전 장치와 실시간 모니터링 감시 체계를 갖추고 있지요.
수소 에너지의 핵심은 수소 연료를 열 에너지와 전기 에너지로 변환시켜주는 연료전지(Fuel Cell Battery) 기술이 핵심이라 할 수 있습니다. 연료 전지는 수소 연료와 산소의 전기화학반응을 이용해 화학적 에너지를 전기와 열에너지로 변환시키는 에너지 전환 시스템입니다. 수소를 매개로 하다보니 연료전지를 수소 연료전지라고도 합니다.
연료 전지차로 불리는 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)는 이러한 연료 전지를 통해 생산된 전기 에너지를 이용해 전기 모터를 구동시키는 전동화 차량으로 수소 전기차라고도 부릅니다. 수소 전기차는 전기를 생산하는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack)과 수소를 저장하는 수소저장탱크, 구동력을 발생시키는 전기모터와 연료전지에서 발생된 전기를 저장 및 보조전원 역할을 하는 고전압배터리, 제어시스템 등으로 구성되어 있습니다.
수소전기차는 연료전지가 화학반응을 통한 에너지 변환과정에서 질소산화물(NOx)과 초미세먼지(PM2.5) 및 미세먼지(PM10) 등 오염물질을 전혀 배출하지 않기 때문에 전기차와 더불어 대표적인 친환경차로 자리매김하고 있기도 합니다.
특히 수소 전기차는 연료전지 내구성 확보를 위해 1차적으로 에어필터를 통해 초미세먼지를 97% 이상 제거할 뿐 아니라 2차적으로 막가습기(Humidifier)가 연료전지에 적절한 수분을 제공함과 동시에 에어필터에서 거르지 못한 초미세먼지를 다시 한 번 걸러줍니다. 이와 함께 전극막의 기체확산층에서 또 한 번 초미세먼지를 제거해 주는 등 3단 공기정화시스템을 통해 초미세먼지를 99.9% 제거해 주는 것이 특징입니다.
현대 넥쏘 수소전기차가 1시간 운행하면 약 26.9kg의 공기를 깨끗하게 정화해 주는 효과가 있는 것으로 알려지고 있습니다. 이는 성인남성 43명이 1시간을 숨 쉴 수 있는 공기량과 같은 수준이라고 합니다. 이외에도 연료전지는 아파트와 상가건물, 공장 등에 전기를 안정적으로 공급하는 분산 발전소 역할을 하는 등 수소사회의 핵심으로 자리잡고 있기도 합니다.