2021.12.27 수소에너지
자동차 그 이상, 수소사회로의 패러다임 체인저
우주에서 가장 가볍고 가장 많이 존재하는 원소 기호 1번 수소. 이 작은 수소를 활용해 현대자동차그룹은 2013년 세계 최초로 수소전기차 양산에 성공했습니다. 이후 차세대 수소전기차와 수소사회의 일상을 엿볼 수 있는 수소전기하우스, 수소연료전지를 탑재한 상용차는 물론 다양한 응용 제품과 미래 모빌리티 솔루션까지 공개하며, 현대자동차그룹의 수소 프로젝트는 경계를 넘어서 세상의 패러다임을 바꾸고 있습니다.
PROSPECT | 수소전기차로 여는 수소사회의 나비 효과
깨끗한 환경을 위한 에너지원으로 주목받는 수소는 현재 산업 변화의 주축입니다. 자원량은 한정돼 있고 지구 온난화까지 일으키는 화석에너지를 대체할 수 있는 미래 에너지 자원이 수소이기 때문입니다. 파리기후협약, UN IPCC(기후 변화에 관한 국제협의체) 등 세계적으로 이산화탄소 배출 규제가 강화되면서 이에 대응할 수 있는 솔루션 역시 수소에너지로 가능합니다. 2050년 기준 전체 에너지 수요의 18%를 담당하게 될 수소에너지는, 매년 60억 톤가량의 이산화탄소 감축 효과를 기대할 수 있습니다.
우리가 직면한 환경 오염 문제를 해결해 사회적 비용을 절감할 뿐만 아니라 에너지 불균형 문제 해소로 에너지 안보에 기여하고, 새로운 시장을 형성해 더 나은 가치를 창출하는 수소에너지. 자동차의 역사를 바꾸는 것을 넘어 새로운 시대를 여는 파급 효과를 일으키고 있습니다.
TECHNOLOGY | 수소전기차로 여는 수소사회의 나비 효과
수소에너지 핵심 기술 알아보기
무공해∙친환경
수소는 화석에너지와 달리 전기와 열로 전환될 때 물만 생성할 뿐 온실가스를 전혀 배출하지 않습니다. 때문에 미세먼지와 이산화탄소 등 환경문제에서 자유롭습니다.
고효율
수소에너지를 이용하는 연료전지의 효율은 전기만 생산할 때 50~60%, 폐열을 재사용할 때에는 80~90%에 육박합니다. 내연기관의 효율이 20~30% 것과 비교하면 매우 높은 수준입니다. 에너지원을 얻을 수 있는 방법도 여러 가지입니다. 수소는 우주 질량의 75%, 우주 분자의 90%를 구성하고 있을 만큼 부존량이 풍부해, 화석에너지는 물론 풍력∙태양광 같은 신재생에너지와 수전해 등 다양한 방식을 활용해 생산할 수 있습니다.
에너지 저장과 운반의 대량화
수소에너지는 천연가스, 석유, 석탄 등 화석연료나 물을 분해하여 얻을 수 있는 2차 에너지로서, 에너지 저장체 역할을 합니다. 태양광∙풍력 발전으로 생산한 전기에너지는 고정된 에너지저장장치(ESS)에 저장하기 때문에 무겁고 자연적인 에너지 손실도 발생하는 반면, 수소는 탱크나 수송관을 통해 운반할 수 있습니다. 일반적으로 수소는 고압 탱크에 압축하여 저장하는데, 영하 263°C로 냉각해 액화시키면 부피가 800분의 1로 줄어들어 저장∙운반이 용이해집니다.
에너지원의 일원화
지금까지는 자동차에는 석유, 난방에는 가스와 석탄, 발전에는 석탄과 원자력 등 소비 부문에 따라 별도의 에너지원을 사용해 왔습니다. 하지만 수소를 사용하면 자동차, 난방, 발전 등 모든 부문의 에너지원을 연료전지로 일원화할 수 있습니다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 에너지를 생산하는 설비로 지속적인 에너지 생산이 가능하고, 다양한 규모로 제작할 수 있습니다. 따라서 화석 연료, 신재생에너지, 원자력 등을 이용해 수소를 생산하고, 이를 연료전지를 통해 사용하는 방식으로 에너지원의 대전환과 통합이 가능해집니다.
수소에너지의 안전성
수소폭탄의 수소와 전혀 다른 수소에너지
‘수소’라는 단어 때문에 수소폭탄처럼 폭발하지 않을까 하는 의문은 수소전기차에 자주 제기되는 선입견이자 오해입니다. 수소전기차는 폭발할 수 있는 화학적 환경이 조성되지 않습니다. 왜냐하면 수소전기차에 사용하는 수소와 수소폭탄에 사용하는 수소는 전혀 다르기 때문입니다. 수소전기차에 사용하는 수소 분자(H₂)는 공기의 14분의 1 정도로 가벼워 1초에 24m를 날아가기 때문에 설령 누출된다 해도 공기 중으로 재빨리 희석됩니다. 수소폭탄에는 중수소(2H)나 삼중수소(3H)라는 특수한 수소가 쓰입니다. 수소폭탄이 터지는 핵융합 환경을 만들기 위해서는 1억℃ 이상의 고온과 고압에서 중수소와 삼중수소를 터트려야 합니다. 일반 수소로는 수소폭탄 제조가 불가능합니다.
화재와 충돌에도 안전한 수소연료탱크
수소연료탱크는 가장 높은 수준의 안전이 요구되는 부품 중 하나일 뿐만 아니라 인증 조건도 매우 까다롭습니다. 현대자동차그룹은 수소가 외부로 새어 나오지 않는 내투과성, 차량 화재 발생 시 폭발하지 않는 내화염성, 주행 중 충돌 사고 등에도 안전한 내충격성 등 주요 안전 항목뿐 아니라 국내는 물론 유럽을 넘어 가장 가혹하다는 UN의 세계 통합 규격까지 만족시키고 있습니다.
실시간 작동되는 수소 누출 감지 센서가 있어 화재로도 이어지지 않습니다. 만약 주행 중에 수소 누출 또는 외부 물질의 충돌에 의한 수소 누출이 감지되면, 운전석 전면 디스플레이를 통해 운전자에게 경고하거나 수소연료탱크 밸브를 차단해 수소 공급을 중단합니다.
Value-Chain
수소생태계 구축과 확장
수소경제는 크게 수소 생산-수소 저장∙운송-수소 활용의 3가지 밸류체인으로 구성됩니다.
1. 수소 생산
현대자동차그룹은 수소 생산을 위한 장∙단기 플랜을 동시에 진행하고 있습니다. 수소는 생산 방식에 따라 석유화학산업 공정 과정에서 부산물로 생성되는 부생수소, 천연가스 등에서 추출하는 추출수소, 재생에너지로 물을 전기분해해서 얻는 수전해수소로 나뉩니다. 수소 모빌리티 확대를 위해서는 수소 가격을 낮추는 것이 필수 조건이기 때문에, 단기적으로는 고비용의 수전해수소 대비 비용 경쟁력이 있는 추출수소의 대량 생산이 중요합니다. 이 과정에서 CO2 저감 기술을 접목한 수소추출기를 활용해 환경오염을 줄이고자 합니다.
장기적으로 부생수소, 추출수소와 같은 ‘블루수소*’를 넘어 신재생에너지를 활용한 수전해 기술로 ‘그린수소*’ 생산에 집중하려 합니다. 태양광∙풍력 등 신재생에너지로 생산한 친환경 전력으로 만든 수전해수소는 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 없어 ‘그린수소’라 불립니다. ‘그린수소’ 생산의 경제성 확보 방안과 더불어, 메탄 열분해와 같은 탄소를 타 산업군의 재료로 활용할 수 있는 수소 생산 기술 확보로 단가를 낮추고, 이를 통해 산업 전반에 수소에너지가 활용 가능한 수소생태계를 구축하고자 합니다.
*그린수소 : 재생에너지원으로 물을 전기분해해 생산한 수소. 생산과정에서 이산화탄소 배출이 없어 친환경적.
*블루수소 : 이산화탄소를 포집해 분리, 저장하는 방식으로 생산한 수소
2. 수소 저장∙운송
수소의 저장∙운송 과정은 비용 경쟁력 확보와 직결됩니다. 현대자동차그룹은 저장∙운송 방식의 고효율화와 대용량화를 통해 비용을 낮추고자 합니다. 이를 위해 장거리∙대용량 운송에 필요한 액화수소, 암모니아∙액상유기화합물과 같은 액상 물질, 고체 저장 방식에 대한 기술 확보를 추진하고 있습니다. 또한 그린수소 확보를 위해 수전해 외에도 재생에너지가 풍부한 호주, 중동 지역으로부터 생산된 수소를 액화수소 또는 암모니아 형태로 운송해 국내에 도입하는 협력 체계 구축을 진행하고 있습니다.
3. 수소 활용
현대자동차그룹은 수소에너지를 자동차와 트럭뿐 아니라 수소드론, 수소선박, 기차와 도심형 항공 모빌리티(UAM) 등 다양한 분야에 활용할 예정이며, 에너지∙철강∙화학∙신소재 등 연관 산업의 동반 성장을 촉진하는 등 이른바 ‘수소생태계’를 구축해 나가고 있습니다.
미래 모빌리티
도심형 항공 모빌리티(UAM), 드론 택시 등 PAV(개인비행체) : 항공업계는 차세대 동력원으로 수소연료전지, 수소연료터번, 수소합성연료 등에 주목하고 있습니다. 현대차가 미래 모빌리티 비전으로 제시한 도심형 항공 모빌리티(UAM)에는 중장거리의 경우 수소 연료전지, 장거리에는 수소터빈 등이 활용될 예정입니다.
운송
수소선박 : 현재 선박은 화석연료 기반의 중유나 디젤∙가스오일로 움직이는 내연기관을 쓰기 때문에 소음과 매연 문제가 필연적으로 따라옵니다. 유럽위원회에 따르면 전 세계 탄소 배출량의 2.5%가 선박에서 발생합니다. 2050년까지 선박 분야 역시 온실가스 배출량을 줄여야 하기 때문에 소형 선박의 동력원, 대형 선박의 보조전원이나 수소 기반 합성 연료로 수소에너지는 다양하게 활용될 예정입니다. 환경은 물론 어민들을 위한 조업 환경을 개선하기 위해서도 수소선박은 훌륭한 해답입니다.
수소전기열차∙트램 : 현대차와 현대로템이 함께 개발하고 있는 수소전기열차와 트램은 전선 없이 달립니다. 따라서 변전소 등의 급전 설비가 필요하지 않아 전력 인프라 건설 및 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다. 무엇보다 열차는 운송 거리가 멀고 많은 이들이 이용하는 이동 수단이라는 점에서 물 이외의 오염 물질을 배출하지 않는 수소에너지의 친환경성과 효용성이 큰 운송수단입니다. 디젤열차를 수소전기열차로 대체할 경우 에너지 생산 전 주기에서 이산화탄소 배출을 51.9% 저감할 수 있습니다. (자료 출처: 국토교통부와 미국 비영리단체 참여 과학자 모임 UCS(Union of Concerned Scientists))
디젤동차와 기관차뿐 아니라 도심 운행으로 정숙성과 친환경성에 대한 요구가 특히 높은 트램 역시 수소연료전지를 장착해 탈탄소화를 앞당길 수 있습니다.
건설기계
수소지게차∙굴착기 : 2020년 9월 현대차와 현대모비스, 현대건설기계가 수소지게차 개발에 성공했습니다. 기존 지게차는 경유를 주유하거나 전기를 오랜 시간 충전해야 하지만, 수소지게차는 수소를 탱크에 채운 후 연료전지 시스템 내에서 화학적 반응을 통해 전력을 얻습니다. 이번에 개발된 수소지게차는 최대 5톤에 이르는 화물을 들어 올릴 수 있습니다. 이는 현존 수소지게차 가운데 적재 중량이 가장 큰 수준으로 세계 최초의 수소에너지 기반 중대형 건설기계가 될 예정입니다. 수소지게차에 이어 수소굴착기도 2023년 상용화를 목표로 개발 중입니다.
발전용∙가정용∙건물용
수소연료전지 : 수소사회로의 전환에 무엇보다 중요한 역할을 하는 것이 수소연료전지입니다. 수소연료전지는 자동차는 물론 가정, 산업 현장에서도 지속적으로 사용 가능하기 때문입니다. 현대자동차그룹은 수소차에 적용하는 수소연료전지를 기반으로 이를 발전 분야에 확대 적용하여 규모의 경제를 이룬다는 비전을 갖고 있습니다.
수소연료전지 발전은 효율이 높고 이산화탄소 배출이 전혀 없으며 소음이 적어 도심지에 소규모로도 설치가 가능합니다. 따라서 진정한 의미의 친환경 분산전원으로 주목받고 있습니다. 또한 태양광·풍력 등의 다른 신재생에너지가 지리적 여건이나 자연환경에 따라 편차가 심하고 간헐적 발전으로 생산량이 불규칙하다는 단점이 있는데 반해, 수소연료전지는 환경 영향 없이 지속적인 에너지 생산이 가능하고 빠른 발전량 변경을 통해 전력망 안정화에 기여할 수 있습니다. 또한 수소연료전지를 활용해 전력을 생산하고, 그 과정에서 부산물로 발생하는 열을 회수하여 주거와 상업용 건물에 냉난방과 온수를 공급하는 열병합발전용 수소연료전지 기술로까지 확대 가능합니다.
현대자동차그룹은 단기적으로 부생수소를 활용, 장기적으로는 그린수소와 연계해 발전 시스템을 진화시켜 나갈 계획입니다. 나아가 향후 수소 파이프라인이 보급되는 미래에는 건물에서 수소연료전지 자가발전을 통해 에너지 자급 및 열 활용이 가능하도록 확대할 방침입니다.
ROAD MAP | 수소사회를 향한 비전과 연대
2030년 연간 50만 대의 수소전기차 생산체제를 구축을 발표한 현대자동차그룹의 수소 프로젝트는 완성차 개발에만 국한된 것이 아닙니다. 현대자동차그룹은 계열사 및 유수의 국내외 단체, 기업들과 함께 수소연료전지 기술의 타 산업으로 확대 및 수소 충전 인프라 확충 등에 앞장서고 있습니다.
현대자동차그룹
| 협력처 | 프로젝트 내용 |
|---|---|
| 현대모비스 | 세계 최대 규모 수소전기차 핵심부품 생산단지를 구축, 수소연료전지 모듈 생산(충주공장) |
| 현대제철 | 부생가스를 활용한 수소 생산, 수소전기차용 금속분리판 공장 가동(당진제철소) |
| 현대로템 | 수소리포머 공장 설립및 생산(의왕연구소), 수소 충전설비 공급 사업 시작, 수소연료전지 철도차량 공동 개발 |
국내
| 협력처 | 프로젝트 내용 |
|---|---|
| 한국가스공사 | 수소 인프라 공동 사업과 기술 개발, 해외 그린 수소 도입, 상용수소전기차용 융복합 충전소 조인트벤처 설립, 이산화탄소 포집 활용 기술 공동 개발 |
| 현대건설, 글로비스, 한국가스공사, 한국조선해양, Woodside | 해외 그린수소 도입의 일환으로 호주 재생에너지로 생산된 그린수소를 액화 및 암모니아 형태로 국내 운송하여, 충전소에 공급하는 협력 체계 구축 |
| 한국동서발전 | 울산화력본부 내 1㎿급 수소연료전지 발전 시범운영 |
| 강원도 | 수소선박용 수소연료전지 개발 및 공급 |
| 지자체 | 수소전기버스 보급 및 운행(창원, 광주, 울산, 서울, 부산, 서산, 아산 등) |
| 한국도로공사 | 고속도로 휴게소 및 대도심에 수소충전소 구축 |
| 두산퓨얼셀 | 마이크로그리드용 연료전지 분산발전 공동 실증 |
해외
| 협력처 | 프로젝트 내용 |
|---|---|
| H2에너지(스위스) | 합작법인 ‘현대 하이드로젠 모빌리티’ 설립 |
| 임팩트 코팅스(스웨덴) | 수소연료전지 핵심기술 공동개발 |
| H2Pro(이스라엘), GRZ 테크놀로지스(스위스) | 수소 생산·저장 부문 혁신기업 협력 |
| Hazer(호주) | 액상유기수소운반체 기술 도입 협력 |
| 하이드로지니어스(독일) | 수소를 암모니아 형태로 저장해 운송하는 혁신적 수소 인프라 구축 |
| Air Liquide, Nel, Shell, Toyota | 대용량 수소충전기술 국제표준화 및 수소차 충전 부품 개발 협력 |
| 사우디 아람코(사우디아라비아) | 수소에너지 확산 전략적 협력 |