고놈의 LIFE STYLE

  수소 전지 자동차는 내연기관 자동차 세대의 뒤를 잊는 차세대 에너지 자동차의 몇몇 주축 중 하나임이 분명함에도 아직 개선해 나가야 할 부분이 많습니다. 지난 글에서도 단점들을 많이 지적했지만 특히나 개선해 나가야 할 부분에 대해서 조금 더 다루어 보고자 합니다.

  우선 수소전지 자동차의 발전효율입니다. 수소 연료 전지 자동차에서 일반적으로 적용하고 있는 고체고분자형 연료전지의 발전효율은 약 30% 정도로 발전효율이 나쁘다고 할 수 있습니다. 이는 복합 사이클 발전을 사용하지 않는 화력발전소의 효율보다 낮습니다. 발전 효율을 끌어올릴 수 있는 기술의 개발과 보급이 수소자동차의 발전에서 큰 과제로 남아있으며 아직 30%의 효율이라는 점은 발전할 수 있는 효율의 영역이 70%가 남았다는 의미이기도 하기 때문에 그 영역을 정복하게 된다면 수소 전지는 훨씬 큰 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대됩니다.

  다음은 수소의 조달에 관한 부분입니다. 수소는 자연상태 그대로에서 바로 얻을 수 있는 형태는 없으며, 석탄연소의 부산물인 부생수소, 갈탄, 천연가스의 개질, 바이오매스, 물의 전기분해 등에 의해 조달하게 됩니다. 하지만 이때 이산화탄소의 발생이나 조달효율 등의 과제가 남아있으며, 특히나 큰 에너지를 소비하는 물의 전기분해에서는 우리가 필요한 만큼 충분한 수소를 얻기 위해서는 또한 필요조건이 많아 현실성이 떨어집니다. 가장 많이 쓰이고 있으며 효율이 좋은 방법은 천연가스의 개질이지만 이는 화석 연료에서 수소를 생산하기 때문에 이는 우리가 가솔린 자동차를 타면서 환경에 영향을 주는 것과 비슷한 정도의 영향을 주는 것이기 때문에 목적성에서 물음표를 가지게 합니다. 수소를 추출해 내는 과정에서 환경에 영향을 주지 않아야 하며 추출 시 비용과 효율면에서도 기대에 부응할 수 있는 수소 조달방법을 찾아내는 것이 과제입니다.

  수소를 저장하는 방법 또한 개선되어야 할 사항입니다. 수소는 그 자체로는 에너지 밀도가 낮기 때문에 수소차량에서는 수소를 350~700 정도 수치의 기압으로 저장하게 되는데 이런 고압으로 저장하게 될 경우 압축에 큰 에너지가 필요하게 됩니다. 수소를 표준 상태의 완전 기체로 간주하고, 압축에 수반하는 열 에너지는 회수할 수 있고 온도 변화는 없다고 가정하더라도 1 기압에서 700 기압으로 압축하는 데에는 1몰 달 약 15KJ이 필요합니다. 압축과 관련해서 이를 대체할 말한 유기 하이드라이드나 암모니아 등을 수소 캐리어의 이용도 검토되고 있긴 하지만, 정제에 필요한 에너지나 순도, 촉매나 분리막의 내구성 등의 다양한 문제점이 있기 때문에 실용화에 이르지는 못하였습니다.

  에너지 효율의 문제 역시 과제로 남아있습니다. 물의 전기 분해에 의한 수소 제조에 투입하는 에너지와 제조된 수소가 저장이나 수송을 거쳐 동력이 되어 최종적으로 자동차의 타이어로 전해지는 구동에너지의 비는 예전 자료에 의하면 압축 수소를 사용하는 경우 22%, 액체 수소의 경우는 17%에 그친다고 보고된 바 있습니다. 전기분해는 가장 에너지투자효율이 나쁜 조달 방법이긴 하지만 위의 수치는 가장 나쁜 경우의 수치이며 조달 방법에 따라 2~3배 정도 개선이 가능합니다.

  이에 반해 기존 가솔린차의 효율은 13%, 가솔린 하이브리드 차의 효율은 22% 정도이지만 현대 가솔린의 에너지 투자 효율은 평균적으로 300% 정도 이기 때문에 가솔린 제조에 투입하는 에너지에 대한 구동 에너지의 대략적인 비율은 가솔린차 40%, 가솔린 하이브리드 차 66% 정도가 됩니다. 

  또한 방대한 에너지를 사용하여 냉각 및 압축 그리고 운반을 실시하기 위해 Well-to-Wheel효율(유전으로부터 바퀴까지의 종합적인 자동차 효율), 즉 1차 에너지의 채굴로부터 차량 주행까지의 효율을 살펴보면 연료전지 자동차는 전기 자동차에 비해 크게 뒤떨어져 있는 것이 사실입니다. 과거 2009년 자료에 따르면 재생 가능에너지에 의한 전력이라면 이를 이용한 전기분해에 의해 수소를 생성 아여 압축 아여 연료전지 자동차에 충전하는 것보다 그대로 전기차로 충전하는 편이 Well-to-Wheel 효율에서 3배 정도 우수하다고 합니다. 우리가 잘 알고 있는 테슬라의 CEO, 일론 머스크는 지난 2015년 "수소 스테이션에서 수소를 옮길 때 사용하는 전기로 테슬라의 전기차는 100km 이상을 달린다."라고 말한 바 있으며 2016년 발언에서는 'Fuel Cell'이 아닌 'Fool Cell'이라고 수소전지 차량에 대해 비판한 바 있습니다. 

  수소는 원래 공급이 불안정한 재생가능 에너지를 리튬 이온보다 가벼운 물질로 저장하기 위한 방법으로 주목되었지만, 수소 탱크의 질량이 100kg을 넘고 있으며, 전기 분해에 80% 전후의 열효율과 FC스택에 의한 발전으로 30% 전후의 열효율을 보이고 있으며, 남은 에너지가 20% 대가 되기 때문에 수소에 의한 주행 특성의 장점은 없습니다. 수소 연료 전지는 출력 요구에 대한 반응성이 떨어지기 때문에, 주행 특성에서도 우위라고 할 수 없으며, 정치형에 비해 발열의 재이용이 한정적이기 때문에, 에너지의 밀도나 충전 시간 등 배터리의 성능이 향상되었을 때에는 수소에 의한 연료전지의 존재가치는 또 한 번 모호해지게 됩니다.

  예전 언젠가 수소차와 전기차를 고민한적이 있던 저로서는 당시 충전 시간, 그리고 흔할것이라고 생각했던 수소에 대한 착각 등으로 수소차에 무게를 실고 차를 고민하던 적이 있었습니다만 여러가지 내용들을 접하고 나니 수소자동차는 현 시점에서는 조금 심각하게 고려를 해야할 사항이 아닌가 싶습니다.