수소연료전지 활용한 탄소중립 미래 수소전기차와 수소선박

건강한 삶을 리뷰하는 Heeee 2024.11.30 조회수

안녕하세요!

인천 탄소중립 청년 서포터즈

에코커넥트팀의 강희수입니다 :0

오늘 소개 해 드릴내용은 저번 소개해드린

그린 암모니아와 수소산업에 이어지는 내용으로,

수소연료전지라는 핵심 기술을 통하여

에너지효울을 끌어올리면서

동시에 우리 미래에 가장 중요한 부분으로

다가올 탄소중립을 실천할 수 있는

방안으로서 활용되는 내용을

담아보았습니다.

수소연료전지에 대해서

기후 변화와 에너지 자원의 고갈 문제로 인해 지속 가능한 에너지원의 중요성이 날로 커지고 있습니다. 수소연료전지는 이러한 문제를 해결할 수 있는 친환경적이고 고효율적인 차세대 에너지원으로 주목받고 있습니다. 수소연료전지는 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생산하며, 물만을 배출하는 친환경적인 장치입니다. 이 과정은 여러 물리학적 원리들의 조합으로 이루어져 있습니다. 대표적으로 수소연료전지와 관련된 원리는 4가지가 있습니다.

1. 전기화학적 원리

수소연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기화학적 장치입니다.

음극 반응: 수소(H₂)가 촉매를 통해 양성자(수소 이온, H⁺)와 전자로 분해됩니다.

양성자는 전해질을 통해 양극으로 이동합니다.

전자는 외부 회로를 통해 양극으로 전달되며 전류를 생성합니다.

양극 반응: 산소(O₂)가 양성자와 전자와 반응하여 물(H₂O)을 형성합니다.

이러한 반응은 에너지 손실이 적고 높은 효율로 화학 에너지를 전기로 변환합니다.

2. 열역학적 원리

수소연료전지는 화학 반응에서 방출되는 에너지를 효율적으로 전환합니다.

에너지 변환 과정: 연료전지는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하여, 기존 연소 엔진에서 발생하는 열에너지 손실을 최소화합니다.
자유 에너지 변환: 수소와 산소의 반응 에너지가 주로 전기 에너지로 변환되며, 일부는 열로 방출됩니다. 이는 높은 효율을 보장합니다.
효율성: 연료전지는 기존 에너지 변환 장치보다 높은 효율을 가지며, 이는 에너지원의 효과적인 활용을 가능하게 합니다.

3. 촉매 작용

화학 반응 속도를 높이기 위해 연료전지는 촉매를 사용합니다.

백금 촉매: 주로 백금과 같은 고가의 금속이 촉매로 사용되며, 반응의 활성화 에너지를 낮추어 반응이 빠르게 일어날 수 있도록 돕습니다.
음극 촉매 반응: 수소 분자가 촉매에 의해 양성자와 전자로 분리됩니다.
양극 촉매 반응: 산소가 촉매를 통해 전자와 양성자와 결합하여 물을 형성합니다.

촉매는 낮은 온도에서도 효율적인 반응을 유지하도록 하며, 이는 연료전지의 전력 생산성과 효율을 높이는 핵심 요소입니다.

4. 이온 전도성

이온 전도성은 연료전지가 작동하는 데 필수적입니다.

전해질의 역할: 양극과 음극 사이의 이온 이동을 돕는 전해질은 전기 회로를 완성합니다.
고분자 전해질 막(PEM): 양성자(H⁺)만을 선택적으로 이동시키며, 낮은 온도에서 작동합니다.
고체 산화물 연료전지(SOFC): 산화물 이온(O²⁻)이 이온 전도체로 작용하며, 고온에서 효율적으로 작동합니다.
안정성: 이온 전도성이 높은 전해질은 전기적 절연을 유지하면서 안정적으로 반응을 촉진합니다.

수소연료전지의 장점

친환경성: 연료 사용 후 물만 배출하므로 환경오염을 줄입니다.
고효율: 화석 연료 대비 높은 에너지 효율로 에너지 손실이 적습니다.
다양한 응용 분야: 발전소, 차량, 드론 등 여러 분야에 활용 가능합니다.
재생 가능 에너지와의 연계: 재생 에너지를 통해 생산한 수소를 사용함으로써 탄소 중립 실현에 기여합니다.

수소연료전지 상용화 사례

수소전기차와 수소 선박

수소연료전지는 고효율, 친환경 에너지원으로 수소경제 실현의 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. 이 기술은 다양한 형태로 상용화되고 있으며, 그 대표적인 사례가 수소전기차와 수소 선박입니다.

1. 수소전기차

수소전기차 배터리 원리, 출처: 현대자동차

수소전기차는 수소연료전지를 통해 수소와 산소의 화학 반응에서 전기를 생성하여 자동차를 움직이는 친환경 차량입니다.

작동 원리

연료전지 스택

고압으로 저장된 수소는 수소탱크에서 공급되어 연료전지 스택으로 이동합니다.

외부 공기 공급 시스템을 통해 들어온 산소와 수소가 전기화학 반응을 일으켜 전기 에너지를 생성합니다.

구동모터

생성된 전기는 구동모터를 통해 운동에너지로 변환되어 자동차를 움직이게 합니다.

배기물

화학 반응의 부산물은 오직 순수한 물(H₂O)만 배출되므로 대기오염을 일으키지 않습니다.

주요 시스템

수소공급 시스템

고압 수소를 적절한 압력으로 낮추어 연료전지로 공급합니다.

공기공급 시스템

외부 공기를 정화한 후 연료전지의 화학 반응에 필요한 산소를 제공합니다.

열 관리 시스템

연료전지 작동 중 발생하는 열을 외부로 방출하고 냉각수를 순환시켜 연료전지의 온도를 일정하게 유지합니다. 이는 연료전지의 수명과 성능에 중요한 영향을 미칩니다.

2. 수소 선박

액체수소(LH2) 운송선박, 출처: 한국선급

수소연료전지는 수소전기차를 넘어 선박에도 도입되고 있습니다. 국제해사기구(IMO)의 탄소 배출 규제 강화로 인해 수소 선박은 친환경 대안으로 떠오르고 있습니다.

작동 원리

기본 원리

수소 선박은 수소전기차와 동일한 원리로 작동하며, 연료전지에서 수소와 산소가 반응하여 전기 에너지를 생성합니다.

차이점

대형 선박에 적용되기 위해서는 연료전지 출력 증대와 더불어 높은 안전성을 보장할 수 있는 기술이 필요합니다.

수소 저장 방법

수소선박에서 연료저장 시스템은 매우 중요한 역할을 하며, 다양한 방식으로 수소를 저장할 수 있습니다. 각 방법은 장단점이 뚜렷하며 선박의 종류와 용도에 따라 적절한 선택이 필요합니다.

압축수소

특징: 고압 상태(350~700bar)로 압축하여 저장.

장점: 연료전지에 바로 공급 가능.

단점: 부피에너지 밀도가 낮아 대형 선박에는 부적합.

액체수소

특징: -253°C 이하에서 액화된 수소를 저장.

장점: 압축수소 대비 부피에너지 밀도가 높음.

단점: 초저온 유지 필요로 인해 저장 비용이 높음.

LNG 및 메탄올

특징: 천연가스(LNG)나 메탄올을 사용하여 수소를 추출.

장점: 기존 연료 인프라 활용 가능.

단점: 화석 연료 기반으로 일부 탄소 배출 발생.

암모니아

특징: 암모니아 분해를 통해 수소를 생산 및 공급.

장점: 탄소 배출량 ‘0’.

단점: 암모니아의 유독성 문제.

3. 해결 과제: 친환경적인 수소 생산

수소연료전지의 원리를 설명하는 모식도 「출처: 기후변화경제」

수소연료전지는 친환경적이지만, 수소 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 발생한다는 한계가 있습니다. 현재 상용화된 대부분의 수소는 화석 연료를 기반으로 생산되고 있습니다.

기존 수소 생산 방식

천연가스 개질

천연가스를 고온에서 반응시켜 수소를 추출하는 방식으로, 생산 비용은 저렴하지만 이산화탄소를 배출합니다.

부생수소

석유화학 공정에서 부산물로 나오는 수소를 활용하지만 생산량이 제한적이고 역시 탄소 배출이 발생합니다.

그린 수소 생산 방식

수전해

태양광이나 풍력과 같은 재생에너지를 통해 물을 전기분해하여 수소를 생성합니다.

오스트레일리아의 필바라 사막 사례

이 지역에 대규모 태양광 패널을 설치해 재생에너지로 수소를 생산하는 설비를 건설 중입니다.

바이오 가스 활용

재활용 종이와 플라스틱을 고온으로 가열해 바이오 가스에서 수소를 추출하는 방식도 연구되고 있습니다.

수소연료전지의 미래와 탄소중립

이렇듯 수소연료전지는 친환경 에너지로서 미래 에너지 전환의 핵심 기술로 자리잡기에 충분한데요. 수소전기차는 이미 상용화에 성공하여 전 세계적으로 보급이 확대되고 있으며 수소 선박은 대형 교통 수단에서도 탄소 배출을 줄이는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

하지만, 수소의 친환경 생산이 뒷받침되지 않으면 온전한 탄소 중립 실현은 어렵습니다. 재생에너지를 활용한 그린 수소 생산 기술은 향후 수소경제의 성공 여부를 결정짓는 중요한 요소가 되지 않을까요.