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수소차의 시대가 오려나 - 수소의 골 때리는 특성 by 천하귀남

얼마전 엘론 머스크가 수소 차량에 대한 부정적인 의견을 내서 이러저런 말이 있었습니다. 그것에 관한 이야기를 좀 하려 합니다.

차세대 에너지원으로 수소에 대한 이야기가 많습니다. 위에서 보듯 수소의 중량 당 에너지는 정말 엄청납니다. 그렇지만 생각외로 활성화가 되지 못하는데 여기에는 몇 가지 이유가 있습니다.

1. 수소 액화의 어려움
수소는 영하 253도에서 액화됩니다. 절대영도에서 33도 차이입니다. 천연가스의 액화 온도인 162도 보다도 근 100도 남짓 내려가야 합니다. 천연가스에서 보면 액화로 운반하는것은 아주 거대한 LNG선에서 엄청난 두께의 단열재로 감싸고 그래도 기화하는 가스를 다시 재액화하는 엄청난 크기의 설비가 필요합니다. 액체로 저장하기 위한 지상 설비도 엄청난 규모가 필요합니다. 액화가 어려우면 저장과 운반에 필요한 부피가 엄청나게 늘어 효율이 매우 낮아 집니다.

여기에 저 극단적으로 낮은 액화 온도는 상당수 재료에서 저온 취성파괴의 문제를 일으킵니다. 극단적으로 차가워진 물체가 충격에 쉽게 깨지는 문제입니다. 이러니 액화수소를 다루는 설비도 보통 복잡한 것이 아닙니다.

2. 수소 취성
수소 원자핵은 양전자 하나입니다. 그만큼 수소원자나 분자의 크기는 작아 상당수 물질에 결정 틈 사이로 스며드는 것이 가능합니다. 헌데 스며드는 정도가 아니라 결정 경계의 틈에서 미끄러지게 하는 효과를 내서 수소가 스며들면 물질의 강도가 내려가는 문제가 생깁니다. 도금이나 산세척등의 수소가 생기는 과정을 거치는 물건은 이 문제가 자주 이야기 됩니다. 스며든 직후에 바로 생기는 경우도 있지만 어느정도 시간이 지나야 생기기도 해서 파악도 쉽지 않습니다. 해결을 위해서 고온에서 장시간 열처리 하라는 말이 보이기도 하더군요.
추가적으로 액화한 수소는 저 위에 언급한 저온 취성이 겹치니 정말 환장할 공치거리가 됩니다.


3. 고압력 기체 운반
결국 현재 특히 자동차 분야에서 쓰이는 수단은 고압의 기체상태로 운반하는 것입니다. 대충 자동차는 700기압 정도 압축합니다. 하지만 이 700기압의 압축도 액화에 비하면 밀도가 낮습니다. 액화했을때 만큼의 효율이 없습니다. 여기에 700기압은 기체치고 상당한 고압입니다. 이걸 보관할 용기의 두께와 중량도 상당하고 배관도 두꺼워야 합니다. 연료통의 경우 원형이나 양쪽이 반구인 원통형으로 모양이 제약되서 다양한 형태로 구성 가능한 가솔린 연료통만큼 효과적이지 못합니다. 현대의 수소차인 넥소의 경우 저 부피 문제로 연료통을 3개로 분할해 설치 했다고 합니다.

그리고 저걸 수소스테이션으로 대량운반하는 차량은 200~400기압으로 낮춘 다수의 탱크를 갖춘 전용 운반차를 사용중입니다. 기압이 낮으니 효율이 더 내려가는데 수소가 도시지역에서 폭팔하면 생기는 문제로 기준 완화도 어렵습니다.

4. 전국망 구축의 문제
궁국적으로 나라 전체에서 사용하려면 일일이 차로 옮길 수는 없습니다. 배관망을 깔아야 하는데 위에 언급하듯 액화가 현실상 어려우니 도시가스(천연가스)처럼 전국적인 배관망을 깔아야 합니다. 여기서 기존 도시가스 배관망을 보면 수조원을 들여 30년째 깔고 있습니다. 아직도 한참 남았습니다. 이러니 수소 배관 문제는 참 기약없긴 하지요.

여기에 이 도시가스 전국망의 초기 설치 단계에 벌어진 대구지하철 공사장 가스폭발과 아현동 폭발사고의 사례처럼 전국망 설치 초기에 어느정도 사고 위험도 고려해야 합니다.

5. 경제성 - 만들어도 돈이 되나?
위의 절너 다양한 문제를 해결하려면 결국 돈이 들어갑니다. 이것을 절대 무시할 수 없습니다. 그런데 규모의 경제나 복잡도에 따른 비용증가를 고려하면 자동차와 같은 작은 장치는 우주로켓, 비행기 등과 수소 전환 비용이 매우 더 들어갑니다. 극단적으로는 현재 가솔린 대비 10%의 비용절감만 가능할 거라는 이야기도 있으니 주의가 필요하긴 합니다. 지금이야 수소는 그저 돈만 더 잡아먹는 단계긴 합니다.

뭐 이래저래 악담만 늘어놓은 셈이지만 이런 문제를 해결하기 위한 노력은 지금 한참진행중이고 하니 지켜봐야할 문제긴 합니다. 하지만 단기간에 해결될 문제가 아니긴 합니다.

P.S
수소를 암모니아로 전환해 운반하는 이야기도 있는데 이건 더욱 연구가 필요합니다. 일단 암모니아는 안구나 피부에 화학화상 일으키는 유독성이 제일 문제이고 이 암모니아도 가연성에 폭발성을 가진 것이라 도심지 내 대량 운송은 오히려 수소보다 난감합니다. 안전기준에 다른 곳에 없는 배관을 용접한 뒤 열처리 하라는 지침이 있는데 그만큼 설비조건도 까다로운가 합니다.
그리고 수소를 암모니아로 전환하고 다시 암모니아를 수소로 바꾸려면 에너지가 막대하게 필요합니다. 이것도 해결 해야 합니다.

덧글

  • shaind 2022/05/27 11:41 # 답글

    기계와 재료 같은 전문지에서도 용어를 정확하게 쓰지 못하는 걸 보니 기분이 안좋네요. 저기 나온 Wh/kg는 절대로 에너지"밀도"라는 용어가 사용될 수 없는 단위인데 말이죠.

    분모에 부피(/m³)가 붙은 값에만 '밀도'라는 용어가 붙을 수 있죠. /kg가 분모로 붙은 값은 비xx(specific xx) 라는 용어를 써야 하기 때문에 Wh/kg는 '비에너지(specific energy)'라는 용어를 써야 합니다.

    왜 이게 문제냐면 수소는 에너지밀도가 낮은 축에 속하기 때문이고 그건 본문에서도 지적되고 있는 문제죠.


    각설하고 수소는, 고양이 목에 방울 달기 급인 수소를 어디서 구하냐의 문제를 해결한다면, 화합물 형태로 보관 운송되는 것이 차라리 경제성이 있을 거라고 생각됩니다. (최근에는 암모니아를 중심으로 논의되는 중.)물론 이 경우에 화합물로 변환하고 수소를 추출하는 시설이 가용한 대규모 공정에서 활용도가 있겠죠. 모빌리티나 일상 에너지원 외에도 어마어마한 탄소배출이 일어나는 플랜트나 제철 같은 곳에는 꽤 유용할 것 같습니다. 물론 사람들이 피부로 느낄 일은 거의 없겠죠.
  • 천하귀남 2022/05/27 13:13 #

    암모니아는 위에 따로 달았습니다. 이것도 안전관련 연구가 매우 필요해 보입니다.
    여하간 수소는 아직 연구가 많이 필요합니다.
  • shaind 2022/05/27 14:51 #

    애초에 일상생활용으로는 순전히 전기(와 배터리)를 사용하는 것에 거의 아무 문제가 없는 시대가 올 것이라고 보입니다. 수소는 배터리가 적용불가한 영역에서나 주류가 될 수 있겠죠. 그리고 그런 영역에서는 암모니아도 경쟁력이 있을 것이구요. 수소든 암모니아든 일상 곁으로 들어올 수 있는 물질은 아닙니다.
  • 천하귀남 2022/05/27 15:16 #

    문제는 자동차 동력원으로 수소 연료전지입니다. 뭐 이것도 아직 한참 더 연구해야 하긴 합니다.
    암모니아는 누출했을때 독성 문제 때문에 자동차는 물론이고 산업적 이용도 여러모로 골아픕니다.
  • shaind 2022/05/27 16:00 #

    스쿠터에서부터 버스 크기까지는 배터리로 커버 가능하고 수소를 필요로하는 건 그 이상급인데 그런 정도의 대형 차량은 일상용이라고 하기는 좀 그렇죠. 잘해야 공사장이나 물류센터 정도에서나 볼 수 있으니까...

    일반적으로 수소를 안전하게 저장하는 것보다 암모니아를 누출 없이 보관하는 것이 훨씬 쉽습니다. 유일하게 문제가 되는 거라면 충전시의 누출 정도인데 그래서 승용으로는 부적합하죠.
  • 천하귀남 2022/05/27 16:03 #

    암모니아 사고로 죽는 사람이 국내도 제법 나옵니다. 암모니아 설비 안전규정에 대해 알아보고 이야기 하시는 것이 좋을듯 합니다.
  • shaind 2022/05/27 16:06 #

    암모니아 때문에 몇 명이 죽느냐는 건 아무 의미가 없습니다. 암모니아는 이미 널리 쓰이고 있고 일반적으로 안전을 확보할 수 있다고 간주되는 물질이지만, 수소가 사람을 얼마나 죽이느냐는 건 수소가 암모니아 정도로 널리 쓰이고 난 다음에야 측정가능할 테니까요.
  • 천하귀남 2022/05/27 16:10 #

    암모니아 때문에 몇 명이 죽느냐는 건 아무 의미가 없습니다. 이게 하실 말인가 합니다.

    지금도 죽어 나가는데 시설규모 더 커지면 죽는사람 늘어나는건 당연합니다. 그걸 모르시나요?

  • shaind 2022/05/31 11:47 #

    그건 할 말 정도가 아니라 당연한 말이죠. 암모니아 대신에 수소를 늘리면 암모니아보다 사람이 덜 죽을 거라는 근거가 딱히 없는(아무도 해본 적이 없으니까) 상태라면 말입니다.
  • 천하귀남 2022/05/31 12:03 #

    암모니아의 위험성에 대해 이야기 했는데 그 부분 언급은 안하시는 군요. 참 자기 말에 근거는 안 대십니다.
    이런식이면 더 논의 안 하겠습니다. 앞으로 이 블로그에 덧글은 사양하겠습니다. 차단하겠습니다.
  • 함월 2022/05/27 15:18 # 답글

    지금으로서는 암모니아가 최적으로 보이긴 합니다. 단점이 많지만 100년 이상 대량 생산, 관리한 설비와 기술이 있는 익숙한 물질이라는 이점이 크죠.
    특히 에너지의 수송과 저장 수단으로서의 수소를 중시한다면 암모니아만 한게 없을 것 같습니다.
    한동안은 배로 들여온 암모니아를 항구의 대규모 플랜트에서 저장/분해해서 수소로 공급하거나, 태워서 전력으로 공급하는 스타일이 되지 않을까요?

    인프라면에서는 도시가스에 수소를 일부 섞는 방식으로 기존 도시가스 인프라를 이용하는 연구가 있었던 걸로 기억하는데 어떻게 되고 있으려나요...
  • 천하귀남 2022/05/27 15:55 #

    수소는 누출해도 독성문제는 없고 발화온도가 높아 그나마 안전하다 합니다.
    그런데도 폭발사고 못피하긴 합니다만...

    그러니 암모니아는 누출후 독성 특히 대형 시설의 사고로 누출하면 희생자가 얼마나 나올지 답이 안 나옵니다. 지금도 냉동기 쪽에서 죽는 사람 가끔 나옵니다. 그걸 대형화 한 LNG인수 기지 수준의 암모니아 시설이면 정말 극심한 반대가 생길겁니다. 당장 생각해 봐도 전시에 북한 미사일 날아드는 문제를 뭘로 할까 합니다.

    여기에 암모니아 생성과 수소추출에 들어가는 전력은 생각외로 막대합니다. 이거 채산성 나오기 힘들겁니다. 지금 암모니아는 전기가 아닌 석탄 연소 이용한 공정으로 채산 맞추고 있습니다. 전기이용한 생산은 채산 문제로 국내설비 팔아서 없습니다.

    도시가스에 수소 넣는 부분은 실 실험 들어간다고 하더군요. 헌데 거기서도 수소취성 문제 이야기 나오니 어찌될지 봐야 합니다.
  • shaind 2022/05/27 16:03 #

    수소는 발화범위가 그 어떤 기체보다 폭넓은 기체입니다. 발화점이 높은 것은 통상 문제가 안됩니다. 왜냐하면 작은 전기 스파크도 1000도 정도는 가볍게 찍어주니까요. 반대로 암모니아는 발화범위가 수소보다 훨씬 낮습니다. 발화위험에 있어서는 수소가 암모니아보다 훨씬 위험한 기체입니다. 암모니아 독성이 큰 문제지만 암모니아 누출은 독성 농도보다 훨씬 낮은 온도에서도 사람 코 같은 값싼 센서(...)로도 쉽게 감지가 됩니다.
  • 천하귀남 2022/05/27 16:18 #

    독성에 문제 없어 누출로 수백명 죽는 사례가 나오나 합니다. 폭발 독성 둘다 가진 암모니아가 폭발 위험의 수소보다 더 위험합니다.
  • dj898 2022/05/30 18:40 # 답글

    결국 생수 들이부어 차량에서 직접 수소를 발생 사용하는 차량을 만들리가 없죠...
    이래저래 수소 차량은 어쩌면 전기 차량보다 더 상용화 기간이 길지도 몰르겠네요.
  • 천하귀남 2022/05/30 21:08 #

    전기차에 비해 완성형이 나오는 데 10년 더 걸릴거라는 전망도 있기는 합니다. 헌데 전기와 다르게 수소공급을 할 스테이션과 배관망은 더 걸리지 않을까 합니다.
  • 홍차도둑 2022/05/30 22:32 # 답글

    가장 중요한 부분은 저장성입니다.
    현재까지 인류의 에너지를 책임진 여러 자원들의 특성 중 하나는 '저장의 용이성' 이었지요.
    에너지 밀도가 높고 어쩌고 보다는 '저장의 용이성' 이라는게 가장 최 우선적입니다.

    '저장의 용이성' 이라는 것은 단순히 '어디다 쌓아놓는 것'을 의미하는 것이 아니라 '어디든지 가지고 다니기 편할 것'도 같이 들어가야 하는 것을 말하지요. 거기에 '안정성'으로 인한 '여러 물적/인적 피해가 예상되지만 그 피해를 충분히 예방할 수 있다'는 것도 들어갑니다.

    그리고 이 '저장의 용이성'에 당연히 '경제적으로 그거 비용 얼마나 들어가?' 라는 말이 들어가죠.
    석유가 산업화 이후 등유를 지나서 자동차로 인해 '에너지원'으로 발돋음한 것으로 아는 분들이 많은데 실제 석유의 사용은 고대 바빌로니아까지 거슬러 올라가죠('나프타' 라는 말이 그때 이미 나왔으니까요...아스팔트는 일단 제껴놓고...)

    '저장의 용이성'이라는 문제를 제대로 해결하지 못한 물질이 산업에 등장했던 적이 극히 드물다는 것을 생각해 보면 말이죠...
  • 천하귀남 2022/05/31 08:19 #

    언론(을 빙자한 기업광고)친환경 미래 산업을 강조하는 것은 좋지만 이러저런 위험과 취급주의 사항을 빼고 언급하는 것은 주의해야 하지 않나 합니다.
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