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에너지/환경 일본 수소 경제 사회

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2019-01-28 20:54:00
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수소전지란 무엇인가? 안전성 및 시장 성장률은? 수소자동차와의 구조적 차이를 이해하다

 

수소를 ‘연료’로 사용하여 전기를 만들고 전기 모터를 돌려 달리는 것이 ‘수소자동차(연료전지차/FCEV)’인데, 수소로 만든 전기를 가정 및 사업자에게 보내는 것이 ‘수소전지’이다. 수소는 CO2(이산화탄소)가 발생하지 않는 에너지원이므로 장래성이 있는데, 특히 수소전지는 LNG나 석탄에 비해 비용이 높다는 결점을 극복하기만 한다면 크게 성장할 것이다.

 

수소전지가 주목받는 이유, 그리고 장점은?

 

수소는 석유, 석탄, 천연가스와 같은 화석연료와는 달리, 연소시켜도 SOx(유황산화물)와 같은 대기오염의 원인이 되는 유해물질이나 CO2(이산화탄소)와 같은 지구온난화의 원인이 되는 온실가스를 발생시키지 않는다. 배출되는 것은 ‘H2O’, 즉 물이다.

 

그러한 깨끗한 수소를 이용하는 ‘수소발전’은 지금, 화석연료를 태우는 화력발전을 대체할 수 있는 존재로서 주목받고 있다.

 

수소 에너지를 이용하는 데에는 2가지 방법이 있다

 

수소를 에너지로 사용하는 방법은 2가지가 있다. 하나는 수소자동차와 같이 연료전지를 사용하여 전기를 만드는 방법, 다른 하나는 수소발전소로 대표되는 터빈 등으로 수소를 연소시키는 방법이다.

 

수소자동차(연료전지차/FCEV)는 몇 년 전, ‘궁극의 에코카’로 불리며 크게 주목받은 바 있다. 수소와 산소를 화학 반응시키는 장치가 ‘연료전지’이다. 기본적인 구조는 탱크 안의 수소와 공기 중의 산소를 화학 반응시켰을 때 발생하는 에너지로 전기를 발생, 그 전기로 모터를 돌려 자동차를 움직이는 것이다. 오직 물만을 배출하는 깨끗한 방법이다. 연료전지 이외의 부분은 전기자동차(BEV)와 같기 때문에 배터리 대신 연료전지를 실은 EV를 수소자동차라고 할 수 있다.

 

이러한 연료전지는 수소자동차 이외에 ‘정치형’이라 불리는 타입이 가정 및 빌딩에서 사용되는 코제너레이션(열병합) 시스템으로 이용되고 있다. 일본 도쿄도에서는 2017년 3월에 도쿄 올림픽의 선수촌에 설치할 것이라고 발표했는데, 그 출력은 5대가 최대 200kW(킬로와트) 정도이다.

 

한편, 지역 전체에 전력을 공급할 수 있는 수만, 수십만kW(킬로와트) 수준의 ‘수소발전소’는 연료전지와는 또 다른 방법으로 화력발전소에서 중유, 석탄, LNG(액화 천연가스)를 태우는 대신 수소를 연료로 사용하는 방식으로 전기를 발생시킨다.

 

‘수소발전’에서는 수소 자체를 연소시켜 공기 중의 산소와 격렬한 화학반응을 일으키게 하여, 그 에너지로 터빈을 돌려 전기 에너지를 만든다. 원리는 기존의 화력발전소와 같기 때문에, 수소와 LNG, 수소와 석탄 등 다른 연료와 함께 태우는 ‘혼연’을 할 수 있다.

 

또한 이 방법은 이제 막 시작된 것이 아니다. 화석연료인 중유나 석탄, LNG에도 일정량의 수소가 들어 있으며, 화력발전소에서 탄소 또는 산소와 함께 태워 에너지를 만들어온 바 있다. 액화수소 연료는 아폴로 새턴 로켓의 추진력에도 사용되어, 인간을 달에 보냈다.

 

<그림> 연료전지 발전과 수소발전의 구조적 차이

 

 

수소전지의 안전대책은 어떠한가?

 

수소에 대한 이미지는 대부분 ‘폭발한다’ ‘위험하다’ ‘지진이나 화재가 나면 두렵다’는 것이다. 1937년 5월 6일, 미국에서 일어난 독일 비행선 ‘힌덴부르크’ 폭발 사고는 80년도 더 전에 일어난 일이지만, 그 영상은 ‘충격적인 사건사고’로서 여러 번 보도되어, 사람들에게 두려움을 심어주었다. 그 사고 후, 유인 비행선에는 수소가 아니라 리튬이 사용되게 되었다.

 

수소는 지구상에서 가장 가벼운 물질로, 공기 중에 쉽게 확산되는데, 갇힌 공간에서 4% 이상의 농도가 되면 폭발할 수 있다. 폐쇄된 공간에서 대량의 수소와 산소가 혼재되어, 500도 이상의 열에너지가 가해지면 폭발할 위험성은 더욱 커진다. 따라서 수소를 취급할 때에는 ‘수소를 누출시키지 않고’ ‘누출됐다면 즉시 검사하여 수소 공급을 중단하며’ ‘누출되어 어딘가에 쌓이지 않도록’ 해야 한다.

 

수소자동차의 세계적인 안전 기준이 2013년에 정해졌다. 배기된 수소의 농도가 4% 이상이 되지 않도록 하는 것과 수소 탱크의 강도 및 충돌 시 수소 방출량에도 수치 기준을 정했다. 수소를 공급하는 수소 스테이션에도 위치, 저장 설치의 재료, 수소 충전 방법 등 다양한 안전을 위한 규제가 있다.

 

일본에서는 ‘압력 가스 보호법’에서 수소의 제조 및 저장・운송・이용에 이르는 모든 과정을 규제하고 있다. 또한 수소의 제조설비, 저장설비에는 소방법 및 건축기준법, 운송차량에는 중량 제한 규정이 적용된다. 그것은 수소발전소에서도 동일하게 적용된다. 그러한 안전 규칙 하에, 수소의 성질을 고려한 적절한 관리를 시행한다면, 착화 및 폭발의 위험성은 줄어들게 될 것이다.

 

또한 수소자동차 대신 전기자동차(EV)를 보급시키고, 그 배터리에 수소발전소에서 만들어낸 전기를 충전한다면, 수소를 자동차의 연료로서 공급하지 않고 교외의 발전소에 집중시켜, 그곳에서 안전하게 관리할 수도 있다. 그렇게 하면 수소 스테이션을 시가지에 여러 군데 만들거나 수소 탱크를 실은 자동차가 도로를 다닐 필요가 없어진다. 그것은 미래의 ‘수소 사회’의 한 가지 선택지이다.

 

아베 내각 “수소 기본전략”, 수소발전의 본격적인 도입을 명시하다

 

아베 수상은 2015년 2월 12일 시정방침 연설에서 ‘수소 사회’를 실현하고자 하는 의욕을 내비쳤다. 그로부터 약 2년 10개월 후인 2017년 12월 26일에 아베 내각의 ‘재생 에너지・수소 관련 각료의회’가 결정한 “수소 기본전략‘에서는 수소발전이 미래의 수소 사회에 있어서 가장 중요한 위치를 차지하고 있다.

 

이 전략에서는 산관학이 함께 3단계를 거쳐 수소 사회를 실현하게 된다. ‘수소 이용의 비약적인 확대’를 주제로 하는 1단계의 주역은 수소자동차(FCV)와 설치형 연료전지이며, 2020년대 후반에 해당하는 2단계에서는 ‘수소발전의 본격적인 도입’을 주제로 할 예정이다. 2030년경까지 수소를 적용하기 위한 국제적인 공급체인을 구축할 것이며, 조달 비용을 절감하기 위해서는 수소자동차와 수소발전과 관련한 수소의 수요가 비약적으로 증가하여, 일본을 ‘수소 대량 소비 사회’로 만들어야 한다.

 

수소의 제조법은, 현재는 공장의 ‘부생수소’ 등 화석연료에서 유래한 것이 대부분이지만, 2040년까지의 3단계에서는 CO2가 발생하지 않는 재생 에너지를 이용하는 방법을 보급하여, 화석연료에서 유래한 방법에서도 CCS(이산화탄소 회수・저장 기술)를 통해 제로 에미션화할 수 있는 ‘CO2 제로 수소공급 시스템 확립’을 주제로 할 것이다. 수소를 조달하는 비용도 2단계의 3분의 2, 현재의 5분의 1로 줄이는 것이 목표이다.

 

* CCS는 화석연료를 태워서 발생한 CO2를 회수하여 땅속에 가두는 기술이다.

 

가와사키 중공업과 오바야시구미가 고베에 수소발전 플랜트를 건설

 

위의 ‘수소 기본전략’이 공표된 2017년 12월, 수소발전에 있어 또 한 가지 획기적인 일이 있었다. 고베시에 본격적인 수소발전 시험 플랜트가 완성된 것이다. 장소는 고베. 공항과 미야 역 사이에 있는 매립지 ‘포트 아일랜드’로서, 쓰레기 소각장이 있던 곳에 가와사키 중공업과 오바야시구미가 NEDO(신에너지・산업기술 종합개발기구)의 조성금을 받아 약 20억 엔을 들여 완성했다.

 

<그림> 가와사키 중공업, 오바야시구미가 포트 아일랜드에 조성한 수소를 연료로 하는 발전플랜드

 

전기 출력은 1000kW이며, 2018년 2월부터 본격적인 실증 실험을 시작, 근처의 고베 국제 저니장 및 중앙 시민병원 등 4개의 시설에 전력과 열을 시험적으로 공급했다. 수소는 오사카 부 사카이 시에 있는 공장에서 전용차로 운송되며, 25m2 탱크를 가득 채우면 약 6시간 동안 운전이 가능하다. 시가지의 여러 시설에 전력을 공급하는 수소발전 플랜트는 이것이 세계 최초이다.

 

가와사키 중공업은 LNG를 태워 발전하는 자동 발전 설비용 가스 터빈 발전기로 개량했다. ‘확산 연료 방식’이라는 형태로, 100% 수소만으로도 발전이 가능하다는 점이 획기적인 부분이다. 지금까지 실용화에 성공한 확산 연료 방식의 플랜트는 ‘수소 98%, LNG 2%’의 혼합률이었다. 순수하게 수소만으로 발전할 수 있는 실용화된 플랜트는 세계 최초이다.

 

수소는 연소의 속도가 빠르며, 연료가 수소 100%라면 발전기의 버너 분출구가 상당히 고온이 되기 때문에 녹을 수 있어, 열을 집중시키지 않는 기술을 발전시키는 것이 과제였다. 그것을 극복한 일본의 수소발전 기술은 세계적으로 최첨단의 것이라 할 수 있다.

 

또한 가와사키 중공업과 함께 전 세계를 선도하고 있는 것이 미츠비시 히타치 하워 시스템(MHPS)인데, 이것은 대형 LNG 발전소에서 사용되는 가스 터빈 발전기에서의 수소 혼소 시험(수소 30% 혼합)에 성공하였다.

 

출처 : https://www.sbbit.jp/article/cont1/35361

 

관련 도서 : [국내외 수소ㆍ연료전지 시장전망과 핵심기술 개발동향] 보고서 상세 보기

http://irsglobal1.4adtech.com/shop_goods/goods_view.htm?category=04000000&goods_idx=81651&goods_bu_id=

 

 

 

 

 

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