수소 연료와 수소연료전지 자동차

수소 연료와 수소연료전지 자동차

 

 

[사이언스 포커스]수소

전자신문 | 입력 2011.08.05 00:01

화석연료를 대체할 미래 신재생에너지에 관심이 집중되고 있다. 다양한 신재생에너지 가운데 가장 각광받는 것이 수소에너지다. 수소는 산소와 화학반응 시 휘발유의 세 배에 달하는 에너지를 발생시킨다. 에너지를 만든 뒤에는 순수한 물로 바뀐다. 여기에 저장이 가능하고, 운반도 자유로워 수소자동차, 연료전지, 전기 생산 등 연료로 쉽게 사용할 수 있다.

 

 

　정부는 에너지 소비에서 수소가 차지하는 비중을 2012년 0.1%에서 2020년 3%, 2030년 7%, 2040년 15%로 점차 늘릴 계획이다. 해외 선진국은 2030년을 전후해 10% 정도의 사용 목표를 세워놓은 상태다.

　◇수소는 어디에 있나=수소는 우주의 75%를 차지한다. 가장 가벼운 원소이기도 하다. 하지만 지구에서 수소는 대부분 물 또는 탄소화합물 형태로 존재한다. 수소 원소 형태로는 아주 적은 양만 존재한다. 따라서 지구에는 물, 유기물, 화석연료 등 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리, 생산해서 수소를 얻을 수 있다.

　수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있다. 물 분자를 전기분해하면 수소분자 2개와 산소분자 1개로 나뉜다. 하지만 물은 수소와 산소가 매우 강하게 결합돼 이를 분해하기가 쉽지 않다. 물을 분해하는 데 막대한 에너지가 필요하다.

　물을 분해하는 기술 가운데 원자력을 이용한 방법이 가장 많이 연구되고 있다. 섭씨 950도의 높은 온도를 내는 특수한 원자로인 초고온 가스로를 이용해 물을 분해한 뒤 대량의 수소를 생산할 수 있다.

　김용완 한국원자력연구원 수소생산원자로기술개발부장은 "이산화탄소 배출 없는 에너지 공급 방안으로는 원자력수소가 가장 유력하다"며 "원자력수소 제조는 950도에서 안전 운전이 가능한 초고온 가스로의 고열을 이용해 물을 열화학 또는 고온 전기분해해 다량의 수소를 안전하고 경제적으로 생산할 수 있다"고 말했다.

　세계 여러 나라도 원자로를 이용해 수소를 대량으로 생산하기 위한 연구에 노력을 기울이고 있다. 미국은 오는 2018년까지 원자력수소 생산을 위한 원자로를 건설할 계획이다. 일본 역시 2015년까지 초고온 가스로를 이용한 연구를 마치고, 2025년 수소 생산에 나설 예정이다.

　이밖에 천연가스로부터 수소를 얻거나 촉매반응에 의한 수소 제조 방법도 연구 중이다.

　한국과학기술연구원(KIST)은 고분자전해질 연료전지에 수소를 공급하기 위한 탄화수소 개질기와 알칼리수소화물 분해장치를 연구 중이다. 고분자 연료전지 자동차나 가정용 고체산화물 연료전지에 수소를 공급하기 위해 촉매와 반응기 개발에 집중하고 있다. 또 수십와트급 이하 휴대용 연료전지에 활용하기 위한 마이크로 개질기도 개발 중이다.

　◇저장과 활용은 또다른 과제=수소는 얻는 것 자체로 모든 작업이 끝나지 않는다. 이를 저장하고 안전하게 활용하는 방안도 마련해야 한다. 수소는 가스, 액체로 수송할 수 있으며 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등 다양한 형태로 저장 가능하다. 현재 수소는 대부분 기체 상태로 저장된다. 하지만 단위 부피당 수소 저장밀도가 너무 낮아 경제성과 안정성이 부족해 액체 및 고체저장법을 연구 중이다.

　한국에너지기술연구원 고효율 수소에너지 제조·저장·이용기술개발사업단(단장 김종원)은 무공해 청정 수소에너지 시스템을 개발하고 있다. 지난 2003년 연구를 시작해 2013년까지 총 3단계에 걸쳐 10년간 연구하며 총사업비 1114억원이 투입됐다. 사업단은 지금까지 △나노기공과 전이금속 혼성체를 이용한 수소저장용 나노튜브 제조 △5㎾급 수소연소 리니어 동력시스템 기술 △고성능 수소센서 및 탐지기 설계·제작 기술 등을 개발했다.

　또 △고효율 수소제조 신규 광전극 소재 설계 및 합성기술 △나노재료를 이용한 수소 저장재료 △금속붕소수소화물을 이용한 가역 수소저장 기술 개발 등이 진행 중이다.

　◇수소 연료전지=일부에서는 이미 수소를 연료로 활용한 사례도 나타나고 있다. 대표적 예가 수소 연료전지. 이를 이용한 '수소 연료전지 자동차'가 최근 등장하기 시작했다. 수소 연료전지 자동차는 휘발유 대신 수소를 이용해 전기를 만들고 이 힘으로 움직인다.

　수소 연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시킨다. 'H2+1/2O2→H2O+전기'가 되는 셈이다. 생산된 전기로 모터를 돌려 구동력을 얻는다.

　수소 연료전지 자동차는 연료비가 휘발유 자동차 3분의 1정도다. 또 이산화탄소 대신 물이 나오므로 청정한 에너지로 관심을 모으고 있다.

　미국과 유럽, 일본을 비롯해 국내에서도 수소 연료전지 자동차 개발에 힘을 쏟고 있다. 일부 이미 실용화된 모델이 나왔다. 하지만 연료전지 가격이 비싸 자동차 가격이 일반 자동차보다 높다. 전지 효율을 높이면서 값을 낮추는 방법을 찾는 것이 자동차업체들의 남은 숙제다. 　

　수소에너지 개발현황

　자료:한국신재생에너지협회

윤대원기자 yun1972@etnews.com

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[고유가 시대…녹색 신사업] 현대자동차, 수소연료전지車 내년부터 상용화

한국경제 | 입력 2011.03.22 18:31

하이브리드는 이미 양산 단계
친환경차 R & D 2조2000억 투자
연구인력 1000명으로 늘릴계획

현대자동차그룹은 새로운 에너지원을 활용할 수 있는 첨단기술 개발에 그룹의 역량을 집중하고 있다. 지구 온난화로 인한 기후변화가 글로벌 이슈로 부상하면서 하이브리드 자동차,전기자동차,수소연료전지 자동차 등 미래 친환경 자동차와 관련된 기술력 선점 여부가 생존을 결정할 것이라는 판단에서다.

◆친환경차 기술에 역량 집중

 

현대차그룹은 △하이브리드 차종 확대 △전기차 양산 △연료전지차 상용화 등을 준비 중이다. 2012년부터 친환경차 대량 생산 체제를 구축해 글로벌 자동차 업체들과 자웅을 겨루겠다는 전략이다.

현대차그룹은 친환경차 개발에 박차를 가하고 있다. 2012년까지 친환경차 대량 생산 체제를 구축하는 게 목표다. 전기모터와 내연기관을 동시에 활용하는 하이브리드카는 이미 양산 단계다. 현대차와 기아차는 오는 6월 국내 시장에 각각 쏘나타와 K5 하이브리드를 내놓을 계획이다. 두 차량에는 하이브리드 전용 세타Ⅱ 2.4 엔진과 6단 자동변속기가 들어간다. 연비는 ℓ당 20㎞ 수준이고 국내 판매가격은 3000만원대 중반이다.

전기자동차 분야에서는 지난해 8월부터 생산을 시작,9월 시범 운행에 들어간 '블루온'이 대표 상품이다. 이 차량은 유럽 전략 모델인 소형 해치백 i10을 기반으로 개발했다. 연구기간 1년여에 총 400억원의 개발비를 투입했다. 이 차에는 국내 최초로 국산화 개발에 성공한 16.4㎾h의 전기차 전용 리튬이온폴리머 배터리가 들어간다. 이를 통해 최고출력 81마력,최대토크 21.4㎏ · m의 강력한 동력 성능을 낸다. 현대차그룹은 올해 말부터 동력원으로 전기만을 쓰는 소형 도심형 유틸리티차량(CUV)을 양산，블루온과 함께 '투톱'으로 내세울 계획이다.

◆2013년까지 친환경차 2조2000억원 투자


2012년 상용화를 목표로 개발하고 있는 수소연료전지차는 국내외에서 시범 운행을 통해 상품성을 향상시키기로 했다. 현대차그룹은 2004년 9월 미국 에너지부(DOE)가 주관하는 수소연료전지차 시범사업자로 선정돼 미국 전역에서 수소연료전지차 32대를 시범운행하고 있다. 국내에서도 2006년 8월부터 지식경제부가 주관하는 수소연료전지차 모니터링 사업에 참여하고 있다.

현대차는 친환경차 개발을 위한 연구 · 개발(R & D) 연력을 1000명 선까지 늘릴 계획이다. 친환경차 관련 투자도 대폭 확대할 예정이다. 2013년까지 시설과 R & D에 투입할 예산은 총 2조2000억원에 달한다. 생산시설의 친환경화 작업도 진행 중이다. 현대 · 기아차는 2012년까지 연간 278만t에 달하는 이산화탄소 배출량을 262만t으로 줄일 계획이다.

회사 관계자는 "친환경차 시장이 언제쯤 활성화할지를 놓고 의견이 분분하다"며 "시장이 본격적으로 형성되는 시점에 대량 생산이 가능하도록 일찌감치 관련 기술을 확보해 놓을 계획"이라고 말했다.

◆에너지 저소비 기술의 힘


현대차그룹은 저탄소 친환경차 개발로 석유 대체 및 이산화탄소 배출량 감소 효과 등을 기대하고 있다. 현대차는 2013년 국내 친환경차 총량이 20만대에 달할 것으로 보고 있다. 이 경우 쏘나타 4만1400대를 1년간 운행할 수 있는 양에 해당하는 7만2000㎘의 석유를 절약할 수 있다.

이산화탄소 배출량도 2013년께 31만t 감소 효과가 발생할 것으로 예상한다. 이는 쏘나타 7만7000여대를 1년간 운행할 때 발생하는 양이다.

관련 산업에도 긍정적인 효과를 가져올 전망이다. 초소형 전기자동차,전기 스쿠터 등의 새로운 사업이 등장할 수 있다. 충전 인프라 관련 산업도 급성장할 것으로 보인다.

본격적인 에너지 사업은 최근 인수한 현대건설을 통해 이뤄질 예정이다. 현대차그룹은 현대건설을 엔지니어링，운영，기획 역량을 갖춘 고부가가치 기업으로 만들기 위해 2020년까지 10조원을 투입한다는 중장기 발전 방안을 내놓았다. 회사 관계자는 "현대건설 인수로 친환경 발전 사업에서 충전 시스템을 갖춘 친환경 주택,친환경 자동차에 이르는 에코 벨류 체인을 완성했다"며 "발전 플랜트에 강점이 있는 현대건설이 해외에서 원전사업 등을 수주할 수 있는 기회를 확대해 나가겠다"고 설명했다.

송형석 기자 click@hankyung.com

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