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[수소에너지] 기후변화라는 실존적 위협과 싸우기 위해서는 솔루션을 찾아야 한다. 많은 면에서 선택의 여지가 없어 보이지만, 보다 깨끗한 기술을 구축해야 한다. 자동차 제조사, 산업체, 정부는 다시 수소에 베팅하고 있다. 기후 위기의 시급성을 과소평가할 수 없는 순간에 수소는 지구를 정화하는 데 도움이 될 또 다른 기회를 얻고 있다.

https://www.vox.com/recode/22973204/hydrogen-energy-power-toyota-mirai-climate-change

JM Kim | 기사입력 2022/04/22 [00:00]

[수소에너지] 기후변화라는 실존적 위협과 싸우기 위해서는 솔루션을 찾아야 한다. 많은 면에서 선택의 여지가 없어 보이지만, 보다 깨끗한 기술을 구축해야 한다. 자동차 제조사, 산업체, 정부는 다시 수소에 베팅하고 있다. 기후 위기의 시급성을 과소평가할 수 없는 순간에 수소는 지구를 정화하는 데 도움이 될 또 다른 기회를 얻고 있다.

https://www.vox.com/recode/22973204/hydrogen-energy-power-toyota-mirai-climate-change

JM Kim | 입력 : 2022/04/22 [00:00]

수소에너지 꿈

자동차 제조사, 산업체, 정부는 다시 수소에 베팅하고 있다. 이번에는 효과가 있을까 

여기 샌프란시스코 거리에서 전기 배터리, 플러그인 하이브리드, 레이더가 달린 자율 주행 자동차 사이에서 매끄러운 빨간색 Toyota Mirai는 많은 사람들의 시선을 돌리지 않는다.

 

그것은 세계에서 가장 기술적으로 진보된 자동차 중 하나이자 가장 희귀한 자동차 중 하나임에도 불구하고 말이다. Toyota 2015년 판매를 시작한 이후 미국에서 약 1만 대의 세단만을 판매했다(국내 등록된 자동차 총 약 2 9000만 대 중). 그러나 그것은 쉽게 교통 체증과 조화를 이룬다.

 

Mirai Corolla Camry와 같은 Toyota의 보다 평범한 제품에서 스타일링 힌트를 얻는다. 실내에는 고급차의 핏, 마감, 소음 차단, 열선 시트가 있다. 바퀴 뒤에서 Mirai는 전기 모터의 토크를 가지고 있어 가파른 길을 오르고 4,200파운드의 무게가 제안하는 것보다 훨씬 더 민첩한 느낌을 준다.

 

후드를 열었을 때만 Mirai를 차별화하는 요소를 알 수 있다. Toyota 로고와 "연료 전지"라는 단어가 있는 깔끔한 은색 블록이다. 그리고 뒷좌석 뒤에는 우주에서 가장 풍부한 원소인 수소 가스로 채워진 탱크가 있으며 잠재적으로 주요 "폐기물" 생성물이 물인 청정 연료이다.

 

 

Toyota Mirai 2015년에 출시되었다. 'Mirai'는 일본어로 '미래'를 의미한다. Getty Images를 통한 Charly Triballeau / AFP

 

세계는 이산화탄소 오염을 억제하기 위한 더 많은 방법을 간절히 원하고 있다. 기후 변화에 관한 정부간 패널에 따르면 금세기의 온난화를 섭씨 1.5도 미만으로 유지하려면 전 세계 온실 가스 배출량이 정점에 도달했다가 2025년까지 감소해야 한다. 1,000일도 채 남지 않았지만 전 세계 배출량은 여전히 증가하고 있다. 그리고 운송만으로도 전 세계 배출량의 20%를 차지한다.

 

바로 여기에서 수소 에너지가 등장한다. Toyota와 같은 회사는 이것이 미래 또는 적어도 일부가 될 수 있다고 생각한다("Mirai"는 일본어로 "미래"를 의미한다). 배터리 구동 차량과 같은 다른 청정 에너지 기술이 추진력을 얻었지만 충분히 빠르거나 저렴하지 않다. 수소는 가까운 장래에 미라이와 같은 자동차뿐만 아니라 선박과 항공기에 전력을 공급함으로써 세계가 기후 목표를 더 빨리 달성하도록 도울 수 있다.

 

수소는 차량 이외의 용도로도 사용할 수 있다. 합성 연료를 만들고 전력망을 위한 전력을 저장할 수 있다. 또한 철강 제조와 같이 탈탄소화하기 어려운 것으로 악명 높은 산업을 청소할 수 있다.

 

이러한 유망한 사용 사례는 과거에 연료로 사용되는 수소에 대한 관심과 투자를 이끌어 냈기 때문에 이전에 이에 대해 들어본 적이 있을 것이다. George W. Bush Barack Obama 대통령은 수소를 선전하고 연료 연구 및 개발에 정부 자금을 투자했다. 그러나 높은 생산 비용, 실질적인 문제, 수소 동력 차량에 대한 제한된 인프라가 걸림돌이 되면서 과대 광고는 매번 사그라졌다. 수소 동력 자동차가 진정으로 어디에서나 이륙하려면 먼저 화석 연료와 경쟁하고 승리하기 위해 연료 충전소, 파이프라인 및 생산자(기본적으로 수소 경제)의 광대한 네트워크가 필요하다. 미국은 이런 건물을 짓는 데 한 번도 접근한 적이 없다.

 

그러나 현재로서는 수요가 증가하고 기술이 향상됨에 따라 수소 에너지의 추진력이 다시 한 번 형성되고 있다. 2018년 데이터에 따르면 수소 연료 전지는 2006년 이후 가격이 60% 하락한 반면 내구성은 4배 증가했다.

 

2021 Toyota는 미국에서 2,600대 이상의 Mirai를 판매하여 기록을 세웠다. 현대 넥쏘, 혼다 클래리티 등 다른 수소차들도 시장에 진출했다. 3 1일 현재 미국에서 12,000대 이상의 수소 연료 전지 차량이 판매 또는 임대되었다. 한편, 델타항공과 에어버스는 지난 3월 수소 동력 항공기 개발 협약을 체결했다. 새로운 수소 생산 공장이 미국에서 작업 중이다. 2월에 조 바이든 대통령은 수소 생산, 인프라 및 연구를 촉진하기 위해 100억 달러에 가까운 자금을 지원하겠다고 발표했다.

 

해외에서 중국은 2025년까지 연료 전지 구동 차량 50,000대를 운영하기 위해 연간 최대 200,000톤의 무탄소 수소를 생산할 계획이라고 발표했다. 영국은 수소 생산을 두 배로 늘리는 것을 목표로 하고 있다. 전 세계적으로 수소 생산 및 운송은 800억 달러 이상의 투자를 받았다.

 

기후 위기의 시급성을 과소평가할 수 없는 순간에 수소는 지구를 정화하는 데 도움이 될 또 다른 기회를 얻고 있다.

 

수소 팔레트, 설명

 

많은 청정 기술과 마찬가지로 수소는 특히 "깨끗한" 자격 증명과 관련하여 까다로운 뉘앙스를 가지고 있다. 우선 많은 연구자와 엔지니어는 수소가 에너지원이 아니라고 주장한다. 그것은 에너지 캐리어이다. 에너지를 보유할 수 있지만 여전히 충전할 다른 방법이 필요한 배터리와 유사하다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이지만 일반적으로 지구상의 다른 분자에 붙어 있다.

 

연료로 사용하려면 먼저 수소 가스인 H2(두 개의 수소 원자가 함께 붙어 있음)를 형성해야 하며, 이는 수소 원자의 공급원과 에너지 입력을 필요로 하다. 수소 가스는 에너지원과 자동차, 보트 또는 발전소에서의 사용 사이의 중개자에 가깝다. 배터리가 사용 중에 방출하는 것보다 충전하는 데 약간 더 많은 에너지가 필요한 것과 유사하게 H2를 사용하여 얻는 것보다 만드는 데 더 많은 에너지가 필요한 경우가 많다. 국제 에너지 기구(International Energy Agency)에 따르면 수소 생산은 연간 8 3천만 미터톤의 이산화탄소 배출량을 차지하며 이는 영국과 인도네시아의 발자국을 합친 것과 같다.

 

수소 자체는 어떻게 만들어지든 무색, 무취의 기체이지만 수소를 만드는 다양한 방법은 일반적으로 색상으로 분류된다. 주목해야 할 수소의 주요 유형은 회색 수소와 녹색 수소이다.

   

 

미국에서 수소의 95%는 증기-메탄 개질로 만들어진 회색 수소이다. 이 공정은 1,800°F만큼 뜨거운 증기를 사용하여 고압에서 메탄과 반응하여 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 생성한다. 저렴하지만 탄소 발자국이 있다. 회색 수소 1kg은 약 10kg의 이산화탄소를 생성한다.

 

반면에 녹색 수소는 재생 에너지를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 전기분해라고 한다. 이산화탄소 배출량은 제로이지만 생산 비용은 회색 수소보다 2배 이상 높으며 전 세계 수소 생산량의 1% 미만을 차지한다.

 

파란색, 분홍색, 청록색, 검정색, 흰색과 같은 다른 색상도 있다. 수소의 출처와 이 과정에서 방출하는 이산화탄소의 양으로 구분된다.

 

수소가 기후 위기에 대처하는 데 진정으로 도움이 되려면 세계가 더 큰 규모로 더 낮은 비용으로 더 깨끗한 수소를 생산하는 방법을 찾아야 한다. 지난해 미국 에너지부는 10년 안에 킬로그램당 1달러에 깨끗한 수소를 만드는 것을 목표로 수소탄(Hydrogen Shot)이라는 연구 프로그램을 시작했다.

 

수소를 사용하는 방법에는 두 가지 주요 방법이 있다. 하나는 가솔린 및 디젤과 같은 연료로 작동하는 기존의 내연 기관과 유사하게 엔진의 다른 가스처럼 연소시키는 것이다. 이러한 연료와 달리 수소는 연소할 때 유해한 배출물을 방출하지 않는다. 다른 방법은 연료 전지를 통해 수소를 보내는 것이다. 이 장치는 수소를 양성자와 전자로 분리한다. 전자는 모터에 전력을 공급하는 전류를 생성하고 양성자는 공기 중의 산소와 반응하여 물을 만든다.

 

연료 전지는 실제로 1800년대로 거슬러 올라가는 긴 역사를 가지고 있다. 그러나 최근에야 비용, 효율성 및 내구성이 더 널리 사용되는 데 필요한 수준에 도달했다.

 

연료 전지와 연소를 통해 수소의 용도는 소형 무인 항공기에서 전력망에 전기를 저장하고 분배하는 것까지 확장할 수 있다. 배출량을 줄일 수 있는 잠재력은 매우 현실적이지만 많은 것이 먼저 자리를 잡아야 한다.

 

수소 연료 전지 자동차를 소유하는 것과 같은 것

 

수소 동력 자동차 소유의 안팎은 연료의 약속을 보여주지만 온실 가스 배출을 한 입 베어 물고 새로운 청정 산업을 정착시키기 위해 극복해야 할 엄청난 장애물을 보여준다.

 

수소 자동차에는 큰 장점이 있다. 배터리 전기 자동차에 필요한 충전 시간에 비해 5분 만에 연료를 충전할 수 있다. 또한 자동차 충전기에 접근할 필요가 없으며, 종종 같은 스테이션에 있는 휘발유에 사용되는 것과 유사한 펌프가 필요하다.

 

이것이 캘리포니아 Alameda Darren Higuchi가 작년에 Mirai를 구매하도록 동기를 부여한 한 가지 이유이다. 다세대 건물에 살고 있기 때문에 Higuchi는 집에 자동차 충전기를 설치할 수 있는 옵션이 없다고 말했다. "사람들이 [가까운 Tesla 수퍼차저]를 위해 줄을 서서 주차하고 기다리는 것을 보았는데, 내가 처리하고 싶은 것보다 더 많은 유지 관리가 필요하다."고 그는 말했다.

 

수소 연료 전지 자동차는 배터리 구동 자동차와 마찬가지로 부드럽고 조용한 전기 구동계를 가지고 있어 가솔린 및 디젤 엔진에 비해 유지 관리 비용이 저렴하다. 운전자는 대부분의 주에서도 카풀 차선을 사용할 수 있다.

  

재정적 인센티브도 있다. Mirais는 공장 리베이트, 연방 세금 공제 및 캘리포니아의 깨끗한 차량 크레딧과 함께 제공되어 가격을 약 $60,000에서 $35,000로 낮춘다. Toyota는 또한 소유자에게 $15,000 상당의 수소 연료를 무료로 제공한다. 주머니에서 Mirais를 채우는 데는 70~100달러가 소요되며 400마일에 가까운 거리를 제공한다.

 

그러나 Toyota가 매력적인 수소차를 만들기 위해 들인 모든 노력에도 불구하고 가장 큰 단점은 회사가 통제할 수 없다는 것이다.

 

미국의 수소충전소는 대부분 캘리포니아에 있다. 캘리포니아 연료 전지 파트너십(California Fuel Cell Partnership)에 따르면 주에는 샌프란시스코에 2, 개발 중인 121개를 포함하여 52개의 수소 충전소가 있다. 그러나 역은 주로 샌프란시스코 베이 지역과 남부 캘리포니아에 집중되어 있다. Bay Area Greater Los Angeles 사이의 340마일 I-5 스트레치에는 수소 충전소가 하나뿐이다.

 

Mirai를 타고 샌디에이고로 가는 여행에서 Higuchi는 수소 충전소의 위치, 얼마나 빨리 운전하고 싶은지, 그리고 우리가 자동차의 주행 거리를 얼마나 테스트하고 싶은지 계획했다고 말했다. “나는 어디로 가야할지 계획을 세우고 그것을 불안 수준에 짝지었다.”고 그는 말했다.

 

현재 수소 인프라는 틀에 박힌 상태이다. 도로에 수소 자동차가 거의 없기 때문에 단일 수소 충전소를 건설하는 데 일반적으로 드는 약 200만 달러를 투자하도록 기업을 설득하는 것은 어렵다. 하지만 충전소가 너무 적어 수소차 운전자를 판매하기가 어렵다.

 

 

수소는 2008년 캘리포니아 로스앤젤레스 최초의 공공 수소 충전소 개장일에 수소 연료 펌프 위의 옥상에서 생산된다. David McNew/Getty Images

 

소규모 수소 생산도 충격에 취약하게 만들었다. 현재 미국에서 생산되는 대부분의 수소는 화학 제조에 사용된다. 샌프란시스코 도요타의 영업 관리자이자 Mirai 소유주인 Russ Mobley "우리는 다른 산업에서 가져와 운송에 사용되는 잉여 수소로 먹고 살고 있다."라고 말했다.

 

2019년에는 산타클라라 공장에서 발생한 수소 폭발로 인해 거의 6개월 동안 베이 지역 전체에 부족 현상이 발생했다. 그 동안 Toyota Mirai 운전자들에게 무료 렌트카를 제공했다. “우리는 수소차를 운전하지 않았다. 그 지점에서 우리 진입로에서 문진이 되었다.”라고 Mobley는 말했다.

 

이러한 시련을 전원 콘센트가 있는 곳이면 어디든지 충전할 수 있는 배터리 전기 자동차와 비교하거나 전국에서 빠르게 나타나고 있는 고속 충전소 중 한 곳에서 충전할 수 있다. 따라서 수소 자동차 자체는 훌륭할 수 있지만 이를 지원하는 취약한 기반 시설은 계속해서 이를 가로막고 있다.

 

수소가 커지려면 먼저 커야 한다

 

수소가 필요로 하는 기반 시설은 그 자체로 기술적인 과제를 안고 있다. 고압 펌프, 피팅 및 저장 용기가 필요하며 그 중 많은 부분이 고가의 부티크 제품이다. 코로나19 전염병은 수소 건설 프로젝트의 공급망을 방해하면서 또 다른 장애물을 던졌다.

 

Mobley "이 펌프는 모두 수제이다. "전 세계가 폐쇄되고 볼트, 너트, 씰을 제조하는 사람이 아무도 없을 때 우리는 거의 건설이 중단되는 것을 보았다.”고 말했다.

 

이제 희망은 트럭 운송 및 배달 회사와 같은 더 큰 업체가 자체 수소 차량에 투자함으로써 모두를 위한 규모의 경제를 주도할 수 있다는 것이다. 더 큰 차량, 계획된 경로 및 중앙 집중식 연료 공급을 통해 이러한 산업적 용도는 승용차보다 수소를 더 잘 사용할 수 있다. Mobley "수소 기술을 사용하는 더 많은 트럭 운송 산업으로 전환함에 따라 인프라가 상당히 강화될 것"이라고 말했다.

 

예를 들어, Daimler Truck은 세계 최대 상용차 제조업체 중 하나로 대형 고속도로 트럭 시장의 약 58%를 차지한다. 이 회사는 이미 독일에서 수소 동력 트럭에 대한 승인을 받았으며 2027년부터 고객에게 수소 트럭을 인도할 예정이다. 또한 최근 투자자들로부터 1 1천만 유로를 유치한 수소 주유소 운영업체인 H2 Mobility Deutschland의 주주이기도 한다. 또한 Daimler는 볼보와 협력하여 2025년에 가동을 시작할 예정인 연료 전지 공장을 건설했다.

 

한편 DHL, Royal Mail, FedEx, UPS Swiss Post와 같은 배송 회사는 현재 노선에서 수소 차량을 테스트하고 있다

 영국 런던에서 운행 중인 수소연료전지 버스. 게티 이미지를 통한 유니버설 이미지 그룹 

산업 용도의 경우 스웨덴 철강 제조업체인 하이브리트(Hybrit)는 작년부터 온실 가스를 배출하지 않는 수소 기반 공정으로 만든 철강을 공급하기 시작했다. 철강 생산은 이산화탄소 배출량의 약 7%를 차지한다. Bloomberg New Energy Finance에 따르면 수소로 산업을 탈탄소화하려면 2050년까지 2,780억 달러의 투자가 필요할 것이다.

 

생산 측면에서 녹색 수소는 비용 절감을 위해 확장해야 한다. 문제는 국가와 기업이 기후 목표를 달성할 수 있을 만큼 충분히 빠르게 전체 청정 수소 산업을 무차별적으로 만들 수 있는지 여부이다.

 

캘리포니아는 수소가 가치가 있다고 생각한다. 지난 10, 캘리포니아 대기 자원 위원회(California Air Resources Board)는 주의 수소 기반 시설에 대한 보고서를 발표했다. 다양한 시나리오를 살펴보고 보고서는 캘리포니아가 약 3억 달러의 주 자금으로 2035년까지 180만대의 연료 전지 자동차에 서비스를 제공하는 자급자족 수소 네트워크를 운영할 수 있다고 결론지었다.

 

반면 Toyota는 헤지하고 있다이 회사는 2030년까지 30개의 배터리 전기 자동차 라인을 생산하기 위해 176억 달러를 투자하고 있다. Daimler는 또한 수소와 함께 배터리 전기 트럭을 추구하고 있다. 배터리는 지난 30년 동안 97%의 놀라운 비용 절감을 경험했으며 배터리 구동 차량은 이미 전 세계적으로 보급되고 있다.

 

일부 분석가들은 수소가 최소한 자동차와 트럭을 따라잡을 수 있을지 회의적이다독일 Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research의 에너지 경제 사업부 코디네이터인 Patrick Plötz Nature Electronics에서 "수소 자동차에 대한 관련 시장 점유율을 확립할 수 있는 기회의 창은 닫혀 있는 것만큼이나 좋다."라고 말했다.

 

트럭의 경우 제조업체와 정부는 고속도로에 진입할 희망이 있다면 트럭을 배치하기 위해 더 강력하고 더 빠른 노력을 기울여야 한다. 그는 "트럭 제조업체가 비용 절감을 위해 연료 전지 트럭의 양산을 빨리 시작하지 않는다면 그러한 차량은 저탄소 도로 운송에서 결코 성공할 수 없을 것"이라고 썼다.

 

그러나 Plötz는 수소가 항공, 해운 및 산업의 탈탄소화에 여전히 중요한 역할을 할 수 있다고 말했다.

 

따라서 일부 최대 자동차 및 트럭 제조업체가 수소 경제를 구현하려고 노력하고 있지만 또 다른 잘못된 시작일 수 있다. 수십 년에 걸친 과대 광고와 계속되는 성장통 이후, 수소에 대해 다시 흥분하기는 어렵다. 그러나 청정 에너지의 기둥으로서 수소의 잠재력은 무시할 수 없으며, 그 어느 때보다 많은 투자와 기후 변화를 늦추기 위한 도구에 대한 긴급한 필요성으로 인해 이것이 마침내 점화되는 순간이 될 수 있다.

 
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