◆태극기가 뜻하는 바를 올바로 알자(5)

태극기가 뜻하는 바를 올바로 알자(5) 수소 연료전지 시대 곧 도래 음과 양의 조합이 원리인 반도체문명이 0과1의 조합인 디지털문명으로 승화하여 형형색색의 꽃들이 이 지구촌위에 활짝 피어나고 있다. 60대 나이에 디지털문명의 꽃인 인터넷이 나의 가장 친한 친구가 될 줄은 꿈에서도 상상해 본적이 없다. 미국과 대한민국이 반도체 강국에서 디지털강국으로 발돋움하여 세계의 물질문명을 선두에 서서 이끌어 갈 것이다. 유전자공학, 수소 연료전지 개발 등 에너지혁명이 실현되면 물질문명은 인간에게 행복을 듬뿍 안겨다 줄 것이다. 오래살고 싶다. 지구촌에 활짝 필 아름다운 물질문명을 만끽한 후에 저승으로 데려가 주십시오. 2003년 12월 27일자 "태극기가 뜻하는 바를 올바로 알자(4)에서 빠르면 20~30년 안에 수소연료가 실용화되는 에너지혁명이 실현될 가능성이 높다고 보았다. 그러나 자료를 검색한 결과 빠르면 5년내에 수소연료시대가 열릴것으로 보인다. 하루가 다르게 빨리 발전하는 물질문명의 흐름을 파악하여 대처하는데 이글이 조금이라도 도움이 되기를 기대해 본다. 연료전지를 발명한 사람은 영국의 법관 그로브(Grove) 경． 지난 1839년의 일이었다． 그가 한 실험은 시험관으로 연료전지 4개를 직렬로 연결해 전기에너지를 얻은 후 이를 이용해 물을 전기분해한 것． 이것이 연료전지의 효시． 이렇게 발명된 연료전지가 20C에 우주선의 주된 전원으로 장착되고 무공해자동차 엔진으로 개발되고 있다． 물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생한다． 여기서 다시 수소와 산소를 반응시키면 연소반응에 의해 열이 발생하면서 물이 되는 데 이 때 두 원소를 직접 반응시키는 대신 연료전지를 통해 화학반응이 일어나게 하면 물과 열 이외에 전기도 발생하게 된다．

 

연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해된다. ↓ 수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동한다. ↓ 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생한다. ↓ 공기극에서 수소이온과 전자, 그리고 산소가 결합하여 물이된다 이러한 원리를 이용한 연료전지는 공기극,연료극, 그리고 두 전극 사이에 위치하는 전해질로 구성돼 있는 구조이다． 연료극에는 수소가,공기극에는 공기가 공급된다． 그러면 촉매역할을 하는 각 전극에서 전기화학반응이 진행된다． 이 때 전해질이 산성이면 수소가 이온화돼 산소쪽에서 물이 생긴다． 연료극에서는 수소가 수소이온과 전자로 분리되는 데 수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생시킨다．전해질을 거쳐온 수소이온과 외부회로를 통해온 전자는 공기극에서 산소와 결합해 물이 된다． 전해질이 알칼리성이면 산소가 이온화돼 수소쪽에서 물이 생긴다． 연료전지 한 쌍을 단전지라 하며 음극인 연료극과 양극인 공기극 간의 전압은 약 1볼트 내외．단전지를 직렬로 연결해 원하는 만큼의 전압을 얻는다． 또한 전극의 크기가 커지면 이온의 통과량도 커져 전류도 증가한다． 때문에 단전지의 수를 늘리거나 각 전극의 크기를 크게 하면 큰 출력을 얻을 수 있다．때문에 일회용 건전지나 한 번 사용하면 재충전이 필요한 이차전지와 달리 연속적인 발전기, 혹은 에너지변환기가 될 수 있다. 25℃에서 수소·산소 연료전지로 수소2g(1몰)과 산소 16g(0.5몰)을 반응시키면 18g(1몰)의 물이 생기면서 1.229V의 전압이 발생한다． 이는 약 56.9Kcal의 열량에 해당된다． 수소·산소의 원래 반응열이 68.6Kcal이므로 효율이 89%정도라는 계산이 나온다．이는 기존의 화력발전보다 효율이 훨씬 높은 것이다 ． 수소가 또한 꿈의 대체 에너지로 기대를 모으는 것은 질소화합물,황화합물,매연 등을 배출하지 않는 연료이기 때문이다． ‘개질기’라는 변환장치를 이용하면 석탄가스,천연가스,매립지가스, 메탄올,휘발유 등에서 수소를 손쉽게 추출할 수 있다 연료전지 자동차는 그동안 차세대 무공해 자동차로 ‘전기자동차’가 꼽혀왔다. 하지만 자동차업계는 ‘축전지형 전기자동차’는 물 건너간 것으로 보고 있다. 축전지는 무겁고 비싼데다, 충전속도가 느린 게 큰 단점이고 전기자동차를 움직이려면 값비싼 노트북컴퓨터의 배터리 (니켈수소전지)가 2만개나 필요하다. 21세기 인류의 생활을 바꿀 핵심기술인 ‘연료전지’가 실용화 단계에 접어들어 몇 년 안에 자동차, 잠수함, 노트북컴퓨터 심지어 휴대전화의 배터리까지 대체할 전망이다. 연료전지는 60년대 제미니 우주선에 물과 전기를 공급하는 데 사용된 값비싼 기술이었지만, 금세기 중반에는 내연기관이나 배터리처럼 흔한 존재가 될 것으로 과학자들은 내다보고 있다. 연료전지에는 ‘전지’란 말이 붙어있지만, 전기를 저장하지 않고 생산하는 소형 발전소이다. 따라서 연료전지 자동차는 ‘달리는 발전소’이고, 연료전지 휴대폰은 ‘주머니 속 발전소’인 셈이다. 연료전지의 발전원리는 물의 전기분해를 거꾸로 한 것으로 보면 된다. 물에 직류전기를 흘려주면 분해돼 수소와 산소가 된다. 반대로 수소와 산소를 반응시키면 전기와 물이 나온다. 이 때 나오는 전기를 뽑아 쓰는 게 연료전지이다. ▼ 오염걱정 덜고 자원 풍부 ▼ 연료전지는 열 손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다. 또 배기가스 대신 물이 나오고, 화석연료처럼 에너지 고갈 문제도 크게 걱정할 필요도 없다. 연료인 수소는 탄소와 수소원자로 이루어진 석유, 천연가스, 바이오매스, 메탄올 등에서 다양한 방법으로 추출할 수 있으며 광촉매와 태양에너지로 물을 분해해 만들 수도 있다. 현대―기아 연료전지개발팀 이기춘 박사는 “연료전지는 e비즈니스 다음으로 유망한 사업이어서 미국에서는 최근 벤처기업들이 수백 개 생겨났고, 일본 정부는 정보기술, 생명공학, 연료전지를 21세기 3대 산업으로 꼽고 연구개발에 전력을 기울이고 있다”고 말했다. ▼ 고성능 수소연료 자동차 등장 ▼ 연료전지가 꿈의 클린에너지로 각광받으며 기대를 모으게 된 가장 큰 이유는 자동차분야 때문이다． 연료와 공기를 연료전지에 공급할 때 발생하는 전기에너지로 자동차를 구동시키는 전기자동차에는 고분자전해질 연료전지가 사용된다．이 때 연료는 수소를 직접 사용하거나 메탄올이나 휘발유를 개질해 쓴다． 자동차 뒷꽁무니에서 배기가스가 나오지 않고 대신 물만 나오는 차세대 무공해차는 듣기만 해도 카타르시스를 안겨준다． 엄청난 시장성을 내다보고 BMW나 벤츠,도요타 등 독일과 일본의 자동차 회사들 뜨거운 개발경쟁을 벌이고 있다． 현대·대우자동차도 여기에 뛰어들었다 지난해 연료전지 전략으로 방향을 선회한 현대자동차는 6개월 동안 165억 원을 들여 연료전지 자동차를 개발해 1일 캘리포니아에서 열린 국제 전시회에 선을 보였다. 미국의 연료전지회사인 IFC사와 공동 개발한 산타페 모델의 이 자동차는 한 번의 수소 충전으로 1백60㎞를 달리고, 최고속도는 시속 124㎞이다. 이 자동차의 연료는 수소이다. 하지만 주유소, 파이프라인 등 연료공급체계가 석유에서 수소 중심으로 바뀌는 시기는 2020년께가 될 것으로 보인다. 이에 따라 현대―기아를 포함해 다이믈러, 포드, 혼다 등 주요 회사는 가솔린과 메탄올을 쓰는 중간단계의 연료전지 자동차를 2004년 시판을 목표로 개발 중이다. 이 자동차는 연료전지 외에도 가솔린이나 메탄올을 수소로 바꿀 수 있는 연료 변환기를 내장하게 된다. 미국 에너지부는 연료전지와 수소에너지의 도입으로 2040년 경에는1일 1,100만 배럴의 석유수요를 대체할 수 있을 것으로 추산하고 있으며 이는 현재 미국의 1일 석유수입량과 비슷한 규모다. 미국은 향후 5년간 "Hydrogen Fuel Initiative"와 "FreedomCar" 프로젝트에 17억 달러를 투자할 계획이다. 2010년을 전후하여 수소에너지 체제로 본격 전환하여 주택과 산업용은 2010년 경, 자동차용은 2015년 경부터 본격 상업화하는 것을 목표로 하고 있다. 유럽연합은 향후 5년간 20억 유로를 투입하는 ‘재생에너지 및 수소에너지 개발 프로젝트’를 추진 중이다. 아이슬란드의 경우 지열 등 풍부한 재생에너지원을 이용해 대량의 수소를 생산·수출하고, 오는 2015년까지 석유소비를 모두 수소로 대체하는 ‘수소 경제대국’을 꿈꾸고 있다. 아이슬란드는 이미 지난해 상업용 수소충전소를 처음 선보였으며, 수소자동차까지 공급하고 있다. 현재 뮌헨공항 구내에서 수소자동차를 가동하고 있는 독일도 97년부터 ‘독일 수소프로젝트’를 추진 중이며, 수소를 생산·저장·수송하기 위한 기술과 기간시설 개발에 매진하고 있다. 이에앞서 지난 80년대부터 대체에너지 개발에 박차를 가해 온 일본은 이미 수소생산 및 발전을 위한 고온가스냉각로(HTTR) 건설을 완료하고 운전에 들어갔다. 또 최근에는 주택용 연료전지에 대한 테스트를 전국 43개소로 확대하고 자동차용 연료 스테이션도 수도권 5개소에 운영하는 등 수소에너지의 실증실험에 주력하고 있다. 이는 지난 93년부터 2020년까지 24억달러를 수소에너지 개발에 투자키로 한 장기 전략에 따른 것으로 일본은 지난 2002년 한해에만 이 분야에 무려 220억원을 쏟아 부었다. 일본 정부는 앞으로 3년 이내에 자동차 및 가정용 연료전지를 실용화할 수 있을 것으로 판단하고 2010년부터는 본격적인 수소시장 상업화에 나선다는 야심찬 계획을 추진 중이다. 늦기는 했지만 우리나라도 올해부터 오는 2016년까지 약 3조원의 예산을 투입해 수소 생산에 필요한 신형 원자로를 개발하는 등 수소에너지시대에 본격 대비하겠다는 장기 프로젝트를 마련했다. ▼연료전지 잠수함▼ 국방부는 2009년까지 1조2천7백억 원을 들여 연료전지를 탑재한 차기 잠수함 3척을 독일 HDW사의 기술을 제공받아 현대중공업이 건조한다고 발표했다. 현대전에서 잠수함의 성능은 얼마나 물 속에서 오래 버티냐에 따라 결정된다. 이 최신형 잠수함은 평소에는 디젤발전기와 축전지로 모터를 돌려 움직이지만, 비상시에는 120 킬로와트 짜리 두 개의 연료전지를 탑재하고 2주일까지 물 속에서 작전을 수행할 수 있다. 디젤발전기만을 지닌 기존 잠수함은 연료를 태울 때 많은 산소를 소모하므로 하루에도 2,3차례 수면 위로 떠올라 산소를 흡입한다. 그만큼 적에게 노출될 위험이 크다. 하지만 연료전지 잠수함은 산소 소모가 훨씬 적어 오래 잠수하는 것이다. ▼ 휴대전화 20일 대기 도전 ▼ △연료전지 노트북 컴퓨터, 휴대전화△ 지난해 90g짜리 휴대용 연료전지를 개발해 노트북컴퓨터를 6시간 작동시킨 삼성종합기술원 장혁 박사팀은 2005년 상업화를 목표로 10g짜리 휴대폰용 연료전지 개발에 도전하고 있다. 이 휴대전화용 연료전지는 메탄올과 물을 혼합한 용액을 연료로 쓴다. 만년필 잉크 카트리지 정도인 10㎖의 연료로 20일 통화대기, 40시간 연속 통화를 실현시킨다는 계획이다. 장혁 박사는 “휴대폰의 배터리는 충전하는 데 시간이 걸리지만, 연료전지를 쓰면 만년필 잉크 카트리지 갈아 끼우듯이 손쉽게 연료를 보충할 수 있고 기존의 리튬이온전지보다 3배 이상 오래 쓸 수 있다”고 말했다. 일본의 NEC는 연료전지를 사용하여 40시간 가동이 가능한 노트북 PC와 15일이상 사용할 수 있는 휴대폰을 개발 중에 있다. 연료전지 발전소의 전력으로 움직이는 전철.고압수소차로 출퇴근하고 가정용 연료전지에서 나오는 전력으로 생활한다． 휴대전화는 한 번 충전에 한 달간 에너지가 지속된다． 그리고 우리의 영해는 연료전지 잠수함이 지킨다’ 꿈의 클린 에너지라 불리는 연료전지가 생활화된 우리의 미래 모습이다． 결코 상상의 세계 속에만 가능한 얘기가 아니다． 2010년경이면 연료 전지 자동차가 세계 자동차시장의 10%을 차지하고, 그 후 기하급수적으로 늘어날 것이라는 전망이다． 무공해,무소음,고효율,다연료,모듈화,열병합 활용가능이라는 장점을 가진 연료전지．그러나 경제성을 보완하고 기술의 내구성과 인프라를 구축해야 하는 과제를 안고 있다． 꿈의 미래 에너지 연료전지의 국내외 개발실태를 점검해 본다. ▼연료전지의 종류▼ 사용하는 전해질의 종류에 따라 여러가지가 있다． 전해질에 따라 이온전도체와 작동온도가 제각각이며 전극의 종류,연료,원료,효율,출력범위,용도도 달라진다． 인산을 사용하는 인산연료전지,탄산리튬과 탄산칼륨의 혼합물을 사용하는 용융탄산염 연료전지, 지르코니아라는 세라믹을 이용한 고체산화물, 수소이온교환막을 이용하는 고분자전해질 연료전지와 직접메탄올전지, 수산화칼륨을 사용하는 알칼리 연료전지 등이 있다． 인산·용융탄산염·고체산화물 연료전지는 주로 발전용, 고분자전해질연료전지는 수수송용으로 개발되고 있다, 가정용 연료전지를 사용하면 송전탑이 필요없는 등 편리성이 많다． 우리나라에서도 LGCI가 LNG 등 소량의 에너지원을 사용해 전력과 온수 등을 생산할 수 있는 가정용 연료전지를 개발, 곧 국내외에 공급할 예정이다． 또한 수송용은 미국 일본 독일이 치열한 개발경쟁을 벌이고 있어 실용화가 앞당겨질 것으로 전망된다. 독일에서는 연료전지 잠수함을 곧 실전배치할 예정이다． 직접메탄올연료전지는 수소탱크와 개질기가 필요없고 연료전지도 소형화할 수 있기 때문에 휴대전화 등 휴대용 전원으로의 응용이 가능하다． 카트리지 형태로 부착했다가 언제든지 교환할 수 있는 장점이 있어 노트북 컴퓨터나 무전기등에도 곧 실용화될 것 같다． 알칼리 연료전지는 우주선용으로 개발되고 있다． ▼우주개발▼ 연료전지용 산소탱크에 문제가 생기는 아폴로13호 우주선． 전원이 차단되는 바람에 달착륙은 고사하고 우주미아가 될 뻔한 우주여행…. 톰 행크스가 주연한 영화 ‘아폴로13호’의 내용이다． 이 영화를 보면 연료전지가 이미 우주개발용으로 사용돼 왔다는 것을 알 수 있다． 고분자전해질 연료전지의 초기모델이 1965년 제미니 3호에 처음 탑재됐고 알칼리 연료전지가 1968년부터 아폴로우주선,챌린저 왕복우주선, 콜럼비아 왕복우주선의 전원으로 사용됐다． 연료전지에서 발생하는 물은 우주비행사들의 음용수로 쓰이기도 했다． ▼수소 추출방식 경합▼ 수소를 추출해 내는 방식과 연료선정을 둘러싼 석유,가스,전력 업계의 주도권 쟁탈 경쟁도 치열하다. 연료에 포함된 탄소와 수소를 분리해내는 데는 에너지가 많이 소요된다． 때문에 탄소가 많은 가솔린은 수소를 꺼내기 어렵다는 게 단점． 반면에 메탄올은 낮은 온도에서도 수소를 발생시킬 수 있지만 가솔린은 높은 온도가 유지돼야 하고 함유된 유황을 제거해야 하는 문제가 있다. 지금까지는 기술적 편리성이 있는 메탄올을 이용한 자동차개발쪽이 우세한 것이 사실.그렇다고 가솔린 쪽의 개발열기가 죽은 것은 아니다. 최근 가솔린에서 직접 수소를 얻을 수 있는 촉매변환장치를 개발하는데 성공한 제너럴 모터스(GM)가 좋은 예． 가솔린에서 직접 수소를 얻을 수 있는 이 변환장치는 S자형태로 구부린 지름 10㎝의 튜브에 3개의 촉매제가 삽입돼 있다． 가솔린과 물을 함께 분사해 수소와 일산화탄소(CO)를 만든 다음 다시 공기를 분사해 CO를 CO2로 변환시킨다． 풍부한 수소기류는 연료전지에 저장됐다가 그곳에서 전기적으로 변환된다． 이 과정에서 가솔린이 지닌 포텐셜에너지가 바퀴를 구동시키는 전기에너지로 변환되는 효율은 40% 정도．순수 수소보다는 효율이 약간 떨어지고 부산물로 CO2를 발생시키지만 일반적인 가솔린엔진 보다는 효율이 50% 정도 높고 훨씬 깨끗하다． 또한 물을 사용하면서도 영하의 날씨에서 사용할 수 있고 공회전때나 부하가 낮은 조건에서 효율이 더욱 좋아지는 등 연료전지의 장점을 그대로 갖고 있다는 평가다． BMW,일본 마쯔다,도요타도 가솔린방식이 갖는 이같은 이점에 주목해 2∼3년내 상용화를 목표로 연구·개발을 서두르고 있다． 한국과학기술연구원 오인환 박사는 “연료전지는 21C 10대 핵심기술의 하나로 매우 다양하게 응용될 것”이라며 “우리나라도 연료전지의 실용화를 위한 종합정책을 수립하고 관련법규를 제정해 전문인력을 양성하고 연료 인프라 구축을 서둘러야 한다”고 말했다. 한국원자력연구소 박창규 박사도 “스타워즈(Star Wars)라는 영화를 보면 우주 비행사들이 ‘연료전지 발전소’ 파괴를 위해 사활을 거는 것처럼 수소를 이용한 차세대 연료전지 개발 기술은 머지않은 장래에 국가 경쟁력의 원천으로 떠오르게 될 것”이라고 전망했다. 자료출처:동아일보, 국민일보,파이낸셜 뉴스,naver.com, 삼성경제연구소,한국과학기술연구원