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산업과 기술에 대한 이해

수소연료전지자동차(수소차) 장점과 단점은?! (공기정화원리, 수소채취방법, 부생수소?)

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안녕하세요 ! 정리남입니다!!

오늘은 수소연료전지차(수소차)의 장점과 한계에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

※ 연관 포스팅

1. 수소연료전지자동차(수소차) 원리란 무엇일까?! (연료전지스택 구조와 원리)

2. 에너지밀도와 관련된 수소에너지의 미래와 응용은? (feat. 리튬이온배터리와 비교)

3. 수소에너지는 재생에너지의 유휴전력 저장소이다! (feat. 수소 운송 방식, 상호관계)

 

 

1. 수소연료전지차의 장점


1) 배기가스가 없다.

일반 휘발유와 같은 석유연료로 움직이는 자동차들(=내연기관)은 주행하면서 '배기가스'를 내뱉습니다.

일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등이 바로 이러한 것들이죠. 이들은 스모그, 황사, 미세먼지 등과 같은 대기오염을 발생시켜 우리의 건강에 해를 끼칩니다. 그런데 수소연료전지 자동차의 경우에는 이러한 배기가스가 전혀 배출되지 않습니다. 주행하면서 내뱉는 부산물로는 단지 '물(H2O)'을 뿐입니다. 그래서 '친환경 자동차'라 하는 것입니다. 

 

 

 

2) 공기를 정화 한다.

농담이 아닙니다. 실제로 수소차를 '달리는 공기청정기'라고 일컫는 이유입니다.

이유는, 전기를 발생시킬 때 수소와 산소'가 반응하는데, (관련 포스팅 : 수소연료전지차 원리 클릭), 이 때 들어오는 '산소'는 대기중의 공기를 받아들여, 차 내부의 필터를 통해 순도 99.9% 산소로 정화시켜 사용하기 때문입니다. 따라서 실제로 공기청정기가 갖추어진 자동차인 것이죠. 

 

 

실제로 수소연료전지차 '현대 넥쏘'의 경우, 1시간 주행시 성인 48.9명이 한 시간 동안 호흡하는 공기량을 정화할 수 있으며, 넥쏘를 1만대 운행시, 60만그루의 나무를 심었을 때의 탄소저감 효과가 있다고합니다. 

 

 

** 참고 : 수소차 공기정화 원리

그렇다면 이 공기를 어떻게 정화시킬까요?

상식적으로 일반 가정에서 사용하는 공기청정기와 크게 다르지 않을 거라 생각하는데요. 예컨데 삼성 공기청정기의 경우는 아래와 같이 세 단계로 나누어 정화시킵니다. 극세필터로 큰 먼지를 제거 → 숯탈취필터로 악 취 및 유해가스 제거미세먼지 집진필터로 초미세먼지 제거. 이렇게 3단계로 말이죠. 그런데, 수소차에서 공기를 정화시키는 과정도 동일하게 3단계 입니다. 

 

 

삼성 블루스카이 공기정화 과정

 

아래는 현대차 넥쏘의 공기정화 과정이며, 다른 수소연료전지차도 거의 대동소이하다고 생각하시면 됩니다. 

1단계. 대기중의 공기가 차 내부로 유입이 되면, '공기필터'에서 2.5um이하의 초 미세먼지를 97%이상 제거합니다.

2단계. 막가습기에 있는 가습 막을 통해 2차로 초미세먼지를 제거하고요.

3단계. 마지막으로 연료전지스택 내부에 있는 미세기공 구조의 탄소섬유 종이로 된 기체확산층에서 0.1um 이하의 초미세먼지를 제거 하는 방식입니다.  이 3단계를 통해 99.9%의 깨끗한 공기로 정화를 시킬 수 있게 됩니다.

 

 

hyundai motor group(HMG) journal 출처

 

 

3) 저렴한 수소연료 단가

전기차와 비교시, km당 연료비는 비싸지만, 석유연료를 사용하는 내연기관과 비교시 저렴합니다.

KTB 투자증의 '수소차 산업의 현재와 미래'라는 보고서를 보면, 현대차의 넥쏘의 경우, 연료비는 km 당 73원. 테슬라 모델3 전기차의 연료비는 km 당 25원이라 합니다. 하지만, 휘발유가격 1300원/리터, 15km/l의 연비를 가지고 있는 내연기관의 경우, km당  87원입니다. 전기차보다는 높지만, 내연기관보다 낮다는 점에서 수소연료의 단가는 장점으로 생각됩니다. 

 

 

 

4) 빠른충전에도 더 긴 주행거리 가능.

이는 전기차와 비교했을 때, 장점인데 현대 넥쏘의 경우, 수소용량 6.33kg를 완충하는데 충전시간은 5분 정도이며 609km를 달릴 수 있다고 합니다. 반면 전기자동차 테슬라모델3의 경우 배터리 용량 50kWh를 20분간 급속 충전해 350km 를 달릴 수 있다고 하네요. 

 

 

 

 

2. 수소연료전지자동차의 단점


이를 알기 위해서 일단, 수소를 어떻게 포집할까? 부터 생각해볼 필요가 있습니다.

수소는 우주의 92%를 차지하는 가장 흔한 원소입니다. 이렇게 많은 수소이니 그냥 언제든지 포집해 쓰면 될것 같지만 실상은 그렇지 않습니다. 왜냐하면 수소는 반응성이 좋아 단독으로 존재하기보다 다른 여러 원소들과 결합된 화합물 상태로 존재하기 때문입니다. 따라서 순수한 수소를 얻으려면 아래와 같은 방식을 이용해야합니다. 

 

 

 

첫번째. 물의 전기분해 이용해서 수소를 추출하는 방식.

원리는 배터리의 충전 과정과 같은 비자발적 반응에 해당하며, 태양광, 풍력과 같은 신재생에너지로 생산한 전기에너지를 물에 가해 수소와 산소로 분해할 수 있습니다. 

 

두번째. 부생수소.

석유화학공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 나오는 부산물로 생기는 수소인 '부생수소'를 얻는 방법이 있습니다. 가령, '프로필렌'을 얻기 위해 LPG(액화석유가스)에서 수소분자를 제거하게 되는데요, 이 떨어져 나간 수소를 사용하는 것이죠.  

 

 

세번째. 천연가스에서 추출

이는 천연가스를 고온/고압의 수증기로 분해하는 방식입니다. 세계적으로 가장 많이 사용하는 방식이며, 황성분이 제거된 천연가스(CH4)에 수증기(H2O)를 반응시켜, H2 수소와 이산화탄소(CO2)를 생산합니다. 

 

 

출처 : http://www.chemi-in.com/421

 

 

 

단점1) 안정적인 공급망 부재와 친환경 모순.

첫번째. 물의 전기분해를 통해 수소를 얻는 방법은, 수소 전환 효율성이 낮아 생산량이 적고추가적인 전력 사용이 필요하다는 점에서 생산비용이 비싸다는 단점이 있습니다. 

 

 

두번째. 부생수소를 이용하는 방법의 경우, 국내에서 가장 많이 사용하는 방식이이며 수소추출 방식중 가장 저렴, 이 부생수소는 상당부분 정유화학의 원료로 사용되기에, 이 부생수소를 마음껏 끌어쓰기에는 힘든 상황입니다. 즉, 이 부생수소로 대량의 수요를 감담하기에는 한계가 있는 것입니다. 

 

세번째. 천연가스로부터 수소를 추출하는 방법으로, 세계 총 수소 생산의 절반 이상을 차지하고 있을 만큼 대량 생산이 가능합니다. 또한, 이 방식은 수소 생산에서 상대적으로 '저렴한 방법'으로 꼽힙니다. 하지만, 탄소에 붙어있는 수소를 떼어내는 것이므로 결과적으로 탄소 유발, 온실가스 발생을 시킨다는 점에서 '친환경자동차'라는 타이틀에 모순이 발생됩니다. 물론 이렇게 100% 친환경은 아니라 하더라도, 지금 이용하는 석유화학연료와 비교시 친환경입니다.  

 

 

 

단점2) 주변 인프라 부족. (전국 수소충전소 개수/현황)

전기차 배터리 충전소도 지금 인프라가 부족해서 충전에 애를 먹고 있는 상황이죠. 수소충전소의 경우 이보다 더욱 부족한 상태입니다. 수소청전소의 경우, 19년 6월기준 전국 17개소이며, 2022년까지 수소전기차 6만7천대 / 수소충전소 310개소확대, 2040년까지 수소전기차 290만대 / 수소충전소 1200개소 확대 계획이라고 합니다!

 

출처 : 현대자동차그룸 유투브 https://youtu.be/ESrp8j08zLg

 

 

단점3) 에너지 효율. 

수소차의 연료전지에서는 산소와 수소를 결합해 열과 전기에너지를 생성합니다. 이때 이 열 에너지는 운행이 불필요한 에너지이며, 되려 추가적으로 에너지를 소비하여 냉각수로 식혀줘야 합니다. 즉, 버리는 에너지가 많다는 것입니다. 실제 수소차 에너지 효율은 전기차에 비해 절반 밖에 되지 않는다 합니다. 

 

 

 

 

결론


내용을 정리하면서 보니, 수소연료전지차의 장점과 단점이 팽팽하게 맞서고 있는 것을 알 수 있었는데요, 느낀 것은, 수소차가 분명 단점보다 장점이 더욱 부각되는 자동차임에는 틀림없는것 같다란 것이었고, 그럼에도 아직은 인프라 구축의 미비나, 이제 막 사람들이 인지하고 있다는 측면에서 지금 당장 무언가를 판단하기에는 좀 시기상조가 아닌가...싶었습니다. 다음 포스팅에서는 수소경제와, 수소연료전지의 미래에 대해 다뤄보도록 하겠습니다. 

 

 

 

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출처


http://www.chemi-in.com/421

http://www.hani.co.kr/arti/economy/marketing/878983.html

https://namu.wiki/w/%EC%A0%84%EA%B8%B0%20%EB%B6%84%ED%95%B4

https://www.youtube.com/watch?v=DcmuPQaRiCQ 

 

 

 

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