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산업과 기술에 대한 이해

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

에너지밀도_수소연료전지_수소에너지_응용_미래

 

 

 

 

안녕하세요. 정리남입니다. 

에너지 밀도와 수소에너지의 미래 / 응용에 대해 한번 알아보겠습니다. 

 

 

 

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에너지 밀도와 수소에너지의 미래와 응용


수소에너지의 가장 큰 장점은 아무래도 '친환경'이라는 점을 꼽을 수 있습니다 (부산물로 '물'만 발생시키니까요!)

하지만 친환경 말고도 '에너지 밀도가 크다'는 장점은 이 수소에너지가 과연 어느 곳에 응용되었을 때 더욱 효과적일지 알 수 있도록 해줍니다. 에너지 밀도와 수소에너지의 응용은 어떻게 관련이 되어 있을까요 ?

 

 

 

수소연료전지 vs 리튬이온 배터리 에너지 밀도 비교

에너지 밀도란, 단위 부피 또는 단위 무게 당 가지고 있는 에너지의 양을 뜻합니다. 즉, 에너지 밀도가 높다면 같은 에너지를 가지고 있다 하더라도 부피가 작거나 무게를 적게 만들 수 있습니다.

 

 

 

수소연료전지자동차의 경우, 수소를 이용한 '연료전지'에서 배터리의 방전과정과 동일한 원리로 전기를 발생시켜 이를 동력원으로 삼아 바퀴를 움직이는 자동차입니다. 즉, 수소를 이용한 '배터리'라 할 수 있죠. 따라서 리튬이온배터리 포스팅에서 말씀드렸던 에너지밀도의 개념이 그대로 적용되는데요, (▶▶ '에너지밀도' 관련 포스팅 여기 클릭!)

 

 

 

한 웹문서 자료에 따르면, 리튬-이온배터리의 에너지 밀도는 250Wh/kg 내외라고 하고, 도요타 미라이에 사용된 수소연료전지 기준 에너지 밀도는 1330Wh/kg 이라 합니다. 이는 배터리 대비 수소연료전지가 같은 무게당 약 5배이상의 더 많은 에너지를 낼 수 있다는 것을 의미하는데요, 바꾸어 말하면..같은 에너지를 내기 위해서는, 배터리가 수소연료전지보다 5배 이상 무거워져야 가능하다 라는 것을 말합니다.

 

 

결국 수소연료전지가 가진, 에너지 밀도가 높다는 이점은 → 에너지가 더욱 필요한 장거리로 갈수록 → 상대적으로 더 적은 중량이라는 이점으로 작용하게 됩니다. 

 

 

 

좀 더 보완해 설명을 하자면, 상대적으로 수소연료전지에 비해 에너지 밀도가 작은 배터리 차의 경우,

에너지 밀도가 작기 때문에 운행거리가 늘어남에 따라 필요 에너지양을 채우기 위해 배터리양을 비례해서 늘려줘야 하고, 더불어 중량도 비례하게 증가하지만, 수소차의 경우, 연료전지스택은 그대로 두고 수소연료를 충전해 보관하는 고압수소탱크만 더 달면 되는 구조이기 때문입니다.

 

 

 

즉, 추가로 배터리가 필요하지 않은 운행거리에서 내에서 수소연료전지(+고압수소탱크)와 배터리와의 중량 차이는 그리 크지 않지만, 운행거리가 장거리화되어 훨씬 많은 에너지가 필요하게 될경우 전기차의 중량이 상대적으로 더욱 커지게 되는 것입니다. 

 

 

 

 

이러한 에너지밀도라는 이점을 특징으로 봤을 때,

수소연료전지는 승용차 분야 뿐만아니라 아래와 같은 분야에 연구/응용되고 있습니다. 

 

 

 

응용1. 수소 트럭 / 수소 버스  / 수소 열차 / 수소 선박

수소연료전지는 승용차보다는 상용차에 어울린다는 결론을 얻을 수 있습니다. 

이는, 차량 자체의 무게가 많이 나가고 무거운 짐을 많이 실어 날라야 하며, 장거리 운송을 특징으로 하는 트럭, 또는 버스와 같은 상용차의 경우, 만약 리튬이온 배터리를 탑재하게 되면 차량의 무게가 급격하게 늘어나기 때문입니다.  이것이 뭐가 문제냐하면, 에너지량을 늘리기 위해 배터리를 많이 적재하고 이를 통해 차량의 무게가 늘어난다면 이 상용차들의 물건적재용량이 줄어드는 반대급부의 단점이 생성된다는 점입니다.

 

 

실제로 40톤 트럭의 구동계 무게를 비교한 자료를 보면, 기존 디젤엔진의 경우, 7.5톤 / 전기차용 배터리로 대체시 10톤 / 수소연료전지로 대체시 7톤으로 나왔습니다. 늘어난 무게만큼 물건을 적재할 수 있는 양이 줄어드는 것이죠. 

 

 

 

유럽연합(EU)의 경우, 배기가스 규제가 강화되면서 트럭의 이산화탄소 배출량을 2030년까지 30% 감축하도록(2021년 대비) 결정했습니다. 일부 지역에서는 환경기준을 충족 못하는 유해물질 배출차량 아예 도심 진입을 금지시키고 있으므로 트럭의 경우 친환경 트럭으로 교체해야하는 상황에 있습니다. 이러한 기조가 실제로 수소트럭 시장에 큰 힘을 실고 있는 상황입니다. 

 

 

 

응용 2. 수소 지게차 등으로 이용

'운행거리'는 단순히 먼 거리를 운행해야하는 버스나 트럭에만 국한되는 것이 아닙니다.

24시간 가동해야하는 물류센터등에 사용되고 있는 지게차의 경우에도 하루종일 움직여야 하므로 운행거리가 중요하겠죠. 또한, 영하의 냉동창고에서도 원활히 구동되어야 하는 특성상, 기존 배터리 기반의 지게차는 긴 충전시간(=가동률 저하), 낮은 에너지밀도(= 짧은 주행거리), 기온에 따른 작동력의 변화이라는 한계가 있습니다. 따라서 이러한 단점을 보완하는 수소 지게차가 대안이 됩니다. 

 

 

실제로 2020년 1월 기사를 보면, 이러한 수소연료전지의 이점을 활용하기 위해, 아마존이나 월마트 등에서는 기존 배터리 지게차를 수소지게차로 바꾸었다고 합니다. 

 

 

 

응용 3. 수소 드론

에너지 밀도가 높다는 수소연료전지의 장점은 드론에게도 적용됩니다.

차량에 비해 작은 몸체를 가지고 있는 드론의 경우, 그 만큼 작은 배터리를 탑재햐야 할텐데요. 작은 배터리 ≒ 적은 에너지용량 ≒ 적은 에너지 밀도라 할 수 있는데, 덕분에 실제 드론의 비행시간은 30분정도로 짧다고 합니다. 만약 화물을 싣게 되면,  그 만큼 더 많은 에너지 출력이 필요할테니 비행시간은 더 짧아 지겠죠. 

 

하지만 수소연료전지의 경우에는 화물을 싣고도 2시간동안 비행할 수 있다고 하며, 적재하중도 4배 이상 늘어 난다고 합니다. 

 

 

 

 

그렇다면 승용차의 경우에도 수소에너지가 유리할까?!


여러 자료들을 종합해보면, 승용차의 경우에는 수소연료전지보다는 전기차가 더 적합하다고 의견을 내고 있습니다.

수소연료전지차의 가격구조를 보면 연료전지스택, 수소탱크와같은 핵심부품이 차량 가격의 40% 이상을 차지하고 있는데요, 이 연료전지스택의 경우, 반응의 촉매로 사용되는 고가의 백금이 사용되 비싼것입니다. 또한, 24시간 돌아가야 하는 지게차처럼, 승용차의 가동률이 높을 필요도 없죠. 트럭처럼 고중량으로 매번 장거리를 운행해야하는 것도 아니고요. 따라서 정부/지자체 보조금이 없다면 이 값비싼 수소연료전지차를 ('넥쏘' 기준 7천만원 이상) 굳이 사야할 이유는 없을 것이라는 것입니다.

 

 

따라서 위 내용들을 종합해보면, 전기차는 승용차에, 수소연료전지차는 상용차에 접목되어 상생해야 한다라는 여러 의견에 동의하는 바입니다.

 

 

 

이 밖에 재밌는 의견중에, 현재 수소자동차는 수소경제를 홍보하기 위한 수단이다. 라는 내용이 있었는데요. 

사용자 입장에서 수소승용차의 큰 단점이라 할 수 있는 충전소와 같은 인프라 부족 등의 단점을 보완할 동안, 이 전기차에 사용되는 배터리의 에너지 밀도나, 충전 속도 등도 더욱 보완이 되지 않을까 싶으며, 이러한 관점에서 보면, 수소 승용차가 '현재' 보급되는 이유가 사용성보다는 '수소경제'를 홍보하는데 좋은 수단이기 때문에 먼저 개발해 보급한다 라는 말도 납득이 되는 이야기라 생각합니다.

 

 

 

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출처


1. tech.hyundaimotorgroup.com/kr/article/all-about-fcevs-3-economic-value-another-reason-to-choose-fcev/

2. biz.chosun.com/site/data/html_dir/2019/12/31/2019123101703.html

3. economy.chosun.com/client/news/view.php?boardName=C00&t_num=13606683   

4. www.newstof.com/news/articleView.html?idxno=1335   

5. www.newstof.com/news/articleView.html?idxno=1268      

 

 

 

 

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