- 지구 온난화 문제라든가 공해문제 등을 장기적으로 해결하는 수단으로서 수소를 사용하자는 아이디어가 제기된 것은 1930년대에 나치의 기술자 라와체크가 '에너지를 H2의 형태로 변환하여 파이프로 보내면(전기라 는 형태로) 전선으로 보내는 것보다 싸게 먹힌다고 주장했다는 말을 1969년에 스웨덴에서 들은 것이 계기였다. 나는 이에 관한 기록을 1971 년에 발간했고, 기후 환경의 붕괴를 종합적으로 해결하는 방법으로서 H 를 사용한 연료전지로 에너지의 저장과 수송을 할 것을 제안했었다. 1972년에는 이것을 하나의 논문으로 정리했고 1975년에는 이에 관한 최 초의 책을 발간하였다. H는 천연 가스 대신 가정에서도, 공장 (특히 광석에서 금속을 분리 추출하는 야금처리)에서도 사용할 수 있다. 물에서 H를 분해하는데 드는 비용은(가솔린의 공해 코스트를 고려 한다면 ) 2020년에는 현재 가솔린 가격의 최대 20% 범위 정도로까지 인하될 것으로 예상된다.
- ‘수소 경제’란, 필요 최소한으로 압축하여 표현한다면 (원자력발전소 또는 태양 에너지를 수집하는 장소에서) 재생 가능한 물질에서 취한 에 너지를 장거리에 걸쳐 수송하고(도시에 공급하기 위하여) 대량으로 저장 하기 위하여 수소를 사용되게 된다는 것을 의미한다. 수소는 두 가지 방식으로 사용할 수 있다. 첫 번째는 최대 60%의 효 율로 연료전지로부터 전기를 만들어내는 것, 두 번째는 수소는 공기 중에서 청결하게 연소(가정용에서는 불꽃 없는 연소의 경우도 있다)하여 난 방용 에너지를 제공하고, 공업용에서는 천연 가스 대신으로 사용할 수 있으며, 항공기, 열차, 선박의 동력원으로 하는 것이다.
- 따라서 수소는 제조하지 않으면 손에 들어오지 않는다. 이론적으로 수소의 자원이 되는 것은 탄화수소, (화석)연료 (CxHy) 및 물 (H2O)이다. 현재 수소는 대부분이 화석 연료 (천연 가스, 석유, 석탄)에서 생산되고 있다. 그러나 우주계획을 제외하고는 수소가 연료 또는 에너지 전달 물질로 서 직접 사용되고 있지는 않다. 원유의 질을 높이기 위한 정제공장 (에서 수소를 첨가하여 불순물을 제거하는 처리 = hydrotreating 및 고압의 수소를 첨가하여 중질 석유로부터 경질 석유를 제조하는 방법=hydrocracking), (암 모니아, 메탄 등의) 각종 화합물을 합성하기 위한 화학공장 및 야금처리 과정에서(환원 가스=Reduction gas, 즉 방호 가스=protection gas로서) 사용 되고 있다. 현재, 전 세계의 연간 수소 총 생산량은 약 4천만 톤 (5.6 EJ 상당)이다. 에너지 전달 물질로서 수소를 생산한다고 하면 수십 배나 증산할 필요가 있을 것이다.
- 현재 시점에서 파이프 라인을 사용한 수소 수송은 (10 km, 이내의) 생산 지와 이용지를 연계하는 수단 혹은 (약 200 km 범위의) 더욱 넓은 네트워크로서 사용되고 있다. 표 III-4에 세계에 현존하는 주요 수소 파이프 라 인을 예로 들었다. 장래 수소의 유동률이 확실하게 개선되어 파이프 라 인, 네트워크의 거리가 확대되도록 개발이 진행될 것이다. 현존하는 천연 가스용 파이프 라인도 약간 개량만 한다면 사용할 수 있을 것이다. 수소 용 파이프 라인에는 (특히 순도 99.5% 이상의 매우 순도가 높은 수소의 수송관인 경우에는) 가압된 수소에 의한 수송관 취화의 영향을 받기 어 려운 강재를 사용하지 않으면 안 된다. 천연 가스용 파이프 라인에서 사용되고 있는 피스톤의 왕복 운동으로 가압하고 있는 콤프레셔는 디자인을 대폭 바꾸지 않더라도 거의 그대로 이용할 수 있다. 그러나 (수소가 누출하지 않도록 하기 위한) 관의 이음매와 균열이 밀봉 보수 (sealing), 피폐 변형 응력 (fatigue stress)을 받기 쉬운 부품의 재질 선택에는 특히 주의를 기울여야 한다. 수소를 보내는데 있어 원심 콤프레셔 (centrifugal compressors)를 사용하면 수소는 특별히 가 벼운 분자인 관계로 문제가 많이 발생한다. 일반적으로 파이프 라인을 통해서 수소를 전송하려면 같은 에너지 생산고의 천연 가스를 전송하기보다도 파이프의 지름을 크게 하고, 압축 압력도 크게 하지 않으면 안 된다. 하지만 수소의 경우에는 압력 손실이 낮기 때문에 재가압 스테이션까지의 거리를 2배로 하여도 되는 메리트가 있다. 경제적인 관점에서는, 수소를 대규모로 전송하였을 때의 코스트는 천연 가스를 전송하는 경우보다 1.5배 내지 1.8배가 된다는 연구 결과가 대부분이지만 수소를 1,000 킬로미터 이상의 거리에 걸쳐 전송하게 된다. 면 같은 거리를 송전선을 통하여 전기를 보내는데 비하여 경제효율이 좋아진다
- 수소를 지역 내에 수송 분배하려면 소비 수요에 맞추어서 기체 또는 액체로 파이프 라인, 특수한 경우에는 도로 수송 콘테이너 혹은 열차의 콘테이너 등을 사용할 수 있다. 기체 (및 액체) 수소의 운반 차량은 공공의 안전을 보증하기 위한 엄격한 규제를 받는다. 나라에 따라서는 이 규제가 매우 강력한 경우도 있다. 수소가 기체 상태이든 액체 상태이는 필요시에 수소를 사용하는 사용자와 소규모 사용자를 대상으로 현재 실시 되고 있는 방법은, 단속적 수송법 (파이프 라인이 아닌 콘테이너에 의한 수송)이다. 단속적으로 수송할 때의 코스트는 매우 높아질 (생산 코스트의 2~5배) 수도 있다. 장래의 에너지 시스템에서는 수소의 단속적 수송방식 은 (주로 에너지로서 사용되지 않는 경우와 관련되는) 특수한 사용자용 이외는 거의 볼 수 없게 되리라 생각된다.
- 수소는 에너지 운반체(energy carrier=에너지 전달 물질)이므로 유용하게 사용할 수 있는 에너지 형태로 전환하는 방법이 몇 가지 있다. 이 에너지 전환 형태에는 다음과 같은 것이 있다.
* 내연기관, 제트 엔진, 로켓 엔진 속에서 연소시킨다.
* 순수한 산소와 함께 연소시켜 증기를 발생시킨다.
* 촉매를 사용하여 연소시켜 열을 얻는다.
* 전기 화학적으로 처리하여 전기로 바꾼다.
* 금속 수소화물로 바꾼다.
- 수소·산소 연료전지 (특히 고분자 화합물 전해질막 연료전지 ; PEMFC 와 같은 저온 연료전지)는 잠수함의 동력으로서 이상적인 특성을 가지고 있다.
* 공기가 필요하지 않다. 따라서 잠수함 안에 연료(수소)와 산화제(산소)만 실려 있으면 물 속을 운항할 수 있다.
* 물 이외의 배기와 폐기물은 배출하지 않는다. 따라서 부력을 제로로 유지할 수 있다.
* (동력 모터는 회전운동 뿐이고, 왕복 운동으로) 움직이는 부분이 없 으므로 정숙하게 운항할 수 있다. 따라서 소너 (sonar : 대잠 측음기) 에 탐지될만한 소리 (signature : 어떤 물리 과정이 일어난 사실을 나 타내는 특징적인 흔적)를 줄인다.
* 낮은 온도로 열을 방축하므로 매우 낮은 온도 흔적 (thermal signature)밖에 남기지 않는다.
* 엔진 효율이 매우 좋고, 따라서 항속 거리 (cruising range)가 길기 때문에 (해면 부상 빈도가 적어) 『기밀 누설』 시간의 위험도 (“indiscretion” time)가 낮아진다.
- 결론적으로 수소는 다른 연료와 같은 규모의 위험을 부담시키는 것처럼 보이지만 일반 사람들이 생각하고 있는 것과는 반대로 많은 면에서 실제로는 가솔린이나 천연 가스보다 안전하다. 실제 문제로서, 수소는 19 세기부터 20 세기 초반에 걸쳐 유럽과 미국에서 광범위하게 사용된 『도시 가스 (town gas)』의 성분 (constituent)으로서도, 시판되었던 공업용 가스 로서도, 그리고 우주 개발계획에서 사용된 연료로서도 안전성이 매우 우 수하다는 기록을 가지고 있다. 지금까지 아무런 사고도 없었을 뿐만 아니라, 다른 어떤 연료보다도 위험하다고 특징 지울만한 것이 전혀 없었다. 수소와 관련되는 것으로서, 가장 기억에 남아있는 한 가지 사고는 1937년 비행선 힌덴부르크의 참사였다. 그러나 그 사고는 수소가 원인이 었던 것은 아니고, 직접 수소가 원인이 된 희생자도 없었다. 사고는 정전기의 방전 (static electricity discharge)으로 일어난 것으로 생각되지만 최초에 인화한 것은 기구의 내장 (lining)이었다. 비행선의 부력을 내기 위해 기구부분에 채워져 있던 수소 (처음에는 헬륨을 채우도록 계획되어 있었 으나 헬륨 대신에 수소를 채웠다)에 인화되어 연소했다 (어떠한 연료라도 타는 것은 당연하다). 그러나 수소의 불꽃은 곧바로 솟아올라 열을 방사하지 않았기 때문에 기구 바로 밑의 콘도라 안에 있던 사람들은 화상도 질식도 하지 않았다. 실제로 수소와 기구의 골조가 모두 타버렸고, 일단 비행선이 착륙하자 56명의 생존자가 콘도라에서 걸어 나왔다. 따라서 사고의 줄거리로 말한다면 최악의 사고였으나 수소가 안전한 연료라는 것을 증명한 결과도 되었다.
