12. 친환경 자동차 연료, 수소 연료 소개

12. 친환경 자동차 연료, 수소 연료 소개

최근의 지구 온난화의 주범인 자동차 내연 기관의 배기가수 중의 이산화탄소를 거의 배출하지 않는 수소 연료 자동차는 아주 관심을 받고 있습니다. 특히 2015년에 출시한 현대 자동차 투싼의 수소 연료 자동차는 단연 친환경 자동차 부문에서 앞서 간다고 할 수 있습니다. 그럼 수소의 연료의 특징과 장단점에 대하여 알아 보기로 하겠습니다.

수소 연료의 특징

기존 내연기관의 탄화수소의 화합물이 아니라, 탄소 원자를 포함하지 않습니다. 수소 1킬로그램을 산소와 결합하면 3만 5천 kcal의 에너지가 방출됩니다. 같은 질량의 다른 연료인 프로판, 부탄, 휘발유, 등유 등과 비교하면 3배에 가까운 에너지입니다.

수소 연료 에너지의 확보

수소를 확보하는 기술에는 열화학 사이클법, 광화학반응, 반도체와 태양 에너지를 이용하는 방법, 전기 분해, 방사선, 미생물을 이용해서 수소를 생성하는 등 여러 가지 방법이 있습니다.

수소 연료로 에너지를 발생시키는 법

순수한 수소를 확보하고 나면, 내연기관에서 수소를 산소와 함께 직접 연소하여 열을 발생시키거나 연료전지(Fuel Cell)를 이용하는 두 가지 방법으로 이용할 수 있습니다. 그 중 연료전지는 수소자동차 개발의 핵심입니다. 수소와 산소 수용액 사이에 산화와 환원 반응을 얻는 것인데요. 가능 현실적인 기술이고, 실제 현대 자동차 투싼(Tucson) 연료전지 수소 자동차도 이 방식을 이용하고 있습니다.

사진1. 현대자동차 연료 전지 자동차, 투싼(Tucson)

수소 연료의 기술과제와 문제점

수소 연료의 가장 장점은 거의 무공해에 가까운 배기가스로 환영을 받지만, 상용화에 어려운 기술적 과제도 존재합니다. ‘저장’ 문제입니다. 일상에서 사용하기에 수소는 용량이 너무 큽니다. 대부분의 가스 연료처럼 액체로 저장하면 좋지만, 수소는 압력이나 온도를 끌어 올려 액화하려면 많은 비용이 듭니다. 프로판 가스와 비교해보면 부피가 22배입니다. 저장 방법으로 금속이나 탄소 등에 흡착시키는 기술 등이 떠오르고 있습니다. 금속은 티타늄-철합금, 란타넘-니켈합금, 마그네슘-니켈합금 등 다양한 시도가 연구가 지금도 계속되는 중입니다.

수소자동차의 핵심 기술로 알려진 수소 연료전지 쪽을 살펴보면, ‘촉매’가 쟁점입니다. 촉매로 이용하는 금속이 대부분 값이 비싸기 때문인데요. 촉매를 영구적으로 사용할 수 없어 교체까지 해야 하니 에너지 생산 가격은 비싸지게 됩니다. 비백금계 촉매 개발이 필요합니다.

순수 수소 연료 확보 시 문제점

수소가 대부분 다양한 원소와 화학적으로 결합된 상태라는 점입니다. 물(H2O)을 분해하거나 탄화수소(CnHm)에서 분리해야만 하는데요. 그러한 수소를 연료로 사용하면 수소가 다시 화합물로 돌아갑니다. 물을 예를 들면, 전기로 수소와 산소를 분리하고, 수소로 에너지를 얻기 위해 다시 결합시킵니다. 수소와 산소가 물로, 물이 다시 수소와 산소로 형태를 바꾸는 순환 형태인데요. 열역학 원리에 따르면, 순환과정이 작동을 하기 위해서는 반드시 외부에서 에너지가 유입되어야 합니다. 수소 에너지를 순환으로 활용하기 위해서는 제2의 다른 에너지가 꼭 필요하다는 것입니다. 물을 분해한 수소를 사용할수록 물을 분해하기 위해 에너지와 기술이 필요하게 됩니다.. 현재 가장 현실적인 방법은 천연가스(CH4)와 같은 탄화수소를 이용하는 것입니다. 천연가스에서 효율적으로 수소를 생산하는 기술이 상용화가 가능합니다. 하지만 천연가스는 화석 연료이기 때문에 문제가 됩니다. 이민 천연 가스(CH4)가 비교적 친환경 자동차 연료인데 연료인데 이를 또 가공해서 다른 연료로 바꿀 때 또 다른 비용이 발생한다는 점입니다.

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