• 지구의 70%를 차지하는 것이 물이다. 이 물로 움직이는 자동차가 있으면 얼마나 좋을까? 그러면서 효율은 기존 내연기관(연료의 연소가 기관의 내부에서 이루어져 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 기관) 자동차보다 2배나 높고, 오염물질도 전혀 배출하지 않는 자동차라면 금상첨화다.

    공상과학영화에 나오는 일이 아니다. 실제로 이런 자동차가 실험용이기는 하지만 지금도 서울 도심을 누비고 다닌다. 물을 통해 얻을 수 있는 수소(水素)를 연료로 하는 자동차이다.

    다만 지금은 물에서 바로 수소를 생산하는 게 경제성이 없어 과도기로 화석 연료로부터 수소를 제조하는 기술을 적용하고 있다. 하지만 지금 제주도에는 풍력 발전으로 얻은 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 충전소가 건립 중이다. 먼 미래의 이야기만은 아닌 것이다.

    ■도래하는 수소 경제 사회

    수소 연료는 물의 전기 분해로 간단히 설명할 수 있다. 물에 전기를 가하면 수소와 산소로 분해된다. 반대로 수소와 산소를 화학적으로 반응시키면 전기가 발생하고, 부산물로 물과 열이 나온다. 이 전기로 자동차나 전자제품, 냉·난방기기를 작동시키는 것이다.

    제러미 리프킨은 저서 '수소 혁명'에서 "수소의 등장으로 화석에너지에 의존하는 탄소시대가 종말을 고할 것이며, 이는 기존의 경제, 정치, 사회를 근본적으로 바꾸는 또 하나의 혁명적인 일이 될 것"이라고 말했다.

    석유는 일부 국가가 독점하고 있지만, 수소는 지구 어디에나 있는 물로 만들어내니 에너지 권력이 사라진다. 또 미래에는 풍력이나 태양광 발전으로 가정에서도 쉽게 물에서 수소를 만들 수 있을 전망이다. 에너지의 소비자가 판매자가 될 수 있는 시대가 되는 것이다. 그 중심에 수소연료전지가 있다.

     사람들은 흔히 연료전지(fuel cell)를 2차전지의 다른 형태로 생각한다. 하지만 차이가 있다. 2차전지는 다른 전력 장치로부터 전기를 받아(충전) 보관하고 있다가 내보내는(방전) 것이다. 충전받은 전기를 다 소진하면, 재충전이 필요하다. 반면 연료전지는 연료인 수소를 공급받아 직접 전기를 생산해낼 수 있다.

    다시 말해 전원 코드가 없으면 2차전지는 무용지물이지만, 연료전지는 수소 연료통만 있으면 사막에서도 전기를 만들 수 있다.

    ■자동차에서 휴대폰까지

    장차 수소연료전지는 여러 분야에서 폭넓게 사용될 것이다. 우선 자동차이다. 연료전지 자동차는 수소를 연료로 이용해 전기를 발생시켜 차량을 구동시킨다. 이때 수소는 수소충전소에서 공급받는다. 이 충전소는 과도기적으로 천연가스 같은 화석에너지에서 수소를 생산한다. 하지만 미래에는 풍력이나 태양광 같은 재생에너지를 이용해 물에서 수소를 얻게 된다.

    연료전지 자동차는 내연기관 없이 달리는 자동차이기 때문에 전기모터 회전음만 들릴 뿐 소음과 진동이 거의 없어 승차감이 탁월하다. 무엇보다 내연기관 차량에 비해 차량 효율이 2~3배인 반면, 이산화탄소 배출량은 0에 가깝다. 전문가들은 연료전지 자동차가 10년쯤 후에 경제성을 확보하고 본격적인 산업을 형성할 것으로 예상한다.

    발전(發電)에도 사용될 것이다. 산업용 외에 가정이나 건물에서도 연료전지를 이용해 전기를 생산할 수 있다. 수소와 산소가 반응할 때 부산물로 나오는 열을 이용해 물을 데우고 난방을 하는 데도 사용할 수 있다. 발전 효율이 35%, 종합 효율이 75%가 넘어 에너지 절감에 효과적이고, 공해물질도 거의 배출되지 않는다는 장점이 있다. 남는 전기를 판매함으로써 가정과 기업에 새로운 수입원이 될 수도 있을 것으로 기대된다. 

    발전용 연료전지는 장기적으로는 연료전지 자동차와 마찬가지로 재생에너지를 이용해 물을 분해해 만든 수소를 연료로 사용할 전망이다. 문제는 그러자면 재생에너지를 이용한 발전시스템과 물 분해 수소 제조시스템, 이렇게 만든 수소를 도심 곳곳에서 충전할 수 있는 시스템이 필요하다는 점이다.

    아직 이런 여건이 미비하기 때문에 현재 과도기적으로 인프라가 잘 갖추어져 있는 천연가스를 이용하고 있다. 천연가스 역시 탄소와 수소의 결합체이기 때문에 연료전지에서 산소와 수소 반응을 일으킬 수 있기 때문이다. 실제로 포스코파워는 포항, 완주, 군산에서 천연가스를 이용한 2.4㎿(메가와트)급 연료전지 발전소를 운영 중이다.

    휴대용 전자기기에도 연료전지가 예외 없이 적용된다. 현재 휴대용 전자제품에 많이 쓰이는 2차전지보다 단위 부피당 전력 발생량을 의미하는 에너지 밀도가 높으며, 충전이 빠르고 간편하다는 장점이 있다. 휴대폰과 PDA, 캠코더, 노트북, 스쿠터, 로봇까지 그 응용 분야가 매우 다양하다. 그만큼 시장이 넓어 경제적 잠재성이 크다. 연료로는 수소와 메탄올, 액화천연가스, 가솔린 등 수소를 함유한 물질이 이용될 수 있다.

    고성능 휴대용 연료전지가 개발되면 장기간 출장이나 여행 중에도 배터리 걱정 없이 휴대기기를 사용할 수 있는 날이 곧 올 것이다. 충전해서 쓰는 번거로움 없이 간편하게 편의점에서 연료 카트리지를 구매하면 된다.
    우리나라는 휴대폰 등 휴대용 전자기기에서 세계적인 기술을 축적하고 있으며, 리튬 2차전지 생산에서도 세계 2위에 올라서 있다. 따라서 휴대용 연료전지 기술 또한 앞으로 적극적인 연구개발이 이루어진다면 세계를 주도할 잠재력이 충분하다. [홍성안/한국과학기술연구원 수소연료전지 사업단장 ]