‘이동식 공기청정기‘로 불리는 수소차? 자세한 내막을 파헤쳐 보자.

‘이동식 공기청정기‘로 불리는 수소차? 자세한 내막을 파헤쳐 보자.

16기 이지윤

  지구촌 환경오염의 심각성으로 인해 국가적으로 탈석탄, 탈석유, 그리고 신재생에너지의 개발의 움직임이 활발해지고 있는 가운데, 에너지 산업 및 경제 시장이 새롭게 개편되고 있는 모습이 포착되었다. 대표적인 예시로 '수소경제'를 들 수 있다. 수소경제란 기존의 화석연료 에너지 산업에서 벗어나 수소를 주 에너지원으로 활용하는 경제 산업 시스템을 일컫는 말이다. 수소경제를 이끌어가기 위한 가장 중요한 키포인트는 '수소차'다.

 

[그림 1. 수소경제 개념도]

출처 : 대한민국 정책브리핑 정책위키

  수소차 상용화의 성공으로 수소 에너지원의 안정성을 증명하는 것을 바탕으로 하여, 자동차·조선·석유화학 사업에까지 활용 범위를 넓힌다면 이는 국가의 새로운 성장 동력의 기회가 된다. 즉, 이를 위한 첫 단계는 수소차 시장 산업의 개막을 준비하는 것이라 할 수 있다.

  우리나라는 일찍이 2000년 이전부터 수소 연료 개발에 힘써왔고 2013년 현대자동차에서 세계 최초로 수소연료전지차(투싼ix)의 양산 체계를 구축했다. 그 이후 상용화 목표를 두고 전기차와의 대결구도가 펼쳐지면서 그동안 석유를 주 에너지원으로 삼았던 디젤 및 가솔린 차량의 시대를 밀어낼 준비를 하고 있다. 이렇게 수소연료전지 자동차의 개발과 상용화에 힘을 실어주는 이유로 앞서 말한 수소경제의 밑받침이 되기 위함도 있지만, 더 근본적으로는 그간의 주 에너지원으로 활용되었던 석유나 석탄의 고갈 가능성과 더불어 대기오염을 주축으로 벌어지는 심각한 환경훼손을 막기 위함이다.

 

[그림 2. 수소연료전지차의 개념]

출처 : KB 지식 비타민(2017) 재인용

   수소차(수소연료전지차를 줄여서 칭함.) 구동원리를 살펴보면, 수소차량 안에 내장된 수소와 공기 중의 산소가 결합하여 화학에너지를 생성하고 연료전지를 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환한다. 이때 수소차에서 발생되는 부산물은 수소와 산소의 결합으로 만들어진 투명하고 깨끗한 물뿐이다. 이 덕분에 수소 연료가 '친환경' 키워드를 대표하는 차세대 에너지원으로 손꼽히는 것이다. 하지만 수소차의 친환경적인 면모는 이뿐만이 아니다. 수소차는 대기 중의 오염된 공기를 정화하는 기능까지 갖추고 있다. 급격한 국내 도시화·산업화와 더불어 최근 몇 년 간 중국발 미세먼지로 인한 심각한 대기오염으로 고통받았던 우리에게 이는 반가운 사실이 아닐 수 없다. 미세먼지 잡는 수소차, 해당 기능과 기술에 대해 좀 더 자세히 알아보자.

 

수소연료전지차의 미세먼지 정화 기능

   앞서 말했던 수소차의 구동 원리에서 수소와 산소가 결합하는 단계에 주목할 필요가 있다. 수소차 안에 내장된 수소가 화학에너지를 얻기 위해서 산소를 필요로 하는데, 이때 필요한 산소는 청정한 '고순도' 산소여야 한다. 대기 속 산소에는 각종 미세먼지가 섞여 있기 때문에 이를 걸러내기 위한 미세먼지 여과 시스템이 탑재된다.

[그림 3. 수소전기차 넥쏘의 공기 정화 과정]

출처 : HMG JOURNAL 

   2018년에 출시되었던 현대차 넥쏘의 경우, 세 가지 단계를 거쳐 공기를 정화한다. 먼저 각종 화학물질이 들어있는 대기를 차내의 공기필터에 통과시켜 초미세먼지의 97% 이상을 걸러낸다. 그다음 가습 막을 이용하여 건조공기를 가습하는 과정(막 가습기)에서 막 표면에 남아있는 초미세먼지를 추가로 제거한다. 마지막으로 연료전지 스택(수소와 산소를 결합하여 전기와 물을 생성하는 장치) 안의 기체확산층(미세기공의 탄소섬유 종이)에 의해 한 번 더 초미세먼지를 걸러낸다. 다른 수소차량도 이와 비슷한 원리로 운영되고 있다.

   몇몇 관련 전문가들에 의하면, 수소차의 공기 정화 필터는 단순히 대기 중의 오염된 공기를 정화하려는 목적이 아니라 수소전기 반응을 향상시키기 위해서 청정한 공기가 필요했기 때문이라며 미세먼지 정화 시스템의 주 목적을 바로잡고자 했다. 그러나 그것이 주된 목표는 아니었을지라도 수소차가 대기 오염 물질을 걸러내어 환경 정화에 이바지하는 것은 분명한 사실이다. 2016년에 시행되었던 수소 연료전지 전기차의 미세먼지 저감 시연행사를 통해 그 효과는 이미 증명되었다. 현대의 투싼 ix 수소차 앞에는 미세먼지가 들어있는 애드벌룬을, 뒤에는 속이 비어있는 애드벌룬을 장착하여 시동을 걸어보았다. 그 결과 앞 쪽의 미세먼지가 들어있던 애드벌룬은 부피가 작아졌고 뒤 쪽 배기구에 연결된 속이 빈 애드벌룬은 팽창하였다. 수소차가 앞의 애드벌룬 속 오염된 공기를 빨아들여 뒤의 애드벌룬에 물을 포함한 깨끗한 공기를 담아냈다. 그뿐만 아니라 내부에 들어있던 흰색 공기 필터가 시연 후 검은색으로 변색되었다. 수소차가 그동안 석유 에너지원 차량으로 더렵혀진 도로 위의 공기들을 충분히 정화해내는 '친환경'의 아이콘이자 차세대 주력 에너지원이 되리라는 확신을 보여준 것이다.  

 

수소연료전지차의 미세먼지 절감, 그 효과는?

[그림 4. 넥쏘의 공기정화 능력]

출처 : HMG JOURNAL 

   그렇다면 ‘도로 위의 공기청정기‘ 수소차가 얼마만큼의 미세먼지를 정화할 수 있을까? 국내 수소차 넥쏘를 예로 들어 설명하자면, 넥쏘 1대가 디젤 중형차 2대 분량의 배출 먼지를 빨아들이고 총 26.9kg의 공기를 정화한다. 더 자세한 내용을 담은 현대자동차 홈페이지에 따르면, 넥쏘 1만 대는 성인 약 48,900명에게 1시간 동안 마실 수 있는 맑은 공기를 제공하고 나무 60만 그루와 같은 정도의 탄소 저감효과를 발휘할 수 있다고 한다. 넥쏘 10만 대가 2시간을 운행할 시 정화되는 공기량은 무려 서울 시민 전체(약 854만 명)가 1시간가량 소비할 수 있는 정도다. 이는 성인 약 36만 명이 하루 동안 호흡할 수 있는 양이기도 하다.

 

미세먼지 잡는 수소차? 하지만 비판적으로 들여다본다면!

  지금까지 기술해왔듯이 수소차는 그 자체로는 공해물질이 전혀 생성되지 않아 차세대 친환경 차량으로 불린다. 그런데 수소차 동력원 중 가장 필수적인 요소, 바로 수소는 어디서 어떻게 추출해오는 것일까? 현재까지의 기술력으로는 천연가스나 석유 등의 화석연료를 고온 고압의 환경에서 수증기와 반응시켜 수소를 얻어낸다. 그러나 문제는 화석연료를 가공하여 수소를 추출하는 과정에서 적지 않은 양의 이산화탄소가 발생한다. 수소차가 과연 궁극의 친환경차라는 타이틀에 적합한가에 대한 비판은 이 점에서 시작된다. 실례로 일본의 도요타에서 개발된 미라이 수소차는 독일 인증기관 TUV(Technischer Uverwachungs-Verein, 기술 검사 협회)에 의해 온실가스 배출량을 평가받았고 그 결과, 수소차의 온실가스 배출량이 기존의 일반 하이드 브리드 자동차(휘발유 원료)의 배출량과 큰 차이가 없었다. 과연 수소차가 미세먼지를 잡아준다는 장점 하나만으로 친환경 차량이라고 칭송받을 수 있을까?

  '친환경', 'free 공해'라는 수식으로 수소차를 선전하고 있지만 결국 수소차도 화석연료로부터 완벽히 벗어나지 못하고 있는 현실이다. 2019년 문정부가 새롭게 내세운 목표 '수소경제'를 안정적으로 구축하기 위해서라면 보완할 문제점이 여러 가지가 있겠지만, 가장 궁극적으로는 수소 에너지원을 추출하는 방식을 전환해야 한다. '수소 에너지'의 현주소에 대한 몇몇 국내 수소에너지 분야 전문가들의 입장에 따르면, 현재 수소를 화석연료에서 생산하는 방식은 과도기적인 단계일 뿐이며 최종적인 목표는 재생에너지에 의한 잉여 전기로부터 수소를 생산하는 것이라고 한다. 재생에너지를 생산하는 과정에서 남는 잉여 전기로 물을 전기분해하여 수소를 얻는 방식은 모든 과정에서 공해물질과 온실가스가 전혀 발생하지 않기 때문에 '수소 경제'가 진정으로 추구하던 '그린 수소'라고 할 수 있다. 따라서 국가와 관련 기업들은 이를 이루기 위한 전략을 상세히 설정할 필요가 있다. 수소에너지원의 개발과 더불어 재생에너지 보급률을 높이고 관련 기술들과의 결합을 이뤄내어 인류와 환경에게 더 친숙한 '수소차'로 '수소경제' 시장의 개막을 열어야 할 것이다.

 

<참고문헌>

1. 문현식 / 수소차가 미세먼지 걸러주는 원리는? / 이웃집과학자 / 2019.01.09

2. 문서우 / 공공의 적 초미세먼지, 수소차가 돌파구…"공기정화 기능 탁월" / MOTOR GRAPH / 2018.03.27

3. 자원고갈 없고 공기정화 기능까지…수소차의 구동원리는 / 한국경제 / 2019.01.17

4. 대한민국 정책브리핑 정책위키 - 수소경제

5. HYUNDAI MOTOR GROUP 수소전기차

6. 박관규 / HMG JOURNAL / 친환경 수소차 속에 담긴 과학 원리 / 2018.08.21

7. HMG JOURNAL / 수소전기차의 시대 PART 2 자동차가 미세먼지를 없앤다 / 2018.03.28

8. 박홍준 / 수소폭탄(?)·공기정화(?)..수소전기차에 대한 오해와 진실은... / chosun 데일리 카 / 2018.02.09

9. 김지석 / [팩트체크] 수소차는 '궁극의 친환경차'가 아니다 / NEWSTOF / 2019.01.23

10. 주영재 / 수소차는 전기차보다 친환경일까? / 경향신문 / 2019.02.10

11. 월간수소경제편집부 / 수소에너지에 대한 오해와 진실 / 월간수소경제 / 2019.03.04