탄소중립 수소혁명

이순형 지음 | 정승욱 옮김

쇼팽의서재 2021년 12월 27일 출간

작품소개

책소개

탄소중립 수소경제 관련 대중서 처음 출간 !!
석유혁명 100년 만에 에너지 대전환의 시대
수소경제의 핵심 암모니아의 장점을 쉽게 분석 소개
CCUS(탄소포집 활용 저장), 수소엔진, 수소발전, 암모니아발전 첨단 기술 망라
수소차(FCEV)와 전기차(BEV), 효과성을 명료하게 분석 !!

이 책은 탄소중립 수소경제에 관한 전문적이면서도 대중적으로 읽힐 수 있는 교양서로는 국내 첫 출간이다. 그간 관련 서적들이 일부 출간되었으나, 최근 세계적인 흐름에 맞춘 수소경제에 관해 쉽게 접근하면서도 전문지식을 습득할 수 있는 교양서는 거의 없었다. 에너지 분야 전문가로 명성을 얻고 있는 이순형 박사가 대중의 전문적인 이해를 돕고자 성실하게 저술했다.
석유 한 방울 나지않는 한국에게 수소에너지는 생명줄이나 다름없다. 그간 석유파동이 발생할 때마다 온 국민은 석유가격 변동에 맘 졸이며 지켜보았다. 특히 제조업 중심 산업구조, 높은 수출 의존도, 70%가 넘는 산악지형인 우리나라의 지리적 조건은 다른 나라에 비해 신·재생에너지 개발에 취약하다. 선진국들이 핵심 기술을 선점하는 바람에 후속 개발로 얻을 이익도 불확실하다. 정부는 신·재생에너지 확충에 3년간 8조원을 쏟아부었지만, 발전량은 2018년 39.5TWh에서 지난해 47.3TWH로 늘리는데 그쳤다. 태양광, 풍력 등 신·재생에너지가 전체 발전량에서 차지하는 비중도 7%에서 9%로 2%P 늘었을 뿐이다. 저자는 이에 대한 해결책을 망라해 제시해 놓았다.
이 책에서 소개하는 CCUS 기술은 독보적이다. CCUS 기술 진보로 인해 블루수소 내지 청록수소가 화석연료로 인한 온실가스 문제를 해결하는 대체 연료로 등장했다. 정부와 기업들이 수소에너지 그린수소에 올인하는 이유는 바로 이 때문이다. 책에는 CCUS(탄소 포집 활용 저장) 기술을 비롯해, 석탄 석유 셰일가스(천연가스)에서 수소를 대량 추출하는 기술, 수소엔진, 수소발전, 암모니아발전, 암모니아 추진선박 등에 관한 첨단 기술을 교양 수준으로 쉽게 소개되고 있다.

목차

들어가면서
서문

[제1장: 총론]
탈탄소 사회 실현의 첫 걸음
수요-공급을 연결하는 에너지 공급망
새로운 전력 공급 ‘마이크로그리드’
전력의 수소화 전환 - Power to Gas (P2G)
에너지 공급망의 회복탄력성

[제2장: 생산과 인프라]
수소사회 구현을 위한 인프라
수소에너지의 가치
셰일가스로 수소 대량 생산
셰일가스의 수소 분리 공정
천연가스를 기초로 하는 수소 생산과 공급
석탄으로 수소 대량 생산
석유 정제에 의한 수소 생산

[제3장: 각종 응용 기술]
CCUS 기술은 탄소중립의 ‘게임체인저’
PSA 공법에 의한 초고순도 수소
열화학적 저온 수소생산
광합성 미생물 수소생산
태양광 물 분해에 의한 수소생산


[제4장: 암모니아 경제의 개막]
수소경제의 ’징검다리‘ 암모니아의 등장
암모니아의 생산과 활용
CO₂-free 암모니아 공급 프로세스
수소에너지의 새로운 운반체 암모니아
수소에너지 운반체 공급망
CO₂-free 암모니아 생태계 구축

[제5장: 수소경제, 수소사회]
수소경제 생태계 구축을 위한 과제
압축수소 용기의 기술적 과제
일본 수소 생태계 구축의 전망
수소흡장합금을 이용한 수소 저장
수소연료전지 시대가 열린다
자동차용 수소연료전지의 미래
수소차와 배터리 전기차의 효율
가정용 연료전지의 개발 전망
수소엔진의 가능성과 한계
수소발전소 기술의 가능성
수소사회를 향한 인프라 확충
수소경제와 탈원전 정책의 조화

책 속으로

셰일혁명으로 미국은 에너지 독립을 이뤄냈다. 미국은 이제 브레튼우즈 체제, 즉 달러 기축통화를 수호하지 않아도 자국의 이익을 극대화시키는 기반을 마련할 수 있다. 에너지가 이토록 국가에 중요한 이유이다.
(셰일 혁명이 가져올 에너지 변화에서, 106~107쪽)

예전 공해 주범이라는 석탄이 아니다. 석탄이 귀한 대접을 받는 시대에 왔다. 기술의 발전 때문이다. 석탄에서 수소를 뽑아내고 후처리 공정을 거쳐 공해를 내뿜지않는 설비를 통해 청정연료로 재탄생하는 시대에 들어와 있다. 이는 일산화탄소와 메탄을 대량포집해 공업용 원료로 사용하는 후처리 공정 기술 때문에 가능해졌다. 지금 기술력 수준에서 볼때 화석연료를 수소로 전환하는 기술이 합리적이다. 화석연료 가운데 가장 저렴하고 안정적인 에너지는 석탄이다. 천연가스와 석유의 약 2배에 달할 정도로 매장량도 풍부하며, 지역적 편중 없이 전 세계에 널리 분포되어 있다.
(석탄으로 수소대량생산에서, 140~142쪽)

CO2의 포집, 활용, 저장Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS을 의미하는 CCUS 기술은 인류가 화석연료를 버릴 수 없다는 사실을 토대로 한다. 화석연료는 지금까지 300년 가까이 인류가 활용해온 까닭에 기술적 경험적인 지식 축적이 충분하다. 탄소중립 내지 탈탄소사회로 간다고 해서 어느날 갑자기 화석연료를 버린다고 가정해보자. 가정한다는 것 자체가 넌센스다. 화석연료를 쓰지않을 수 없다. 화석연료에서 유래하는 에너지는 인류 생존에 필수적 요소인 것이다. 따라서, 화석연료의 단점을 보완해 고치는 기술이 바로 CCUS 기술인 것이다.
(-CCUS 기술은 탄소중립의 게임체인저, 158~159쪽)


수소의 대표적인 단점은 수소의 부피당 저장 용량이 작고 비용이 많이 든다는 점이다. 이는 경제적인 대용량 저장과 장거리 운송이 암모니아보다 훨씬 어렵다는 것을 의미한다. 액화수소로 저 장해 이송하는 방법이 있지만, 수소를 액화시키는 과정과 운반은 지나치게 비싸다. 아직 기술력이 미치지 못하고 있다. 암모니아는 수소처럼 연소 시 CO₂를 배출하지 않아 미래 에너 지원으로서 요건을 갖추고 있다. 수소에 비해 제조와 저장, 운반 에 필요한 과정이 단순하고 비용도 적게 들어 경제적이다. 가솔린에 비해 폭발 위험도 비교적 낮다. 공기보다 가볍기 때문 에 환기성이 좋고 천정이나 높은 곳에 모이는 성질이 있어 누출의 경우에도 제어하기 쉬운 편이다. 따라서 업계는 그린암모니아에 관심을 집중하고 있다.
국제에너지기구IEA가 펴낸 ‘2020 에너지전망보고서’를 보자. 선박 연료로 암모니아, 수소 등의 사용 비중이 점차 확대돼 2060년 신조선의 경우, 60% 이상이 암모니아-수소 혼합연료추진 선박이 될 것이다. 암모니아 연료가 이 중 절반을 차지할 것이다.
(236~237 쪽)

출판사 서평

·재생에너지를 수소로 전환해 사용하는 시대가 도래했다. 인류는 이제 100년에 한 번 오는 산업혁명의 출발선에 서 있다.
우리나라는 수소 연료전지차, 수소 연료전지 발전 등 수소 활용 부문에서 경쟁력을 확보했다. 반면, 수소 생산, 저장·운송 기술 및 수소충전소 등 주요 인프라는 주요국에 대비해 부족하다. 수소를 에너지원으로 보급 활성화하기 위해서는 수소 활용과 인프라 확보의 불균형을 해소해야 한다. 수소생산-저장·운송-활용의 밸류체인이 조성되어야 비로소 새로운 에너지 패러다임으로 나아갈 수 있다.
아무리 태양광, 풍력발전 등이 보급되어도 극심한 변동성은 피할 수 없다. 신·재생에너지는 날씨에 의한 전력량 변동이 심하며, 태양광은 밤에 전력을 생산할 수 없다. 즉 전력 품질이 불량하면 아무리 풍부해도 쓸 수 없다. 일정 시간에 많이 발전된 전력을 송전할 수 있는 전력계통이 부족하여 큰 문제점으로 대두되고 있다. 그렇기 때문에 태양광발전 등이 원전을 보완 할 수는 있어도 대체는 무리다. 탈원전을 외치는 것은 간단하지만, 그와 동시에 원전 없이도 에너지원을 확보하는 방안을 구체적으로 제시해야 한다.
석탄은 수소원자 대 탄소원자의 비율이 1대 1~2 이다. 석유는 수소원자 2개에 탄소 원자 1개가 결합한 구조로, 수소 : 탄소의 비율이 1대 0.5 이다. 천연가스는 수소원자 4개에 탄소 원자 한 개가 결합해 수소 : 탄소의 비율 1대 0.25이다. 다시 말해 에너지원의 변화와 함께 기술 진보로 CO₂방출을 줄여왔다. 지난 140년 간 주요 에너지 단위당 탄소방출량은 연 평균 0.3%씩 감소한 것으로 추정되었다. 그러나, 방출량 감소에 비해 사용량이 크게 증가하면서, CO₂배출량은 꾸준히 늘었다. 전체 CO₂ 방출 자체는 증가했다.

미국 경제학자 제러미 리프킨은 저서 ‘수소혁명’에서 “탈탄소화의 여정 끝에 수소가 있다”고 했다.
향후 수소산업의 핵심은 어떻게 저렴한 수소를 대량 수요에 대응하느냐에 있다. 철강 조선 화학 반도체 등 에너지 다소비 공업에 소요되는 화석연료 에너지를 대체하는 수소를 어떻게 만들어내느냐 이다. 석유화학 공정에서 부산물로 나오는 수소는 온실가스가 배출되는 그레이 수소이다. 블루수소는 천연가스나 석탄 등 화석연료를 개질해 만들어 낸다. 또한 개질 공정에서 배출되는 CO2를 포집 저장 활용하는 CCUS 기술이 선진국을 중심으로 활발하게 개발되고 있다.

수소 생산 기술의 궁극은 그린수소이다. 물(H2O)을 전기분해해 얻는 수소이다. 독일과 일본, 미국 세 나라가 보유한 기술이다. 그러나 상용화 하기에는 경제성이 부족하고, 기술력도 효율성도 떨어진다. 최근 한국에서도 선진국 수준의 수전해 기술개발에 성공해 주목받고 있지만, 완전히 실용화 하기에는 향후 몇 년이 더 걸릴 것이다.
수전해 공정에 소요되는 전기를 어떻게 만들어 내느냐가 특히 중요하다. 친환경 에너지 생산을 위해 CO2를 내뿜는 화력발전으로 만든 전기를 수전해 등에 활용하는 것은 의미가 없다. 그린수소 생산에 CO2 배출이 없는 전기를 이용해야 진정한 의미의 탈탄소(무턴소) 에너지라고 할 수 있다.

작가정보

저자(글) 이순형

이순형 공학박사평생 에너지와 전기안전분야에 몰두하면서 경력을 쌓은 에너지 전문가로 활동하고 있다. 정부기관과 민간 기술기업에 고문으로 위촉되어 기술자문을 맡고 있다. 현재 에스지 대표이사로 재임하면서 전국의 대학과 연구소, 기관 등에서 강의와 연구활동 매진하고 있다.학력국립서울과학기술대학교 대학원 에너지환경대학원 공학박사2020년 은탑산업훈장2020년 대한전기학회 하계학술대회 우수논문상산업통상자원부 장관상, 학회학술상, 자자체 단체장 상등 경력한국전기안전공사 전기안전위원회 위원, 대한전기협회 전기설비길술기준 위원, 광주광역시 그린에너지기술분과위원장, (사)전국태양발전협회 고문, 녹색에너지연구원 이사, 전라남도 정책자문위원, 국제전기자동차엑스포 조직위원회 위원 등자격 : 건축전기설비기술사, 전기안전기술사저서 : 태양광발전 시스템의 계획과 설계, 태양광 뇌(낙뢰) 보호 기술지침, 수변전설비 계획과 설계수변전설비 기본 계획 및 설계도, 전기설비점검 데이터북, 전기설비 단답형, 전기설비기술기준 및 판단기준, 전기관계법규, 신재생에너지 관계법규 등 다수 10여권

번역 정승욱

정승욱 세계일보에서 청와대 출입기자와 국회팀장을 지냈고 정치·경제·사회·문화부와 논설위원을 거치면서 기자와 데스크를 지냈다. 도쿄 특파원 재임 중에는 일본 경제의 부흥과 정체 등에 주목하면서, 특히 글로벌 첨단 기업들의 발전 양상에 천착했다. 연세대 행정대학원에서 석사, 한국외대 대학원에서 '중국공산당 집단지도체제연구”로 국제관계학 박사 학위를 취득했다. 한국외대 겸임교수로 동아시아 국제정치·경제와 관련한 현안을 강의하했으며, 전국 대학과 언론사들에서 강의중이다.저서로는 『김정일 그 후』, 『일본은 절대 침몰하지 않는다』, 『새로운 중국, 시진핑 거버넌스』, 『2030년을 지배하는 초일류기업분석 15』 등이 있고, 역서로는 『붉은 황제의 민주주의』, 『넥스트 실리콘밸리』, 『미중 플랫폼 전쟁 GAFA vs BATH』, 『홀로선 자본주의』 『백악관 AI 리포트』(2021)등이 있다.