자동차 산업에서는 육상 운송의 미래가 전기 추진력이라는 공감대가 커지고 있습니다. 하지만 e-모빌리티가 개념으로 다시 등장하면서(자동차 시대 초창기에는 ICE와 전기차가 공존했다는 사실을 잊지 마세요), 전기 모터에 전력을 공급하는 방법에 대한 논쟁이 벌어지고 있습니다. 첫 번째 옵션은 차량에 배터리 팩을 사용하는 것입니다. 요즘에는 분명히 더 인기 있는 옵션입니다. 하지만 수소연료전지에는 또 다른 방법이 있습니다.
연료전지란 무엇입니까?
현재 배터리 기술의 낮은 에너지 함량에 주목한 일부에서는 다른 접근 방식을 제안했습니다. 무겁고 부피가 큰 배터리 없이 자동차에서 전기를 생산합니다. 이 기술은 60년대 NASA가 달 탐사를 위한 제미니(Gemini) 및 아폴로(Apollo) 임무에서 전기를 생성하기 위해 처음 사용했기 때문에 실제로 새로운 것은 아닙니다. 연료전지에는 몇 가지 유형이 있지만 자동차 산업에서는 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)가 거의 독점적으로 사용됩니다.
그렇다면 연료전지에서 어떻게 전기를 생산할 수 있을까요? 이는 비교적 간단한 과정입니다. 연료전지는 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 양극, 음극 및 분리막. 양극에서는 H2가 탱크에서 공급됩니다. H2는 두 개의 전자와 두 개의 양성자로 구성됩니다. 양전하를 띤 양성자는 분리막을 통과하고, 음전하를 띤 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 전류를 생성합니다.
음극 대기 공기에서 산소는 이전에 분리기를 통과한 수소의 양성자와 외부 회로의 전자를 만납니다. 이 조합은 물을 생성한 다음 자동차의 배기관에서 배출됩니다. 마실 수 있는 배기관!
수소생산
수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이지만 지구상에서는 자유 형태로 얻을 수 없습니다. 이는 우리가 그것을 얻을 수 있는 방법을 찾아야 함을 의미합니다. 현재 수소를 생산하는 방법에는 3+1가지가 있습니다.
회색수소는 천연가스를 수증기 개질하여 생산하는데요. 천연가스는 매우 뜨겁고 고압의 수증기로 충격을 받습니다. 이 반응으로 H2와 CO2가 생성됩니다. 이러한 수소 생산 방식은 환경친화성이 가장 낮습니다.
블루 수소는 탄소 포집 및 저장(CCS) 시스템이 생산 공정에 통합되어 방출된 CO2가 대기에 도달하는 것을 방지한다는 점을 제외하면 회색 수소와 매우 유사합니다.
세 번째 생산 경로는 녹색수소를 생성하는 전기분해다. 이 방법은 연료전지와 반대로 작동합니다. 전류가 물 분자를 구성 가스인 수소와 산소로 분리합니다.
"+1" 접근법은 청록색 수소로 알려져 있습니다. 이 기술에서는 천연가스가 용융 금속 욕조를 통과하여 수소와 고체 탄소를 생성합니다. 이 개념은 가능성을 보여주지만 아직 상업적 규모의 배포에는 도달하지 못했습니다.
기존 옵션 중에서 녹색 수소는 지속 가능하고 영향이 적은 생산에 대한 가장 큰 가능성을 갖고 있습니다. 단, 프로세스를 구동하는 전기가 풍력이나 태양광 발전과 같은 재생 가능 에너지원에서 나오는 경우입니다.
수소 상태
사용되는 수소에는 두 가지 가능한 상태가 있습니다. 기체와 액체 형태 모두 장점과 단점이 있습니다.
수소는 우주에서 가장 밀도가 낮은 원소이기 때문에 이를 자동차에 사용하려면 심각하게 압축해야 합니다. 현재 응용 분야에서 수소는 700bar로 압축됩니다. 이는 많은 압력이며 이를 위해서는 특별하고 값비싼 탱크가 필요합니다.
다른 대안은 액체 형태입니다. 그러나 수소를 액화하려면 절대 영도보다 20°C, 즉 마이너스 253°C까지 냉각되어야 합니다. 두 가지 형태의 수소를 모두 얻으려면 초고압축이나 냉각을 위해 에너지를 사용해야 한다는 것은 분명합니다.
하지만 수소 사용의 이점은 엄청납니다. 1kg의 수소는 33.3kWh의 에너지를 운반합니다. 이는 현재 가장 발전된 배터리 팩보다 kg당 167배 더 많은 에너지를 운반한다는 의미입니다!
배터리 대 수소
그렇다면 가장 선호되는 방법은 무엇입니까? 전기를 운반하거나 자동차에서 생산하시겠습니까? 자동차 산업은 몇 가지 이유로 현재 배터리 팩을 선호하는 것 같습니다.
우선 PEMFC의 효율은 60% 내외이다. 천연가스의 증기 개질 효율은 70%인 반면, 전기분해의 효율은 75%입니다. 수소 압축 효율은 약 89%, 액화 효율은 약 66%입니다. 다음 표에는 배터리 팩과 수소 간의 모든 손실이 요약 및 비교되어 있습니다. 수소의 경우 가장 효율적인 시나리오가 사용되었습니다.
| 효율성 비교 | 수소 | 배터리 팩 |
|---|---|---|
| 전기분해(%) | 75 | - |
| 수소 압축(%) | 89 | - |
| 연료/그리드 운송(%) | 80 | 93 |
| 연료전지(%) | 60 | 94 |
| 영구자석 모터(%) | 94 | 94 |
| DC/AC 변환(%) | 93 | 93 |
| 충전 중(%) | - | 94 |
| 전송률(%) | 95 | 95 |
| 총 효율(%) | 27 | 73 |
앞의 표에서 파생된 데이터는 연료 전지 기술이 내연 기관(ICE) 가솔린 차량의 효율성 프로필과 거의 동일한 효율성 프로필을 제공한다는 것을 나타냅니다. 현재 상황을 고려할 때 승용차에 연료전지를 배치하는 것은 실질적인 이점이 거의 없습니다. 결과적으로 대다수의 자동차 제조업체는 고유한 제약에도 불구하고 배터리 팩 접근 방식을 선호합니다.
등가 거리를 주행하는 데 드는 수소 충전 비용은 집에서 전기차를 충전하는 것보다 7~8배 높다는 점도 주목할 만하다. 수소는 탁월한 에너지 밀도로 인해 대형 트럭 운송 분야에서 틈새 시장을 찾을 수 있지만, 이러한 잠재력은 수소 생산을 위한 지속 가능한 방법 개발에 달려 있습니다.
