수소 경제가 성립되려면 저비용의 생산공정 외에도 저장 소재와 연료전지의 발전, 혁신적인 안전 기술, 대대적인 인프라 투자 필요해

소재과학자들이 분명 바쁠 것 같다. 인터넷을 검색하다 보면 탄소를 전혀 배출하지 않는 수소연료를 찬양하는 글들을 보게 된다. 수소연료가 휘발유 차량을 몰아내고 건물난방용 천연가스를 대체하고 풍력·태양광 단지에서 생산된 잉여전력을 저장하는 엄청난 잠재력을 지닌다는 것이다. 대규모의 저비용 생산공정을 개발할 수만 있다면 우리 사회가 기후변화 대책을 향해 크게 도약한다는 게 공통된 논리다.

이론상 모두 그럴싸하게 들리고 수소가 몇몇 흥미로운 특성을 갖고는 있지만 실용적인 대규모 제조공정의 개발 말고도 수소연료가 극복해야 할 장애물은 적지 않다. 수소를 연료로 사용하는 데는 여러 가지 현실적인 문제가 수반되며 이는 그런 부풀려진 기대에 부응하기 어렵다는 점을 강력히 시사한다. 이는 또한 개인 투자자가 무턱대고 수소경제가 불가피하다고 믿는 것이 위험한 이유를 보여준다. 수소는 에너지 밀도가 가장 높으면서 동시에 가장 낮은 연료 중 하나로 손꼽힌다. 이는 모두 어떤 밀도 척도를 사용하느냐에 좌우된다. 과학자들이 단위 질량 당 에너지를 계측할 때는 수소 밀도가 휘발유보다 3배, 단위 체적 당 에너지를 측정할 때는 휘발유가 10배 이상 높다.

이런 차이는 수소연료의 물리적·화학적 특성에서 기인한다. 수소는 우주에서 가장 가벼운 원소다. 따라서 질량 기준으로는 놀라운 에너지 밀도를 자랑한다. 그러나 적당한 부피 안에 충분한 질량의 수소를 우겨 넣는 데는 특유의 재료, 높은 압력, 그리고 적절한 저장을 위한 과냉각(supercooled, 온도를 빙점 이하로 내려도 물체가 얼지 않고 원래 상태 유지) 온도가 요구되는 탓에 어렵고 비용이 많이 드는 공정이다. 이는 연료 저장공간에 제약이 따르는 수소연료 차량의 잠재력을 가로막는 큰 걸림돌이다.

그런 문제에도 불구하고 도요타 자동차는 미라이를 선보이며 연료전지 차량 개발 레이스에 남들보다 먼저 뛰어들었다. 2019년 모델은 미국의 주·연방세 공제 전 가격 5만8500만 달러에 시내·고속도로 주행 모두 28.06 ㎞/ℓ의 연비, 커다란 121ℓ의 연료통을 갖췄다. 그러나 한 가지 간단한 이유에서 수소차가 미래의 교통수단으로 자리 잡을 가능성은 희박하다. 수소연료 전지는 다량의 백금족원소(PGMs, 루테늄·로듐·파라듐·오스뮴·이리듐·백금)를 필요로 한다는 점이다.

PGM은 수소연료 전지에서 매우 중요한 촉매 역할을 한다. 맨 처음 수소에서 에너지를 추출할 수 있게 하는 원소다. 그러나 세상에는 교통수단용으로 사용할 만큼 백금족원소가 충분하지 않다. 비백금족원소 촉매제가 개발될 수도 있지만 신소재의 실용성이 상업적인 규모로 입증될 때까지는 투자자 입장에서 너무 큰 기대는 금물이다. 수소연료와 관련해 더 골치 아픈 문제 중 하나는 안전이다. 수소는 분자 크기가 작고 가벼운 속성을 지녀 개방된 환경에서 급속히 확산된다(연료로 사용되는 다른 가스보다 유리한 점). 하지만 누출될 가능성도 더 크다. 수소는 인간이 감지하기가 어렵고 공기 중 아주 낮은 농도에서 점화할 수 있어 다른 일반적인 연료에 비해 누출 가스의 실내 축적으로 야기되는 위험이 훨씬 더 커진다.

더 시급한 안전 문제는 수소 불꽃이 낮에는 육안으로 거의 식별할 수 없다는 것이다. 방사열(radiant heat)도 낮아 화염 가까이 있을(또는 직접 접촉할) 때까지 문제가 있음을 알아차리지 못할 수도 있다. 그것도 반드시 해결해야 할 문제지만 이는 수소를 연료로 폭넓게 사용하려면 초기대응 훈련과 새 장비에 막대한 투자가 필요하다는 것을 시사한다. 이는 고가의 생산, 까다로운 저장, 그리고 기타 안전 우려와는 별개 문제다. 수소 공급의 한 가지 좋은 점은 효율성 손실 전혀 없이 전력도 수송할 수 있는 과냉각된 지하 파이프라인 망을 통해 미국 각지로 가스를 운반하는 잠재력이다. 그럴 경우 이론상 캘리포니아의 태양광 발전 단지에서 시카고 야구경기장의 조명 전력을 공급할 수 있게 된다. 그러나 ‘좋은’과 ‘실현 가능한’은 엄연히 다르다.

미국의 전국적인 과냉각 파이프라인망은 극단적인 예지만 그게 아니더라도 수소 경제에는 수소연료 생산·공급·저장을 위한 새 인프라에 상상을 초월하는 투자가 필요하다. 국제적인 가스·전력회사 내셔널 그리드는 다양한 이해관계자들과 함께 초기 리서치를 실시하고 있다. 건물에 난방용으로 수소를 공급해 천연가스를 대체하려면 무엇이 필요할지 파악하려는 목적이다. 거기서 벌써 일단의 잠재적인 문제점들이 제기됐다.

플라스틱 소재의 새 천연가스 공급선으로 실제 순수 수소를 운반할 수 있을지 모르지만 같은 지역의 공급망에서 두 연료를 모두 취급할 수는 없다. 게다가 내셔널 그리드는 영국에서 제안한 탄소 포집과 격리 프로그램을 활용하기 위해 그들의 철관 중 일부를 사용하기를 희망했다. 플라스틱으로 모두 바꾸면 그런 가능성은 사라지고 단기적으로는 탄소배출 순증가를 초래할지 모른다. 간단히 말해 미래의 이상적인 청정연료는 기존 인프라를 가능한 한 많이 활용하게 될 것이다. 수소는 거기에 적합하지 않을 수 있다. 수소를 연료원으로 사용하는 데는 현실적으로 문제점이 있다. 화석연료보다 더 깨끗하게 연소될지 모르지만 직접적인 환경상의 이점만으로는 수소의 광범위한 사용이 필연적이라고 하기는 어렵다. 수소 경제가 성립되려면 저장 소재와 연료전지의 발전, 혁신적인 안전 기술, 대대적인 인프라 투자가 필요하다. 이런 장애물을 극복하고 그런 투자의 가치를 높이는 신소재가 개발될 수 있을까? 물론 그것은 먼 훗날의 이야기다. 현재로선 수소에서 투자기회를 찾아서는 안 된다.

- 맥스 채츠코



※ [이 기사는 온라인 금융정보 사이트 모틀리풀에 먼저 실렸다.]

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