[DEEP BYTE] 수소에너지는 어떻게 발전해왔을까? (feat. 기술혁신 패턴)

[DEEP BYTE] 수소에너지는 어떻게 발전해왔을까? (feat. 기술혁신 패턴)

기술혁신은 어떤 패턴으로 일어나게 될까요? 수소에너지의 사례와 함께 기술혁신 패턴을 살펴보았습니다.

🐸 SHAUN

이전 DEEP BYTE에서는 기술혁신의 주요 이론과 함께 전기차와 자율주행차의 사례를 살펴보았는데요. 기술만으로는 기술혁신을 이룰 수 없고 사회기술적 체제(socio-technical regime)를 구성하는 과학, 문화, 기술, 산업, 정책, 시장 및 사용자 선호도의 총괄적인 변환이 일어나야 한다는 점을 알 수 있었습니다.

[DEEP BYTE] 기술은 어떻게 성공한 비즈니스가 될까?
기술혁신은 어떤 경로를 거쳐 일어날까요? 매년 수많은 기술들이 새로 생겼다가 없어지는 가운데, 전기차, 스마트폰과 같은 혁신 기술들이 어떻게 주류 기술이 되는지 오늘 DEEP BYTE에서 알아봐요!
이전 <DEEP BYTE>를 안 읽으셨다면, 꼭 읽고 와주세요!

그럼 이러한 기술혁신은 어떻게 일어나게 되는 걸까요?  Geels의 이론에 따르면 기술혁신은 4단계에 걸쳐 일어난다고 합니다. 우선 혁신적인 신기술이 탄생하지만 이는 인프라의 부족 및 기존 업체의 방어로 인해 기존 기술에게 밀리게 됩니다. 하지만, 점차 인프라가 신기술과 함께 발전하게 됨에 따라 점차 신기술이 산업을 주도하게 되는데요. 이렇게 신기술은 보편화되며 하나의 대세로 자리잡게 되고, 관련 정책과 문화가 만들어지면서 사회에 자리잡게 됩니다.

Geels의 기술혁신 이론

  1. 혁신적인 신기술의 탄생
  2. 기존 기술에 밀리게 됨
  3. 인프라(기술적, 경제적)가 신기술과 함께 발전하게 됨
  4. 신기술은 정책과 문화와 함께 대세로 자리잡게 됨

오늘 DEEP BYTE에서는 이러한 기술전환의 패턴을 더 쉽게 이해하기 위해 수소에너지에 초점을 맞춰 살펴보았는데요. 과연 수소에너지는 어떻게 탄생하였으며 어떻게 발전해왔을까요? 그리고 현재 어디까지 왔으며, 앞으로 어떻게 나아갈까요?

[Phase 1] 수소에너지의 탄생

수소에너지의 탄생은 우리가 생각하는 것보다 훨씬 오래되었습니다. 수소는 18세기 화학의 아버지라고 불린 라부아지에에 의해 처음 발견되었는데요. 그는 수소가 연소될 때 물이 생성된다는 것을 확인하였고 이를 통해 수소를 대량생산할 수 있는 방법을 고안했습니다. 당시 프랑스는 이를 군사용으로 활용해 수소를 이용한 기구를 전투에 사용하기도 하였습니다.

1794년 정찰용으로 활용된 수소 기구

전기에너지에 대한 관심이 고조되던 1830년대에는 영국의 과학자 월리엄 그로브 경에 의해 최초의 수소연료전지인 그로브 전지가 발명되었는데요. 물을 전기분해하는 원리를 역으로 활용해 전기를 만들어내는데 성공하며, 수소는 차세대 연료로 주목받기 시작했습니다. 1900년대 초반에는 수소로 달리는 친환경 자동차가 등장하였고 같은 시기에 수소로 움직이는 버스, 기차, 잠수함이 개발되기도 했습니다.

최초의 연료전지인 그로브 전지

수소는 우주 질량의 75%를 차지할 정도로 가장 흔한 원소입니다. 지구 표면의 70%를 덮고 있는 물에도 수소가 들어 있어 화석연료와 달리 고갈될 우려가 없는데요. 이 때문에 수소는 당시 가장 각광받는 에너지원으로 떠올랐습니다.

[Phase 2] 실효성과 안정성에 의심을 받다

그러나 2차대전이 끝난 후 수소에 대한 관심도 식었습니다. 기존 화석연료의 효율성때문인데요. 석유가 수소에 비해 저렴하고 수송이 용이했기 때문입니다. 20세기 초, 석유는 전 세계의 주 에너지원으로 사용되었고 석유화학공업의 발달로 인프라가 모두 갖춰진 상황이었습니다. 반면 수소를 생산하기 위해선 별도의 장치와 에너지원이 필요했습니다. 이로 인해 수소에너지는 석유보다 가격이 비쌀 수밖에 없었죠.

당시 다른 에너지원에 비해 압도적인 효율을 보인 화석연료

또한 수소에너지를 저장하고 수송하기 위해서는 기체의 형태가 아닌 액체로 바꿔야 하는데요. 수소의 어는점 극저온인 영하 253도인데, 당시의 냉각 기술로는 수소를 냉각하는 데 한계가 존재했습니다.

수소의 안정성 문제도 많이 거론되었는데요. 대표적인 예가 바로 '힌덴부르크 사건'입니다. 1937년 수소로 가득 찬 독일 비행선 힌덴부르크호가 공중에서 폭발하며 승객 97명 중 35명이 사망했죠. 이 사건은 당시 타이타닉호 침몰등과 함께 최악의 사고로 거론되며 전 세계에 수소의 위험성을 알리게 되었습니다.

1937년에 벌어진 힌덴부르크호 화재사건

이처럼 수소에너지는 기존의 석유, 석탄, 가스와 같은 화석연료 기반의 에너지에 비해 실효성과 안전성이 취약점으로 지적되었습니다. 그렇게 수소는 약 100년간의 공백기를 맞이하게 됩니다.

[Phase 3] 친환경 에너지원으로 주목을 받다

화석연료가 가지는 효율성에도 불구하고 2000년대 각국에서는 탈탄소를 위한 움직임이 활발하게 일어나게 되었는데요. 각종 환경 문제 및 자원 고갈 문제가 대두되었기 때문입니다. 특히, 2019년부터 코로나 19와 ESG가 등장하며 기후위기의 심각성이 강조되었고, 지속가능한 친환경 재생에너지에 대한 관심이 급증하였습니다.

수소에너지 관련 연간 뉴스 기사량 (2000~2021), 자료 = 빅카인즈

수소는 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있는데요. 기술이 발전하면서 액체나 고압기체 등 다양한 형태로 수소 저장이 가능해졌고, 운송이 편리해졌기 때문입니다. 이러한 특성 덕에 수소는 탄소중립을 위한 핵심 수단으로 주목받고 있는데요. 2050년 세계는 수소에너지로의 전환을 통해 연간 60억 톤의 온실가스 배출량을 줄일 수 있으며, 2.5조 달러 규모의 새로운 수소산업 시장이 창출되거라 전망했습니다.

수소경제, 인프라의 발전

수소 사회로의 진입이 가시화되면서 수소에너지는 수소경제라는 개념과 함께 미래 사회를 이끌어갈 이상적인 에너지 패러다임으로 인식되고 있습니다. 수소경제는 수소를 주요 에너지원으로 사용하는 경제산업 구조를 말하는데요. 즉, 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 벗어나 수소를 안정적으로 생산·저장·운송하는데 필요한 모든 분야의 산업과 시장을 새롭게 만들어내는 시스템을 뜻합니다.

수소의 생산·저장·운송 등 전 밸류체인을 다루는 수소경제

유통기업이 성장하기 위해서는 탄탄한 물류망을 갖춰야 하듯, 수소경제의 확산을 위해서는 수소공급망 인프라 구축은 필연적이며, 우선시 되어야 합니다. 현재 주요 국가들은 수소충전소 구축에 집중하고 있는데요. 수소충전소 같은 기본적인 인프라가 구축되어야 수소모빌리티 분야가 더욱 활성화되고, 수소경제가 성장할 수 있기 때문입니다.

코로나19 팬데믹 발생으로 전 세계가 셧다운되거나 국경이 폐쇄되는 등 이동이 제한된 상황에서도 각국 정부들은 수소충전소 설치를 확대했는데요. 2020년에는 세계적으로 전년대비 31% 증가한 608개소의 충전소가 설치되는 등 놀라운 성과를 보였습니다.

국내에서도 수소버스 등 대형 수소차량의 전환을 위해 수소충전소 설치에 박차를 가하고 있는데요. 환경부는 향후 액화석유가스(LPG) 충전업체 등과 협업해 시내 중심지에 수소충전소를 만들고, 전시장, 쇼핑몰 등의 복합문화시설이 충전소와 결합된 메가스테이션을 구축할 예정입니다. 정부는 2025년까지 전국 기초지자체마다 최소 1기 이상 수소충전소를 만들 계획이며 내년 310기를 돌파할 것으로 보입니다.

도심 명소형 전기·수소충전소 (메가 스테이션)

수소산업의 밸류체인(value chain)을 완성하기 위해서는 수소 생산과 저장, 운송, 활용까지 인프라가 확보되어야 하는데요. 이를 위해 다양한 분야에서 새로운 기술의 발전이 종합적으로 이루어질 예정입니다. 수소 생산기지, 연료전지 발전소, 충전소 등의 인프라 건설투자는 관련 소재부품 수요 확대로 금속, 철강 등 후방산업 발전에도 기여할 전망입니다.

다가오는 수소 시대, 걸림돌은 없을까?

수소경제의 시대가 찾아온다면 우리의 라이프스타일까지 크게 변화할 것으로 전망되는데요. 주유소에서 휘발유를 넣는 대신 메가스테이션에서 수소를 충전하고, 가정마다 수소 연료전지를 활용해 필요한 전기를 공급받는 미래가 올 것입니다. 또, 자가용뿐만 아니라 대중교통까지 수소 모빌리티로 바뀌게 되면 미세먼지, 매연과 같은 각종 도심공해에서도 벗어날 수 있겠죠.

하지만 수소 사회로의 전환에 걸림돌이 없는 것은 아닙니다. 일단 수소 사회가 오기 위해서는 무엇보다 수소 생산이 원활하게 이뤄져야 합니다. 하지만 수소 생산에도 많은 에너지가 소모되는데요. 천연가스에서 수소를 분리하거나(개질) 철강 생산 과정에서 부수적으로 나오는 수소를 모으는 방법(부생수소)도 존재하지만, 개질의 경우 생산 과정에서 탄소가 배출되고, 부생수소의 경우 생산량이 충분치 않다는 문제가 있습니다. 결국 지속가능한 수소 공급을 위해서는 전기로 물을 분해하는 수전해방식이 사용되어야 하는 것이죠.

문제는 '수전해에 사용되는 전기를 어떻게 생산할 것인가'입니다. 애초에 우리가 수소를 활용하고자 하는 것이 '탈탄소'를 위해서라면 화석연료로 만들어진 전기를 사용할 수는 없겠죠. 결국 수전해에도 태양에너지와 같은 재생에너지로 만든 전기가 활용되어야 하는 것입니다. 혹은 일단 재생에너지를 활용해 수소를 생산하고, 그 수소로 만든 전기를 활용할 수도 있겠죠. 하지만 여전히 재생에너지는 화석연료에 비해 생산단가가 높고, 효율이 낮습니다. 진정한 수소경제의 도래를 위해선 무엇보다 재생에너지 인프라가 충분히 구축되고, 생산효율이 높아져야 하겠죠.

이렇게 오늘 DEEP BYTE에서는 수소에너지의 사례를 통해 에너지 기술 전이(transition)가 어떻게 발생하는지 알아봤는데요. 새로운 혁신 기술로 떠오른 수소가 화석연료를 대체하는 '전이'를 일으키기 위해선 무엇보다 수소 생산-운송-활용 인프라와 재생에너지 인프라의 구축이 필수적입니다. 청정에너지로 높은 관심을 받고 있는 수소에너지는 여러 어려움들을 잘 극복하고 새로운 라이프스타일을 만들어낼 수 있을까요?

기술혁신 이론에 따른 수소에너지의 변화

1. 수소에너지는 1800년대 혁신적인 신기술로 등장했지만 이후 화석연료에 밀려 자취를 감췄습니다.

2. 하지만 기후위기로 인해 다시 그 중요성이 강조되면서 현재는 기술적·경제적 인프라와 함께 발전하고 있습니다.

3. 수소경제의 본격적인 실현을 위해서는 무엇보다도 안정적인 수소 생산 방식의 정착이 필요합니다.

오늘의 <DEEP BYTE>는 어떠셨나요?
좋았던 점, 부족했던 점, 개선되었으면 하는 점 등을 자유롭게 말씀해주세요!


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