ABSTRACT
4. 아이슬란드
한편 수송 부문에서 수소 내연기관 자동차, 수소 내연기관 하이브리드 와 수소 혼합 연료는 가까운 미래에 상용화될 것이며, 2015-2020년경에 는 수소 연료전지 자동차가 상업화될 것으로 예상하고 있다. 수소 자동 차의 시장 진입은 매우 빨라서 2018년 시장점유율 4%에서 2030년에는
78%까지 증가할 것으로 예측하고 있다. 장기적으로는 수소가 모든 운송
수단에 이용되면서 수소와 연료전지 기술이 발전 분야로까지 확대될 것 이다. 발전 분야의 경우 수소 내연기관이나 연료전지는 보충 전력 목적 으로 사용되나 중기부터는 천연가스나 화석연료와 같이 수소를 주요 전 력원으로 사용하게 될 것이다.
[그림 3-6] ECTOS 프로젝트의 개관
ECTOS 프로젝트는 2005년 발간된 “Life Cycle Impact Assessment”
(Matthias Fischer et al.), “Total Impact Assessment" (Marria Maack) 등 의 보고서를 통해 아이슬란드의 수도 Reykjavik의 버스시스템의 환경적 효과를 분석하고 기존의 전통적(경유, CNG 등) 버스시스템과의 비교, 타 유럽도시 버스 시스템과의 비교 등의 연구 결과를 제공하였다.
“Total Impact Assement"는 이 환경-기술적 프로젝트의 결과들에 대 해 분석하고 있는데 이는 크게 경제 분야, 사회 분야, 환경 분야의 3가 지 범주로 구분된다. 이 분석은 비용-편익 분석 뿐만 아니라 사회적 이 익과 파급효과 분석도 포함하고 있다. 이 중 사회적․환경적 이익과 파 급효과에 대한 분석이 보다 자세히 수행되었는데 이는 이들이 ECTOS 프로젝트를 수행하는 주요 동력원이기 때문이다.
프로젝트를 통해 분석된 환경적 편익은 매우 큰 것으로 나타났다. 온 실 가스는 현재의 화석연료 기반의 버스 시스템에 비해 현저하게 감소 하였으며, 수소는 환경오염의 단계를 사용단계에서 제조 단계로 이전시
킴으로써 배출 저감을 용이하게 만들었다. 공급 체인의 관리와 원료 선 택이 적절하게 이루어질 경우 이러한 효과는 더욱 커질 수 있을 것으로 기대된다.
“Life Cycle Impact Assessment” 연구는 수소‧연료전지 버스의 생산, 운행, 폐기에 대한 전과정목록(LCI; Life Cycle Inventory) 모델을 구축하 여 전과정에 걸친 1차에너지 수요 및 CO2, CO, SOx, NOx 등의 환경오 염 물질의 배출을 정량화하였다.
수소 생산의 LCI 분석결과를 살펴보면 1차에너지의 경우 1kg의 수소
에 424.6MJ이 요구되는 것으로 분석되었다. 수소 생산에는 대부분 수력
과 지열과 같은 재생에너지가 투입된 반면 수소 충전소 제조에는 비재 생에너지원이 투입되는 것으로 분석되었다. 수소 생산에 재생에너지 투 입이 많은 이유는 수소 생산에 투입된 전력의 54%를 수력으로, 46%를 지열로 생산하는 핀란드의 전력믹스에 따른 것이다.
[그림 3-7] 아이슬란드의 수소 1kg 생산을 위한 1차에너지 투입
수소로 인한 주요 오염배출원은 CO2이다. CO2의 경우 수소 제조 설 비 운영을 위해 투입되는 전력생산 과정에서 주로 발생한다. 그 외 수소 충전소의 재료인 철강, 콘크리트의 생산 과정에서도 CO2가 발생하며 전 해조와 압축기 모듈의 사용을 위한 전력생산 과정에서도 발생한다.
[그림 3-8] on-site 수소스테이션에서 1kg의 수소를 생산하기 위해
발생되는 CO2 량
연료전지 버스 시스템(구축 및 가동)을 위한 1차에너지 투입을 살펴보 면 연료전지 버스를 1km 운행하기 위해 소비되는 1차에너지의 양은 총
88MJ로 나타났다. 이 중 대부분은 연료전지 버스를 운행하는 데 투입되
었으며, 연료전지 버스의 제조와 연료전지 버스 폐기에 투입되는 에너지 량은 극히 적은 것으로 분석되었다. 특히 운행에 투입되는 1차에너지의 대부분은 재생에너지로 나타났으며 대부분의 비재생에너지는 버스 제조 에 투입되었다. CO2는 1km 운행 시 313g이 발생하는 것으로 분석되었 으며 버스 운행단계에서 발생하는 CO2양이 전체의 39%를 차지하여 가 장 높은 것으로 나타났다.
[그림 3-9] 연료전지 버스를 1km 운행하기 위해 투입되는 1차에너지의 양
한편, 이 연구에서는 다양한 수소 생산 방식에 따른 LCI 결과를 분석 하여 비교하고 있다. 총 4개의 방식이 비교되었으며 각 방식별로 다른 수소생산 기술, 다른 형태의 전력믹스가 적용되었다. 각 방식별 특성은
<표 3-5>와 같다.
전해조 독일 2001
전해조 아이슬란드
2001
전해조
풍력 수증기 개질
천연가스 - - - 천연가스; 독일
수입믹스 전해조 독일 전력망 아이슬란드
전력망 풍력 발전 - 압축 독일 전력망 아이슬란드
전력망 풍력 발전 독일 전력망
<표 3-5> 수소 생산방식별 특성
이러한 각 방식별 수소생산이 에너지 및 환경에 미치는 영향을 비교 분석한 결과, 1차 에너지 투입은 천연가스 수증기 개질이 가장 적은 것 으로 나타났으며 독일의 전해조 생산 방식이 가장 높은 것으로 나타났 다. 반면 아이슬란드 전해조 생산방식과 풍력을 이용한 생산방식이 CO2
배출이 매우 적은 것으로 나타나, 생산 방식별로 에너지 및 환경 영향이 크게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
[그림 3-10] 수소 생산방식별 1차에너지 투입 비교
[그림 3-11] 수소 생산방식별 CO2 발생량 비교
(단위 : kgCO2/kgH2)
이상에서 분석한 LCI 데이터를 바탕으로 아이슬란드의 수소 사용에 대해 전과정영향평가(LCIA; Life Cycle Impact Analysis)를 수행하였다.
영향은 총 4개의 범주로 구분되었으며 다음의 표와 같다.
영향범주 단위 설명 예
온난화잠재력 (GWP)
kgCO2
등가
대기 온도에 영향을
미치는 오염원 배출 CO2, CH4 등 산성화잠재력
(AP)
kgSO2
등가
비와 토양을 산성화
시키는 오염원 배출 NOx, SO2 등 부영양화잠재력
(EP)
kgP 등가
호수, 강, 토양의
부영양화 P, N 화합물
광화학적 오존발생 잠재력
(POCP)
kgC2H4
등가
오존생산을 유발하는
오염원 배출 탄화수소
<표 3-6> 환경영향을 평가하는 영향 범주
대표적으로 온난화 잠재력 분석결과를 살펴보면 전해조 모듈에 소비 되는 전력 생산의 영향이 가장 큰 것으로 나타났다. 그 외 산성화 잠재 력, 부영양화 잠재력, 광화학적 오존발생 잠재력 분석에서도 전해조 모 듈에 의한 영향이 가장 큰 것으로 분석되었다.
[그림 3-12] 온난화 잠재력 분석결과
이를 수소생산 방식별로 살펴보면 온난화 잠재력, 부영양화 잠재력, 오존발생 잠재력에서 아이슬란드 전해조 방식과 풍력 전해조 방식이 나 머지 두 방식에 비해 월등하게 우수한 것으로 분석되었다. 그러나 아이 슬란드 전해조 방식의 경우 산성화 잠재력이 가장 높게 나타났는데, 이 는 지열에 의존하는 아이슬란드의 전력 믹스 구조상 H2S의 발생량이 많 기 때문이다.
연료전지 버스 시스템의 환경성은 수소 공급원의 선택 및 연료전지 효율 등에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났다. 천연가스 수증기 개질
을 통한 수소 생산의 경우 CO2 배출 측면에서 기존의 화석연료와 비교 하여 경쟁력을 확보하기 위해서는 개선이 필요한 것으로 나타났으며, 재 생에너지를 이용한 수소 생산의 경우 인프라 시설의 구축과 연료전지 버스 생산이 전체 시스템의 환경성을 결정하는 것으로 분석되었다. 그리 고 연료전지 시스템의 경우 1차에너지 소비 및 CO2 배출에 가장 큰 영 향을 미치는 것은 연료전지 스택과 수소저장으로 나타났다.