현재, 전 세계적으로 생산되고 있는 약 7천만 톤의 수소 중 3분의 2는 광물 비료 생산에 사용되고 있으며, 나머지 3분의 1은 석유 정제 산업의 수소화 및 탈황 공정에서 사용되고 있다. 이 수소의 약 95%는 탄화수소 또는 석탄(석탄가스화공정)으로부터 생산되며, 에너지전환 과정 중 이산화탄소(10kg CO2/kg H2)의 배출을 동반하기 때문에 ‘회색’수소라 불린다. ‘블루’의 의미는 변환된 가스로서 혼합물 또는 저장된 석탄에서 이산화탄소를 제거한(CCS 공정-탄소 포획 및 저장) 수소를 지칭한다. CO2를 정제하는 데 드는 비용은 70유로/t다. ‘녹색’ 에너지라 불리는 소량의 수소(1~5%)는 전해질에 의해 생성되며, 기계 및 식품 산업에 사용되고 있다. 가능한 광범위하게 사용하고 싶지만 현재까지는 경제적으로 ‘녹색’ 수소를 사용할 수 있는 가시적인 기술이 없다. 이것은 높은 생산비용, 수소의 열물리학적 특성과 운송 및 저장 속성 때문이다. 전해질 과정은 흡열과정으로서 전류에 의해 물이 수소와 산소로 분해된다.

H2O(w) + 286 kJ = H2(g) + 1/2 O2(g)

물을 전기분해하는데 소비되는 286kJ/kmol의 열량은 3.55kWh/m³의 전기 에너지에 해당되며 열역학 1법칙(에너지 보존의 법칙)에 따르면 에너지 손실없이 수소를 생산하는 것은 불가능하다. 석탄가스화를 통한 생산 비용은 전해질에 비해 2~5배나 적다. 전해질에 의해 수소 1m³생산을 위해 평균 5kWh 전기가 소비된다(최신 전해질 장비를 사용하면 4kWh). 즉 전해질에 의한 수소의 생산비용은 $0.9~2.25/m³될 것이다. 다른 에너지원과 수소의 생산비용 비교는 국가에 따라 또는 지역마다 다르지만 화석 연료와 관련하여 전해질에 의한 수소 생산 효율은 23%로 추정된다.

원자력발전과 재생에너지에 의해 생산된 수소에너지는 저장 및 운송에 있어 문제가 있다. 350~700atm(35~ 70MPa)의 압력으로 액화된 수소는 탄소 섬유(알루미늄 또는 폴리머 섬유로 강화된)로 만든 복합 실린더용기에 보관, 운송되는데 실린더 비용은 운송차량 비용의 대부분에 해당되며, 20MPa로 압축된 수소는 320kg으로서 40톤의 튜브 트럭 자체 중량의 1% 미만이다. 액체 수소 수송 탱크는 진공 절연을 가진 이중 차체로 제작비용이 비싸지만, 수천 입방미터의 수소 당 증발 용량이 0.03%이며 최대 5년 동안 보관할 수 있는 것으로 알려지고 있다. 블룸버그가 인용한 파워 엔지니어링(2020년 3월 30일 발행) 잡지의 ‘수소 발전은 탄소없는 미래를 약속하지만 거의 800B 투자가 필요하다’는 제목의 기사에서 2050년까지 수소 저장 및 운송을 위한 인프라를 조성하는 데 드는 비용을 6,370억 달러로 추정했다. 일부 저자들은 수소 형태의 에너지 운송이 전기형태의 에너지 운송보다 경제적으로 더 수익성이 있으며, 이는 수소 운송이 송전에 의한 에너지 손실보다 훨씬 적음을 주장한다.

수소의 주요 방향성은 에너지 저장시설, 이동수단, 야금 공정, 산업용 보일러, 가정용 수요, 에너지 운송분야에서 엔진연료로 사용하는 것이다. 천연가스와 수소를 혼용하여 사용하는 것도 유망하다. 연료전지를 이용하여 차량엔진을 구동하는 프로젝트가 널리 보급되고 있다. 독일, 영국, 미국, 한국, 스위스 등에서 수백 개의 ‘수소’ 시범 프로젝트가 시행되고 있다. 독일에서의 세계 최초 수소연료전지 열차 운행, 2013년 연료 전지를 장착한 일본 토요타 미라이의 하이브리드 자동차 생산, 2020년 3월 프랑스 알스콤 코라디아 린트의 최장거리 650km ‘수소 열차’ 시험(네덜란드)을 완료했다. 또한 범유럽 수소 이동성 유럽(H2ME) 프로젝트의 후원으로 2019년 10월 24일 유럽 5개국 13대의 수소차가 독일 함부르크로 달리면서 수소차 운전의 이점을 입증했다. 미국에선 전 세계 수소연료전지 차량의 절반 이상이 운전 시험 중에 있으며, 550MW 연료전지 발전소와 40개주에 8,000개 이상의 수소 충전소가 있다.

독일 회사 딜링거와 사르스탈은 용광로에서 수소를 생산하며, 스웨덴 회사 Ovako와 Linde는 야금 분야에서의 수소 사용 프로젝트를 진행 중에 있다. 유럽 여러 국가의 가스 전송 시스템 운영자는 유럽에 깨끗한 연료를 제공하기 위해(천연가스와 혼합하여 파이프 라인을 통해 수소를 수송하는 프로젝트) 2030년까지 필요한 인프라를 구축할 계획을 발표했으며, 기존 고속도로의 약 75%가 수소 수요에 따라 용도가 변경될 것으로 추정된다.

연료전지를 이용하여 차량엔진을 구동하는 프로젝트가 널리 보급되고 있다.

수소 에너지로의 원동력과 향후 수소 경제로의 전환은 지구 온난화로 인한 기후변화의 예방으로 시작한다. 대부분의 과학자들은 지구 온난화의 원인으로 화석 연료로부터 배출되는 이산화탄소를 주목한다. 한편 일부의 과학자들은 기후변화의 이유를 우주로부터 오는 방사선 보호막을 이산화탄소가 파괴하는 것이 아니라, 행성 규모의 현상에 의한 것이라 주장한다.

중심 위치에서 지구축의 정기적 편차와 태양 활동의 주기적인 변화, 공기 순환의 방향 등 예측할 수 없는 빈번한 변화가 주된 요인이란 것. 행성 온실 효과에 있어 다양한 대기 가스의 역할에 대한 과학자의 중요한 연구 결과에 기인하는 것으로서 미국 정부가 파리 기후협정에서 탈퇴한 이유도 이러한 견해를 가진 미국 과학자들의 의견에 동조한 결과로 보여진다. 전 국립 과학 아카데미 수석 교수인 프레드릭 자이츠는 “기후 변화와 관련된 실험 증거들로서 탄화수소의 인위적인 사용으로 인한 어떤 유해한 결과도 없었다”고 주장했으며 “오히려 대기 중 이산화탄소 증가가 유익하다는 강력한 증거가 있다”고 저술했다.

우크라이나의 국립 과학 아카데미와 나프토가즈 소속 우크라이나 지질학자들은 “지구의 깊은 곳으로부터 거대한 양의 탈가스화된 탄화수소가 지구의 지각을 통과하여 수권과 대기로 가는 것이지 온실가스 형성과 지구 온난화에 영향을 미치는 중요한 인위적 요소에 대한 논쟁은 근거가 없다”고 주장한다.

전력 공학 국제 저널이 발표한 5개 글로벌 수소 프로젝트

탈탄소화 투쟁을 배경으로 유권자들로부터 인류의 구원자임을 인정받고 싶은 정치인들. 수소에 대한 연구 및 프로젝트를 수행함으로써 정부로부터 보조금을 받으려는 과학자와 기업. 그린 딜의 일환으로 차세대 무역 장벽인 탄소 수입 보상 메커니즘(CICM)을 계획하고 있는 유럽 연합(EU)을 들 수 있다. 유럽연합 집행위원회는 석탄, 석유, 천연가스 등 탄소를 함유한 ‘더러운’ 에너지로 생산된 제품의 EU수입을 제한하는 법을 준비하고 있다. 이 법은 러시아에 유리하게 적용될 것이며, 독일의 에너지 전략 시나리오 중 하나로서 원자력 및 석탄 화력발전의 완전한 단계적 폐지와 신재생 에너지원으로의 완전한 전환을 요구할 것이다. 또한 지속 가능한 시스템 유지를 위해 총 용량 60GW 이상의 천연가스를 도입해야 할 것이다. 이것은 러시아의 천연가스 수출 증가뿐만 아니라 전체 물량을 공급하기 위하여 발트해 해저 파이프 라인(Nord 스트림–2)을 이용하는 것을 의미한다. 수출 잠재력이 큰 많은 WTO 회원국은 이러한 EU의 결정에 대해 우려하고 있으며, 유럽 시장에서 주요 위치를 차지하는 미국과 중국도 부정적인 입장을 표시하면서도 한편으론 협상의 여지를 남겨두고 있다. 각 국가는 넓은 범위에서 그들이 보유한 에너지 자원을 사용할 권리가 있다. 결론적으로 수소 에너지와 수소 경제에 대한 방향의 선택은 신중한 분석과 많은 연구가 필요하다.

각 국가는 넓은 범위에서 그들이 보유한 에너지 자원을 사용할 권리가 있다.

세계 에너지의 주요 동향 중 하나는 수소 에너지 문제다. 많은 국가들이 수소 에너지와 수소 경제로의 전환을 위한 프로그램을 채택하고 있다. 전해질에 의한 수소 생산은 그것을 사용하여 얻을 수 있는 것보다 더 많은 에너지를 소비한다. 경제적으로 수소 사용을 위한 현실적인 기술은 아직 존재하지 않는다. 천연가스를 수소로 대체하면 칼로리가 3배나 낮으며, 넓은 폭발범위, 높은 화염 전파 속도, 많은 금속에 대한 부식 활동을 가진 수소의 특성을 고려할 때 운송, 보관 및 사용 중에 특별한 조치가 필요하다. 우크라이나의 유망한 수소 기술 중 하나는 원자력 및 재생에너지를 통하여 수소를 생산하고 유럽 국가에 천연가스와 수소를 혼합한 혼합물을 수출하는 것이다.

천연가스와 수소 혼합물의 안전한 운송을 위한 가스 파이프라인 재질의 적합성에 대한 장기적인 테스트가 선행되어야 한다. 전 세계는 수소 생산, 운송, 저장 및 사용을 위한 프로젝트에 상당한 자금을 지출하고 있다. 각 국가는 엄청나게 많은 범위에서 수소 에너지 자원을 사용할 권리가 있다. 선택 방안들에 대한 타당성과 비용 효율성에 대한 결론은 지속적인 실험을 통한 연구와 신중한 분석을 통해서만 도출할 수 있을 것이다.