수소가 디지털을 만나다

Hydrogen meets digital.

지난 9월 13일 샌프란시스코에서 Global Hydrogen Leaders Forum이 열렸는데, 이 행사를 위해 매킨지에서 Hydrogen meets digital이라는 도발적인 제목의 보고서를 내놨다.
보고서에서는 디지털화와 신기술이 현재의 에너지 사용패턴을 흔들고 있고, 다목적 청정에너지에 대한 수요를 이끌고 있다고 하며 지적하며 수소의 가능성을 사례를 들어 제시한다.

자율주행, 가상현실, 인공지능과 같은 디지털 기술들이 우리가 일하고 살고 즐기는 방법을 바꾸고 있고, 재화와 용역을 만들고 전달하고 소비하는 방식도 바꾸고 있다.
인공지능, 블록체인, 클라우드컴퓨팅 같은 기술은 급속히 우리 일상 생활 가운데 퍼져 있고 계속 성장 발전해 가고 있다.
이는 지난 10년내에 새로 생긴 상위 50대 회사의 가치가 이미 900조원을 돌파한 것에서 확인할 수 있다.
교통 체증, 공해, 에너지 부족 같은 문제의 해결을 위해 수직이착륙택시나 디지털화된 화물수송수단, 자율주행 같은 기술들이 적용되고 있다.

디지털화는, 예를 들어 차량 공유나 사물인터넷(IoT)의 도입으로, 에너지 효율성을 개선시키는 반면, 새로운 대규모의 에너지를 필요로 하고 있다.
이미 정보통신기술 분야는 미국 전력 소비(2017년 3808KWH)의 50%를 소비하고 있고 
데이터센터만 하더라도 2020년이면 500TWH의 전기를 소비할 것으로 예상된다. (2017년 한국 534KWH, 독일 531KWH 소비)

또한, 지구온난화를 2도 이내로 맞추기 위해서는 신규 에너지는 청정 재생에너지에서 얻을 수 밖에 없는데,
이는 태양력, 풍력에서 전기를 생성하고, 최종 소비자에게 필요한 시점에 전달할 수 있는 에너지 매체가 필요하게 된다.

배터리와 수소 두 가지의 기술이 재생 에너지를 저장할 수 있고, 두 기술은 보완적이다.
배터리는 많이 사용되고 있고, 전력 손실율도 낮으며, 수년간 가격도 급속히 낮아지고 있고, 또한 초기 투자비가 많지 않아 시장에서 수용하기가 쉬운 편이다.
또 배터리보다 10배나 에너지 밀도가 높은 수소는 큰 힘을 필요로 하거나 수직으로 움직이는 운송 모드에 이상적이다.
수소의 경우 초기 투자 비용이 높을 수 있으나, 수소 인프라는 일정 규모에 도달했을 경우 비용이 덜 들고, 또한 비용이 많이 드는 전력 네트워크 업그레이드를 필요로 하지 않는다.
수소는 에너지 전환에 필요하며, 자율주행 차량과 수송용 수단, 수직이착륙 택시, 데이터센터의 예를 통해 깨끗하고 효율적인 도시 건설에 기여하게 될 것이다.

자율주행 택시와 셔틀 지난 5년간 자율주행에 투자된 금액은 15조원이 넘는다.
레벨4 수준의 자율주행차는 이미 1,600만km의 실도를 주행했다.
이미 10개사 이상이 2020년 레벨4 수준의 자율주행차를 출시할 계획이며, 2025년이면 레벨5 수준의 차를 출시할 계획을 갖고 있다.
2030년이 되면 2000만대의 자율주행 택시와 셔틀이 승객을 실어 나를 것으로 예상되고 있다.
그런데, 자율주행 택시나 셔틀은 운행시간이 길어야 한다.
운전사 휴식시간이 필요 없고, 인공지능이 주행경로도 최적화할 것이며, 초기 투자 비용도 높아 하루 24시간 주7일 주행을 요구받게 될 것이다.
배터리 차량의 경우, 도심내에서 30분 이상의 충전을 하게 되면 주차 공간이 많이 필요하고, 또한 고속 충전시 배터리에 무리도 가게 된다.
주차 공간이 여유 있는 외곽에서 충전을 하게 될 경우 운행 시간에 제약이 생긴다.
또 레벨5 수준의 자율주행 차량은 보다 많은 전력 소비를 필요로 한다. (30km/h 주행시 현재 5.4kWh 필요하나, 레벨5 도달시 약 7.4kWh 필요 예상)
수소에너지를 사용하는 차량의 경우 
우선 에너지밀도가 높아 레벨5 수준의 자율주행차량이 되더라도 출력이 충분하며
충전 시간이 짧아 충전 인프라 공간이 적게 필요하며, 결과적으로 배터리 차량 대비 운행 시간도 길게 할 수 있다.
뉴욕의 74,000대 택시가 모두 배터리 차량일 경우 NBA 농구장 180개 면적(78,480m2, 충전소 1개당 30 m2)의 충전 시설이 필요한 반면, 수소 차량은 12개 면적이면 충분하다. (15배 차이)
2030년에 자율주행 택시는 1680만대가 예상되며 이중 100~150만대가 수소로 운영되고
자율주행 셔틀버스는 380만대가 운행되는데 이중 30~70만대 셔틀이 수소로 운영될 것으로 예상된다.

화물 운송 수단
전자상거래의 발달과 함께, 2015년 50조개의 소화물이 전세계에 배달되었고, 2030년이면 300조개로 늘어날 것으로 예상된다.
자율주행화된 포크리프트와 트럭, 드론은 화물 수송을 24시간 주7일 가능하게 할 수 있으며, 
도한 도시들도 내연기관 엔진 금지로 조용하고 공기 상태가 개선되게 될 것이다.
배달용 차량은 배기가스를 배출하지 말아야 하고, 또한 운행시간이 길어야 하고 충전시간은 짧아야 한다.
18톤 트랙터 기준 디젤 파워트레인의 무게는 2.5톤인데, 동일한 출력의 배터리 무게는 4.5~4.5톤에 달한다.
반면 수소는 1.8~2.1톤이면 된다.
그래서 수소트럭이 디젤 못지 않은 출력과 에너지 효율성을 갖고 있다.
또한 수소트럭은 배터리 트럭보다 초기 투자비용은 더 비싸지만 주행거리 210kW 또는 105km를 기점으로 수소트럭이 더 효율적이 된다.
(수소트럭 250kW 기준 배터리 $50/kWh, 수소전지 $30/kW, 수소탱크 $10/kWh, 수소효율성 70%, 전비 5kWh/km 기준)
2030년이면 전체 2200만대의 트럭 중 300~400만대가 수소를 사용할 것으로 예상되고, 
화물용밴은 전체 1억5500만대중 350만대가 수소를 장착할 것으로 예상된다.
포크리프트는 850만대중 35만대가 수소를 장착하고
드론의 경우 13~26만대의 수소 드론이 이용될 것이고 드론당 연간 3000개의 수화물을 운송할 것으로 예상된다.

수직이착륙택시(Vertical Take-Off and Landing; VTOL)
LA의 경우 연간 100시간 이상 교통 체증에 시간을 허비하는데, 
VTOL은 이를 개선할 수 있다. 
구글의 Cora, 우버 엘리베이트 등 80개 이상의 회사들이 개발중에 있다.
VTOL은 vertiports라 불리는 이착륙 시설이 필요한데
대부분 건물 옥상을 사용하면 수월할 것이다.
VTOL도 에너지 밀도가 높아야 운행시간, 충전 등에서 유리하다.
240km를 주행할 경우 배터리의 경우 800kg의 무게가 필요한 반면, 수소는 500kg면 된다.
배터리 VTOL의 경우 대략 50km 이내의 거리 주행을 하게 되는데
수소의 경우 120km 범위까지 확대된다.
VTOL의 경우 2020년부터 운행을 시작해서, 2030년이면 2만대가 운행할 것으로 예상되며 20~40%에 해당하는 4,000~8,000대가 수소를 이용하게 될 것이다.

데이터 센터
엄청난 양의 데이터를 송수신, 저장, 가공하는 데이터센터는 2020년 500TWh의 전력을 소비하고 2030년이면 1000TWh의 전력을 소비할 것으로 예상된다.
(2017년 기준 중국 5,683TWh, 미국 3,808KWh, 인디아 1,156KWh, 일본 1,019KWh, 러시아 889KWh, 캐나다 572KWh, 한국 534KWh, 독일 531KWh, 브라질 522KWh, 프랑스 445 KWh, 사우디 311KWh, 영국 305KWh)
데이터센터의 경우 30~50%의 운영비가 에너지 관련 비용이다.
수소는 전력 이외에도 서버 냉각 용도로도 사용 가능하며, 약 1TWh의 백업 에너지를 제공할 것으로 예상된다.
또한 수소는 주전력원으로도 검토되는데 MicroSoft는 20대의 10KW 연료전지를 테스트하고 있다.

수소는 잠재적으로 2030년까지 500~700만톤의 수소를 필요로 하고, 550~650만개의 수소연료전지를 필요로 할 것이다.

(원문)

http://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2018/09/Hydrogen-Council-Discussion-Paper_Hydrogen-meets-digital_FINAL01.pdf