한치환
고려대학교화학과를졸업한후동대학원에서석사,박사학위를취득했다.프랑스보르도1대학에서박사후연구원을하였고,2003년부터한국에너지기술연구원(KIER)에서책임연구원으로근무하고있다.한국에너지기술연구원에서우수기술상,우수논문상,우수직원상,이달의KIER상을,2018년에는미국캘리포니아애너하임에서개최된‘테크커넥트월드2018(TechConnectWorld2018)’에서‘이노베이션어워드(InnovationAward)’를수상했다.
한국전기화학회광전기화학분과회장을역임했으며,2016년부터1년동안캘리포니아대학교샌디에고캠퍼스(UCSanDiego)에서방문연구원으로근무하였고,지금은과학기술연합대학원대학교(UST)의전임교수로전기화학기기에대해강의하고있다.리튬이온전지,염료감응태양전지,전기변색유리등다양한전기화학기기를연구했고,최근햇빛에의해자동으로색이변하는스마트유리를개발하여기업과공동으로상용화를추진하고있다.저서로는『전화기는어떻게세상을바꾸는가』(2019)가있다.
저자의말
들어가며
친환경에너지의시대가온다
1부배터리로달리는전기자동차
1정전기를연구한사람들
2배터리의시작,볼타전지
3최초의전기모터
4최초의발전기,패러데이디스크
5전류전송시스템,교류모터의시작
6산업화를시작한전력공급시스템
7납축전지의발명,전기자동차의시작
8고성능배터리의출현,리튬이온전지
9친환경자동차의시작,전기자동차의부활
10활짝열린전기자동차의시대
11햇빛으로전기를생산하는태양전지
12태양전지를이용한태양광발전
13전기자동차에딱맞는태양전지
14전기자동차의단점을해결할전고체배터리
15꿈의배터리,전고체배터리
2부연료전지로달리는수소자동차
1연료전지의시초,기체볼타전지
2연료전지의실용화,알칼리연료전지
3다양한연료전지의개발
4수소연료전지자동차의시작
5수소연료전지자동차의미래
6국산수소연료전지자동차,넥쏘
7물을분해해수소를만들다
8저장이어려운재생에너지
9재생에너지로생산하는그린수소
10탄소배출제로,그린수소의경제성
11친환경에너지가만드는탄소중립의미래
나가며
이제는자원보다기술이다
배터리로달리는전기자동차,
화려하게돌아오다
오늘날전기는인간의모든활동과경제를지탱하는중요한에너지원이며,자동차는세상을움직이는기본수단이기때문에친환경전기에너지의생산과사용이늘어난다면지금의환경위기를벗어나는데큰도움이될것이다.그리고전기에너지는만들고사용하는방식에따라이산화탄소와미세먼지를배출하지않을수있다.그중심에전기자동차와수소자동차같은친환경자동차가있다.친환경자동차산업이유망산업으로급격히떠오른이유이다.
자동차가처음만들어지던때전기자동차가이미등장해엔진자동차와경쟁했다.오히려초기에는전기자동차의성능이엔진자동차보다좋았으며,최초로시속100킬로미터를달성한자동차도전기자동차였다.그런데우리는최근에야전기자동차를자주볼수있게되었다.왜전기자동차는엔진자동차와의경쟁에서밀려사라졌을까?
1800년대중반프랑스의물리학자가스통플랑테가세계최초로충전가능한2차전지인납축전지를발명한다.이후사람들은전지를동력으로이용하는자동차를만들기위한연구를시작했다.1888년독일의발명가안드레아스플로켄이직류모터와납축전지를이용해최초의전기자동차를만들었다.벤츠가1885년에최초의엔진자동차를발명했으니,19세기말부터전기자동차와엔진자동차가경쟁한셈이다.그러나1900년대초반전기로엔진에시동을걸수있는기술이개발되고,포드사가엔진자동차대량생산에성공하면서가격이낮아지자엔진자동차가대부분의자동차시장을차지한다.더구나엔진자동차는기름만넣으면달릴수있는편리함을가지고있었기에전기자동차는결국비용과편리성면에서밀려나고말았다.
1900년대초반에사라졌던전기자동차는,1990년미국캘리포니아주에서배출가스가없는친환경자동차를일정비율이상생산하고판매할것을강제하는‘무공해차의무화법안’이만들어진덕택에다시등장했다.이법안에대응하기위해미국자동차제조기업제너럴모터스는전기자동차콘셉트카인GM임팩트를기반으로EV1을개발하여양산한다.그러나자동차회사들이무공해차의무화법안소송에서이기면서법안이폐기되고만다.수익이나지않는전기자동차생산에부담을느끼던자동차제조기업들은법안이폐기되자엔진자동차와하이브리드자동차생산에주력하면서전기자동차는시장에서다시사라졌다.
2000년대들어각나라의환경규제가심해지자또다시전기자동차가자동차산업의화두가되고있다.테슬라의시가총액이가장큰자동차제조기업인토요타의시가총액을넘어선지오래되었을정도다.엔진자동차를고집하던전세계자동차제조기업들도전기자동차시장에뛰어들어치열한경쟁을벌이고있다.이와함께전기자동차의핵심인배터리산업도성장하고있다.현재자동차배터리로가장많이쓰이는리튬이온전지의단점을보완하려는노력이계속되고있고,리튬이온전지보다성능이향상된태양전지,전고체배터리,연료전지등다양한형태의배터리관련기술이꾸준히발전하고있음을고려하면전기자동차의발전속도는더빨라질것이다.
《환경은걱정되지만뭘해야할지모르는사람들을위한과학과기술》1부에서는친환경자동차산업에대해살펴본다.전기자동차와엔진자동차가개발초기에어떻게경쟁했으며,전기자동차가다시급부상한이유를다룬다.이를위해우선전기의발명역사를설명하고,배터리의발전과정과기술을일목요연하게정리했다.전세계과학자와기업들의연구와개발사례를살펴보면서여러배터리의장점과단점은무엇인지,어느배터리가친환경자동차에가장적합한지,산업으로서의가치와전망은어떠한지등을알려준다.
연료전지로달리는수소자동차
그리고재생에너지의미래
수소자동차는전기자동차와함께친환경자동차의양대산맥이다.수소자동차는수소를연료로사용하는연료전지를적용한다.전기자동차와연료전지자동차는주행거리와충전시간에서차이가있다.전기자동차는리튬이온전지가주에너지원이므로주행거리를늘리려면더큰리튬이온전지가필요하나,무게와가격이만만치않아서그크기를늘리기가쉽지않다.게다가충전시간도짧지않은편이다.그런데연료전지자동차는주행거리를늘리고싶으면수소의저장용량,즉수소탱크의크기만늘리면된다.이러한장점때문에지금은전기자동차가종류와판매량에서앞서고있지만시간이지날수록특히수소연료전지자동차가시장을점유할가능성이높다.
그런데전기자동차와수소자동차는무조건친환경적일까?전기자동차는배출가스를내뿜지않지만,전기를석탄으로생산한다면친환경이라고할수없다.석탄으로전기를생산할때는매연과이산화탄소가배출되기때문이다.수소자동차역시수소를어떻게얻느냐에따라친환경이될수도있고아닐수도있다.수소는지금으로서는저장하기어렵고,비싸며,화재사고가일어날경우피해가크다는단점이있다.그럼에도수소는재생에너지를통해쉽게얻을수있다는점에서반드시활용해야만한다.재생에너지는햇빛,바람,강물,온도차,조류,파도,식물등을이용하여햇빛으로부터직간접적으로얻은,계속사용할수있는에너지를말한다.대표적으로태양전지로전력을생산하는태양광발전과바람으로전력을생산하는풍력발전으로얻을수있다.가장친환경적인수소는이렇게재생에너지로부터얻은,탄소배출제로인그린수소다.더욱이그린수소는에너지자원이턱없이부족하여대부분을수입하고있는우리나라에서에너지자립을가능하게해줄아주중요한자원이다.많은기업과연구소에도이러한점에주목해꾸준히연구개발을하고있다.
그린수소생산을활성화하려면좋은기술을개발하여낮은가격으로그린수소를생산할수있어야한다.이를위해태양전지와풍력발전기의효율과수명을높이고,고효율태양전지를낮은가격으로쉽게만들수있어야한다.여러태양전지가개발되고있지만,그중에서도페로브스카이트태양전지는우리나라의연구기관들이세계최고효율을달성하고있는기술이다.이와함께우리나라곳곳에햇빛이1년동안얼마나비추는지,바람은어느세기로얼마나부는지등을측정해서만든‘에너지자원지도’같이재생에너지를잘사용할수있는기술도함께개발해야한다.
《환경은걱정되지만뭘해야할지모르는사람들을위한과학과기술》2부에는재생에너지로생산하는그린수소와수소연료전지를이용한수소자동차,저자가타고다니는수소자동차인넥쏘사용기를실었다.또한친환경자동차산업을이끌어줄태양광,풍력등재생에너지를이용한발전산업의현황과미래에대해서도다루었다.이를통해친환경자동차와친환경에너지가어떤상관관계를가지며,어떻게우리의삶을변화시킬지이해할수있을것이다.
규모의경제,효율의경제
이제는자원보다기술이다
인공지능을기반으로하는4차산업혁명이시작되었다.기존의산업혁명은석탄을사용하는증기기관에서출발해엔진을사용하는자동차,전기를대량생산하는산업시스템까지규모의경제를추구한다.규모를크게해야이윤이나고산업이활성화되는구조인것이다.경제규모의팽창은인류의발달에크게기여했지만,부작용도만만치않았다.과잉생산과과잉소비를유발해환경오염이발생하고,지구온난화와기후위기가날로심화되고있다.
4차산업혁명은인류가친환경에너지로전환할수있도록도와준다.물론친환경에너지로전력을생산하더라도효율적으로저장하고사용하기위한시스템이필요하다.《환경은걱정되지만뭘해야할지모르는사람들을위한과학과기술》에서다루는친환경자동차인전기자동차와수소자동차도전력저장체가될수있다.아침에출근해서주차장에차를세워두면낮동안주차장지붕에설치된태양전지에서전력을생산해서전기자동차를충전할수있다.전력으로물을분해해수소를생산해서수소자동차에저장할수도있다.이러한일들을효율적으로수행해줄수있는수단이바로인공지능이다.
인류에게친환경에너지로의전환은반드시해야만하지만어려운과제다.그러나방법은있다.엔진자동차를전기자동차나수소자동차로바꾸고,친환경자동차에걸맞은친환경에너지시스템으로전환하는것이다.태양광발전과풍력발전시설을지금보다대규모로설치하고효율적으로관리해야한다.더불어재생에너지는생산비용이화석에너지보다높은것도사실이므로효율적으로사용하도록제어할정책도필요하다.
이모든방법을통해결국은규모의경제에서효율의경제로넘어가야한다.효율의경제에서는자원보다기술이중요하다.기존경제를이끌던석유의중요성은점점약해지고,태양전지와풍력발전기술,전기자동차생산기술,배터리기술,수소생산기술등기술이자원을대체할것이다.기술이발달한우리나라에더없이좋은기회다.친환경이라고해서꼭불편하지는않다.좋은시스템을만들면환경을해치지않으면서편하게살수있다.기후위기라고해서갑자기불편하게사는삶으로돌아갈수는없다.《환경은걱정되지만뭘해야할지모르는사람들을위한과학과기술》은우리가만들어온기술과산업을통해친환경자동차와친환경에너지로의전환을위한실마리를찾고,환경을지키면서도편하게살아갈수있는방법을독자와고민해보고자한다.
추천사
에너지의전환은한순간에이뤄지지않습니다.인류가오랫동안풀어야할숙제와도같습니다.《환경은걱정되지만뭘해야할지모르는사람들을위한과학과기술》에는과학기술이어떻게이숙제를풀수있는지에대한해답이있습니다.에너지의과거,현재,미래….친환경자동차와미래에너지시스템이궁금한분들은이책을꼭읽어보시길권합니다.
-김종남(한국에너지기술연구원원장)
배터리의시작이개구리뒷다리라고요?세계최초의자동차가전기자동차예요?전기가너무많이생산된탓에정전이되었다고요?《환경은걱정되지만뭘해야할지모르는사람들을위한과학과기술》은인류가어떤과정을거쳐전기를발견하고활용하게되었는지,전기와배터리가어떻게친환경자동차산업을발전시켰는지흥미진진하게설명하고있습니다.이책을통해전기와배터리,재생에너지의미래,전기자동차와수소자동차의모든것을알수있을것입니다.
-한선화(전)한국과학기술정보연구원원장)
우리는기후위기를온몸으로느끼고있는세대입니다.오늘날지구의환경이얼마나최악으로치닫고있는지알고있지만,우리가지구를위해무엇을할수있을지여전히막연하기만합니다.저자는《환경은걱정되지만뭘해야할지모르는사람들을위한과학과기술》에서궁금했던친환경에너지와친환경자동차에관해명쾌하게설명하고,이를통해기후위기를극복할수있는방향을제시하고있습니다.독자들이이책과함께탄소배출없는깨끗한미래를준비할수있기를바랍니다.-전용석(고려대학교융합에너지공학과교수,투명태양전지플랫폼개발사업단단장)
책속에서
최초의전기자동차는독일의발명가안드레아스플로켄이만든플로켄엘렉트로바겐으로알려져있습니다.그는1888년지붕이있는사륜마차형태에직류모터와납축전지를달아전기자동차를만들었습니다.벤츠가1885년에최초의엔진자동차를발명했다고알려져있으니,불과3년사이에독일발명가들이엔진자동차와전기자동차를만든겁니다.19세기말부터이미전기자동차와엔진자동차가경쟁한셈입니다.초기달리기성능은오히려엔진자동차가전기자동차를따라가지못했습니다.세계최초로시속100킬로미터를돌파한자동차도전기자동차였죠.벨기에의카레이서카미유제나치는로켓모양의전기자동차를만들어세계최초로시속100킬로미터를돌파했습니다.
---p.70
이러한개발과정을거쳐테슬라는2008년첫번째전기자동차모델인로드스터1.5를출시했습니다.로드스터1.5는전기자동차로는획기적이었습니다.배터리를완전히충전하면390킬로미터를달릴수있고,248마력의동력을가졌으며제로백(정지상태에서시속100킬로미터에도달하는데걸리는시간)은4.76초였습니다.웬만한스포츠카와비교해도괜찮은성능이었죠.1억원이넘었지만시장에서의반응도좋았습니다.이후로드스터2.0을거쳐출시된로드스터2.5는최고출력288마력,자동차의동력이엔진축에순간적으로전달되는힘인최대토크는370뉴튼미터,제로백은3.83초였습니다.이로인해많은사람이전기자동차의성능에놀랐고,유튜브에서는로드스터2.5와포르쉐가경주하는동영상이많은조회수를기록하기도했죠.로드스터2.5의기술은테슬라가처음독자모델S를개발하는데큰영향을주었습니다.
---pp.88~89
1990년대부터30여년동안태양광발전산업은해당분야전문가들도놀랄만한속도로발전해왔으며,지난10년동안전세계태양광발전산업은연평균성장속도가35퍼센트를넘습니다.2019년말전세계누적태양광용량은591기가와트이고,연간태양광모듈을이용한생산용량은184기가와트이며,출하량은약125기가와트였습니다.보통4인가족한세대가약3킬로와트의태양광발전이면전력을충당할수있는데,591기가와트면전세계약2억세대가태양전지로전력을충당할수있는양입니다.이러한엄청난성장은태양전지의제조비용이급감하고,꾸준히효율이상승한데다태양광발전기술도향상되었기때문입니다.더욱이각국에서실시한재생에너지보급정책이크게기여했죠.
---p.99
전기자동차의느린충전속도도이와무관하지않습니다.보통리튬이온전지시스템에는배터리관리시스템이들어있습니다.배터리의전압과전류그리고온도등을실시간으로모니터링하고,과도한충전과방전을막는시스템입니다.그리고에너지효율과배터리수명을연장하기위해충전속도를조절하죠.고속충전기가개발되어있지만여러가지이유로배터리충전을빨리하기는어렵습니다.이런문제를해결할수있는기술이있습니다.바로전고체배터리입니다.전고체배터리는배터리의액체전해질을고체로만든겁니다.불에탈수있는유기용매를사용하지않기때문에기본적으로리튬이온전지보다안정성이높습니다.고온안정성과내열성이뛰어나이론적으로폭발이나발화가능성을크게낮출수있죠.따라서고속충전이더쉬워집니다.
---p.114
많은사람이수소연료전지자동차라고하면자동차에실린수소탱크때문에매우위험하다고생각합니다.어떤사람들은수소폭탄을싣고다니는것이나다름없다고생각해거부감을가지기도하죠.수소폭탄과수소연료전지자동차는엄연히다를뿐더러둘의작동원리를몰라서생기는오해입니다.핵융합반응을이용하는수소폭탄과수소연료전지를비교하는것은의미가없습니다.수소폭탄이되려면수소핵융합반응이일어나야하고,핵융합을시작하려면약1억도의어마어마한온도가필요합니다.수소보다낮은온도에서핵융합을시작하는중수소(일반수소보다무거운수소)도10만도는되어야합니다.그래서초고온·초고압을만들수있는원자폭탄을기폭제로사용하고,중수소와삼중수소를사용합니다.따라서수소자동차에실린수소탱크가수소폭탄이될일은전혀없습니다.어쩌다수소탱크에서수소가새어나간다고해도매우빨리흩어지는성질때문에폭발에이르는경우는거의없고요.
---pp.142~143
6개월을기다린끝에2020년4월넥쏘를받았습니다.넥쏘는여느전기자동차와다르지않습니다.시동을걸어도자동차스피커에서나오는신호음밖에나지않고,주행을해도매우조용합니다.다만전기자동차와달리급가속을하면앞쪽에서풍선에바람빠지는소리가납니다.넥쏘에는3킬로미터정도달릴수있는리튬이온전지가장착되어있어전기자동차처럼달리고,연료전지로만든전기는배터리를충전하는데만사용합니다.그런데급가속을하면배터리에있는전기가모두방전되기때문에급하게충전하기위해연료전지에빨리수소를집어넣다보니소리가발생하는겁니다.
---p.150
그런데아주효율이좋은태양전지를값싸게만들수있다면어떨까요?태양전지를이용해만든전력으로쉽게물을분해해서수소를만들고,이렇게만든수소를저장하기위한암모니아를간단하게생산할수있다면태양전지를지붕으로하는커다란배도만들수있습니다.거북선모양으로만들어지붕부분을모두태양전지로덮으면상징성도있겠죠.날이좋을때이배를우리나라근해의잔잔한바다로보내는겁니다.그러면태양전지가햇빛을받아서전력을생산합니다.이전력을이용해바닷물을분해하여수소를만들고공기중의질소와반응시켜암모니아를만들수있습니다.암모니아는배가운데에있는저장탱크에저장하고요.저장탱크에암모니아가다채워지면다시항구로가져와암모니아를수소로만든뒤연료전지자동차등에충전할수있습니다.
---p.163
