미래의 핵심 에너지, 수소에너지 시대의 도래

최근 환경보전에 관한 관심이 전 지구적으로 높아지는 추세입니다. 저탄소 녹색 에너지 산업이 새로운 성장동력으로 국가경쟁력을 좌우하는 시대가 도래했는데요. 저탄소 녹색 에너지 산업 중 연료전지, 수소에너지 산업은 차세대 신에너지 기술의 핵심으로 부상하고 있습니다. 오늘은 기존에 사용하던 에너지와는 전혀 다른 새로운 개념의 차세대 에너지, 수소에너지에 관해 자세하게 알아보겠습니다. 

수소에너지의 원리와 장점

영원히 고갈되지 않는 연료, 수소(H) 

 

수소는 물(H2O)을 구성하는 핵심 원소로 거의 무한정으로 사용할 수 있는 장점이 있습니다. 때문에 ‘저탄소 무한정’의 요건을 갖춰야 하는 차세대 신에너지원으로서 가장 큰 가능성을 지닌 것으로 평가받고 있는데요.  

 

수소는 강력한 폭발력을 지닌 에너지원으로 수소 1kg을 산소와 결합하면 3만5천 kcal의 에너지가 방출됩니다. 같은 질량의 다른 연료인 부탄, 프로판, 휘발유, 등유 등과 비교하면 무려 3배에 가까운 양이죠. 

더욱 놀라운 점은 다른 연료들이 이산화탄소를 발생시켜 환경 오염에 큰 영향을 미치는 것과 달리, 연소 후 질소산화물(NOx)을 극소량 배출하는 것을 제외하면 대기오염물질을 전혀 방출하지 않는다는 건데요. 또, 자원고갈의 우려가 없는 물을 전기 분해해 만들 수 있는 무한에너지이기도 합니다. 

특히 수소는 석유, 천연가스와 같이 일반적인 연료는 물론, 수소 연료전지를 통해 전기와 난방열까지 얻을 수 있는데요. 자동차, 비행기, 열차, 선박과 같은 현존하는 모든 종류의 에너지에 대체 동력으로 활용할 수 있죠.

수소에너지 개발 시스템과 기술

▲ 수소에너지 시스템 구조도(이미지 출처: 한국원자력문화재단 블로그)

수소 에너지 활용을 위해선 우선 순수한 수소를 확보하는 것이 중요한데요. 수소를 생산하는 방법은 다양합니다. 현재 공업적으로 수소를 대량생산하는 방법 중 하나는 천연가스인 메탄을 고온·고압에서 스팀으로 분해하는 방법(CH4+H20 → H2+CO2)인데, 이 방법에 의해 전 세계 수소 생산량의 절반가량이 생산되고 있습니다. 

이뿐만 아니라, 천연가스를 분해하거나 물을 굳이 비싼 전기로 분해하지 않아도 수소 에너지를 생산할 수 있는 기술은 다양한데요. 물이나 단순한 유기물을 광촉매라는 특수한 물질을 이용해 수소를 발생시키는 광화학적 물 분해, 태양열이나 폐열을 이용한 열화학적 물 분해, 미생물을 이용하여 물이나 유기물을 분해하는 방법 등 다각도로 접근 중입니다. 

 

이렇게 순수한 수소를 확보하고 나면, 산소와 함께 직접 연소하여 열을 발생시키거나 연료전지(Fuel Cell)로 활용하는 등의 방법으로 수소를 이용할 수 있는데요. 그중 연료전지는 수소를 이용하는 핵심기술이라 할 수 있습니다. 수소와 산소 수용액 사이에 산화와 환원 반응을 이용한 것으로 현재 가장 실용화 가능성이 큰 기술로 알려져 있습니다. 

이처럼 수소 에너지는 미래의 궁극적인 청정에너지로 평가받고 있는데요. 하지만 아직 실용적으로 상용화하기는 어려운 상황입니다. 그 이유는 무엇일까요? 

수소에너지의 논란과 향후 과제 

수소에너지 활용을 위한 첫 번째 과제, 저장

 

가장 먼저 해결해야 할 문제는 ‘저장’입니다. 일상에서 사용하기에 수소는 용량이 너무 크다는 단점이 있죠. 프로판가스와 비교해보면 부피가 무려 22배나 되는데요. 대부분의 가스 연료처럼 액체로 저장하면 좋겠지만, 수소는 압력이나 온도를 끌어올려 액화하려면 큰 비용이 발생합니다. 

 

현재 수소 저장에 관한 연구는 한창 진행 중입니다. 금속이나 탄소에 흡착하는 기술 등이 떠오르고 있는데요. 티타늄-철합금, 란타넘-니켈합금, 마그네슘-니켈합금 등의 금속과 함께 다양한 시도와 연구가 계속되고 있습니다.

수소 연료전지 개발의 가장 큰 화두, 촉매

 

수소자동차의 핵심 기술로 알려진 수소 연료전지 쪽을 살펴보면, ‘촉매’가 쟁점입니다. 촉매로 이용하는 금속이 대부분 값이 비싸기 때문인데요. 또한, 촉매는 금속류로서 부식 정도에 따라 교체가 필요하므로 수소에너지 생산에 드는 비용은 더욱 높아질 수밖에 없습니다. 이 때문에 수소 연료전지의 생산 효율을 높이기 위해 비백금계 촉매 개발이 필요합니다.

수소에너지원이 지닌 한계와 단점  

 

수소 제조에 있어 가장 일반적인 방법은 천연가스에서 얻는 방법입니다. 일반적으로 수소는 물에서 전기분해를 하면 무한정으로 얻을 수 있어 친환경적이라고 얘기하지만, 경제성을 고려한다면 전기분해 방식은 사용할 수 없습니다. 분해에 이용되는 전기의 생산 비용이 수소 제조 비용의 배에 달하기 때문인데요. 

 

여기에 현재 주로 이용되는 천연가스 추출법에서는 탄소가 배출됩니다. 현 기술 수준의 수소에너지가 친환경적이지 않으며, ‘수소 경제로의 전환’이 아닌, ‘석유 경제의 연장’이라는 지적이 나오는 것은 이 때문이죠. 

또한, 자발적으로 소비자가 선택을 하기 위한 필수 요건에도 충족되어야 하는데요. 연료전지 가격을 지금의 1/10 수준으로 낮추고, 내구성도 몇 배로 늘려야 비로소 소비자의 요구에 맞출 수 있을 것입니다. 

 

이러한 한계와 논란에 대해 반대 의견은 많습니다. 현재의 수소에너지가 화석연료를 이용해 생산되는 것은 수소 경제로의 전환에 있어 과도기적 현상일 뿐이라는 거죠. 연구개발이 진행돼 기술 수준이 높아지면 수소는 화석연료로부터 완전히 독립해, 친환경적이며 고갈 걱정 없는 ‘수소 경제의 시대’가 열릴 것이라고 말입니다. 

가까운 미래에 화석 연료가 고갈되며 인류는 석유 이후의 신재생 에너지 시대로의 전환이 이뤄질 것이라는 사실은 누구도 부인할 수 없습니다. 세계 각국은 이러한 전환의 주인공으로 수소를 선택해 연구에 박차를 가하고 있는데요. 수소는 앞서 언급했듯, 많은 장점과 가능성을 지닌 에너지원입니다. 현재 맞닥뜨린 단점과 한계를 극복하고 장기적인 안목을 갖고 연구에 몰두해야 할 시점입니다. 

※ 참고 

수소에너지시대 도래, 전북대학교 화학공학부 남기석 교수, THE SCIENCE & TECHNOLOGY, 2012.04

연료전지, 수소에너지 산업과 이의 접합기술 동향, 한국과학기술정보연구원(ReSEAT)