메탄 고온·고압에서 스팀 분해 절반 점유,
물의 전기 분해 에너지 다량 소비 한계,
자연에너지 이용 기술 개발 시급, 미생물 활용한 물과 유기물 분해 수소 발생 최적
국내 연구진, 저렴한 비용 수소에너지 생산 물질 개발
[에너지단열경제]안조영 기자
지구온난화, 미세먼지는 자동차나 발전소에서 나오는 각종 오염물질과 온실가스 때문이라는 사실은 너무도 잘 알려져 있다.
전 세계는 화석연료 사용을 줄여 온실가스 배출을 억제하는 노력을 기울이고 있다.
우리나라도 2030에너지정책에 따라 2030년까지 온실가스 배출이 거의 없는 신재생에너지 생산 비율을 20%로 높이겠다는 목표를 설정하고 있다.
신재생에너지 가운데 수소 에너지는 미래의 대표적인 청정 에너지원이다.
수소가 연소될 때는 공해 물질이 거의 배출되지 않는다.
부산물로서 물 외에는 배출되지 않기 때문에 온실가스, 미세먼지 발생 문제가 없는 에너지다.
또 지구 표면을 덮은 바다에는 13억 7,000만㎦의 물이 있고, 바닷물 1,000g에는 108g의 수소가 있으므로 그 양도 무궁무진하다.
수소 에너지란, 수소를 연소시켜서 얻는 에너지를 말한다.
수소 에너지는 수소 자동차와 같이 석유를 연료로 사용하고 있는 모든 엔진 및 연료 분야에서 사용이 가능하다.
1956년에 로켓 연료로 액체 수소를 사용하기 위한 연구가 이미 시작되었고, 아폴로 우주선의 새턴5형 로켓으로, 스페이스 셔틀의 엔진용 연료로 실용화되었다.
2014년에 수소연료전지 자동차가 세계 최초로 출시되었고 수소 연료로 사용이 보편화되면서, 장기적으로는 수송수단의 대체에너지원으로 각광 받고 있다.
수소는 대부분 안정된 탄소화합물이나 물로 존재하고, 주로 석유나 천연가스의 열분해에 의해 제조되거나 다른 화학공정의 부산물로서 얻을 수 있다.
우리나라에서는 석유화학사의 정제 과정에서 나프타의 분해를 통해 얻거나, 물을 전기분해하여 쉽게 얻는다.
전기분해 방식은 입력에너지(전기에너지)와 비교하여 수소에너지의 경제성이 낮아서 대체 전원이나 촉매를 이용한 제조 기술이 연구되고 있다.
궁극적으로는 자원 순환형 미래기술로서 태양광, 풍력 등 신·재생에너지를 이용하는 제조공정들과 함께 연구가 진행되고 있다.
또한 물 전기분해법외에 효율을 높이기 위해 여려 종류의 물질을 결합시키고 또한 원자로의 열을 이용해서 여러 단계의 화학반응을 통하여 결국 물을 분리시켜 수소와 산소가 되도록 하는 열화학 사이클법이 연구되고 있기는 하지만 설비 투자가 큰 단점이 있다.
생산된 수소는 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등 다양한 형태로 저장이 가능하다.
이때 주로 고압 기체 상태로 저장하고 있지만 단위 부피당 수소 저장밀도가 매우 낮아서 경제성과 안정성이 부족하므로 액체와 고체로 저장하기 위한 신기술들이 등장하고 있다.
수소 가스의 저장법으로 금속 산화물에 흡착시키는 방법은 마그네슘을 비롯하여 수소를 잘 흡수하는 금속 수산화물의 형태로 저장하는 방법이다.
이를 수소 저장 합금이라고 한다.
수소 저장 합금은 일정량의 열을 가하여 압력을 감소시키게 되면 흡수했던 수소를 반대로 방출하게 되는 성질을 가지고 있다.
이와 같이 수소를 흡수하는 성질이 좋은 금속 분말에 수소를 흡착시켜서 수송하거나 저장하는 것은 그리 어렵지는 않다. 이러한 방법을 사용하면 가스 상태로 저장하는 경우보다 부피를 1/3 이하로 줄이는 것이 가능하고, 폭발될 우려도 없다.
수소 에너지를 생산하는 방법은 다양하다.
가장 많은 비중을 차지하는 방법은 천연가스인 메탄을 고온·고압에서 스팀으로 분해하는 방법이다.
전 세계 수소 생산량의 절반가량을 차지하고 있다.
그러나 수소와 동시에 이산화탄소가 발생하기 때문에 궁극적인 수소 생산 방법은 될 수 없다. 물을 전기 분해 하는 것과 같이 이산화탄소가 전혀 발생하지 않는 방법을 찾아야 하는 것이다.
물의 전기 분해는 수소 생산에 이상적인 방법이지만, 전기를 생산하기 위해 화석 연료나 폐기물 및 방사능의 문제를 초래할 수 있는 원자력과 같은 에너지를 이용해야한다는 한계에 이르게 된다.
태양 에너지와 같은 자연 에너지나 미생물을 이용한 수소 생산 기술이 무공해 에너지 생산 기술로 정착될 때, 비로소 인류는 환경 문제에서 자유로울 수 있다.
이 같은 상황에서 지난해 국내 연구진이 저렴한 비용으로 수소에너지를 만들 수 있는 물질을 개발해 관심을 끌었다.
한국과학기술연구원(KIST), 청정에너지연구센터 연구진이 이전보다 저렴하고 비교적 간단한 방법으로 청정 수소에너지를 만들어 낼 수 있는 방법을 개발했다.
현재는 메탄기체를 물과 함께 고온, 고압 수소에너지를 만들 때 화석연료를 이용하기 때문에 수소 1㎏을 만들면 이산화탄소가 10㎏나 발생한다.
수소 생산량보다 이산화탄소가 많이 발생하는 문제를 해결하기 위해 과학자들은 다양한 방법을 찾고 있다.
그 중 가장 주목받고 있는 방법은 태양광을 이용해 물을 분해하는 기술이다.
연구팀은 저렴한 비용으로 손쉽게 태양광을 이용해 수소를 만들기 위한 공정을 개발하는데 초점을 맞췄다.
연구팀은 이를 위해 유연 박막 태양전지 소재로 주목받고 있는 황셀레늄화구리인듐갈륨 소재를 활용했다.
황셀레늄화구리인듐갈륨 소재는 가볍고 반투명하기 때문에 건물 창문에 부착하는 창호형 태양전지나 자동차, 옷 등에 부착하는 유연 태양전지로 응용가능성이 높은 물질이다.
연구팀은 저가의 용액 프린팅 공정 방식을 개발해 고효율의 광전극을 만드는데 성공했고 이 과정에서 사용되는 촉매도 백금 같은 귀금속이 아닌 저가의 황화구리를 이용해 생산비용을 획기적으로 줄일 수 있었다.
이번 연구는 태양광-수소 전환의 핵심기술이라고 할 수 있는 고효율 광전극을 저비용으로 구현할 수 있는 돌파구를 마련했다는 의미가 있는 것으로 평가받고 있다.
또 백금 촉매를 이용한 것보다 수소 발생량이 더 많다는 점에서 산업적 활용 가능성도 클 것으로 기대돠고 있다.
천연가스를 분해하거나 물을 굳이 비싼 전기로 분해하지 않아도 수소 에너지를 생산할 수 있는 기술은 다양하다.
물이나 단순한 유기물을 광촉매라는 특수한 물질을 이용해서 수소를 발생시키는 광화학적 물 분해, 태양열이나 폐열을 이용한 열화학적 물 분해, 미생물을 이용하여 물이나 유기물을 분해하는 방법 등이 있다.
현재는 소규모로 연구되고 있으며, 차세대 에너지로서의 가능성을 저울질하고 있는 상태이다. 이 기술들은 아직 충분한 기초 연구가 필요한 시기이지만 미래에는 세계의 에너지를 책임지고 이끌고 갈 수 있을 것으로 전망된다.
물의 전기 분해는 전력이 풍부한 국가에서 많이 쓰이고 있다.
이는 물(H2O)을 두 전극 사이에 넣고 전기를 흘리면 양극(+)에서는 산소(O2)가 발생하고 음극(-)에서는 수소(H2)가 발생하는 원리를 이용하는 방법이다.
이 외에도 제철 공장의 공정 중에 발생하는 부생 가스로서 일산화탄소와 수소가 혼합된 가스가 있다.
이 혼합 가스는 특수한 막을 이용하여 수소를 일산화탄소로부터 분리한 후, 현재 산업용으로 사용하고 있다.
생물학적인 방법으로 수소를 생산하는 기술은 다른 방법에 비해 여러 장점을 지니고 있다.
우선 '미생물을 이용한 수소 생산'은 지구상에서 이산화탄소를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.
즉, 수소를 에너지로 사용한다는 것 자체가 연료로서 이산화탄소를 발생시키지 않을 뿐 아니라, 광합성을 하는 일부 녹조류 미생물은 이미 공기 중에 존재하는 이산화탄소를 이용하여 미생물 자체 내에 저장물질을 만들기 때문에 이중으로 공기 중 이산화탄소 농도를 낮출 수 있는 것이다.
베타카로틴이나 코엔자임과 같은 의약품을 생산할 수 있어서 생물 산업을 활성화할 수 있다는 장점도 있다.
생산 기술 측면에서의 장점은 공정이 상온 상압에서 이루어지므로, 고온 고압을 필요로 하는 열화학 공정과 비교하여 시설 가동 에너지가 적고, 위험도도 비교적 낮다는 점이다.
그러나 생물 공정은 미생물의 성장, 광합성 메커니즘 등이 균체 내에서 생겨야 수소도 발생하게 되므로 화학 공정에 비해 오랜 시간이 소비되는데, 이는 단위 시간 당 수소 생산 속도가 낮아지는 결과를 가져온다.
이러한 단점을 극복하기 위해 균체 밖에서 수소를 발생시킬 수 있는 기술 등 다양한 시도가 연구되고 있다.
한편 수소를 직접 연료로 사용하는 수소 연료전지(fuel cell)는 수소 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생산하는 장치로, 물의 전기분해 장치와 반대과정을 이용한다.
연료전지는 연료와 공기를 전극 표면에서 반응시켜 얻어지는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환장치다.
연료가 공급되는 한 재충전 없이 계속해서 전기를 생산할 수 있고 소음이 적으며, 발전과정에서 발생되는 열은 급탕 및 난방으로 이용한다.
화학 에너지를 일단 열에너지로 변환시킨 후 열기관을 사용하여 열에너지를 전기 에너지로 변환하는 보통의 발전 방식에 비해 간단하며 효율적이다.
하지만 수소 연료의 효과적인 제어와 보관이 어렵다는 단점이 있다.
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