물의 전기 분해 에너지 다량 소비 한계, 자연에너지 이용 기술 개발 시급
미생물 활용 물과 유기물 분해 수소 발생 최적)
[에너지단열경제]안조영 기자
수소 에너지의 생산
수소 에너지를 생산하는 방법은 다양하다. 현재 공업적으로 수소를 대량생산하는 방법 중 하나는 천연가스인 메탄을 고온·고압에서 스팀으로 분해하는 방법(CH4 + H2O → H2 + CO2)인데, 이 방법에 의해 전 세계 수소 생산량의 절반가량이 생산된다.
그러나 수소와 동시에 이산화탄소가 발생하기 때문에 궁극적인 수소 생산 방법은 될 수 없다. 물을 전기 분해 하는 것과 같이(2H2O → 2H2+O2) 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.
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.
천연가스에 높은 온도의 수증기와 압력을 가하면 천연가스가 수소와 이산화탄소로 분해되는 수소 생산 기술 외에도 다양한 기술이 있다.
그 중 하나가 물의 전기 분해인데 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 장단점을 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.
이와 같은 광합성 미생물로부터 천연 색소나 그 외 고부가 가치 물질을 얻는 것이 경제성이 좋을 경우는 생물 산업으로 활용할 수 있다.
광합성 미생물은 보통 녹색이나 청록색 또는 붉은색을 띠는데, 이는 자체 내에 빛을 흡수하여 광합성을 하기 위한 수단의 일종이다.
생물이 가지고 있는 붉은색, 녹색, 청록색 등의 클로로필 색소는 천연 색소로서 산업용으로 활용할 때 부가가치가 높다.
그 외에도 베타카로틴이나 코엔자임과 같은 의약품을 생산할 수 있어서 생물 산업을 활성화할 수 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 이러한 기술에도 극복해야 할 문제점이 있다.
그 중에서도 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 난점을 극복하기 위해 균체 밖에서 수소를 발생시킬 수 있는 기술 등 다양한 시도가 연구되고 있다.
화학 공정은 천연가스의 수증기 개질 반응에 의한 수소 생산으로, 고온과 고압이 동반되는 기술이다.
생물 공정은 미생물을 이용하여 수소를 생산하는 것과 같은 기술로 생물이 생존할 수 있는 조건, 즉 상온, 상압 조건에서 일어나는 공정을 일컫는다.
수소 생산뿐만 아니라 석유화학 산업에 의존하는 거의 모든 화학물질 합성 기술은 고온, 고압으로 촉매가 필요한 화학 공정이라 할 수 있다.
미생물이 동일한 물질을 생산할 때 이를 생물 공정이라 하는데, 미생물이 살 수 있는 조건에서 물질을 만들어 내므로 반응 조건이 훨씬 온화한 반면 생산 속도는 느리다.
현재까지 산업 활동에서는 화학 공정 위주로 개발되었는데, 생물 공정보다 일반적으로 속도가 빠르며, 대량 생산이 가능하기 때문에 생산성 위주의 사회에는 적합한 형태이다.
환경에 대한 우려가 사회 전반의 관심이 되면서 많은 분야에서 생물 공정의 필요가 요구되고 있지만, 생산 속도가 느리다는 단점을 보완해야만 이러한 방법이 경쟁력이 있기 때문에 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
한 예로, 특정 물질을 만들 수 있는 산업 미생물의 유전자를 재조합하여 생산성을 높인다든지, 단계적으로 새로운 기술을 접목한다든지 하는 등의 많은 노력이 이루어지고 있다.
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