진화하는 수소에너지 기술

진화하는 수소에너지 기술

꿈의 에너지, 실용단계 진입하나

 

수소에너지(hydrogen energy)는 수소의 형태로 에너지를 저장하고 사용할 수 있도록 한 대체에너지의 일종이다. 수소는 연소시켜도 산소와 결합하여 다시 물로 환원된다. 배기가스로 인한 환경 오염 없이 무한정 사용할 수 있는 꿈의 에너지다.

▲ 물을 분해해서 얻는 수소에너지는 공해가 없는 꿈의 에너지다. ⓒ텍사스 대학

그러나 이러한 에너지 개발에 문제가 없는 것은 아니다. 우선 가솔린과 비교할 때 효율성이 부족하다. 그래서 가격이 너무 비싸 아직은 실용화 단계가 아니다. 그러나 과학자들은 효율성을 높이기 위한 노력에 박차를 가하고 있다.

조만간 수소에너지가 우리의 일상생활의 에너지로 정착될 것이다. 대서양 북부의 북극권 바로 남쪽에 위치한 섬나라인 아이슬란드는 수소 에너지 실용화에 가장 앞장서고 있는 나라다. 연구도 활발하다. 미래전문지 ‘트렌드’가 전하는 25년 후에 보도될 가상뉴스에 귀를 기울여 보자.

[가상뉴스] 2041년 5월 4일= 뉴스를 말씀 드리겠습니다. 아이슬란드에게 있어 오늘 아침은 역사적인 날입니다. 대통령이 참석해 마지막 가솔린펌프 가동을 공식적으로 종료한 날이기 때문입니다. 아이슬란드는 가솔린 연료를 수소연료로 대체하는데 있어 모범국가라 할 수 있으며, 오늘 이를 성공리에 마친 세계 최초의 국가가 되었습니다. 아이슬란드, 수소연료 실용화에 가장 앞장 선 나라 이날은 약 5년 전부터 계획되어왔기 때문에 아이슬란드 사람들에게는 더 이상 자동차에 가솔린을 주유할 수 없다는 사실은 결코 놀라운 일이 아닙니다. 가솔린 차량을 폐기처분 하도록 운전자들에게 제공되는 정부 보조금과 더불어 수소 연료 차량의 조기 도입으로 인해 성숙한 자동차 중고시장은 이러한 전환을 가능하게 했습니다. 또 다른 요인으로는 저렴한 수소연료 가격을 들 수 있는데, 아이슬란드는 국내 생산이 수요를 충당하기 시작한 이래 세계에서 수소연료 가격이 가장 저렴한 나라가 됐습니다. 아이슬란드는 수소 연료를 자급자족할 뿐만 아니라 수소와 지열발전을 사용해서 전기분해를 일으켰습니다. 미국 자동차에 사용되는 수소 연료는 10% 정도에 불과합니다. 그러나 아이슬란드 자동차가 소비하는 수소 연료 100%는 리하이드로(Re-Hydro)라고 알려진 재생 가능한 자원으로부터 생산됩니다. 또한 이러한 100% 전환으로 이제 아이슬란드는 세계에서 가장 최첨단 차량을 보유하게 되었습니다. 현재 판매되는 자동차 4대 중 3대가 연료전지 차량인데도 233만대 차량 가운데 절반은 수소 하이브리드 자동차이며, 나머지 절반은 연료전지 모델입니다. 35년 전 아이슬란드 자동차는 선박만큼이나 많은 가솔린을 소비했지만, 자동차 보조금과 늘어난 선박의 수명 덕택에 선박은 그러한 추세에 보조를 맞출 수 없었습니다. 아마 디젤 엔진으로 가동되는 아이슬란드의 마지막 어선이 가동을 멈추게 되기까지는 앞으로 10년이 더 걸릴 것으로 예상됩니다. 하지만 그 때가 되면 아이슬란드는 2005년 석유 소비량에서 80% 정도 감소할 것으로 전문가들은 내다보고 있습니다. 현재 옛 추억에 잠긴 감상적인 이유로 몇몇 사람들은 마지막 날까지 가솔린 차량을 소유할 예정입니다. 그러나 그들의 감상도 오래 가지 않을 전망입니다. 현재 그들의 자동차에 마지막 주유가 된 이후, 아이슬란드에는 더 이상 가솔린을 구할 곳이 없어지기 때문입니다.

고대 동식물이 화석화된 석유자원은 오늘날 인류문명의 근간이 됐다. 하지만 석유자원 고갈과 환경오염이라는 거대한 장벽 앞에서 석유대체자원 개발을 통한 에너지원의 다원화와 안정적 에너지 공급체계를 확보하는 일이 시급한 과제로 등장했다. 이는 21세기 인류가 지속가능한 발전을 추구하기 위해 반드시 해결해야 할 과제다.

전 세계 에너지 흐름은 석탄에서 석유, 천연가스 그리고 바이오매스 쪽으로 흘러가며 점차 탄소 배출을 줄이는 방향으로 진행되고 있다.

특히 수소에너지는 직접 연소 또는 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하고 고압가스, 액체수소 등의 다양한 형태로 저장이 용이해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 또 산업용 기초소재부터 현재 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모둔 분야에 이용될 수 있다는 장점이 있다.

2050년 무렵에는 궁극적 청정에너지원인 수소를 사용하는 '수소경제 Hydrogen Economy' 시대가 도래 할 것으로 전망하는 학자들도 있다. 과학자들은 석유대체화학과 대체청정연료의 개발을 위한 촉매와 공정기술 개발에 중점을 두고 다양한 연구를 수행하고 있다

무공해 에너지, 그러나 효율성은 떨어져
수소는 물을 전기분해 하면 쉽게 얻어지나 발전효율은 최고 40%정도에 불과하다. 열에너지의 약 30%만이 수소에너지로 전환된다. 그래서 효율을 올리는 방법으로 열화학 분해법이 자주 적용되고 있다.

이것은 화학반응의 평형이 온도에 따라서 깨지는 점을 이용하여 온도가 다른 2개의 열원을 사용해서 물을 분해하는 방법이다. 수소 가스의 저장법으로는 금속 산화물에 흡착시키는 방법이 오늘날 가장 유망하다.

마그네슘을 비롯하여 금속 중에는 수소를 잘 흡수하는 금속수산화물이 들어 있는데, 이를 수소저장합금이라고 한다. 이 합금은 일정량의 열을 가해서 압력을 감소시키면 흡수한 수소를 다시 방출하는 성질이 있다.

따라서 수소를 잘 흡수하는 금속분말에 흡착시켜 수송하거나 저장하기란 그리 어려운 문제가 아니다. 이 방법을 쓰면 가스를 저장하는 경우보다 3분의 1내지 5분의 1 정도로 부피를 줄일 수 있고, 폭발될 염려도 없다.

수소에너지는 주로 연료전지(fuel cell)를 써서 사용한다. 연료전지는 연료에너지를 전기에너지로 변화시킬 때 연료와 공기를 전극 표면에서 산화반응 시켜 그 반응에 따라 얻어지는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시킨다.

화학에너지를 일단 열에너지로 변화시키므로 열기관을 사용하여 전기에너지로 바꾸는 보통의 발전 방식에 비해서 간단하고 효율적이다. 수소에너지는 석유를 연료로 삼는 모든 엔진과 석유를 열원으로써 쓰는 모든 연료분야에서 사용할 수 있다.

이미 1956년에 액체수소를 로켓 연료로 사용하기 위한 연구가 시작되었다. 아폴로 우주선의 새턴5형 로켓, 그리고 스페이스셔틀에서는 엔진용 연료로서 실용화되면서 세계 이목을 집중시켰다. 이를 계기로 세계 여러 나라들이 수소 에너지 개발에 뛰어 들었다. 그러나 아직 수소의 가격이 비싸 실용화 단계는 시일이 걸릴 것으로 전망되고 있다.

수소에너지는 공해물질이 배출되지 않아 대안에너지의 가장 이상적인 매개체라 할 수 있다. 우선수소를 얻을 수 있는 원료로 물이 풍부하게 존재한다. 그리고 여러 가지의 1차 에너지를 사용하여 제조할 수 있다. 그리고 전력과는 달리 수소 에너지는 저장이 쉽다. 수소 에너지는 단순히 꿈이 아니라 조만간 현실로 나타날 것이다.

김형근 객원기자 | hgkim54@naver.com 저작권자 2012.09.27 ⓒ ScienceTimes