[기고] 수소 에너지의 기술과 미래

가능성 높은 미래 에너지원인 수소, 기술적 과제도 많아 고대신문l승인2018.09.18l수정2018.09.18 15:19

크게

작게

메일

인쇄

신고

▲ 박진남 (경일대 교수‧신재생에너지학부)서울대학교 공업화학과 졸업前 한국신재생에너지학회 이사前 수소융합얼라이언스추진단 워킹그룹 위원장前 한국공업화학회 환경에너지분과 부회장前 한국수소및신에너지학회 총무이사前 기술표준원 연료전지 위원

  세계 각국의 노력에도 불구하고 탄소배출량이 계속 증가하면서, 지구온난화에 대한 우려가 커지고 있다. 한편으로는 매장량이 한정된 화석연료의 고갈 또한 큰 문제다. 이러한 문제들에 대한 해결책으로 지속가능한 에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그중 많은 기대를 받는 것이 수소에너지다.

  수소는 우주에 가장 풍부하게 존재하는 원소로 지구상에도 물의 형태로 대량으로 존재한다. 수소가 산소와 반응하면 에너지를 방출하는데, 반응 후에 물만이 생성돼 탄소배출이 전혀 없는 친환경 에너지원이다. 수소를 가장 효과적으로 이용하는 방법은 연료전지다. 수소를 산소와 연소시켜 전기를 만든다면 반응의 화학에너지가 열에너지와 운동에너지를 거쳐 전기에너지로 변환되므로 발전 효율이 낮다. 반면에 연료전지는 반응의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이므로 발전 효율이 매우 높다.

  우리나라의 연간 수소생산량은 약 200만톤 정도로 주로 정유공장과 석유화학공장 등에서 생산되는데, 대부분은 현지에서 바로 사용된다. 공장에서는 안정적인 공정의 운전을 위하여 언제나 수소를 여유 있게 생산하고 만약 수소가 남는 경우엔 이를 공정의 보일러 연료로 사용한다. 폴리염화비닐 생산을 위한 원료인 염소를 생산하는 클로르-알칼리 공정에서는 염소 한 분자당 수소 한 분자가 생성된다. 이처럼 공정의 부산물로 생산되는 수소를 부생수소라고 한다. 부생수소 중 20~30만 톤은 파이프라인이나 튜브트레일러를 통해 상업적으로 유통되며, 에너지원으로 공급 가능한 부생수소는 연간 5~10만 톤으로 추정된다.

  수소를 에너지원으로 사용하는 예로는 수소전기차(Fuel Cell Electric Vehicle)가 있다. 이에는 시동과 정지가 용이한 고분자전해질 연료전지가 사용된다. 수소전기차의 장점은 높은 에너지 효율과 환경오염이 없는 것이며, 공기 필터가 있어 오히려 대기오염을 정화하는 효과를 가진다. 또한, 수소는 가정용 연료전지 또는 대형 발전용 연료전지의 연료로도 사용된다. 용융탄산염 연료전지나 고체산화물 연료전지는 천연가스를 연료로 사용하지만, 고분자전해질 연료전지나 인산형 연료전지는 수소를 연료로 사용한다. 국내에서는 대산의 한화토탈에서 발생하는 부생수소를 이용한 50MW급 인산형 연료전지 발전소를 대산그린에너지가 건설 중으로 2020년에 상업용 운전을 목표로 하고 있다. 일본의 경우에는 장기적으로 복합화력 발전소에 사용되는 천연가스를 수소로 대체하는 것을 시도하고 있다. 이를 통해 수소전기차가 사용하는 것보다 더 많은 양의 수소를 복합화력 발전에 사용하고자 계획하고 있다.

  국내의 부생수소만으로 수십만 대의 수소전기차 운행이 가능하지만 수소의 운송비용이 문제가 된다. 이 경우에는 부생수소를 사용하기 어려워져 천연가스나 액화석유가스를 개질하여 수소를 생산하는 것이 가장 현실적인 방법이다. 대표적으로 이용되는 천연가스 수증기 개질공정을 보면, 1개의 메탄(CH4) 분자와 2개의 물 분자가 반응하여 4개의 수소 분자와 1개의 이산화탄소가 생성된다. 탄소를 배출하기는 하지만 천연가스 자동차를 운행하는 것에 비해서 탄소배출량이 50 % 정도 저감되는 효과를 가진다. 궁극적인 수소의 생산방법은 신재생에너지 발전으로 생산한 전기로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 것이다. 이는 탄소배출량이 제로다. 하지만 현재 전력생산 과정에서의 탄소배출 및 낮은 경제성으로 인해 널리 적용되지는 않고 있다. 그 외에도 광촉매 또는 광전기화학셀을 이용한 수소생산 그리고 수소 생산 미생물을 이용하는 방법 등이 있다. 이 방법들은 탄소배출이 없지만 대량생산 기술의 확보에 어려움이 있어 기초 연구에 머무르고 있다.

▲ 정부의 주관으로 민관합동 '수소경제 추진회'가 발족돼 연말까지 '수소경제 활성화 로드맵'이 수립될 예정이다. 사진제공│산업통상자원부

  수소의 안전성을 논할 때, 대중들이 많이 오해하는 부분이 수소폭탄이다. 수소폭탄은 수소의 동위원소인 중수소 1개와 삼중수소 1개가 고온에서 반응하여 헬륨과 중성자가 생기는 핵융합반응이다. 아인슈타인의 질량-에너지 등가법칙인 E=mC2의 공식에 따라 감소한 질량에 해당하는 에너지가 방출된다. 중수소와 삼중수소는 자연계에 거의 존재하지 않고 핵융합반응을 위해 선 원자폭탄급의 고에너지가 필요하므로 수소폭탄은 걱정할 필요가 전혀 없다. 수소전기차에서의 수소 폭발에 대한 우려도 있는데, 수소누출을 감지하기 위한 수소 센서들이 설치되어 있다. 문제가 생길 경우, 수소탱크에서 공중으로 바로 수소를 분출하게 되어 있어 화재나 폭발에 의한 위험도는 휘발유 차량보다 낮다.

수소에너지 시대를 앞당기기 위해서는 수소의 생산, 이송, 저장기술, 수소전기차 기술, 수소충전소 기술, 수소이용 발전 기술 등을 적극적으로 연구·개발하고 보급하여야 한다. 기술 외적인 부분으로는 정부의 수소에너지 보급에 대한 의지 및 정책 그리고 수소에너지 보급에 대한 사회적 합의 및 시민의 자발적인 참여가 중요하다. 수소에너지 사회로의 전환을 위한 첫 번째 관문은 수소전기차와 수소충전소의 보급이 될 것이다.

  태양광이나 풍력과 같은 간헐성을 가지는 대용량의 재생에너지 전력을 저장하기 위한 방법으로 물을 전기분해하여 수소 형태로 에너지를 저장하는 방식에도 많은 연구가 진행되고 있다. 호주의 경우에는 대규모 태양광 발전과 수전해를 결합하여 친환경 수소를 생산할 계획을 세우고 장기적으로 수소 수출국이 되고자 한다. 일본은 해외로부터의 수소 수입을 적극적으로 추진 중이며, 우리나라도 장기적인 관점에서 수소 수입을 검토해 보아야 할 것이다.

▲ 올해 출시된 현대자동차의 수소연료전지 자동차 '넥쏘'는 선풍적인 인기를 끌며 친환경 운송 시대를 알렸다. 사진제공│현대자동차

  수소에너지가 많은 장점을 가지고 있지만 수소에너지만으로 모든 것을 해결할 수는 없다. 미래의 지속가능한 사회는 수소 저장 및 이용에 기반을 둔 수소에너지 시스템, 배터리에 기반을 둔 전기에너지 시스템, 신재생에너지, 화석연료에너지, 원자력에너지 등이 조화롭게 구성되어야 할 것이다.

글ㅣ박진남 (경일대 교수‧신재생에너지학부)

고대신문  press@korea.ac.kr
<저작권자 © 고대신문, 무단 전재 및 재배포 금지>

고대신문의 다른기사 보기

인기기사

기사 댓글
첫번째 댓글을 남겨주세요.
0 / 최대 400byte

숫자를 입력해주세요

욕설등 인신공격성 글은 삭제합니다.
신문사소개제보와투고 개인정보취급방침청소년보호정책이메일무단수집거부
02841 서울특별시 성북구 안암로 145 고려대학교 홍보관 2층 고대신문사  |  Tel : Tel. 02.3290.1681,1683  |   Mobile : 010.3363.1947
청소년보호책임자 : 기획국  |   open@kunews.ac.kr
Copyright © 2018 고대신문. All rights reserved.