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수소를 에너지로~우리는 수소경제사회로 간다.

2010-06-23

[환경해양에너지분야 20세기 이후 10대 사건 6]

수소를 에너지로~우리는 수소경제사회로 간다.

그림1 미래의 수소공급체계와 수소연료를 생산하는 다양한 습. 미래에는 다양한 에너지원을 이용해 고온의 열을 얻고, 이 열로 물을 직접 분해해 수소를 생산하고 에너지를 얻는 것이 가능해질 것이다.

지금까지 우리는 ‘화석에너지’에 의존한 경제생활을 했다. 지구가 수억 년의 세월에 거쳐 만들어 놓은 석유나 석탄과 같은 귀중한 자원을 사용해 경제와 사회를 성장시켰다는 말이다. 그러나 인구가 증가하고 이에 따른 에너지 사용량이 늘면서 자원고갈이라는 문제에 부딪치게 됐다. 더불어 화석에너지를 사용하면서 나타난 환경문제에도 대처해야 했다. 석탄과 석유를 무분별하게 사용했던 지금까지의 경제구조를 심각하게 고민하지 않으면 안 될 때가 온 것이다. 이미 미국의 에디슨 전력연구소는 현재의 소비 추세면 2040년경에 석유가 고갈된다고 예측했다. 이런 막다른 길에서 대안으로 떠오른 것이 ‘수소경제사회’라는 미래상이다. 이에 ‘수소경제사회’를 환경해양에너지 분야의 20세기 이후 10대 사건으로 뽑아서 소개한다.

수소경제사회란 무엇인가?

수소경제사회란 수소에너지가 경제를 이끌어가는 사회를 말한다. 이 개념을 등장시킨 사람은 미국 펜실베니아대학교의 교수 리프킨(Jeremy Rifkin)이다. 그는 2002년 발표한 ‘수소경제(The Hydrogen Economy)’라는 책을 통해 2020년이 되면 전 세계적인 석유생산량이 하향곡선을 그리게 된다고 예측했다. 석유생산량이 줄어들면 가격과 공급체계가 불안정해져 석유를 확보하려는 분쟁이 불가피하다. 따라서 석유를 대신할 에너지원을 찾아야 하는데, 리프킨은 이를 수소라고 봤다.

수소는 우주질량의 75%를 차지할 정도로 양이 풍부해 고갈될 위험이 적고, 지구상에서 가장 구하기 쉽기 때문이다. 뿐만 아니라 공해를 배출하지 않는 점도 미래 에너지원으로 뽑히게 된 주요 이유 중 하나다.부시 전 미국 대통령은 2003년 ‘수소인프라, 연료전지 및 하이브리드 자동차시장을 선도하겠다’는 발표를 했다. 이후 미국 에너지부가 수소에너지 로드맵을 작성했는데, 내용은 2004년부터 ‘대통령 수소에너지 이니셔티브’에 5년간 17억 달러 투자하겠다는 것이었다. 고이즈미 전 일본 총리도 2002년 ‘연료전지 자동차와 가정용 연료전지를 실용화한다’는 야심찬 계획을 발표했다.

그림 2 제레미 리프킨이 2002년 ‘수소경제’라는 책을 발표하면서 수소에너지는 친환경미래에너지로 주목받기 시작했다. 사진 제공 : 동아일보

이에 2010년까지 연료전지 자동차 5만대, 가정용 연료전지 220만kW, 건물용 연료전지 90만kW를 공급한다는 목표를 설정했다. 이에 뒤질세라 유럽연합(EU)도 수년에 걸쳐 수소?연료전지에 20억 9000만 달러를 투자하겠다고 발표했다. 수소에너지 시대의 주도권을 선점하려는 선진국의 기술 개발 경쟁이 본격화된 것이다.

수소를 에너지로 사용하려면?

그런데 수소경제로 전환하려면 무엇보다 고효율의 수소에너지가 필요하다. 수소는 무엇으로 어떻게 생산할까? 쉽게 생각할 수 있는 것은 물이다. 물은 2개의 산소 원자와 1개의 수소 원자가 결합돼 이뤄진 물질이다. 따라서 물을 분해하면 수소를 얻을 수 있다. 또 석유와 천연가스의 성분인 탄화수소, 생물 조직을 이루는 탄수화물과 단백질에도 수소가 많이 포함돼 있다. 따라서 화석연료, 바이오매스, 액체연료 등에서도 수소를 뽑아낼 수 있다.

고효율의 수소를 만들기 위해서 현재 화석에너지로 수증기를 열분해하거나, 재생에너지와 원자력에너지로 물을 전기분해하는 기술이 이미 나와 있다. 수소경제 초기에는 석유와 LNG 등의 화석연료로 수소를 얻겠지만, 중장기적으로는 재생에너지나 원자력 수소제조법이 주목받을 것이다.

그림 3 자원 순환형 도시 일본 기타큐슈 이웃 마에바루 후쿠오카 현 마에바루 시의 수소타운은 각 가정에 수소연료전지를 달아 필요한 에너지를 충당하는 미래도시다. 사진 제공 : 동아일보

수소는 기체 중에 제일 가벼워 그대로 두면 우주로 배출된다. 따라서 수소를 에너지로 사용하려면 고도의 저장기술이 필요하다. 수소저장기술은 수소를 압축하는 ‘고압수소저장’과 액체상태의 수소를 저장하는 ‘액체저장’, 다른 물질에 흡착시키거나 수소화합물로 만들어 안전하고 효율적으로 저장하는 ‘고체저장’ 방식으로 나뉜다.

이처럼 수소에너지는 2차 에너지다. 화석에너지나 재생에너지, 원자력 등의 다른 에너지원을 활용해 물을 분해해야 하고, 저장하기 위한 기술도 따로 필요하기 때문이다. 하지만 수소는 거의 무제한이라 할 수 있는 물로부터 얻는 에너지고, 사용 후에 다시 물로 변하기 때문에 온실가스 등도 발생시키지 않는다. 화석에너지가 가지는 한계점인 유한성과 지구온난화 등을 고려하면 미래에너지로 손색없는 셈이다.

수소에너지의 단가를 낮추고 상용화하라!

2040년까지 우리가 소비하는 최종 에너지의 15%를 수소로 대체할 경우 약 1조 7000억 톤의 이산화탄소가 절감된다. 이를 현실로 만들기 위해서는 수소에너지의 제조단가를 낮춰야 한다. 수소에너지가 아무리 좋아도 비싸서 경제성이 없으면 아무 의미가 없기 때문이다. 하지만 현재의 기술로는 수소의 제조, 저장, 이용 등 각 분야에서 경제성을 얻으려면 시간이 더 필요할 것 같다.

그럼에도 불구하고 온실가스 감축 의무부담이 가중되고, 청정에너지가 국가의 안보와 녹색성장 원동력이 되는 상황이라 수소에너지 개발을 미룰 수 없다. 현재 수소에너지의 기반 기술은 비쌀지 몰라도 2050년경에는 경제성이 확보돼 수송 부문의 에너지는 대부분 수소가 차지할 것으로 예측된다.

그림 4 수소를 만들고 저장해서 활용하기 위한 일련의 과정을 보여주는 그림. 수소는 천연가스 등의 1차 에너지가 있어야 만들 수 있는 2차 에너지이지만, 그 효율이나 친환경성을 따져볼 때 미래에너지로서 가치가 충분하다. 사진 제공 : 동아일보

우리 정부도 고효율 수소에너지의 제조, 저장, 이용 기술을 개발하기 위해 산·학·연 합동 연구를 하고 있다. 2015년까지 4000억 원 이상의 신규시장을 창출하고, 세계 5~6위권의 기술력을 확보한다는 계획을 세웠다. 또 2020년까지 국내 수송에너지의 20%를 화석에너지에서 수소에너지로 대체한다는 목표도 수립했다.

아직까지 전 세계 나라들은 수소에너지기술이 상용화되기 위한 필요충분조건을 갖추지 못했다. 따라서 누가 상용화기술을 선점하느냐에 따라 경제력이 크게 좌우될 수도 있다. 수소에너지 시장이 어마어마한 영향력을 발휘할 것이라고 예측하는 이유다.

수소연료전지란 무엇일까?

이번에는 미래에 수소에너지가 활용될 핵심기술로 꼽히는 연료전지에 대해 알아보자. 연료전지는 전자, 자동차 등 다양한 산업에 혁신적 변화를 초래할 수 있는 기술이다. 수소와 공기 중의 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 것이 연료전지의 원리다. 수소와 산소를 계속 공급해주면 무한히 발전이 가능하다는 점에서 일종의 발전기이기도 하다.

연료전지는 기계 장치를 사용하지 않고 발전하기 때문에 소음이 거의 없다. 또 수소와 산소가 반응해 전기를 만들기 때문에 질소산화물(NOx)이나 황산화물(SOx)같은 공해물질을 거의 배출하지 않는다. 화석에너지를 사용하는 내연기관과 비교하면 전체 공해물질 배출량이 20~50% 절감된다. 또 효율이 높아 에너지 절감효과도 크다. 연료전지의 발전 효율은 현재 30~50%로 내연기관보다 우수하며, 온수로 회수되는 열량까지 고려하면 효율은 80%까지 높아진다.

그림 5 수소연료전지는 셀의 개수에 따라 크기와 전력의 출력을 조절할 수 있다. 따라서 소규모 연료전지는 휴대용기기에 사용하고, 대규모의 연료전지는 주택용으로 활용하는 등 다양하게 이용할 수 있다.

화석연료에서 수소를 만들어 연료전지 자동차를 움직인다는 점을 생각하면 수소 연료의 생산효율은 낮다. 하지만 연료전지 자동차는 가솔린 차량보다 약 3배 이상 높은 효율을 발휘한다. 또 연료전지 셀의 개수에 따라 출력도 높일 수 있어 수W~수십MW까지 전력을 생산할 수 있다. 따라서 휴대기기용, 주택용, 자동차용, 항공기용, 우주선용 등 현재 석유나 가스, 전력을 사용하는 거의 모든 분야에서 사용할 수 있다.

수소연료전지의 탄생과 발전

그림 6 연료전지를 개발한 윌리엄 그로브의 모습. 사진 제공 : 위키피디아

연료전지는 1839년 영국인 판사 윌리엄 그로브(William Robert Grove)가 발명했다. 물리학자였던 그는 물의 전기분해를 연구하다가 한 가지 생각을 떠올렸다. 물의 전기분해하는 것과 반대로 수소와 산소를 반응시키면 전기가 만들어질 것이라고 추론한 것. 1839년 그로브는 자신의 추록을 입증하고 최초의 연료전지인 ‘그로브 전지’를 만들었다. 물론 이 전지가 만든 전기는 대단히 미약했다. 하지만 그는 50개의 작은 연료전지를 연결해 대형 연료전지를 개발하고 수소뿐 아니라 염화수소 및 에테르, 알코올로도 연료전지를 만들 수 있다는 사실을 발견했다. 하지만 실용화하지는 못했다.

연료전지의 실용화에 성공한 사람은 영국인 기술자 프랜시스 베이컨(Francis Bacon)이다. 베이컨은 1932년 고가의 백금 대신 저렴한 니켈을 촉매로 사용한 산화수소전지를 개발한 후, 1959년에는 2톤 용량의 지게차를 움직일 수 있는 5kW의 연료전지를 만들어 직접 시운전하기도 했다.

1960년대 초 미국항공우주국(NASA)은 장기간의 우주비행에 사용할 에너지원으로 연료전지가 가장 적합하다는 사실을 발견했다. 일반 전지는 수명이 너무 짧고, 충전용 전지를 우주에 가져가도 충전할 수 없기 때문이다. 또 태양광 발전은 태양을 볼 수 있는 위치에서만 전기를 생산할 수 있다. 이에 반해 액화수소나 액화산소로 작동하는 연료전지는 같은 무게에 당시 최고 성능의 배터리보다 8배 많은 전기에너지를 담을 수 있었다. 아폴로 우주선에 사용된 연료전지는 베이컨의 연료전지 특허권을 사들인 유나이티드테크놀러지가 개발했다. NASA의 대규모 연료전지 계약 덕분에 1990년대부터 연료전지 시장이 형성됐다.

수소연료전지 시대가 온다

그림7. 국내 처음으로 공개된 수소연료전지 버스의 모습. 이 버스 지붕에 볼록하게 튀어나온 부분이 수소탱크다. 사진 제공 : 서울시

앞서 살펴본 것처럼 수소에너지가 가지는 장점은 많다. 자원 고갈의 염려가 없고, 공해도 배출하지 않으며 에너지효율도 기존 화석연료보다 높기 때문이다. 수소에너지 관련 기술이 빠르게 상용화된다면 에너지 전문가들이 예상한대로 2020년께 본격적인 수소경제시대가 열릴지도 모른다. 이는 21세기 에너지문제를 해결하고 미래 인류에게 쾌적한 환경을 주는 에너지의 혁명이 될 것이다.

[교육팁]

저비용 고효율, 그리고 친환경적인 에너지라는 수소. 이를 이용한 간단한 연료전지를 만들어보자. 우선 필름통과 나사못, 키친 타올, 활성탄(granule type), 실링 테이프(sealing tape), 직류전원장치, 발광 다이오드, 황산나트륨 수용액을 준비한다.

활성탄을 황산나트륨 수용액에 담궈 뒀다가 필름통에 절반 정도 꾹꾹 눌러 담는다. 그 다음 키친 타올(7cm×7cm)을 두 번 접어 활성탄을 완전히 덮도록 넣는다. 이 위에 황산나트륨 수용액에 담궈뒀던 활성탄을 다시 담아 필름통이 꽉차도록 한다. 이때 키친타올이 찢어지지 않게 주의해야 한다.

활성탄을 가득채운 필름통의 입구를 막는다. 그 다음 실링테이프를 사용해 빈틈이 생기지 않도록 막는다. 키친 타올을 기준으로 필름통 좌우에 가열한 송곳으로 구멍을 뚫는다. 이 구멍에는 나사못을 끼운다. 두 구멍에 각각 (+), (-) 전극을 표시한다. 직류전원장치(10V, 30초 정도)를 이용해 전극에 전류를 흘려준다. 전류가 흐르면 황산나트륨 수용액이 전기분해되므로 산소와 수소가 만들어진다. 직류전원장치를 떼고 다시 전극을 연결하면 만들어진 산소와 수소가 다시 결합하는 과정에서 전기가 생기데 된다. 여기에 발광 다이오드나 모터 등을 연결하면 불이 켜지거나 작동하게 되는 것이다.

[교육 과정]

- 초등학교 5학년 과학, 에너지

- 초등학교 6학년 과학, 전자석

- 중학교 1학년 과학, 정전기

- 중학교 2학년 과학, 전기

- 중학교 3학년 과학, 전류의 작용

- 고등학교 1학년 과학, 환경

글 / 원장묵 한국에너지기술평가원 정책기획단장 jmwon@ketep.re.kr

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