탄소중립의 핵심, 수소기술

[TePRI Report] Impact NOTE

기후변화라는 전 지구적 위기에 맞서 우리나라를 비롯하여 국제사회가 탄소중립(carbon neutral)에 초점을 모으고 있다. 탄소중립이라는 용어 자체에서 알 수 있듯이, 이러한 노력의 핵심은 인간의 활동에 의해 비정상적으로 많이 배출되는 탄소의 양을 줄이고 과잉 배출된 탄소를 다시 회수하는 것이다. 기후변화의 근본적인 원인이 대기 중에 늘어난 온실가스이고, 그 중 절대적인 비중을 차지하는 것이 이산화탄소(CO2)이기 때문이다. 우리가 할 수 있는 모든 수단과 방법을 동원하여 배출되는 탄소의 양과 흡수·제거되는 탄소의 양을 비슷한 수준으로 맞춘다면, 적어도 지구온난화로의 가속을 상당한 수준으로 막을 수는 있을 것이라고 전문가들은 예상한다. 2015년 파리기후변화협정에서 산업화 이전 대비 지구의 평균 온도 상승을 1.5~2℃ 이내로 억제하자는 목표를 내건 것도 일종의 마지노선 같은 개념이다. 그 이상의 온도상승이 일어날 경우, 기후의 변화로 인한 연쇄적인 자연재해는 우리가 예상할 수 있는 수준을 넘어설 것으로 우려된다.

탈탄소 사회로의 전환을 위해 정부는 관련 정책들을 순차적으로 추진하고 있다. 그리고 그 중심에 수소가 있다. 지난해 12월 발표된 ‘2050 탄소중립 추진전략’은 에너지 전환 및 산업구조 혁신을 골자로 하는데, 세부 내용을 살펴보면 신재생에너지 보급의 확대와 함께 수소 에너지원의 저렴하고 안정적인 공급체계 구축을 탄소중립 사회를 위한 핵심 전략으로 설정하고 있음을 알 수 있다. 사실 우리나라는 2018년 8월에 발표된 ‘혁신성장전략 투자 방향’에서 이미 수소를 3대 투자 분야 중 하나로 선정하였고, 수소가 주축이 되는 경제 구조를 구축하겠다는 로드맵까지 제시한 바 있다. 그렇다면 수소의 이용을 활성화하는 것은 탄소배출을 줄이는 것과 어떤 관련이 있을까? 우선 수소가 무엇인지부터 알아봐야겠다.

가장 흔하지만, 흔하지 않은 수소 기체(H2)

수소는 영국의 화학자이자 물리학자인 헨리 캐번디시(Henry Caverndish)가 1766년에 발견한 원소로, 주기율표에서 가장 먼저 등장한다. 인간이 현재까지 발견한 원소 중 가장 간단한 구조(양성자 1개, 전자 1개)를 가진, 가장 작고 가벼운 원소이다. 빅뱅으로 우주가 시작될 때 가장 먼저 생성된 원소이며, 전 우주에 존재하는 원소 중 약 75%가 수소라고 알려져 있다. 우주에 있는 수많은 별(항성)들은 넘쳐나는 수소 간 핵융합 반응을 통해 빛과 열을 방출한다.

수소는 보통 두 개의 수소 원자가 결합된 수소 분자의 형태로 존재하거나, 다른 원소의 원자와 결합한 화합물의 형태로 존재한다. 순수한 수소 분자는 끓는점이 –252.879℃이기 때문에 상온에서 기체 상태이다. 전 우주에서 가장 풍부한 원소가 수소이기 때문에, 지구의 대기를 구성하는 기체 중에도 수소 분자가 가장 많을 것으로 생각하기 쉽지만 실제로는 대기 성분의 99%는 질소와 산소이며 수소는 1억분의 5정도로 사실상 거의 없는 수준이나 다름없다. 이처럼 지구 대기 중에 수소의 양이 터무니없이 적은 이유는, 너무나 가벼워서 행성이 형성될 시기에 지구의 중력이 미처 잡지 못해 날아가 버렸기 때문이다. 이러한 이유로 전 우주에 가장 흔하지만, 지구에서는 결코 흔하지 않은 것이 바로 수소 기체(H2)다. 물론 지구 전체적으로 수소 원소(H)가 그렇게 희귀한 편은 아니다. 지구 지각을 구성하는 원소 중에는 10번째로 많은 것으로 추정되며, 생물을 구성하는 주요 성분인 물, 탄수화물, 지방, 단백질 등에는 탄소(C), 산소(O)와 더불어 가장 많은 비중을 차지한다. 다만, 기체로서 존재하는 수소의 비중이 매우 낮은 것이다.

반응성이 큰 수소는 산업적으로도 활발히 이용되고 있다. 정유 및 석유화학산업, 암모니아 합성 등에 주로 사용되고 있으며 최근에는 반도체 등 첨단산업의 공정에도 사용이 확대되고 있다. 수소에 대한 수요는 계속해서 증가하여 우리나라에서만 연간 7천만 톤에 달한다. 하지만 위에서 언급한 대로 자연 상태의 수소 기체가 너무 적기 때문에 산업적으로 이용되는 수소의 대부분은 화석연료로부터 추출하고 있다.

수소(H2)는 에너지원이 아닌, 에너지 전달체

지구상에서 기체 상태로 존재하는 순수한 수소 분자가 희귀하기 때문에(끓는점이 워낙 낮기 때문에 액체, 고체 상태로 존재하는 수소 분자는 더더욱 희귀), 수소는 우리가 통상적으로 사용하던 기존의 다른 에너지원과는 얻는 방식부터 근본적으로 다를 수 밖에 없다. 인류가 지금껏 사용해 온 나무, 석탄, 석유 등 대부분의 에너지원은 연소라고 하는 산소와의 화합 반응을 통해 에너지를 제공했다. 나무의 주성분은 셀룰로스와 리그닌으로, 이들은 탄소를 뼈대로 수소와 산소가 다량 함유된 고분자 화합물이다. 석탄이나 석유와 같은 화석연료는 오래전 지구상에 서식했던 동물이나 식물 등 유기체가 땅 아래 묻히면서 고온과 고압에 의해 화학적으로 변이된 물질로, 이들 역시 탄소가 높은 비율로 함유된 화합물이다. 나무나 화석연료 같은 에너지원들은 그 자체를 태움으로써 곧바로 에너지를 방출하기 때문에, 자연 상태의 자원을 채취하거나 시추하여 사용한다. 원자력의 경우 연소가 아닌 핵분열이라는 다른 방식의 에너지 추출 과정을 거치지만, 우라늄이라는 자원을 자연으로부터 얻는다는 점에서는 동일한 특징을 가진다.

하지만 이에 반해 순수한 수소는 땅이나 바다에서 캐거나 퍼낼 수 없다. 그래서 천연가스를 고온의 수증기와 반응시키거나, 물에 전기에너지를 가해 수소를 분리하는 방법이 널리 사용된다. 이러한 방법들은 모두 순수한 수소를 얻기 위해 에너지를 투입해야 한다는 공통점이 있으며, 열역학 법칙에 따라 수소를 에너지원으로 사용할 때는 투입된 에너지의 일부만을 사용할 수 있다. 따라서 최종적으로 사용할 수 있는 에너지의 양만 놓고 보면, 천연가스를 바로 에너지원으로 사용하는 것이 훨씬 더 효율적이다. 이러한 점을 종합해보면 수소는, 적어도 지구상에 거주하는 인간에게 있어 자연 그대로의 에너지원이 아닌 에너지를 전달하는 수단으로 간주하는 것이 적확하다.

에너지 전달체로서 수소는 단위 질량당 높은 에너지를 가진다. 휘발유와 비교하면, 같은 질량일 때 2.6배 많은 에너지를 포함하고 있다. 문제는 같은 질량의 수소가 훨씬 더 많은 부피를 차지한다는 데에 있다. 1리터의 휘발유와 같은 에너지를 갖는 수소 기체는 10리터가 필요하며, 수소연료전지의 전기화학반응을 이용한다고 가정하더라도 6리터의 수소 기체가 필요하다. 수소를 액화시키면 부피는 줄일 수 있으나, 극저온의 환경을 유지하는 데에 많은 에너지가 사용된다. 또 압축된 수소는 폭발의 위험성이 항시 존재하므로 저장과 운반에 각별한 주의가 요구된다는 단점이 있다.

그럼에도 왜 수소(H2)인가?

이처럼 자연에 존재하지도 않고 에너지 전달체로도 여러 제약이 있는 수소가, 탄소중립의 핵심 기술로 각광 받는 가장 큰 이유는 바로 친환경성이다. 화석연료로부터 에너지를 얻는 과정에서는 필연적으로 이산화탄소가 발생하는데, 앞서 상술했듯이 과잉의 이산화탄소는 지구의 평균 온도 상승을 주도하는 해로운 부산물이다. 원자력의 경우 탄소가 발생하지 않아 청정에너지로 볼 수도 있으나, 발생하는 방사성 폐기물의 완벽한 처리가 사실상 불가능하고 무엇보다도 안전성 문제가 해소되지 않았다. 반면 수소로부터 에너지를 얻는 과정에는 대기 중 흔한 산소만 요구되며, 부산물로는 오직 물만 발생하여 사실상 탄소를 포함한 유해 물질을 거의 배출하지 않는다.

수소로부터 에너지를 얻는 과정은 매우 청정하다. 하지만 수소를 생산하는 과정이 청정하지 않다면 별 의미 없는 일이 될 것이다. 그래서 수소 생태계에서 중요한 것은 여러 신재생에너지원을 이용하여 가급적 수소를 청정하게 생산하는 것이다. IEA 등 에너지 관련 국제기구 등에서는 수소의 생산방식에 따라 무색의 수소 기체에 색을 부여하고 있다. 이 중에서 100% 신재생에너지를 활용하여 생산하는 그린(Green) 수소가 탄소중립 실현에 가장 중추적인 역할을 할 것으로 기대된다. 메탄가스의 열분해를 통해 얻는 청록(Turquoise) 수소도 탄소배출이 거의 없는 방식으로 기대를 받고 있으나, 부산물인 고체화된 탄소의 처리에 유의해야 한다.

수소 생산방식에 따른 구분 ⓒKIST TePRI Report

그린 수소는 생산 전 과정에서 진정한 CO2-free를 달성할 수 있다는 큰 장점이 있지만, 수소 단계를 추가적으로 거치면서 에너지 이용 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 그럼에도 불구하고 그린 수소에 주목하는 이유는, 신재생에너지가 생산하는 전력을 저장하고 운반하는 수단으로서 수소가 매력적이기 때문이다. 신재생에너지는 기후나 날씨, 시간대 등에 따라 전력 생산량의 편차가 너무 커서 반드시 에너지저장장치(ESS)와 연계되어 사용되어야 한다. 수소는 차세대 대용량 ESS로 그 가치가 재평가받고 있는데, 이는 수전해 방식을 통해 수소를 생산할 때 필요한 물을 어느 곳에서나 쉽게 조달할 수 있기 때문이다. 또한 최근 사이에 활발히 연구개발이 이루어지고 있는 수소저장합금과 같이 안전한 수소 저장 방법이 잇따라 개발됨에 따라 생산된 수소의 이동도 보다 용이해질 것으로 기대된다. 우리나라를 비롯하여 전 세계 주요 국가에서 신재생에너지와 수소에너지 시스템을 통합하여 구축하려고 하는 가장 큰 이유이다.

그린 수소의 본격적인 확대를 가로막는 가장 큰 걸림돌은 바로 가격경쟁력인데, 단기간 내에 그레이(Gray) 수소나 브라운(Brown) 수소의 단가와 경쟁하기는 어려울 것으로 전망된다. 다만, 생산 과정에서 다량의 탄소를 배출하는 이들 수소에 정책적으로 가격·비가격 규제가 가해질 경우 시장 진입이 조금 더 빨라질 수는 있을 것으로 보인다. 국제재생에너지기구(IRENA)의 경제성 분석 결과에 따르면, 블루(Blue) 수소의 생산단가는 2050년까지 소폭 상승하는 추세인 반면 그린 수소는 태양광 및 풍력 발전 단가의 하락에 힘입어 지속적으로 생산 단가가 떨어질 것으로 예상된다. 평균적인 성능을 보이는 태양광과 풍력 발전을 가정하면, 약 2035년부터는 생산 단가만으로도 그린 수소가 블루 수소 대비 가격 경쟁력을 지닐 수 있을 것으로 예측된다.

각종 신재생에너지의 발전량이 충분하지 않은 우리나라는 다른 국가에서 생산된 그린 수소를 구입해 오는 시나리오도 염두에 두어야 할 것으로 보인다. 연중 일조량이나 풍량 등이 나라 전체에서 사용할 에너지를 충당하기에는 부족한 탓이다. 그럼에도 불구하고 전량 수입에만 의존하던 기존 화석연료보다는, 국가 에너지 자립도를 높일 수 있는 좋은 대안인 것은 분명하다.

생산방식에 따른 수소 생산 단가의 변화 ⓒKIST TePRI Report

수소의 생산저장사용 전주기를 연구하는 KIST

수소의 생산-저장·운반-사용 전주기 ⓒKIST TePRI Report

지금까지 탄소중립 실현을 위한 핵심 수단으로서 수소의 특징과 생산방법에 대해 논의하였다. 하지만 진정한 의미에서 수소경제는 이보다 범위가 넓다. 생산된 수소가 저장·운반되어 최종적으로 2차 에너지원으로서 사용되는 지점까지를 포괄해야 한다. 수소의 전 주기에서 ① 온실가스 발생이 유의미하게 적고, ② 상대적으로 경제성이 있으며, ③ 사용상의 안전성이 확보될 때 기존의 탄소경제는 수소경제로 온전히 전환될 수 있다.

KIST는 국내 연구기관 중 유일하게 수소 기술의 모든 주기에 걸쳐 연구개발을 수행하고 있다. 수소 관련 기술을 가장 직접적으로 다루는 곳은 청정신기술연구본부의 수소·연료전지연구단과 에너지소재연구센터, 에너지저장연구센터인데 신재생에너지 혹은 각종 첨단 소재를 연구하는 조직들도 넓게 보면 관련되어 있다고 볼 수 있다.

KIST에서는 수소를 보다 저렴하고 높은 효율로 생산할 수 있는 방법을 찾기 위해 연구 중이다. 수소가 사회 곳곳에서 널리 쓰이려면, 그 수요를 맞추기 위해 합리적인 가격에 대량으로 생산할 수 있는 기술이 필요하기 때문이다. 이러한 기술의 핵심에는 촉매 분야가 있다. 그린 수소의 생산에는 수전해가 이용되는데, 안정적인 생산을 위해서는 신재생에너지의 생산단가를 줄이는 것 못지않게 수전해 과정에서의 공정비용을 절감하는 것이 매우 중요하다. 장종현 박사 연구팀은 전해도금을 통해 이리듐 산화물을 다공성 지지체에 코팅하는 기술을 개발하여, 수전해 성능 및 내구성을 향상시키고 값비싼 희귀금속의 사용량을 획기적으로 줄여 가격경쟁력을 확보하는 방안을 마련하였다. 또한 손현태, 윤창원 박사 연구팀은 암모니아(NH3)로부터 수소를 고효율로 추출하는 나노금속 촉매를 개발하였다. 액체 상태의 암모니아가 액체 수소보다 약 50% 많은 수소를 저장할 수 있기 때문에 새로운 수소 운반체로 각광받고 있다. 연구팀은 제올라이트(zeolite)의 나노미터 단위의 구멍에 미량의 루테늄을 위치시켜 값비싼 루테늄의 사용량을 획기적으로 줄이면서도 반응성을 향상시키는 방법을 실증하였다.

수소와 전력의 생산을 하나의 시스템 내에서 이루어지도록 하여 에너지 효율성을 극대화하는 연구도 진행 중이다. 박현서 박사 연구팀은 수소를 생산하는 수전해 장치와 전력을 생산하는 연료전지 장치가 하나로 구성된 일체형 재생 연료전지의 효율을 향상시키는 연구 결과를 발표한 바 있다. 이러한 일체형 연료전지의 장점은 신재생에너지가 풍부할 때는 수소를 생산하고, 전력의 수요가 많을 때는 연료전지를 통해 수소로부터 전력을 생산하는 것이 가능하다는 점이다. 다만 일체형의 디자인으로 인해 물과 기체(수소, 산소)가 반응이 일어나는 전극과 촉매 근처에서 원활히 이동할 수 있어야 한다는 제약조건이 있었는데, 연구팀은 물과의 친화도가 다른 친수성 및 소수성 물질을 번갈아 코팅하는 방식의 양친매성(amphipathic) 전극을 활용하여 이러한 문제를 해결하였다.

수소의 저장과 유통 전 단계에서 핵심 기술들을 가진 창업기업도 등장하였다. 1996년부터 액화 수소 관련 정부 연구과제를 수행한 경험이 있는 김서영 박사는 2011년 다시 기술 개발을 추진하여 극저온 액화 수소 저장·운반 기술을 상용화하는데 성공하였다. 기체 상태의 수소보다 부피를 800분의 1로 줄일 수 있어 저장과 유통 비용을 크게 줄인 것이 특징이다. 수소연료전지의 사용처가 자동차, 무인항공기 등 다양한 분야로 확장될수록 수소의 원활한 유통에 대한 수요도 급증할 것으로 기대된다.

아직 시작하지 않은 수소 중심의 사회

이처럼 많은 연구진들이 수소의 전 주기에 걸쳐 원천기술을 개발하기 위해 노력하고 있음에도 불구하고, 진정한 수소 사회로의 진입까지는 아직 갈 길이 멀다. 단기적으로는 여전히 저렴한 화석연료와 경쟁해야 하며, 장기적으로는 수소 중심의 산업 및 사회로의 완전한 이행을 위해 갖추어야 할 인프라가 너무도 많이 남아 있다. 게다가 우리는 탄소중립이라는 결코 달성하기 쉽지 않은 목표도 동시에 추구해야 한다.

우리와 비슷하게 화석연료의 대부분을 수입하던 독일은, 70년대 석유파동과 86년 체르노빌 원전사고 이후 신재생에너지 확대를 위해 전 국가적 역량을 집중해왔다. 지리적 특성 등으로 인해 우리가 독일과 같은 수준의 신재생에너지 기반을 마련하기는 어렵겠지만, 적어도 수소 경제로의 전환을 지향하는 이상 역량을 결집해야 할 필요성은 충분히 있다. 수소 기술 분야에 대한 투자를 보다 확대하고, 과학기술계와 산업계를 가리지 않고 지원하며 이들 간의 협력을 유도해야 한다. 기업에게는 확실히 시장이 존재할 것이라는 믿음을 줘야 하고, 출연(연)을 비롯한 공공 연구 부문에는 실패에 대한 부담 없이 원천기술 개발에 매진할 환경을 조성해주어야 한다. 우리 사회가 수소 중심의 시대로 향하는 과정이 가시밭길이 아닌 꽃길이 될 수 있도록, KIST가 첨병이 되기를 소망한다.

 

* 이 글은 한국과학기술연구원(KIST)에서 발간하는 ‘TePRI Report 여름호’ 로부터 제공받았습니다.

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