희망 에너지 ‘수소’에 대한 궁금증을 풀다

기획·칼럼

희망 에너지 ‘수소’에 대한 궁금증을 풀다
[만화로 푸는 과학 궁금증] 수소 에너지의 장점과 단점

2020.07.10 07:22 윤상석 프리랜서 작가

지금 전 세계는 수소 에너지에 대한 관심이 무척 높다. 전문가들은 미래 사회가 수소를 가장 중요한 에너지원으로 쓰는 수소 사회가 되리라고 전망한다.

수소 에너지가 이렇게 주목받는 이유는 수소 에너지가 가진 장점이 많기 때문이다. 수소는 석유나 석탄, 가스와 같은 화석 연료와 달리 지구상 어디에나 있는 무궁무진한 자원이고, 공해 물질을 발생시키지 않는 청정에너지이기도 하다.

효율 높은 청정에너지 ‘수소’

수소는 연소하기 쉬운 기체로 공기와 혼합한 후 불꽃을 튀겨주면 폭발적인 연소 반응을 보인다. 따라서 수소를 적절하게 통제하면서 연소시키면 천연가스처럼 에너지원으로 이용할 수 있다. 수소는 질량 1그램당 발열량이 석유보다 3배 이상 높은 효율적인 에너지이다.

게다가 수소는 연소하면서 소량의 물과 아주 적은 양의 질소산화물만 발생시키고 다른 공해 물질을 전혀 발생시키지 않는 청정에너지이다. 지구 온난화의 주범인 이산화탄소도 발생시키지 않는다.

또한 수소를 연료전지의 연료로 이용하면 편리하게 전기 에너지를 얻을 수 있다. 수소연료전지는 물을 전기분해하는 반응의 역반응을 이용한 장치이다. 물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생하는데, 반대로 수소를 공기 중의 산소와 반응시키면 전기와 열, 그리고 물이 발생한다.

연료 전지 속에서 수소와 산소가 반응하면 전기와 열, 물이 발생한다. ⓒ윤상석

일반적으로 발전소에서는 화학 에너지를 열에너지로 바꾼 후 열기관을 사용하여 전기 에너지를 생산하는데, 수소연료전지는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸기 때문에 매우 효율적이다.

수소연료전지는 1960년대에 이미 아폴로 우주선에서 사용했을 정도로 역사가 오래되었지만, 그동안 수소 저장의 안정성 문제 때문에 폭넓게 사용되지 못했다. 그런데 기술이 발달하여 안정성 문제가 해결되면서 이제는 수소연료전지의 사용이 늘고 있다.

그 대표적인 예가 수소연료전지로 달리는 자동차로, 이미 상용화가 되어 많은 사람이 이용하고 있다.

수소 자동차는 배기가스 대신 물만 배출한다.ⓒ윤상석

에너지의 저장과 수송에 이용되는 수소

석유나 태양광 등 자연계에서 그대로 얻을 수 있는 에너지를 1차 에너지라고 하고, 전기처럼 우리가 쉽게 이용할 수 있는 에너지를 2차 에너지라고 한다. 발전소에서는 우리가 편리하게 사용할 수 있도록 1차 에너지를 이용해서 2차 에너지인 전기를 만든다.

그런데 수소도 전기처럼 2차 에너지 역할을 할 수 있다. 특히 저장과 운송에서는 전기보다 훨씬 편리하고 효율적인 에너지가 된다. 전기를 저장하기 위해서는 축전지를 이용하는데, 축전지는 전기 에너지를 화학 에너지로 바꾸어 저장하므로 에너지 손실이 매우 크다. 반면에 수소는 탱크 등에 직접 저장할 수 있으므로 에너지 손실이 없다.

또한, 전기는 전선을 통해 다른 곳으로 운반되는데, 이때도 전기의 일부가 열로 변해 사라져서 에너지 손실이 크다. 반면에 수소는 탱크에 저장된 채로 운반되므로 운송에 필요한 에너지가 소모되지만 소수 에너지의 손실이 없다.

한편, 수소를 좀 더 편리하게 저장하고 운반하기 위해 수소의 부피를 줄이는 방법들도 개발되었다. 수소를 냉각해서 액체화시키면 부피를 약 800분의 1로 줄일 수 있다. 또한, 수소를 상온에서 톨루엔과 반응시켜 액체인 메틸사이크로헥산이라는 물질 상태로 저장하는 방법도 개발되었다. 이 방법을 이용하면 원래의 수소 부피를 500분의 1로 줄일 수 있고, 많은 에너지를 들여 수소를 냉각시킬 필요도 없다.

수소 에너지를 만드는 방법

수소는 지구의 여러 가지 물질 안에 구성 요소로 포함되어 지구에서는 무한대로 있다고 할 수 있다.

예를 들어 지구에서 가장 흔한 물질인 물은 산소 원자 1개와 수소 원자 2개가 결합해 있다. 또한, 생물의 몸을 구성하는 유기물은 주로 탄소와 수소로 이루어진 화합물이다. 그리고 석유나 천연가스, 석탄 등의 화석 연료에도 수소가 대량을 포함되어 있다.

그런데 수소를 에너지로 이용하기 위해서는 이런 화합물 안에 들어 있는 수소를 수소 분자 형태로 변환시켜 끄집어내야 한다.

수소 분자를 끄집어내는 방법은 다양하다. 현재 가장 많이 쓰이는 방법은 정유공장에서 천연가스 안의 메탄과 수증기를 반응시키는 개질이라는 방법이다. 그리고 제철소에서 제철 연료로 이용되는 코크스를 만들기 위해 석탄에 열을 가할 때 수소가 대량으로 발생한다. 그런데 이 방법들은 화석 연료를 사용할 뿐만 아니라 수소와 함께 이산화탄소가 발생하기 때문에 수소 에너지가 가진 원래 장점이 사라진다.

정유공장에서 천연가스 안의 메탄과 수증기를 반응시키는 개질이라는 방법으로 수소 분자를 끄집어낸다.ⓒ윤상석

화석 연료를 사용하지 않고 이산화탄소를 발생시키지 않는 방법으로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방법이 있다.

그런데 이 방법에는 전기 에너지를 사용해야만 한다. 이 전기 에너지를 화석 연료나 핵연료로 만들었다면, 여기서 생산된 수소는 청정에너지라고 할 수 없다.

풍력 발전이나 태양광 발전 등 재생 가능 에너지로 만든 전기를 이용해 수소를 생산할 수도 있지만, 현재 재생 가능 에너지로 생산하는 전기의 단가는 매우 높기 때문에 이 방법은 현실성이 떨어진다.

그래서 수소를 생산하는 새로운 기술들이 개발 중이다.

예를 들어 전기 대신 태양광으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 방법이 있다. 이때 광촉매라는 특수한 물질이 필요한데, 광촉매로 여러 가지 물질이 연구되고 있다. 아직 태양광 발전에서 얻은 전기로 수소를 생산하는 방법보다 효율이 낮지만, 미래에 수소 생산 효율이 높아지면 이 방법이 활발하게 사용될 것으로 예상된다.

그 외에도 태양열이나 폐열을 이용한 열화화적 물 분해로 수소를 생산하는 방법과 미생물을 이용하여 물이나 유기물을 분해하여 수소를 생산하는 방법 등이 연구 중이다.

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