친환경 그린가스 ‘수소’

최근에는 기상이변이 빈번해지고 미세먼지가 증가하여 삶의 질이 나빠지고 있다. 두 가지 문제의 공통점은 화석연료 사용의 급격한 증가에서 찾을 수 있을 것이다.

대기 중의 이산화탄소 농도는 200∼300ppm 사이로 유지되었고 지구의 온도도 이에 비례하여 변화하였는데, 역사상 최초로 2015년에 이산화탄소의 농도가 400ppm을 넘어서서 계속 증가하고 있는 추세이다.

우주에서 들어오는 에너지 중에 반사되어 다시 나가는 에너지의 일부를 대기 중의 이산화탄소가 흡수하여 지구의 온도를 높이는 온난화가 가속화되고 있는 실정이다.

또한 에너지를 반사시킬 수 있는 흰색의 북극 면적이 기록적으로 줄어들고 있어 온난화 속도가 빨라지는 악순환도 일어나고 있다.

지구의 평균온도가 1∼2도 높아지는 것이 큰 일이 아니라고 생각된다면, 우리 몸의 체온이 1∼2도 높아졌을 때와 비교해보면 어떨까?

신체 기능이 제대로 활동하지 못할 것이고 해열제를 먹어 체온을 낮출 수 있겠지만, 지구가 회복하려면 훨씬 긴 시간을 필요로 할 것이다. 더구나 화석연료 사용 증가로 인한 이산화탄소 농도는 지속적으로 상승하고 있어 지구는 아직 해열제 처방도 못하고 온도가 계속 높아지고 있는 심각한 상황에 처해 있다.

우리나라도 경제발전에 맞추어 주요 에너지원도 바뀌었고 사용량도 급증하고 있다.

예전에는 집집마다 연탄으로 난방과 조리를 하다가 아무 때나 켰다가 끌 수 있는 석유곤로라는 편리한 신제품을 사용한 적도 있었다.

이제는 대부분의 가정에서 도시가스인 메탄을 연료로 사용하고 있다. 최근에 개발된 셰일가스와 원유는 서로 보완재로 작용할 수 있어, 앞으로 유가의 급격한 상승은 어려울 것으로 보인다.

경제적으로는 유리한 것으로 보이지만 화석연료 사용을 줄일 수 있는 제동장치가 하나 없어져서 환경적인 측면에서는 불리하게 작용할 수도 있을 것이다.

주로 사용되는 에너지원이 고체인 석탄에서 액체인 석유, 기체인 천연가스의 순으로 변하고 있으며, 화학적인 면으로 보면 탄소가 줄고 수소의 비율이 늘어나는 방향으로 진행되고 있다.

궁극적으로는 수소가 인류의 미래에너지원이 될 것으로 예측되고 있으며, 에너지 사용에 비하여 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있는 바람직한 방향으로 진행되고 있는 것이다.

우리 주변에서 많이 사용될 에너지원의 명칭도 중요한데, 메탄이 주성분인 도시가스를 천연가스라고 부르듯이 수소를 친환경 이미지인 ‘그린가스’로 부르기를 제안하는 바이다.

석탄, 석유, 천연가스와 같이 자연에서 얻을 수 있는 것을 1차 에너지라 하고, 전기와 같이 우리가 사용하기 편리한 형태로 바꾼 것을 2차 에너지라 한다.

수소도 전기와 같이 2차 에너지에 속하며, 전기는 선을 연결하여 사용하는데 유리하고, 수소는 들고 다니며 사용하는데 유리한 특성을 가지고 있다.

불과 수십 년 전에는 대도시에서도 연탄과 같은 화석연료를 주된 에너지원으로 사용하였고, 특히 겨울철에는 미세먼지를 포함한 공해 문제가 극심하였다.

화석연료를 사용해서 전기를 얻는 경우와 화석연료와 물을 반응시켜 수소를 만들고 연료전지로 전기를 발생시키는 경우를 비교해 보자. 에너지원의 전주기해석(life cycle assessment)에 의하면 이산화탄소 발생량은 비슷하지만, 수소를 사용하는 방법이 미세먼지와 황산화물, 질소산화물과 같은 공해물질의 발생량을 1/10∼1/100 수준 이하로 줄일 수 있다.

화석연료와 물을 반응시켜 수소를 만드는 방식을 steam reforming이라 하며, 이 방법에서 발생하는 고순도 이산화탄소를 회수하여 조선소의 용접용으로 사용하거나, 드라이아이스, 탄산을 제조하고, 농작물의 생장촉진용으로 사용하기도 한다.

또한 이산화탄소를 원료로 하여 플라스틱을 만드는 공정도 개발되어 있어, 향후에 이산화탄소 배출에 대한 부과금이 상향 조정될 경우 steam reforming 공정의 이산화탄소 배출량을 획기적으로 줄일 수 있을 것이다.

우리나라는 세계 최초로 수소전기차를 양산하였고, 넥쏘도 세계 최고의 성능을 보유하고 있다.

이와 같은 기술을 신성장동력으로 발전시키기 위해서 수소경제시대를 위한 로드맵을 발표하였고, 2022년까지 수소전기차 8만대를 생산하고, 수소전기버스 2천대를 보급한다는 야심찬 산업화 계획을 진행하고 있다.

수소전기차는 연료전지라는 발전기를 가지고 있다.

연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 만들고 물만 배출하는 장치이다.

이 과정에 빨아들인 공기에서 미세먼지와 황산화물, 질소산화물과 같은 각종 공해물질의 99% 이상을 깨끗하게 정화해서 배출하기 때문에 ‘달리는 공기청정기’라고 말할 수 있다.

수소전기차인 넥쏘 1대가 운행하는 동안에는 성인 40명이 숨 쉬는 공기를 깨끗하게 정화할 수 있는 효과가 있다.

인류 미래에너지원, CO₂ 배출 감소 획기적 기여
수소연료전지, 다양한 분야 활용·보급 증가 예상

대도시에 수소전기차와 수소전기버스가 많아질수록 도심의 대기질은 일부라도 개선될 수 있을 것이다.

수소연료전지는 수소전기차 이외에도 다양한 분야에 활용될 수 있다.

배터리를 사용하는 드론이 20분 정도 날 수 있는데 반해서 수소를 사용하는 드론은 4시간 정도 비행 가능한 것이 개발되었으니 체공시간이 10배 이상 늘어난 획기적인 발전이 이루어졌다.

그리고 연료전지는 소리가 나지 않기 때문에 군사용으로도 활용도가 높아서 우리나라도 연료전지를 사용하는 잠수함을 개발해서 실전배치를 완료했다.

미국에서는 연료전지를 사용하는 지게차가 2만 5천대 넘게 사용되고 있고, 유럽에서는 연료전지 열차가 개발되었으며, 선박운항에 대한 IMO 규제가 도입되면서 선박에도 무공해 동력원인 연료전지가 곧 도입될 예정이다.

연료전지는 소음이 없고 재난에도 대비할 수 있는 시스템이기 때문에 일본에서는 가정용 연료전지가 25만대 넘게 보급되어 있다.

연료전지발전은 실내나 옥상에도 설치할 수 있고, 공간도 적게 차지한다. 태양광에 비해서는 1/300, 풍력에 비해서도 1/30 에 해당하는 조그만 면적만 있어도 설치할 수 있기 때문에, 대도시 분산 발전에 적합한 시스템이고, 앞으로 우리 주변에 많이 보급될 것으로 예상하고 있다.

최근에 태양광과 풍력과 같은 친환경 발전을 대폭 늘린 중국의 경우에 출력변동과 불안정으로 인하여 20% 가량의 전기를 버리고 있다.

신재생에너지 발전 비율이 40%에 달하는 독일의 경우도 사용되지 못하고 버려지는 전기의 양이 급증하고 있어 이를 화학에너지인 수소로 변환하여 보관하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

우리나라도 신재생에너지 3020 계획에 따라 늘어날 것으로 예상되는 막대한 양의 전기 출력을 안정화시키고 장기간 보관하기 위해서 물에서 수소를 얻는 연구를 시작하였다.

수소는 사용 후에 다시 물만 나오기 때문에 공해발생이 없는 궁극적인 친환경적인 에너지라고 말할 수 있을 것이다.

수소는 기술로 에너지를 만드는 신성장동력이다.

에너지원의 변화는 장기적인 안목과 노력이 필요한 마라톤에 비유할 수 있을 것이다.

처음으로 드넓고 푸르른 바다를 본 아이는 경이롭고 두려워할 수도 있다. 물은 위험하다고 물가는 근처도 가지 말라고 할 수도 있지만, 그보다는 슬기롭고 안전하게 새로운 세상을 누릴 수 있는 방법을 터득하는 것이 낮지 않을까? 우리의 관심과 애정으로 수소경제가 걸음마를 잘 배워서 뛰어다닐 수 있는 시대가 오기를 기대한다.