지구를 살리는 ‘수소’

우리의 삶을 편안하게 개선하기 위해서 석유, 석탄과 천연가스를 위주로 한 화석에너지 사용량이 증가하고 있다.

석유의 원재료인 원유가 만들어지기까지 2∼3억년의 시간이 소요된다고 한다.

우리가 석유를 본격적으로 사용한 것은 아직 100년도 안되었고, 지금의 사용 속도로 볼 때 앞으로 100년 이상 사용하기는 어려울 것으로 보인다.

원유의 생성과 사용을 환산해 보면, 2달 동안 1,000㎞ 걸으면서 만든 것을 1m 걷는 단 몇 초에 소비하는 것이 되므로 지구가 몸살을 앓는 것이 당연하다고 할 수 있을 것이다.

북극은 평균 500만㎢ 면적에 두께 2㎞ 정도의 얼음으로 구성돼 있고, 이것은 지구 얼음의 90%에 해당하는 양이다.

겨울에는 얼음의 양이 많아지고 여름에는 줄어드는 것을 반복하고 있지만, 올해 7월에는 평균에 비하여 30% 가량 적어 역사상 최저 기록을 갱신했다.

이러한 추세라면 수십 년 이내에 계절에 따라 북극이 완전히 녹아 없어질 수도 있다는 예측이 나오고 있다.

이러한 상황이 지구 환경에 미치는 영향은 여러 가지가 있을 것이다.

우선 해수면 상승에 의한 해안 대도시 침수와 홍수와 가뭄 등 기상이변이 빈번해지고, 지역적인 물 부족과 이에 따른 농산물 감소가 나타날 것으로 예상된다.

장기적인 관점에서 심각하게 고려되어야 할 상황으로는 지구온난화에 의해 해수의 온도가 올라갈 경우 바닷물에 녹아있던 이산화탄소가 대량으로 방출돼 지구온난화가 돌이키기 어려울 정도로 가속화될 수도 있다는 문제다.

이산화탄소 발생양의 60% 정도가 전기를 만드는 발전과 수송용 자동차의 연료인 화석연료 사용에서 기인한다.

화석연료 사용을 줄이고 친환경적인 에너지 사용 확대를 위해 2016년에 ‘파리협정’이 체결됐다.

가장 많은 양의 이산화탄소를 배출하는 미국과 중국의 참여가 저조했지만, 새로운 미국 정부는 친환경 정책에 적극 동참할 것으로 예상되고 있어 향후 신재생에너지 산업의 활황기가 올 것으로 기대되고 있다.

에너지원은 목재에서 석탄, 석유에서 가스의 순으로 변하고 있다.

화학적인 면에서 보면 탄소가 줄고 수소의 비율이 늘어나는 방향으로 진행되고 있어서 궁극적으로는 수소가 인류의 미래에너지원이 될 것으로 예측되고 있다.

물에서 수소를 얻을 수 있고 사용 후에는 다시 물만 나오기 때문에 수소는 공해발생이 없는 친환경적인 에너지라고 말할 수 있다.

전 세계 수소는 연간 5,000만톤이고, 우리나라가 200만톤 정도이니까, 이미 세계 수소의 4∼5% 정도를 우리가 보유하고 있다.

수소전기차는 연료전지라는 발전기를 가지고 있다. 연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 만들고 물만 배출하는 장치다.

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

탄소 줄고 수소 늘어나는 인류 미래에너지원

‘수소’, 기술로 에너지 만드는 기술부국의 길

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

수소연료전지는 수소전기차 이외에도 다양한 분야에 활용될 수 있다.

수소를 사용하는 드론은 4시간 정도 비행 가능한 것이 개발되었고, 중국에서는 군사용으로 적용하고 있다.

미국에서는 정부나 지자체의 지원 없이도 연료전지를 사용하는 지게차가 2만5,000대 넘게 사용되고 있어 우수한 상용화 사례로 꼽히고 있다.

근해의 선박운항에 대한 국제해사기구(IMO) 규제가 강화되고 있어서, 선박에도 무공해 동력원인 연료전지 도입에 대한 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다.

연료전지는 소음이 없고 재난에도 대비할 수 있는 시스템이기 때문에 일본에서는 가정용 연료전지가 작년 기준 33만대 넘게 보급됐고, 2030년까지 500만대 이상 보급한다는 계획을 수립했다.

연료전지발전은 실내나 옥상에도 설치할 수 있어 대도시 분산 발전에 적합하여 국내에도 활발하게 보급되고 있다.

청정에너지인 수소가 석유화학 공단의 영역에서 벗어나 일반인도 손쉽게 구입하고 사용하는 소위 ‘수소경제시대’가 한층 가까워지고 있다.

수소경제시대에는 에너지의 주요한 공급원이 수소가 되어 사용량은 급격하게 증가할 것이며, 이를 뒷받침할 수 있는 수소 공급 패러다임 변화는 다음과 같은 것이 있다.

현재 가장 경제적으로 사용되고 있는 수소는 물과 탄화수소 기반의 제조수소와 석유화학 공정의 부산물인 부생수소가 있다.

이와 같은 수소는 에너지 전주기 해석(Life Cycle Assessment) 기법을 사용한 검토에서도 미세먼지와 황산화물, 질소산화물 등과 같은 공해 요인을 대폭 감소시킬 수 있다는 장점이 있어 대도시 공기의 질을 개선시킬 수 있을 것으로 예상된다.

두 번째 단계로는 에너지 저장 매체로서의 수소가 있다.

우리나라도 2030년까지 신재생에너지발전량 20%를 달성한다는 ‘신재생에너지 3020’ 계획을 진행하고 있다.

태양광이나 풍력발전에서 생산되는 전기의 품질을 개선하기 위해 수소를 사용한 에너지 저장시스템에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.

세 번째 단계로는 신재생에너지가 풍부한 지역에서 수소를 만들어 가져오는 것이다.

일사량 조건이 좋은 사막 지역에 대규모 태양광 발전단지를 조성하고, 전기를 화학에너지인 수소로 변환하는 것이다.

수소의 수송은 MCH(Methyl Cyclohexane)나 암모니아와 같은 화합물로 수송하는 것이 시도되고 있고, 중장기적인 관점에서는 액화수소 형태로 수송하는 방법도 개발되어야 할 것이다.

수소에너지는 전기와 같이 여러 가지 천연 연료에서 우리가 사용하기 편리한 형태로 변환한 2차 에너지에 속한다.

전기는 전선을 연결해 사용하는 plug-in 에너지에 유리하고, 수소는 이동하면서 사용할 수 있는 portable 에너지에 유리하다.

각 에너지의 장점을 적절히 연계해 시너지 효과를 창출함으로서 환경 친화적인 전주기 에너지 사이클을 완성할 수 있을 것이다.

미래기술과 원천기술 개발과 동시에 앞으로 신산업을 지탱할 인력양성도 꾸준히 노력하여야 한다.

에너지원의 변화는 장기적인 안목과 노력이 필요한 마라톤에 비유할 수 있으며, 수소는 기술로 에너지를 만드는 신성장동력이다.

자원부국을 부러워하기보다 기술로 에너지를 생산할 수 있는 기술부국의 길로 들어서기를 기대한다.