Update2024.04.28 (일)
지금도 세계 곳곳에서 수소에너지와 관련된 회의가 끊임없이 열리고 있다. 지난달에는 코스타리카 산호세에서 HYPOTHESIS (Hydrogen Power Theoretical and Engineering Solution) 라는 2년 주기로 열리는 국제 심포지엄이 있었다. 이 행사는 산업체, 공공연구기관, 대학, 정부 관계자들이 수소에너지기술 분야의 최근 동향에 대한 발표 및 토론을 목적으로 참가하며, 수소개발과 관련된 이론, 실험, 실증 등의 분야를 포함하고 있다. 수소연료전지 분야의 연구개발은 최근의 집중적인 노력으로 상당한 진전을 이룬 것이 사실이나, 10년 전에 세웠던 연료전지 상용화 목표는 현재까지 이루어지지 못했다. 앞으로 10년이 더 지난다면 어느 정도 수준까지 이루어질지 가늠하기란 쉽지 않지만, 자동차의 경우 2015년을 상용화 출시 시기로 잡고 있고, 통신용 보조전원이나 포크리프트와 같은 일부 틈새 시장에서의 성공적인 진입 과정을 본다면, 남아 있는 기술적인 어려움에도 불구하고 긍정적으로 보고 있다. 수소연료전지 분야에는 지금도 여전히 많은 투자가 이루어지고 있고 논문과 특허도 많은 양이 꾸준히 발표되고 있다. 이는 수소연료전지에 대한 매력과 희망이 여전히 건재하고 있음을 보여주는 것이라 하겠다.
특히 우리나라는 정부의 전폭적인 지원과 삼성, 현대, LG 등 기업체의 적극적인 투자에 힘입어 일본, 미국, 독일에 이어 세계 4위의 수준에 올랐고 2010년에는 독일과 비슷한 수준에 이르렀다.
중단기적으로 재생전원의 저장수단으로 각광받을 수전해 분야는 독일의 h-tec이 30기압, 미국의 프로톤에너지가 130기압, 국내 엘켐텍에서도 70기압 이상으로 운용이 되는 수전해 장치를 만들었으며, 경제성을 높일 수 있는 새로운 알칼리 수전해장치에 대한 연구가 각국에서 진행되고 있다.
어느 나라나 지역 사정에 맞는 계획이 필요한데, 중미의 인구 500만 수준의 작은 나라인 코스타리카는 소요전기 전량을 수력으로 공급하지만, 수송용 연료는 수입하고 있는데 이것이 이 나라의 주 공해배출원이다. 이러한 수송용 연료를 수력, 풍력, 지열이나 바이오매스로부터 전량 생산하는 것과 중단기적으로는 메탄과 수소 혼합연료 형태로 내연기관에 공급하는 형태의 타당성을 검토하고 있다. 코스타리카는 자국의 실정에 맞는 이러한 경로가 에너지 독립으로 가는 길이라는 견해를 가지고 있다.
필자는 풍력이나 태양광 등 재생에너지를 수소로 변환 및 저장하면 산업용 또는 수송용 연료로 판매하거나 천연가스 망에 공급하는 등 상황에 따라 다양한 조합이 가능하며, 연료전지에 의한 열 병합이나 수소자동차 연료 사용시에 더욱 효과적이라 할 수 있음을 강조해 왔다. 이러한 목적을 가진 연구 사례는 독일, 영국 등에서도 이루어진 바 있고, 미국과 우리나라에서도 관심을 가지고 있다. 향후 확대될 재생전원으로 인한 계통전원의 불안정 문제 해결이라는 관점에서도 이득이 있을 것으로 본다. 태양전지-수소의 경우 수전해과정의 주요 변수인 전압, 전류, 온도와 수소 압력 등과 재생전원의 특성을 감안한 시스템 최적화를 이룬다면, 지붕에 설치된 47㎡의 태양전지판에서 하루 0.5kg 수준의 수소를 생산해 하루 출퇴근(우리나라 평균 50km)에 필요한 에너지를 충당할 수 있다고 본다. 풍력-수소를 이용하는 경우에도 단순히 풍력-전기-수소-전기로의 순환 보다는 전기, 열, 수송연료 등을 연계하면 전체적인 효율을 높이는 시너지 효과를 기대할 수 있고, 수소와 연료전지의 연계활용으로 국가전력망에 지나치게 의존하는 데 따른 위험성을 낮출 수 있다.
기술력 세계 4위…선진국 개발 활발
알칼리 수전해·광합성 응용 적용 추진
미국에선 주기적으로 발생하는 허리케인 등의 원인으로 전력 불통에 따른 연간 소요 비용이 매년 800억달러라고 로렌스버클리연구소는 추산하고 있고, 우리나라도 지난 12월6일에 발생한 울산 석유공단 지역 정전으로 피해 금액만 수천억원이 될 것으로 예상하고 있다.
미래에너지 문제를 해결하기 위한 과학기술의 발전과 새로운 아이디어의 구체화 노력은 지금도 계속되고 있다. 사이언스지 12월16일자에는 높은 에너지영역의 태양스펙트럼으로부터 나온 양자에 여기됐을 때 100% 보다 높은 외부퀀텀효율(external quantum efficiency)을 갖는 태양전지가 보고됐다. 외부퀀텀효율이란 태양전지의 외부회로에서 흐르는 전자수를 태양전지로 들어오는 특정 파장의 초당 양자수로 나눈 것이다. 태양전지의 어느 것도 100% 이상이 될 수 없었는데, 114%까지 기록되었다는 것이다. 100%가 넘는 퀀텀효율을 갖는 메커니즘은 MEG (Multiple Exciton Generation)이라는 것으로, 적당히 높은 에너지를 갖는 하나의 흡수된 양자당 하나 이상의 전자-정공을 만들어 낼 수 있다는 것이다.
스웨덴을 비롯한 북구권 국가도, 태양연료개발을 위한 북구권 연구선도계획 (Nordic Initiative for Solar Fuel Development, NISFD)을 시작했는데, 이는 태양에너지와 광촉매를 이용해, 물에서 수소를 만들고 이 수소를 이산화탄소와 반응시켜 메탄올을 만드는, 탄소중립적인 순환과정(carbon dioxide neutral cycle)의 구상인 것이다.
그뿐만이 아니다. 오랜 시간 진화를 거듭해온 식물이 가진 특성과 광촉매를 결합하려는 시도도 이루어지고 있다. 미국과 독일 등의 과학자들은 광합성을 통해 에너지를 얻는 박테리아인 시아노박테리아(cyanobacteria)에서 발견된 광합성 단백질을 개량해, 자연 상태에서 일어나는 수소 바이오연료 생산속도보다 두 배 정도 빠르게 작동하는 아주 작은 태양광 작동 기기(device)를 발표했고, 스위스에서는 녹조류에서 나온 단백질인 피코시아닌(phycocyanine)을 적철광 나노입자와 결합해 얇은 필름 형태로 고정화시켜 광양자(photon)를 더 많이 받아들이게 해, 광전류(photocurrent)가 적철광만 사용한 전극보다도 두 배 정도로 늘어났다고 발표하기도 했다.
시스템 제조 측면에서의 개선도 제조단가를 낮추는 데 큰 도움을 준다. 핀란드는 직접메탄올연료전지에 사용하는 희귀금속 나노입자를 ALD (Atomic Layer Deposition) 방법을 이용해 적용, 기존 방법에 비해 값비싼 촉매 사용량을 60% 정도로 낮춤으로써 보다 얇고 비용이 적게 들면서도 성능이 좋아져 연료전지의 생산비용을 획기적으로 줄일 수 있게 됐다고 밝혔다. 미국 애플사는 맥북이나 아이패드 전원용 연료전지를 기기에 통합하고, 충전하는 방식이 아니라 재사용이 가능한 연료 카트리지를 교환하는 방식으로 연료전지 이용확대에 장애요인중 하나인 인프라 부족을 해결하려 하고 있다.
미래에너지로 여겨온 수소의 현실화를 위한 수소에너지기술의 개발은 소재와 시스템 측면에서 많은 진전이 이루어져 왔고 전 세계적으로 우리나라는 적어도 4위의 기술력을 가질 정도로 성장했다. 에너지 자원이 없는 나라에서 에너지자원을 만드는 나라로 발돋움할 준비를 수소연료전지분야 연구자와 산업체가 국가적인 지원 속에 그동안 꾸준히 해 온 것이다.
