[Cover Story] 신에너지① 수소에너지

[김행수]

[Cover Story] 신에너지① 수소에너지

[매경이코노미 2005-07-27 10:53]

산자부는 현재 ‘수소 경제 마스터플랜’의 구체적 사안들을 마련 중이다. 내 용이 결정 되는대로 대통령 보고를 거쳐 대대적으로 발표할 계획. 빠르면 2010 년께부터도 펼쳐질 수 있다는 수소 경제시대를 맞이한 대한민국의 총체적인 전 략이 될 거라는 설명이다.

바야흐로 수소 경제시대가 도래하고 있다. 정유사를 비롯해 자동차회사, 화학 업체, 중공업체 등이 모두 수소경제시대에 자칫 주도권을 놓칠까 싶어 막대한 연구개발비를 들여 연구 중.

정부부처도 뒤처지지 않는다. 과기부는 수소에너지의 제조, 저장, 이용기술 개 발에 매년 100억원의 연구비를 10년간 투자한다는 개념의 프론티어 개발사업을 시작했다. 산자부도 차세대 성장동력으로 선정하고 무차별적인 예산을 퍼붓는 다는 심산이다.

지구상에 무한정 존재하는 물로 만들어낼 수 있는 수소는, 에너지자원의 97%를 수입하는 우리나라가 반드시 매달려야 할 대체에너지라는 이유다.

그렇다면 이 시점에서 도대체 왜 수소일까.

첫째, 40년 지나면 고갈된다는 석유, 석탄 등 화석연료에 비해 수소는 무진장 널려있다. 물을 분해할 때 나오는 수소를 이용하면 되기 때문에 매장량이 거의 무제한이라 할 수 있다.

둘째, 수소는 공해 물질을 발생시키지 않는다. 수소를 연소시킬 때 극소량의 공해 물질을 제외하고는 물만 나온다. 점차 환경을 중시하는 시대에 수소의 개 념이 딱 들어맞는 셈이다.

셋째, 수소는 모바일용 전지부터 대형 발전소까지 그 이용 분야가 광범위하다. 일단 수소를 에너지원으로만 활용할 수 있게 되면 다양한 분야에 응용시킬 수 있다는 점 또한 강점이다.

이제 수소를 에너지원으로 활용하기 위해 각종 단계에 대한 연구가 어느 정도 까지 진행돼 왔는지에 대해 좀 더 자세하게 알아보자.

■1.수소제조 : 물에서 뽑아내는 게 최고■　

일단 수소를 에너지원으로 쓰기 위해서는 자연 물질에서 수소를 만들어내야 한 다. 현재 지구상에서 수소 그 자체로는 존재하지 않기 때문. 수소를 만들 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 수소를 포함하고 있는 물질로부터 수소를 뽑아 내면 된다. 가장 대표적인 수소 포함 물질은 물. 이 외에 석탄에 열을 가했을 때 부산물로 나오는 부생가스, 천연가스, 석탄, 석유 등 각종 탄화수소 화합물 에서도 수소를 얻을 수 있다. 그러나 무한정 에너지원을 이용할 수 있다는, 또 공해를 만들어내지 않는다는 기본 개념을 감안하면 궁극적으로는 물에서 수소 를 얻는 방법으로 연구개발이 집중될 수밖에 없는 구조다.

그렇다면 물에서 어떻게 수소를 만들어낼까. 자연상태에서는 물이 저절로 수소 와 산소로 분해되지 않기 때문에 어떻게든 자극을 가해줘야 한다. 이 방법이 만만치 않다. 이 과정에서 소요되는 막대한 비용 부담 때문에 본격적인 수소경 제가 도래하지 않고 있을 정도다.

일단 대표적인 방법은 세 가지. 열을 가하는 것이 첫째. 그러나 이 때의 열은 일반적인 온도가 아니다. 900도에 이르는 고온이 필요하다. 때문에 최근 원자 력을 이용해 물에서 수소를 분리해내는 방법이 연구 중. 물론 원자력연구소가 중심 축이다. 이 또한 갈 길이 멀다. 현재 1만큼의 수소를 생산해내기 위해 1- 1.4 분량의 에너지가 소요되는 것으로 알려졌다. 결과물보다 재료가 많으니 경 제성이 떨어지는 것은 당연지사다.

둘째는 광촉매를 이용하는 것. 문제는 광촉매 가격. 광촉매를 대량으로 양산해 가격을 크게 떨어뜨릴 수 있다면 좋은 대안이 될 수 있다.

마지막으로 질소와 수소를 결합시켜 수소와 이산화탄소를 만들어내는 세균 등 미생물을 활용하는 방법이 있다. 이 또한 연구 수준은 걸음마 단계에 지나지 않는다.

물이 아닌 각종 탄화수소 화합물에서 수소를 뽑아내는 연구는 상당히 진척된 상태다. 현재 그나마 상용화에 가장 앞서있다는 수소자동차를 비롯해 수소 가 정용 발전기 등이 모두 탄화수소 화합물을 원료로 수소를 만들어내는 구조다. 석탄발전의 부산물로 다량의 부생가스를 얻고 있는 포스코 역시 부생가스를 이 용한 수소 제조를 신사업으로 정하고 역량을 집중하고 있다.

■2.수소 저장 : 초고압 저장이 최대 걸림돌■　

다음 문제는 저장이다. 만들어진 수소를 어떻게 저장하고 운반할 것인가. 현재 가장 대표적으로 활용되고 있는 방법은 기체 상태의 수소를 350기압 정도의 고 압에서 저장하는 것. 흔히 수소충전소로 불리는 것들이 대부분 이 방식을 채택 하고 있다. 물론 여기에는 엄청난 문제가 있다. 고압이다보니 언제든 폭발의 위험이 있다. 인위적으로 초고압 상태를 만들어야 하니 단가도 상당하다.

현재 국내에서 수소충전소 관련 가장 발빠른 움직임을 보이고 있는 곳은 당연 히 정유사와 자동차업체다. 자동차업체는 수소충전소라는 인프라가 잘 깔려있 어야 수소자동차 시대를 맞이할 수 있다는 이유로, 정유사는 주유소라고 불리 는 막대한 돈줄을 수소충전소로 이어간다는 복안이다.

국내 최초 수소충전소는 올 2월 현대자동차가 미국 캘리포니아에 설립한 시범 수소충전소. 현대차 황관식 과장은 이와 관련 “올해 안에 미국에 대여섯개 수 소충전소를 더 세울 계획”이라고 밝혔다. 그러나 이 경우 운영은 현대자동차 가 하지만, 관련 장비는 모두 수입으로 진정한 국내산이라 할 수는 없다. 국내 산 수소충전소 개발을 기대하며 독자적으로 연구하고 있는 곳은 현재까지는 SK (주)가 유일하다. SK(주)는 지난해 8월 ‘수소충전소 국산화 기술개발’ 사업 주관기관으로 선정된 후 본격적인 연구를 계속해오고 있다.

아예 화합물 상태로 저장하고 있다 필요할 때마다 분해시켜 수소를 얻어낼 수 도 있다. 에너지경제연구원을 중심으로 이 전환장치 규모를 줄이는 연구가 활 발하게 진행 중이다.

한편 지난 4월 이흔 KAIST 교수가 수소를 얼음 속에 가둬둘 수 있는 자연현상 을 세계 최초로 규명해내면서 수소 저장과 관련한 큰 걸음이 떼내어졌다는 평 가가 나오기도 했다. 100기압 정도의 비교적 적은 압력만으로도 수소를 저장할 수 있다는 면에서 전문가들은 “수소경제의 황우석이 될 만하다”고 칭찬을 아 끼지 않았다.

■3.수소 이용 : 적용 분야 무궁무진■

저장까지 한 수소를 마지막으로 어떻게 이용할 것인가가 남는다. 사실 수소를 제조하고 저장하는 것은 결국 이 마지막 단계인 이용을 위해서다. 수소 자체로 의미가 있는 게 아니라, 수소를 통해 전기와 물을 얻는 게 포인트기 때문. 역 시 수소가 스스로 산소와 결합해 열과 전기를 만들어내면서 물로 변환되는 것 은 절대 기대할 수 없는 현상. 결과적으로 수소가 산소와 결합할 수 있는 환경 을 만들어줘야 한다.

어떻게 가능할까. 가장 먼저 수소를 직접 연소시키는 방법을 떠올려 볼 수 있 다. 실제로 우주선 에너지원으로 활용할 때는 이 같은 방법을 쓴다.

연료전지를 통하는 방법도 있다. 현재까지는 직접 연소보다 ‘연료전지’를 통 하는 방법이 훨씬 현실적이고 비용도 적게 드는 것으로 알려져 있다.

“현재 수소에너지원 이용방법은 100% 가까이가 연료전지를 활용한 기술”이라 는 게 에너지경제연구원 부경진 박사 설명이다.

많은 기업체들이 ‘연료전지’ 연구에 올인하는 데는 이 같은 배경이 있다.

수소를 에너지원으로 이용할 수 있는 분야가 무궁무진하다 했듯, 연료전지 적 용 분야도 이루 헤아릴 수 없다. 대표적으로는 대용량 연료전지를 통한 각종 발전, 자동차용 연료전지를 장착한 수소자동차, 소형 연료전지를 매단 가정용 발전소, 초소형이 적용되는 모바일용 등이 있다. 각종 전기발전에 핵심을 두고 지켜보는 곳은 포스코, 한국전력, 한국가스공사 등이다. 자동차는 당연히 자동 차회사들이고, 가정용 발전소는 GS칼텍스와 한국가스공사가 지분을 나눠 보유 중인 GS퓨얼셀, 대구도시가스, 퓨얼셀파워 등이 앞서있다. 모바일용은 당연히 LG화학 등 각종 화학업체들 몫이다.

이 중 GS퓨얼셀은 지난해 5월, 도시가스에서 수소를 분리해낸 후 이를 연료전 지에 통과시키는 방식으로 국내 최초의 1KW급 소형 가정용 발전기를 생산해내 면서 유명세를 탔다. 기존 보일러를 가정용 발전기로 교체하면 전기와 열을 동 시에 얻을 수 있게 된다. 보일러가 열만 나오게 하는데 반해 가정용 발전기는 전기까지 발생시키니 에너지효율은 보일러의 2~3배 가량 된다. 물론 상용화까 지는 갈 길이 멀다. 현재 대당 2000만~3000만원 선인 가격을 10분의 1로 떨어 뜨려도 쉽지 않다는 전망. GS퓨얼셀 배준강 사장은 “예상 자체가 어렵지만, 2 011년경 일반 소비자를 만난다는 목표로 열심히 뛰고 있다”고 밝혔다.

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