t수소에너지 이론

[ds2knj]

 

수소 에너지

                                2003. 11. 29 

Ⅰ. 서론

  전 세계적으로 대기오염, 지구 온난화 등 환경문제는 이미 인류 생존을 위한 중요한 이슈로 되어 있고, 배럴당 30$가 넘는 고유가는 에너지의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리 입장에서 새로운 해결점을 찾아야 할 필요성을 부각시키는 계기가 되었다. 에너지 분야는 국가산업의 근간이 됨은 아무도 의심치 않는 명확한 사실이다. 우리나라는 연평균 국방비의 2배에 해당되는 26조원 정도가 에너지 수입에 지출되며, 세계에서 석유를 4번째로 많이 수입하고, 6번째로 많이 사용하고 있는 실정임은 주지의 사실이다. 최근의 고유가 상황의 지속 및 에너지 수요의 증가로 2000년도 전체에너지 수입액은 200억불을 초과하고 있다. 에너지와 환경문제의 근본적 해결을 위해서는 국가적 에너지 절약기술 개발 기반 하에서, 특별히 대체에너지 기술을 적용, 보급할 수 있는 연구의지 및 체계가 절실히 필요한 상황이다. 신 에너지원인 대체에너지의 개발과 보급의 확대를 통해 에너지 수급패턴의 전환 등이 추진되어야 한다. 성공적 대체에너지 기술개발은 미래 우리후손에게 물려줄 가치 있는 유산이 될 반드시 이룩되어야 할 우리의 필수과제이다. 21세기 선진국 진입에 결정적 요인의 하나가 대체에너지기술의 성공과 새로운 에너지의 확보이며, 그 대응안의 하나가 수소에너지기술이다.

  수소에너지는 미래의 청정에너지원 가운데 하나이다. 수소는 연소 시 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는 공해물질이 배출되지 않으며, 직접 연소를 위한 연료 또는 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하다. 또한 수소는 이 세상에서 가장 풍부한 화학원소로서, 지구 표면을 덮은 바다에는 13억7천만㎦의 물이 있고 바닷물 1kg에는 0.108g의 수소가 있다.

  수소에너지란 수소를 연소시켜서 얻는 에너지이다. 수소를 태우면 같은 무게의 가솔린 보다 3배나 많은 에너지를 방출한다. 수소는 전기에너지와 함께 현재의 에너지 시스템을 유지할 수 있는 에너지 매개체이다.

  수소는 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있다. 게다가 산업용 기초소재에서부터 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 응용돼 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 평가되고 있다.

  수소의 에너지 시스템을 실용화하기까지는 제조, 수송, 저장, 변환, 이용 등 모든 분야에 있어서 해결해야 할 많은 화학적인 개발 문제가 있다. 수소 에너지 시스템을 개발하기 위하여 수소를 싼값으로 대량 생산할 수 있는 제조법, 경제적인 저장과 수송 법, 공해 없는 연소, 연료 전지 등의 이용법이 연구 과제이며 또한 해결하지 않으면 안 되는 문제점이다.

  안전성을 고려한 수소가 대량으로 값싸게 제조되어서 보급된다면 현재의 에너지 시스템에 큰 변화를 가져올 것이 확실하며 머지않아 현재의 전력 경제에 맞먹는 수소 경제가 이루어질 것이 기대된다.

Ⅱ. 본론

1. 수소란?

- 원자번호 1, 원자량 1.0008, Melting point -259.14℃, 원자반경 0.046nm, 이온반경은  너무 작아서 측정이 불가능, 비중은 0.0897 g/ℓ

1) 성질 

- 무색․무취․무미의 기체로 지구상에 존재하는 물질 중에서 가장 가벼움

- 상온에서 2원자 분자 H2로 존재.

- 상온에서는 반응성이 적지만, 온도가 높으면 많은 원소와 직접 반응함.

2) 이용

- 암모니아․염산․메탄올 등의 합성에 대량으로 사용.

- 탈황공정 및 석유정제

- 금속 열처리 환원제

- 기름(마아가린․쇼트닝)을 경화시키기 위한 수소 첨가.

- 산소수소불꽃으로 금속의 절단과 용접 및 백금․석영등의 세공 등에도 널리 사용됨.

- 액체수소는 끓는점이 아주 낮기 때문에 냉각제로 사용되기도 함.

- 액체연료의 제조

- 공업적인 수소의 이용 : 

   수소를 그대로 연소시켜 열에너지로 이용

   내연기관을 이용해서 기계에너지로 이용

   산소와 반응시켜 전기를 발생하는 연료전지로도 이용

2. 수소에너지의 장단점

1) 수소에너지의 장점

- 수소는 연료로 사용할 경우에 연소시 NOx 발생을 제외하고는 이산화탄소와 같은 온실효과를 나타내는 가스의 발생이 없을 뿐만 아니라, SOx, NOx, 분진 등의 대기오염물질의 방출이 없다.

- 수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며, 고압가스, 액체수소, Metal hydride(금속수소화물 또는 수소흡장합금) 등의 다양한 형태로 저장이 용이하다.

   수소는 궁극적으로는 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용 후에는 다시      물로 재순환이 이루어진다.

- 수소는 산업용의 기초 소재로부터 일반원료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있다. 수소는 가스 상태로 주거용, 난방용, 발전용으로 쓸 수 있으며, 가스연료를 대신하여 그대로 사용할 수 있다. 다만 발열량은 부피기준으로 천연가스의 1/3수분이나, 버너구조 개조로 쉽게 이용 가능하다. 액체수소연료는 단위무게로 볼 때 매우 높은 열량을 가지고 있으므로, 보다 큰 연료탱크를 필요로 한다고 하는 단점에도 불고하고 jet fuel과 경쟁력이 있으며, 로케트 연료로는 널리 쓰이고 있다.

- 수소는 가연한계가 넓고, 최소 점화에너지가 작으므로 전기점화기관에 적합하고, 희박한 합기를 사용하는 경우에도 안정된 연소가 가능하다.

- 수소자체는 무독성이며, 비중이 작아 공기 중에 쉽게 확산되므로 외부로 누출된 경우 프          로판이나 그 외의 가스보다 비교적 안전하다.

2) 수소에너지의 단점

- 수소가 쉽게 점화하는 성질은 희박혼합기가 사용되는 저 부하 영역에서는 열효율의 증대를 가져오나, 농후 혼합기가 사용되는 고 부하 영역에서는 실린더내의 Hot Spot에 의해 조기착화를 일으키며, 또한 수소의 연소속도가 크기 때문에 조기착화 및 역화가 쉽게 발생한다.

- 수소의 저 발열량은 가솔린의 2.7배이지만, 수소의 이론공기연료비는 중량비로 34.1:1이고, 가솔린의 경우 15.1:1이므로, 동일 실린더 내에 수소-공기 이론 예혼합기를 흡입시킨 경우의 발열량은 가솔린에 비하여 15%정도 감소된다. 더욱이 이상연소를 억제하기 위하여 혼합기의 당량비를 0.07이하로 유지하면 수소엔진의 출력은 가솔린기관 경우의 60-70%정도이다. 그러나 수소가스를 직접 실린더내에 분사하는 경우는 흡입공기량이 증대하게 되어 발열량은 오히려 가솔린의 경우보다 약 20%의 증가를 초래한다.

- 수소의 자기착화온도는 약 580℃로서 디젤유의 340℃보다 상대적으로 높으므로 압축착화에는 어려움이 있다. 수소의 비점은 -253℃로서 항상 상온에서 기체상태이므로 기화기는 필요하지 않다.

- 수소의 배기조성은 단순하여 CO, HC 및 스모크의 배출은 거의 없으나, 수소의 단열화염온도는 2348℃로 다른 연료에 비하여 다소 높으므로 질소 산화물 NOx의 생성은 급증한다.

- 수소는 전력과 마찬가지로 2차 에너지이기 때문에 수소연료를 사용하는 자동차가 양산되기까지는 탑재성과 같은 자동차측의 문제뿐만 아니라 수소의 대량제조기술과 저장·수송 기술 등의 연료 공급측의 문제도 해결해야 할 과제로 남아있다

- 수소에너지는 안정이 사용상 문제점으로 제시되는데, 이는 폭발범위가 크고, 착화가 용이하고, 수소의 화염은 무색으로 식별이 어려운 반면 확산 및 화염속도가 크기 때문이다.

- 거의 모든 수소는 산소와 결합해서 물의 모양으로 존재하기 때문에 물을 분해하여 수소를 얻자면 수소를 태워 방출되는 에너지와 맞먹는 양의 에너지가 필요하다. 이런 경제성 때문에 종래 우주 로켓용의 수소엔진과 같은 특수한 목적을 제외하면 수소의 이용 연구는 활발하지 못하였다.

3.수소 제조법

1) 현재 수소의 제조법 개발 현황

  지금의 수소의 제조법을 간단히 살펴보면 두 가지로 나누어 볼 수 있다. 첫 번째는 천연가스, 석유, 석탄 등 화석연료를 열분해 하여 수소를 얻는 방법으로 오늘날 공업용 수소의 90%이상이 이 방식으로 제조된다. 또 하나는 물의 전기 분해에 의한 수소의 발생이다. 오래 전부터 잉여전력을 이용하여 물을 전기 분해하는 방법으로 효율이 좋은 수소를 제조하는 개발연구가 진행되어 왔는데 최근 일본의 Sunshine Project에 의해 개발된 고온고압 물 전기 분해법은 그 효율이 90%에 가까운 성능을 보여주고 있다.

  그러나 이 방법들은 대체로 화석연료를 변환하거나 화석연료를 연소시키며 생산된 전기를 사용, 또는 고온의 열원을 필요로 하는 등의 문제점들을 갖고 있다.

  그리고 이러한 방법으로부터의 수소제조는 에너지로서 수소를 사용하기엔 너무 많은 비용이 들어간다. 천연가스를 원료로 한 스팀개질(SMR, steam methane reforming)이나 부분산화(PO, partial oxidation)공정에서 대략 6~8 $/GJ수준으로 제조되고 있으며, 원료(천연가스)의 2배 이상의 가격이다. 열량 당 가격만으로 비교하면 원유가의 3배정도 가격이다.

2) 차세대 수소 제조법

  수소가 화석연료가 아닌 물로부터 제조가 가능할 경우에 진정한 의미의 청정연료와 sustainable한 의미를 지니게 됨은 명백한 사실이다. 이와 더불어 물로부터 수소생산을 위한 에너지원을 태양에너지로 활용한다면 이것이야말로 진정한 의미의 무한한 에너지를 확보하는 것이라고 하겠다. 그러나 현재 물에서 수소를 생산할 때 사용되는 전기분해법의 경우 비용이 너무 많이 들어 실용화로 이어지지 못하고 있다. 이에 따라 세계 각국에서는 햇빛을 이용해 물에서 수소를 생산하는 연구가 경쟁적으로 진행되고 있다.

  국내에서 차세대 수소 제조법으로 생물학적 수소생산에 대한 연구는 해외와 비교하여 관심도 낮았으며, 정부 차원의 연구지원은 1993년까지 전혀 없었다. 광합성 미생물에 대한 기초 연구 및 수소생산 세균 분리 연구가 1980년대 중반부터 이화여자대학교의 배무 박사 연구팀에서 자체 연구지원에 의해 소규모로 시도되었다. 이 시기에 확보된 광합성 수소생산 미생물과 Bacillus속의 미호기성 수소생산 미생물을 이용하여, 인공 바이오매스를 이용한 생물학적 수소생산 연구를 동력자원부의 연구지원을 받아 대체에너지 개발사업으로 1993년부터 1995년까지 수행한 것이 정부가 지원하는 최초의 생물학적 수소 생산 연구이었다. 그 후 국가 중요 기본 연구사업으로 추진된 G-7 과제에서 생물수소를 비롯한 수소관련 연구가 탈락하여서 중심적인 에너지 환경사업으로써의 구심점을 형성하지 못하였으며, 일부 수소 저장, 생산 연구가 관심있는 과학자를 중심으로 연구되었다. 그러나 최근 환경 문제와 아울러 대체에너지의 필요성이 요구되는 국제적인 분위기에 힘입어 정부나 기업체에서도 연구개발의 지원을 대형화하는 적극적인 연구개발을 서두르고 있다. 산업자원부는 대체에너지 개발기술사업의 바이오매스 이용 기술로써 미래에너지 기술분야에 바이오매스로부터 생물학적 수소생산기술을 지난 4년간 (1997∼2000) 한국에너지기술연구원에 지원하였으며, 과학기술부에서는 국가기술정책사업으로 5년간 수소생산 원천기술개발을 2000년부터 물로부터 태양광을 이용하는 수소 생산 기술로써 생물학적, 광촉매, 열화학적 기술을 지원하였다. 한국에너지기술연구원을 비롯한 소수의 대학 연구팀은 생물학적 수소생산에 높은 관심을 갖고 있으며, 관련 기반기술도 축적되어 있다. 한국에너지기술연구원 바이오매스 연구팀은 하수슬러지, 식품공장 폐수, 농산집하장 폐기물을 원료로 혐기수소생산 세균과 광합성 세균을 2단계로 적용한 수소생산 시설을 개발하였다. 100 ℓ규모 혐기 수소생산 시설과 200 ℓ 규모 평판형 광합성 배양시설에 수소생산 미생물을 고정화하여 태양광을 이용한 반연속적 수소생산기술을 축적하고 있다. 관련기술로써 가스 포집 및 분석기술, 하수 슬러지 전처리 공정, 미생물 고정화 기술, 태양광 이용 및 미생물 배양 기술을 축적하고 있으며 생물학적으로 생산되는 수소를 가시화하기 위하여 소형 연료전지를 가동하고 있다. 이외에도 국내에는 미세조류 배양기술이 한국과학기술연구원, 포항공대에 축적되어 있는데 이는 수소생산을 목표로 개발된 연구가 아니라 미세조류를 이용한 생물학적 이산화탄소 저감기술이나 고부가가치 생산 생물공정 기술의 목적으로 개발되었다.

- 태양광 이용 생물학적 수소제조 : 광합성 미생물에 의한 수소의 효율적 생산 기술

  생물학적 물 분해에 의한 수소생산 기술은 1970년대부터 많은 학자들에 의해 연구되어 해외에서는 상당한 기술이 축적되어 왔다.

  생물학적 수소생산 기술은 다양하여 기질로 사용되는 원료물질에 따라 물, 유기물, 가스로 크게 구분되며, 또한 미생물의 다양한 메커니즘에 따라 여러 가지 기술이 알려져 있다. 이 중에서도 현재 선진국에서 추진 중인 내용은 다음 세 가지로 정리할 수 있는데, 첫째, 수중 미생물인 green algae가 태양광을 에너지원으로 이용하고, 물로부터 양성자와 전자를 공급받아 수소를 생산하는 hydrogenase에 의한 물 분해 수소생산 연구, 둘째, 질소 고정력이 있는 cyanobacteria가 광합성 중에 vegetative cell에서 물을 분해하여 산소를 발생하고, 이산화탄소를 고정하며, heterocysts에서 이산화탄소와 수소를 발생하는 nitrogenase 관여 2단계 수소생산 연구가 지난 20여 년간 진행되었다. 셋째로 최근 일본을 비롯한 유기성 폐자원이 풍부한 국가에서 집중적으로 연구되는 기술로써, 유기물로부터 광합성세균에 의한 광합성 수소생산 또는 광이 존재하지 않는 조건에서 혐기 미생물에 의해 유기물 자체가 에너지원으로 사용되는 발효에 의한 수소생산 연구가 중심이 되고 있다. 이외에도 식물체 내의 엽록체 및 미생물 효소를 추출하여 수소를 발생하는 균체 외 수소 생산기술과 광합성 미생물의 일산화탄소 가스 전환 반응에 의한 수소 생산 등도 일부 연구되고 있다.

  생물학적 수소생산은 자연계에 존재하는 수소 생산력이 우수한 미생물이 태양에너지를 받아서 미생물 자체가 갖는 고유의 광합성 작용에 의해 물을 분해하고 공기 중 CO₂를 고정화하는 과정에 균체가 성장하며, 이로부터 수소를 발생하는 현상으로 마치 식물체가 태양에너지를 이용하여 잎과 꽃을 피우고 열매를 주는 것과 유사한 광합성 작용이다. 즉, algae, cyanobacteria, purple non-sulfur bacteria와 같은 자연계 미생물은 각각 녹색과 붉은색을 띄는 미생물로 태양에너지 중 일정한 파장의 빛을 흡수하여 물과 유기물로부터 수소를 발생시킨다. Cyanobacteria는 또한 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 균체가 성장하고, 균체 내에 축적된 탄수화물과 같은 고분자 물질은 일정 조건에서 태양에너지를 이용하여 hydrogenase, nitrogenase와 같은 효소와 전자전달계가 활성화되어 수소가스를 발생하게된다. 이와 같은 광합성 미생물은 태양광을 에너지원으로 하여 물이나 유기물을 분해 시켜 수소를 발생시키는데 미생물 내부에는 자가 증식형 수소 생산 메커니즘이 내장되어 있어 별도의 태양광 전환 이용 장치 등이 불필요하다. 더구나 공정에 원료로 사용되는 물이나 바이오매스 원료는 세계 도처에 무진장으로 존재하는 자원이며, 자연계에서 계속 합성된다. 따라서 광합성 미생물에 의한 수소 생산은 화석 연료의 대체 효과뿐만 아니라 폐기물과 폐수의 처리, 이산화탄소배출 감소에 따른 지구 온실효과 방지등도 가능하여 지구 환경 보호에 크게 기여할 것으로 예상된다. 

  화석연료의 장기적인 사용에 의한 지구온난화, 대기오염에 의한 환경문제와 대체연료가 지니는 경제적 불안정 및 생태 시스템 파괴에 대한 시급한 해결책 등의 요구가 1990년대에 부각되면서 생물학적 수소생산기술은 일본, 독일, 미국에서 다시 시작되었다. IEA-Annex 15에서는 1999년부터 3년간 광합성 미생물에 의한 수소생산 타당성을 4개의 subtask로 나누어 미세조류가 생산하는 광합성 수소생산, 유전공학적 기술에 의한 조류와 cyanobacteria의 광합성 관련 색소 개선 기술, 광합성효율 최대화, 혐기, 광합성 발효에 의한 수소생산, 광합성 수소생산 배양기 시스템 개선 기술을 각각 스웨덴, 미국, 일본이 주관하여 연구하고 있다.

  일본은 통산성과 민간기업이 후원하고 신 에너지 및 산업기술 종합기구(NEDO)가 주관하여 Research Institute of Innovatice Technology for the Earth(RITE)가 연구를 중심으로 하는 '환경조화형 수소제조기술개발' 이라는 8년간 (1991-1999)의 연구가 이루어졌다. 일본 내 대학 연구소 및 해외와 공동기술을 개발하였고, 기술개발에 투자비가 25억엔, 참여한 연구기관은 일본 'National Inst. of Bioscience & Human-Technology가 주최가 되어 Tokyo Univ. of Agriculture & Technology, Ibaraki University, King's college London, Hawaii Natural Energy Institute등이 공동 연구개발 하였다. 이 연구는 유기성 폐기물로부터 혐기 박테리아와 광합성 박테리아를 복합적으로 이용하여 수소를 생산하는 실질적인 공정에 초점을 두고 있으며, Ishikawajima-Harima 중공업, Kubota Corp.을 비롯한 기업들은 유기폐기물의 전처리 및 발효의 효율적인 기술과 광반응기의 디자인을 검토하여 적용시키고 있다. Kubota Corp.은 하수슬러지 (sewage sludge)를 150℃ 10기압에서 열전처리로 하수 슬러지 중의 유기산 함량을 약 2-3배로 증가시킨 후, 태양광을 optic fiber로 집광한 후 배양시설 내부로 끌어들여, 수소생산과 아울러, 광합성 박테리아가 축적하는 고부가가치 물질을 상품화 할 목적으로 약 20ℓ규모의 광생물 반응기를 개발하였다.

  Harima 중공업은 유기성 폐수를 1단계에서 혐기 박테리아로 수소와 유기산을 생산하고 생산된 유기산을 800ℓ규모의 floating type 광합성 생물반응기를 호수 위에 띄어서 purple bacteria에 의해 수소를 생산하는 시설을 개발하였고, 투명 아크릴 재질로 만든 배양시설을 호수 위에 설치하여, 교반 및 온도조절 효과를 보고하였다.

  일본 Osaka Kansai 발전소에서는 조류와 광합성 박테리아를 복합한 수소 생산 공정을 1,100ℓ규모에서 운전하였다. 1단계에서 Chlamydomonas 속의 조류로 광합성에 의해 800ℓ규모 raceway type 배양기로 starch를 축적한 다음, 2단계에서는 Rhodopseudomonas 속의 광합성 박테리아로 1 단계 생성물의 전처리로 생성된 유기산과 알코올을 PVC 재질의 parallel plate, column형 배양기로 혐기조건에서 수소를 생산하였다.

  독일은 1990년부터 1994년까지 비교적 넓은 범위의 생물학적 수소생산기술 연구를 약 40 여개의 연구 과제화하여 수소생산 미생물의 생화학적, 생리적, 유전공학적인 연구가 지원되었으나, 그 당시 산업체의 관심의 결여로 현재는 정부 지원은 중단되었고, 일부 대학과 기업이 주최가 되어 연구되고 있다. Aachen 공대와 ISA-tec.은 최근 빗물과 우유 가공공장 폐수를 이용하여 그림 3과 같은 공정을 가지고 광합성 박테리아인 purple non-sulfur bacteria 로부터 2ℓ/hr/m² 의 수소생산력을 갖는 vertical modular 형의 옥외 수소생산시설을 가동하고 있다. 이들은 경제성 분석을 약 25 DM / 100Kw·hr(=150원/Kw·hr)으로 추정하였으며, 이 때 연속 가동일수는 200일로 초기 투자 비용을 $ 5,000/100m² 로 가정하였으며, 최대 수소 생산율은 맑은 날 40ℓ수소/m²/일 이고, 태양광 변환효율은 2%로 보고하였다.

  수소 생산에 미생물을 직접 이용하지 않고, 이들이 생산하는 효소를 추출하여 수소생산에 이용하는 in vitro (생체시스템 외) 생물 수소 생산이 검토되었는데, Woodward 등은 재생 가능한 유기성 폐자원인 유가공 폐수, corn syrup에 있는 각종 당 성분과, 폐 신문지가 함유하는 셀룰로즈, 전분, 유당을 포도당으로 가수분해한 후 glucose dehydrogenase (GDH)와 hydrogenase를 이용하여 gluconic acid를 생산하고, 부산물로 수소를 발생시키는 수소생산 방법이 검토되었다. 이 반응은 Thermoplasma acidophilum이 생산하는 GDH와 pyrococcus furiosus의 hydrogenase에 의해 NADPH를 NADP로 산화하면서 포도당 1 분자 당 수소 1분자를 생산할 수 있는 수소 발생 in vitro 방법에 기초한 기술로써, 폐신문지에 의한 수소생산의 경제성을 다음과 같이 평가하였다. 1996년 현재 미국에서 연간 발생하는 폐신문지는 약 726만톤의 셀룰로즈에 해당하는 양이며, 이들의 실험에 근거하여 이론적으로 약 1.06×10^{9 ㎥} 수소 양이고, 1g-mol 수소가 0.0237㎥인 표준상태 (15.6℃, 1.033 ㎏/㎤)에서 12.2×10¹² BTU에 해당한다. 이 양은 인구가 약 24,000이고 도시가스 소비가 30.6×10³ ㎥/yr인 미국 테네시주 Oak Ridge 시와 같은 크기의 37개 도시를 충당할 수 있는 열량이라고 추정하고있다.

  2000년 2월에 미국의 오크릿치 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)는 물에서 물의 구성분자인 수소와 산소를 분리해내는 녹조류 효소를 발견해 무공해 수소 에너지를 무한하게 쓸 수 있는 길이 열리게 될 것이라고 밝혔다. 마이크로 그린 알개(Microscopic green algae)라는 이 녹조류는 죽는 일이 없으며 단지 호흡하는 일이 수소를 생산하는 과정이라고 한다. 특히 이 녹조류는 가스를 생산하면서 태양에너지를 이용하고 있어 수소를 만들기 위해 전기를 충전하는 기존의 수소생산 방식과도 완전히 차이가 있어 무한한 에너지원으로 각광받을 예정이다. 이 녹조류를 한 줌 배양하면 12대의 수소 차량이 일주일 동안 움직일 수 있는 수소를 생산 할 수 있는 것으로 알려졌다.

- 광촉매를 이용한 수소제조 기술개발 :  태양에너지를 이용하여 광촉매의 화학반응에 의한 물분해로 수소를 제조. 

  광촉매에 관한 연구는 1972 년 Fujishima 와 Honda 가 TiO2를 전극상에 도포시킨 후 전극에 빛을 비출 경우 물에서 수소와 산소가 분리된다는 사실을 발견하면서 시작되어 초기에는 주로 물분해 반응에 관한 연구가 이루어졌으나 광촉매재료가 TiO2, ZnO 등의 단일 산화물 반도체로만 한정되어있어 물 분해반응에 대한 효율이 높지 않았다. 그 후 TiO2상에 여러 가지 전자의 이동을 도와줄 수 있는 물질(electron transfer agent)들을 도입하여 광촉매 반응의 효율을 높인다거나, 전극 조합형의 광촉매 시스템 등 물 분해반응에 대한 광촉매개발, 새로운 재료 개발 등 다양한 기술이 활성화되고 있다. 현재까지의 발표된 결과들을 종합해보면 이 기술의 실현 가능성은 매우 높으며, 단지 촉매 개량과 시스템 최적화를 통한 빛흡수 영역의 증대(가시광선 영역의 흡수에 의한 활성화), 이에 따른 효율증대 (재결합 방지에 의한 효율증대) 그리고 안정적 시스템 설계/운용이 관건이라는 결론에 이르게 된다.  따라서 보다 실용성 있는 기술의 달성을 위하여, 고효율 광촉매의 제조와 개선,  태양광을 반응원으로 하는 물 분해 수소제조 시스템 구축,  태양광화학반응기에 적용 가능한 광촉매 고정화 기술의 개발을  적극적으로 추진할 것이다. 

  우리나라의 경우 1999년 포항공대 화학공학과 이재성 교수팀이 그동안 연구되어온 광촉매보다 효율이 5배 이상 높은 새로운 광촉매를 개발했다. 연구팀은 티타늄과 란타늄, 스트론튬 등의 금속과 백금, 니켈 등을 결합시켜 자외선을 받으면 물을 수소와 산소로 분해하는 반도체 광촉매를 개발했다. 연구팀이 이 촉매를 이용해 부피 1L 크기의 반응기에서 물 분해 실험을 한 결과 광촉매 1g으로 1시간에 약 5cc정도의 수소를 생산할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 광촉매가 자외선으로 흡수한 에너지의 약 23%가 물을 산소와 수소로 분해하는데 사용된 것으로 당시까지 세계적으로 발표된 광촉매 효율(5%이하)보다 5배 이상 높은 것이었다.

4. 수소의 저장기술 및 연구개발 현황

1) 수소의 저장기술

  현재 수소의 저장은 대부분 기체상태로 행해진다. 제한된 체적의 용기에 다량의 수소를 채우기 위해서는 압력을 가하여 15내지 20MPa(메가 파스칼)의 고압 수소가스로 하여 고정식에는 구형의 대용랑 탱크가 이용되고, 저장과 수송용에는 수소실린더라는 내압 용기가 사용되고 있다. 이 때문에 얇고 가벼운 강재 용기가 필요하며, 이 결과 용기의 총중량이 증가하고 코스트도 증가한다. 고압 수소저장용 실린더는 12내지 15MPa의 압력으로, 40ℓ와 47ℓ인 용기를 사용하므로 수소를 약 5내지 7m³를 저장하게 되며, 이 용기의 총 중랑은 대략 55kg이다. 이 때문에 다른 연료에 비해 체적 및 질량당의 에너지밀도는 작다. 수소를 -253℃의 극저온으로 액화시키면 상압의 기체수소에 비해 체적은 1/800로 할 수 있다. 액체수소는 통상의 고압수소로 만들고, 수소 lkg당의 액화공정에서 10∼14kW의 전력을 필요로 한다. 또한 액체수소는 증발이 용이하고, 단열성이 높은 특수한 용기에만 저장할 수 있으므로 저장과 이용에 많은 비용이 소요된다. 따라서 에너지의 손실을 최소화하기 위해서는 체적당 저장이 가능한 수소의 밀도를 크게 하는 필요하다.

어떤 종류의 금속이나 합금은 수소와 반응하여 금속수소화물을 만들며, 이때 저장되는 수소의 양은 단위 체적당 액체수소와 동등하거나 그 이상의 밀도로 수소를 저장한다. <표 1>에 여러 가지 수소저장방법에 대하여 비교하여 보았으며, 이들의 장단점에 대하여도 살펴보았다.

2) 수소의 저장기술 연구개발

- 초고압 기체저장

  현재 가장 널리 사용되고 있는 고압 기체수소 저장방법은 수소를 15MPa 내외로 저장하는 것이다. 보다 많은 양의 수소를 저장하기 위하여 철강재료가 아닌 복합재료를 이용하여 30MPa 이상까지 저장할 수 있는 초고압 저장기술이 연구 개발되고 있다.

- 수소저장합금에 의한 저장

  수소저장합금에 의한 수소저장기술은 실용화 단계에 있으며, 현재는 보다 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 합금의 개발에 노력을 기울이고 있다. 현재 가장 널리 사용되는 LaNi계 및 FeTi계 합금의 수소저장량은 1∼2wt%에 불과하지만 Mg계 합금의 수소저장량은 5∼7wt%에 달하고 있다. 그러나 Mg계 수소저장합금은 수소의 흡수/방출속도가 LaNi계 및 FeTi계 합금보다 훨씬 느릴 뿐만 아니라 전체적으로 상온이 아닌 높은 온도의 영역에서 수소의 흡수/방출이 일어나므로 실용화에는 많은 연구개발이 필요하다.

* 수소의 저장방법 비교 *

방 법	압축가스	액체수소	지하저장	수소저장합금
내 용	고압·상온 내압탱크: 10-30atm ∼25000Nm3 봄베 등: 150-200atm ∼2800Nm3	-253℃·상압 70.8kg/m3 단열용기(Dewer 또는 탱크) 최대:3200m3	고압·상온 폐갱, 암염층 대수층에 압입 106 -109 Nm3 실용실적 있음	상온상압근방 금속수소화물의 생성 1/1000로축소 열교환형식의 반응용기 필요 실용실적 있음
장 점	보급기술 저에너지소비 (저장)	고중량 밀도 체적밀도도 큼 대량 저장가능	코스트가 쌈 대량저장 가능 장기저장 가능	안전성이 큼 체적밀도가 큼 열에 의한 방출
단 점	고압 저충진 밀도 소중용량	액화의 동력 코스트가 큼 boil-off flush	적지가 한정	합금값이 비싸고 무거움 초기 활성화, 미분화, 피독

- 화합물에 의한 저장

  수소는 수소를 포함하고 있는 화합물인 암모니아, 메탄올, 싸이클로헥산, 메틸싸이클로헥산, 데카린 등으로 저장이 가능하며, 필요에 따라 이들 화합물의 분해반응으로 수소를 얻을 수 있다.

- 제올라이트에 저장

  제올라이트는 구조적 특성인 3차원 골격구조를 가지고 있으므로 이들의 미세 결정체들은 전체부피의 약 50%가 빈 공간(Void volume)인 동공(Cavity)으로 구성되어 있고, 이들 동공들은 3차원으로 연결되어 각종 분자차원의 입구(Opening)를 가진 Channel과 Window들을 형성하므로 분자체로서도 현재 많이 사용되고 있다. 이러한 제올라이트의 물리화학적 특성과 분말이라는 물리적인 특성을 이용하여 수소의 저장시스템으로 활용하고자 하는 연구들이 1960년대 초부터 시작되었는데, 미국의 Sandra Laboratory에서는 제올라이트와 함께 구조화합물을 이용한 연구가 진행되고 있으며, 이스라엘의 Weizmann Institute에서는 합성 제올라이트 A를 이용한 수소의 캡슐화가 연구 중에 있다.

- 카본나노튜브에 의한 수소저장

  최근의 연구결과에 의하면 Li가 처리된 카본 나노튜브는 653K에서 20wt.%의 수소를 흡수하였으며, K가 처리된 카본 나노튜브는 실온에서 14wt.%의 수소를 흡수하는 것으로 보고되었다. 이 값들은 Li가 처리된 카본 나노튜브에서는 단위 m³

당 ∼160kg의 수소를, K가 처리된 카본 나노튜브에서는 114kg의 수소를 저장하는 것으로 가솔린이나 디젤의 수소함량과 비교가 될 수 있는 값이다. 비록 K가 처리된 카본 나노튜브가 Li가 처리된 카본 나노튜브 보다 낮은 온도에서 수소를 저장하고 있기는 하나, Li가 처리된 카본 나노튜브는 K가 처리된 카본 나노튜브 보다 화학적으로 안정한 물질로 알려지고 있다. 이들 카본 나노튜브들은 공기중에 373K에서 수 시간 가열하여도 수소흡수 능력을 유지하고 있으며, 수소를 흡수시킨 후에 673K에서 공기중에 노출하여도 발화하지 않는 것으로 보고되었다.

3) 수소저장합금에 의한 저장기술

  수소저장합금은 수소와 반응하여 금속수소화물을 만든다. 아래 표에서 보는 바와 같이 많은 금속수소화물들이 액체수소 이상의 밀도로 수소를 저장할 수 있으므로, 고압가스로 수소를 저장하는 것보다 저장효율 향상이 기대되어 수소저장용으로 금속수소화물의 개발이 이루어지고 있다.

  일반적으로 수소를 흡수하는 반응은 발열반응이며, 수소를 방출하는 반응은 흡열반응이다. 이들 반응은 수소의 압력과도 관계하게 되므로 온도 및 압력을 조절하여 수소를 저장하거나 저장된 수소를 다시 방출시킬 수 있다.

4)수소저장합금

  수소저장 재료로서 수소저장합금은 아래와 같은 조건을 가지고 있어야 한다.

① 활성화가 용이할 것. ② 수소의 저장능력이 클 것. ③ 수소의 흡수 및 방출속도가 클 것. ④ 사용온도에 적합한 생성열(반응열)을 가지고 있을 것. ⑤ 수소의 흡수와 방출과정에서 평탄압력을 나타내는 Plateau 영역이 크고, 그 경사도가 작을 것. ⑥ 수소의 반복적인 흡수와 저장에 따라 열화되지 않을 것. ⑦ 불순가스에 대한 내피독성이 클 것. ⑧ 합금의 가격은 저렴하고 가벼울 것. ⑨ 합금의 미분화가 작고, 내구성이 우수할 것.

  이상의 조건을 만족하는 수소저장합금들에는 마그네슘, 티탄 및 희토류의 금속과 이들의 합금들이 있다. 먼저 마그네슘의 수소화물은 수소함량이 7.6%로 크고, 중량이 가볍기 때문에 이동용으로는 유리하지만 수소방출온도가 높고(287^oC 에서 해리압 1atm.), 반응속도가 느린 문제가 있다. 5∼10%의 니켈이나 구리를 첨가하면 수소화가 용이하지만 수소의 함량이 저하한다.

티탄의 합금으로 TiFe는 가격이 저렴하고 실온에서 수소의 해리압도 수 기압으로 실용화의 가능성이 크지만 활성화가 어려운 문제가 있다. 희토류의 합금으로 LaNi₅

는 우수한 수소의 흡수방출 특성을 가지고 있으므로 가장 유망한 수소저장 합금으로 꼽히고 있으나 가격이 비싸다. 때문에 La 대신에 가격이 저렴한 희토류 금속의 혼합물인 Misch metal을 이용한 MmNi₅ 및 MmCo₅ 등의 합금에 대한 연구도 활발하다.

5) 수소저장합금의 에너지변환과 응용분야

  수소저장합금의 응용으로 최초로 착안한 것은 합금에 수소가스를 저장·수송하는 방법이다. 이 방법은 합금이 수소와 반응하여 금속수소화물 형태로 수소를 저장하고, 가열 또는 감압하면 수소를 방출한다는 성질을 이용하는 것이다. 1970년 초반부터 이런 합금의 성질을 응용하여 수소저장·수송용기, 수소자동차용 연료탱크, 수소분리·정제장치 등의 개발이 진행되고 있으며, 몇 가지 분야에서는 상용화도 이루어지고 있다.

한편 수소저장합금은 가역적으로 수소를 저장·방출하는 능력을 갖고 있으며, 그 반응속도도 빠르고, 저장시에 발열·방출시에 흡열을 수반한다는 성질로부터 에너지변환기능을 갖는 재료로서도 주목을 받고 있다. 1980년대에 들어서부터 합금을 이용한 축열장치, 히트펌프, 냉·난방장치, 냉동시스템, 콤프레샤, 니켈-수소화물 2차전지 등의 개발이 왕성하게 진행되고 있으며, 최근에는 상온핵융합의 중수전해법의 음극재료로서도 이용되고 있다. 이것은 수소저장합금이 수소라는 화학에너지를 열, 기계 또는 전기에너지로 변환하는 에너지변환 재료로서 이용되고 있는 것이다. 이런 본래의 목적으로서 시작된 수소의 저장·수송기술이 아닌 이외의 응용분야로 합금의 이용이 미래의 에너지분야로 크게 기대되고 있다.

수소저장합금에 수소의 흡수와 방출이 열의 출입에 의해 이루어질 수 있으므로 이를 이용하여 폐열이나 잉여열을 유효하게 이용할 수 있을 것이다. 이 경우의 수소는 그 온도에 대한 평형해리압에 상당하는 압력을 갖고 있으므로, 기계에너지로의 변환도 가능하다. 따라서 열에너지의 기계에너지로의 변환으로 콤프레샤, 엑추에이터, 센서 등에의 이용으로 열에너지의 기계에너지로의 변환이 가능하다. 또 합금에 저장된 수소를 화학에너지로서 직접 전기에너지로 변환할 수 있다. 이것이 합금과 수소의 가역반응의 기능을 만든 니켈-수소화물 2차전지의 예이다. 이렇게, 합금과 수소의 가역반응을 교묘하게 이용하여 화학(수소)-열(반응열)-기계(평형수소압)-전기(전력)에너지를 상호 변환시키는 것이 가능하여 수소저장합금에 대한 각종 응용기술이 실용화 기술개발로 최근에 널리 이루어지고 있다.

5. 이용기술에 대한 전망

1) 전기생산분야

  수소 연료전지는 깨끗하고 조용할 뿐만 아니라, 효율도 높아 다용도로 쓰일 전망이다. 분산형 전원으로서, 크게는 대형발전소에서 전력생산에 이용될 수 있다. 이러한 독특한 성질들 때문에 수소 연료전지의 발전용량을 빠르게 늘어날 것이다.

2) 자동차

  수소의 성질은 수소내연기관용과 전기 동력의 자동차 모두의 연료가 될 수 있으며, 현재 실증이 활발히 이루어지고 있는 분야이다. 우리나라의 경우 2001년에 싼타페 연료 전지차가 세계 최초로 초고압 수소탱크를 장착, 수소를 가득 채우면 160 Km 이상을 주행할 수 있는 차가 국내 최초로 공개 되었다. 연료 전지차란, 수소, 매탄올, 청정 가솔린 등을 사용하는 차량을 말한다. 기존의 차량이 연료전지와 전기 배터리를 혼합하여 주행하는 것과는 달리 순수하게 연료전지만으로 주행이 가능한 것과, 연료전지와 주변장치의 부피가 너무커 실내 공간의 배치를 바꿔야 했던 다른 업체들의 연료전지 차와는 달리 싼타페 실내와 화물공간을 그대로 사용한 것이 특징이다. 싼타페 수소 연료 전지차에 탑재된 연료 전지의 출력은 75 Kw급으로 시속 100Km에 도달하는데 18초, 최고속도는 시속 124Km, 연료탱크는 72L이다.

3) 해양에서의 활용

  독일 해군은 차기 잠수함 연료 동력을 위해 수소연료전지 공장을 합병시키기로 결정하였으며, 호주, 캐나다, 이탈리아 해군에서는 잠수함에 수소연료전지 이용을 실험하고 있다.

4) 우주개발 프로그램

  1974년 이전에 이미 수소가 다른 것에 비해 월등하다는 이유와 비교되지 않는 수소의 성질-가장 가벼운 연료- 때문에 각국의 우주개발프로그램에서 주 연료로 수소를 사용하고 있다.

5) 항공 우주선

  'slush hydrogen'(액체와 고체 수소의 혼합물)의 효과로 기대되는 airospike 로켄 엔진을 사용하여, 수소의 다른 독특한 성질을 사용하며 저장소의 축소를 가져오게 됨으로서 기존의 3분의1 크기의 우주선을 제조할 것이다.

6) 비행기

  수소의 가벼운 무게와 우수한 연소 성질 및 환경 친화성 때문에 수소는 비행기에게 이상적인 연료이다. 독일과 러시아는 수소를 연료로 쓰는 항공 수송의 개발에 협력하기로 동의하였다. 일본은 수소가 연료로 사용되어질 것으로 기대되는 초음속의 수송에 대한 연구와 개발 작업에 들어갔다.

6. 수소 에너지 각국의 개발 현황과 전망

  이미 1960년대에 우주개발의 필요로 수소추진 로켓, 액체수소의 저장과 수송, 연료전지 이용기술 등이 미국 등 선진국에서 일부 실용화되어 있고, 선진국을 중심으로 수소에너지 공동개발추진 및 수소에너지 시스템 실증 등이 이루어지고 있다. 대규모 실용화를 목표로 1980년대 중반 독일에서 시작된 수소기술 개발계획은 이후 미국과 일본에서도 본격적인 계획 수립에 착수하여 미국은 1990년, 일본은 1993년을 기점으로 각각 대규모 수소기술 개발프로그램(WE-NET)을 시작하였다. 또한 아이슬랜드는 세계 최초로 수소에너지 경제권의 창조를 목적으로 국가프로젝트를 시작하였다.

  수소에너지에 대한 각국의 연구개발 동향으로 볼 때, 정부나 주정부 등 공공기관이 개발 자금을 부담하여 적극적으로 개발을 지원하고 있고, 기존 기술을 활용하여 실용시스템을 구성하여 문제점 해결과 시민에 대한 계몽을 함으로서 장래 시장 도입을 용이하게 할 수 있도록 기반을 조성하고 있으며, 이용분야에 있어서는 환경개선 효과가 큰 수소 이용자동차를 개발 도입하는데 중점을 두고 있다는 공통적인 특징이 있다.

1) 미국

1960년대 우주개발에 필요한 일부 기술이 상용화된 적이 있다. 미국에서는 수소에너지 기술개발은 1960년 이른바 마츠나가 수소연구개발법안이 성립된 후, 1992년 DOE(Department of Energy)의 "Hydrogen Program"이 확정되면서 본격적인 기술개발이 시작되어 되었으며 연 평균 1,800만$를 투자하고 있다. 현재 DOE는 단기, 중기, 장기로 나누어 수소 도입량 계획을 설정하고, HTAP(Hydrogen Technical Advisory Panel)와 산업계, 학계의 협력을 얻어 그 실현을 도모하기 위한 연구개발을 추진하고 있다. DOE Program은 2030년까지 연차적으로 가정 연료로서의 확대 공급을 할 예정이다.

  시범 사업으로서는 시카고 시에서 3대의 수소연료전지 버스를 1997년에 운행 개시하였으며, 장래 2000대의 시 버스를 수소연료전지버스로 전환할 계획이다. Augusta시에서도 수소엔진 하이브리드를 1997년부터 운행을 개시하였다. 이밖에, Nevada주에서 수소에너지 등을 이용하는 Clean City 계획이 검토되고 있다.

2) 일본

  일본정부(통산산업성 산업과학 기술청)는 1993년 기존의 Sun Shine 프로그램(신 에너지기술 연구개발 계획, 1974~1991년 동안 수행), Moon Light 프로그램(에너지절약기술 연구개발 계획), 환경기술 연구개발 프로그램의 3부문을 통합하여 새로운 에너지/환경기술 연구개발계획인 뉴 선 샤인 프로그램(New Sunshine Program)을 시작하였다. 이 가운데 수소에너지기술 연구개발 계획(Japanese Hydrogen Program)인 WE-NET(World Energy Network)이 있으며, 일본이 이 WE-NET을 중심으로 수소와 관련되는 모든 국책연구사업(민간관련 포함)을 수행하고 있다. 이 계획은 1993년부터 2020년까지 28년간에 걸쳐 250억 달러를 투자하여 수행될 예정이며, 연구개발기간은 모두 3단계로서, 이미 1단계 연구개발 기간을 마치고 2단계 연구개발 기간(1999~2005)에 들어가 있는 상태이다. WE-NET의 목적은 수소를 이용하는 재생에너지의 효과적 공급, 수송 그리고 이용을 위한 세계적 에너지 네트워크를 건설하는 것이다. 일본정부의 수소관련 연구개발 예산은 매년 증가하고 있으며, 1996년의 경우 17억 9천만 엔으로서 그해 뉴 선 샤인 계획 전체예산 560억8천5백만 엔의 3.2%에 달하고 있다.

  WE-Net의 1단계 연구개발 분야는 전체적인 통합조정, 국제협력, 전체시스템의 개념설계,

수소생산기술, 수소수송 및 저장기술, 저온재료, 수소이용기술, 수소연소 터빈, 혁신기술

의 9개 부문으로 구성되어 있다.

3) 독일

  독일정부의 수소와 연료전지관련 기술개발예산은 1997년 2500만 마르크이며, 2000년에는 3100만 마르크로 증가될 예정이다. 그 외에 Bavaria 주정부도 2000년까지 1억 5000만 마르크를 수소프로젝트에 투입할 계획으로 있다. Bavaria 주 정부는 1986년에 태양-수소에너지 시스템기술을 개발하는 SWB를 발족시킨 이후 기술개발을 적극적으로 지원하고 있다. 수소저장 합금의 개발, 수소자동차의 개발 외에 대체전원(PV system)으로부터 수소의 제조와 저장, 그리고 연료전지, 수소보일러, 수소자동차 등의 이용에 연결하는 수소에너지 시스템기술의 플랜트를 설치, 운전하여 수소에너지 시대의 도래에 대비하고 있다.

  Bavaria 주 정부는 1995년부터 공항 내에서 사용하는 버스와 소형차 등을 수소자동차로 대체하는 계획을 발족시켰다. 공항 내에 설치되는 수소 제조/저장 설비, 각종 수소자동차는 기존의 것, 혹은 다른 프로젝트에서 개발한 것을 이용하여 1998년 말 까지는 수소자동차의 운행을 개시하고 1999년까지 버스 3대, 미니버스 16대, 수리용 차량 16대, 특별차량 6대를 도입할 것이다. 이 프로젝트의 목적은 수소이용기술이 현재에도 이미 실용화 수준에 있다는 것을 보여주는데 있다. 수소자동차 보급의 문제점인 수소연료의 경제성을, 수소제조와 공급시스템을 결합한 인프라로 실증하고, 수소자동차의 청정성을 입증할 것이다. 또한 수소연료에 의한 수송시스템의 운전경험을 조기에 축적하여 세계시장에서 유리한 입장에 설 것이다. 신뢰성이 있고 위험성이 적은 기존 기기에서 출발하고, 수소의 인프라를 확대함으로써 다른 수소이용시스템의 도입을 가능하게 할 것으로 보고 있다.

4) 캐나다

  EQHHPP계획(EU-캐나다 수소기술개발 공동프로젝트)은 대표적인 수소 프로그램이다. 이 계획은 캐나다에서 100MW의 수력발전에 의한 전력으로 수소를 연간 16,000톤 생산하고, 유럽으로 해상 수송하여 에너지로 이용하는 것을 목적으로 한 것이며, EU 각국과 캐나다(Quebec주)와의 공동프로젝트로서 1986년에 발족하였다. 1단계(1986~1987)에서는 계획의 수립 및 평가, 2단계(1989~1991)에서는 시스템 연구, 3단계(1992~1998)에서는 수소의 대량수송과 이용기술의 연구개발, 수소자동차의 실증을 목표로 하였다.

  당초 목표로 한 수소의 대량수송은 자금문제 등으로 가능하지 못했지만 수송방법의 검토, 액체수소의 저장탱크의 모델시험, 자동차, 항공기, 선박, 제철 분야 등에서 수소이용기술의 개발을 수행하고, 수소자동차는 독일에서 1996년부터 도시버스로 사용하는 등의 성과를 거두었다. 또한 당초 계획을 1년 연장하여 1998년으로 프로젝트를 종료하였다. EQHHPP 외에 캐나다정부는 CANMET(canada Center for Minerals and Energy Technology)가 CNHP(Canadian National Hydrogen R&D Program)를 맡아서 하고, 실제 연구개발은 NRCAN(Natural Resources of Canada)를 추진하고 있다. 이 계획에서는 알칼리 수전해, 하이탄가스 (H2 20%, CH4 80%), 자기냉동, 수소저장, 센서, 저온재료, PEM 연료전지, 연료전지버스의 개발과 실증 등의 연구개발이 수행되고 있다.

5) 덴마크

  덴마크의 수소에너지 프로그램은 미래의 에너지 시스템에서 수소 기술에 대한 구체적인 가능성을 입증할 목적으로 1998년에 만들어졌다. 연료전지와 같은 수소관련기술에 대한 연구는 덴마크 에너지 연구 프로그램을 통해 이미 약 20년간 이루어져 왔으며, 덴마크 에너지 관리국에 의해 관리되고 있다. 수소에너지 프로그램은 수송 분야에서의 수소사용, 수소저장, 안전성과 액체수소 저장에 근거한 운송수단으로 구성되었다. 풍력시스템에서의 전기생산변동이 크므로, 미래의 덴마크 에너지 시스템에서는 다량의 전기 이용 가능성을 제안하였다. 수소는 과잉 풍력 전기를 이용하여 생산되어질 것이며, 현재 천연가스 수송을 위해 쓰이는 수송 라인을 통해 유통될 것이다. 많은 빌딩들은 전기 grid를 통한 과잉 전력수출을 위해 또는 그것으로부터 수소를 생산하기 위해, 전력과 열을 공동 생산할 수 있는 가역 연료 전지 장치를 설치할 것이다.

6) 수소에너지 우리나라 현황

  한편 우리나라에서는 수소에 관한 연구는 1970년대 말부터 관련 기초연구가 시작되었으며, 1989년 과기처의 지원으로 한국에너지기술연구소가 연구를 총괄하여 수소에너지 관련 기초연구를 대학 및 연구소에서 공동으로 수행하였으나, 1단계의 연구지원으로 마감되었으며, 이후 G7 과제에 채택되지 않음에 따라 대체에너지 기술개발사업 및 관련 연구소에서의 중장기 연구계획에 따른 연구가 수행되고 있다. 1989년부터 1992년까지 특정과제로 추진되었던 연구내용은 수소의 제조기술, 수소의 저장기술 및 수소의 안전대책기술 관련으로 9개의 연구과제가 수행되었다. 한편 1988년부터 시작된 대체에너지 기술개발사업에 따라 1992년부터 수소에너지 분야의 연구개발도 지원되기 시작하였는데, 대부분이 대학에서 기초연구 수준으로 진행되고 있다. 한국에너지기술연구원에서는 지속적으로 수소에너지 관련 연구를 수행하고 있으며, 열 화학법에 의한 수소제조기술, PV시스템을 이용한 수소제조기술, 고체고분자전해질 이용 수소제조기술, 저가의 청정연료 제조기술, 금속수소화물을 이용한 열 수송기술 등의 연구가 수행되었거나 진행 중에 있다.

  수소 에너지는 재생 가능 자원으로부터 보다 값싸게 얻는 것이 중요하기 때문에, 수소제조가격을 낮출 수 있는 기술개발을 위해 2000년 10월부터 과기부에서 5년간 60억 원을 지원하여 고효율 수소제조기술개발을 시작하였다. 대상 기술은 열화학적, 생물학적 및 광촉매를 이용한 물로부터 수소를 제조할 수 있는 기술로서, 장기적 안목에서 추진하고 있다.

Ⅲ. 결론

21세기의 가장 중요한 키워드 중 하나는 환경이다. 새로운 세기에도 인류가 지난 세기처럼 지구 환경을 마구 파괴하고, 성장에만 주려한다면, 우리의 생존차체가 위협을 받을  수도 있다. 지나친 화석연료의 사용으로 인해 지구 온난화가 일어나고 있으며, 현재의 추세라면, 2100년에는 지구 온도는 평균 1~4도 올라갈 것이라는 예측도 있다. 수업시간에 배운 것처럼 선진국들은 친환경적인 에너지원을 개발하고, 이미 상당한정도의 실용화를 이루었으며, 기존의 화석 연료를 친환경적 에너지로 점진적으로 대체해가고 있다. 그러나 우리나라의 경우, 이제 겨우 몇몇 군데에서 연구가 진행되고 있는 실정이다. 그 중 수소에너지에 대한 연구는 그 연구 실적이 선진국의 20%수준정도이며, 아직 실용화하기엔 이르지만 상당한 진전을 보이는듯하다. 수소는 현재의 천연가스관을 따라 공급하고, 새로운 저장장치를 만들어서 시민들이 쉽게 쓸 수 있도록 하기에 적합한 에너지자원이다. 또한 수소를 제조함에 있어 점차 생물학적인 방법에 의한 기술이 꾸준히 발전하고 있다. 머지않아 수소 제조에 따르는 환경오염도 없고, 사용에 따르는 환경오염도 없게 될 것이다. 현재로서는 안전하고 효율적인 저장 기술의 개발이 동시에 이루어 져야 한다고 생각한다. 수소는 여타 다른 신 에너지에 비해 용도가 매우 다양하고 현재의 자동차 엔진이나 수소 운송 시스템에 비교적 무리 없이 적용할 수 있으므로 수소의 제조와 저장 기술만 어느 정도 진전을 이룬다면 머지 않아 실용화가 가능할 것 이라고 본다.