[과학읽기] 수소 연료

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수소 연료

수소는 지구표면에 가장 많은 양을 차지하고 있는 요소이다. 주로 물과 유기적인 혼합물(H²O)에서 발견된다. 또한 탄화수소와 물에서 주로 생성된다. 그리고 연료로 태워지거나 전기로 바뀔 때, 산소와 결합하여 물을 이루게 된다.

수소는 가장 단순한 요소이다. 원자는 1개의 양성자와 1개의 전자로 이루어져 있다. 또한 지구상에서 가장 풍부한 요소이다. 그 간단함과 풍부함에도 불구하고 수소는 자연스럽게 가스로 생성되지 않고, 다른 요소와 결합을 한다. 예를 들면, 물은 수소와 산소의 조합이다.(H²O) 수소는 또한 현재 우리가 사용하는 연료 대부분인 가솔린 천연가스 메타놀과 프로판 같은 것을 구성하는 “탄화수소”의 유기적인 혼합물로 발견된다.

수소는 “수소변형”이라 알려진 과정을 통해 열을 가함으로써 탄화수소로부터 분리 될 수 있다. 현재 대부분의 수소는 천연가스로부터 얻게 된다. 전기적 작용은 또한 물을 산소와 수소로 분리할 수 있다. 약간의 조류와 박테리아가 햇빛을 에너지원으로 사용함에 따라 수소는 생성되었다.

수소는 높은 에너지를 가진다. 하지만 순수한 수소를 태우는 엔진은 거의 어떠한 오염도 일으키지 않는다. NASA에서 1970연대 이후에 Space Shuttle와 로켓을 추진시킬 목적으로 액화수소를 사용하였다. 수소 연료전지는 Shuttle의 전력시스템에 동력을 공급하며 마실 수 있을 만큼 깨끗한 물을 부산물로 생성한다. 연료전지를 결국 끊임없이 충전되는 것으로 생각할 수 있다-충전에 의해 발생된 손실이 있다.

수소는, 여러 가지 화석연료(석탄, 석유, 천연가스)와 다양한 화학적 매개물(암모니아, 메탄올)과 생물자원, 생물가스와 쓰레기 등과 같은 여러 종류의 물질로부터 생산된다. 또한 전기 분해에 의해 생산될 수 있으며 전기는 수소와 산소를 분리해내기 위해 사용한다.

·열화학(Thermochemical)
현재는 증기를 변형하는 과정으로 천연가스, 석탄, 메탄올, 가솔린과 같은 연료로부터 수소를 생산하는 공정을 사용한다. 생물자원의 열분해를 통해 가스화하여 재생할 수 있는 에너지원으로 만들어 수소를 재생할수 있는 연료가스가 사용된다.

·전기화학(Electrochemical)
물에 전류를 흘려보내 전기분해를 통해 수소가 생성된다.

·광전기화학(Photoelectrochemical)
광전기 화학과정은 1단계에서 수소를 생성한다. 물에 담구어진 반도체를 햇빛을 비추어 줌으로써 수소를 분리한다.

·광생물학(Photobiological)
광생물학적 시스템은 박테리아와 녹색조류의 자연적인 광합성 활동을 통해 수소를 생산하기 위해 일반적으로 사용된다.

현재 수소는 압축된 가스 또는 극저온의 상태의 액체로서 탱크에 보관된다. 탱크는 트럭으로 수송할 수 있다. 또는 가스 관로를 통해 압축 가스가 50마일 미만의 거리를 보낼 수 가 있다. 수소를 고체상태로 보관하는 것이 보다 안전하며 가스 또는 액체로 보관하는 것 보다 효율적 일 수 있다. 이러한 기술은 수소 저장 운반 차량에 중요한 요소로 작용한다. 개발된 기술은 다음과 같다.

·금속 수소화물(Metal Hydride)은 금속을 이용해 화학적 반응을 일으킨다.

·탄소 미세튜브(Carbon nanotubes)는 수소의 가스와 고체를 흡착시키는데 이용된다.

·유리 미소구체(Glass microspheres)는 수소로 가득 채워진 microspheres는 유리 투과성으로 인해 온도가 변화한다는 것을 이용한다.

연료전지는 건물에 열과 전기를 공급하고, 전기 자동차에 에너지를 공급하는데 사용되는 첨단기술이다. 이러한 것들이 이상적인 순수한 수소를 사용 하지만 머지않아 천연가스, 메탄올, 심지어 가솔린을 연료로 사용할 수 있을 것이다. 이 연료들을 수소를 만들기 위해 개량하는 것은 연료 전지가 단계적으로 도입되는 동안 주유소, 천연가스 관로 등. 현재 우리의 에너지 사용에 많은 부분에 영향을 줄 것이다.

연료전지는 건전지와 비슷하지만 충전이 필요하지 않다. 이것은 연료의 공급에 의해 오랜 시간 열과 전기를 발생할 것이다. 연료 전지는 2개의 극으로 되어있다. 양극과 음극사이에 전해질이 놓여져 구성된다. 수소는 양극에 공급된다. 그리고 산소는 음극에 공급된다. 촉매가 작용하여 수소 원자는 양자와 전자로 나누어지고 각각 다른 경로로 이동한다. 전자는 외부의 회로를 지나서 전기의 흐름을 일으킨다. 양자는 음극과 전해질을 통해 이동한다. 그곳에서 산소전자와 반응하여 물과 열을 일으킨다. 연료 전지는 차량에 에너지를 공급하고 건물에 전기와 열을 제공하는데 사용된다. 현재 개발중인 주요한 연료전지는 다음과 같다:

·인산 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cells)
이 연료 전지는 오늘날 상용화 된 것으로 200개 이상의 연료 전지 시스템이 전세계에 병원, 사설 요양원, 호텔, 사무실, 학교, 공공 사업 발전소, 공항 터미널 그리고 심지어 도시 쓰레기 수거장 - 걸쳐 설치 되어있다. 인산 전지는 40% 이상의 효율로 전기를 생산하는데, 이 연료 전지가 생산하는 증기의 85%가 cogeneration에 쓰인다. 미국의 공공 발전소에서 35% 로 생산하는 것과 비교될 수 있다. 온도는 화씨 400도 범위 내에서 조절해 준다.

·양성자 교환 막 연료전지(Proton-Exchange Membrane Fuel Cells)
이 전지는 상대적으로 낮은 온도에서( 화씨 200도 정도) 조작되고, 동력 밀도가 높으며, 변하는 동력 요구를 빨리 만족시킬 수 있는가에 따라 그 생산량은 달라질 수 있다. 또 자동차와 같이 운전이 빨리 개시되어야 하는 응용 분야에도 적용이 가능하다. 미국 에너지 부에 따르면, 엔진 소비가 적은 운송기와 건물 및 재충전 건전지 대용품과 같은 훨씬 소형에 응용도 가능한 주요 후보로써 연료 전지를 들었다. 양성자 교환 막은 수소 이온을 통과 시켜 주는 얇은 플라스틱 판이다. 그 막은 활성화된 촉매인 미량의 금속 합성 입자들로(대부분 플라티늄) 된 양극에 입혀진다. 수소는 촉매로 인해 수소 원자가 전자를 방출하고 수소 이온(양성자)이 되도록 하는 연료 전지의 양극으로 보내진다. 전자는 산소를 공급받을 수 있는 연료 전지의 음극으로 가기 전에 사용 가능한 전류의 형태로 이동한다. 동시에 양성자는 막을 통해서 음극으로 확산되고, 이곳에서 수소 원자는 재 결합되고, 산소와 반응하여 물을 만들면서 전체 공정이 끝나게 된다 .

·고형 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells)
또 다른 유망한 연료 전지로, 고형 산화물 연료 전지가 산업과 대형의 중앙 전기 발생 시설을 포함해서 크고 동력이 높은 것에 적용되어 왔다. 어떤 연구가는 이것을 자동차에도 적용하고, 연료 전지 보조 동력 장치로 개발하고 있다. 고형 산화물 시스템은 액체 전해질보다는 화씨 1800도씨에서도 운전할 수 있는 단단한 세라믹 물질을 주로 사용한다. 동력 발생 효율은 60%에 이른다. 고형 산화물은 연속된 긴 튜브로 된 것과 캔의 윗면과 같이 생긴 압축된 원반 형태가 있다. 튜브형은 거의 상용화가 되었고, 세계 곳곳에서 여러 회사들에 의해 생산되고 있다.

·직접 메탄올 연료전지(Direct-Methanol Fuel Cells)
이 전지는 전해질로 고분자 막을 사용한다는 점에서 양성자 교환 막과 비슷하다. 그러나 이 전지는 양극 촉매 자체가 액체 메탄올에서 수소를 얻을 수 있기 때문에, 연료를 다시 재생 시켜주어야 할 필요가 없다. 일반적으로 약 화씨 120에서 190도 씨 정도에서 운전할 때 이 전지의 효율은 약 40%정도이다. 온도가 높아질수록 효율도 높아진다.

·용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cells)
용융 탄산염 연료 전지는 연료 대 전기 효율이 높고, 약 화씨 1200도에서 운전할 수 있다. 최근에는 수소, 일산화탄소, 천연 가스, 프로판, 매립에서 발생하는 가스, 해양 디젤, 모의 석탄 가스 발생 제품 등에 사용되고 있다. 10 kW 에서 2 MW정도의 용융 탄산염 연료 전지가 다양한 연료로 시험되어 왔으며, 일본이나 이탈리아 같은 곳에서 변동없이 성공적으로 사용되어왔다.

·알카라인 연료전지(Alkaline Fuel Cells)
NASA 에서 오랜 동안 작업 해왔던 이 전지는 70%까지 동력 재생 효율을 얻을 수 있다. 전해질로는 알칼리 수산화 칼륨을 사용한다. 최근까지도 상용화되기엔 너무 비싼 가격이었지만, 몇몇 회사들이 가격을 낮추고 운전상의 유연성을 증진시킬 방법을 고안하고 있다.

·재생, 가역 연료 전지 (Regenerative or Reversible Fuel Cells)
연료 전지 중에서 얼마 되지 않은 편에 속하는 재생 연료 전지는 동력 생산을 closed-loop form으로 한다는 점에서 흥미로운 전지이다. 물은 태양으로 동력 받은 전기 분해기에 의해 수소와 산소로 분리된다. 수소와 산소는 연료 전지로 들어가서 전기와 열 그리고 물을 생산한다. 그리고 나서 이 물은 다시 태양열로 발전된 전기 분해기로 재순환되고, 공정은 다시 시작된다. 이 연료 전지는 현재 NASA와 다른 세계 곳곳에서 연구되고 있다.

앞서 말했듯 수소는 1개의 양성자와 1개의 전자로 이뤄졌다. 가장 간단한 원소인 수소가 지구의 경제와 환경, 에너지 문제를 해결할 ‘도깨비 방망이’로 여겨지고 있는데, 만일 수소가 자연 상태에서 홀로 존재한다면 바닥을 드러내는 화석연료에 대한 염려를 하지 않아도 된다. 그대로 이용하면 되기 때문이다. 하지만 수소는 항상 산소나 탄소 등에 결합하면서 1g당 2만 8,680cal의 열을 낸다. 여기에서 에너지 담체로 존재하는 수소를 분리해야 하는 문제가 발생한다.

지금까지 가장 널리 이용되는 수소에너지 생산방법은 천연가스에 포함된 메탄의 수증기 개질법이다. 니켈 촉매에 반응하면서 수소와 일산화탄소로 분해하는 것이다. 이렇게 생산하는 수소가 연간 4,200만t에 이른다. 이는 전세계 수소 생산량의 48%를 차지한다. 물에 1.75V 이상의 전류를 흘려서 양극에서 수소가, 음극에서 산소가 발생하도록 하는 전기분해법도 널리 쓰인다. 석탄의 가스화 공정이나 원유의 정제과정, 황산·취화철 화학공정 등에서도 수소를 얻을 수 있다.

이렇게 천연가스나 원유 부산물을 이용하면 수소가 원료 가격보다 비쌀 수밖에 없다. 물을 분해할 때 화석연료를 이용한다면 환경에 악영향을 끼치게 마련이다. 더구나 요즘처럼 원유 가격이 요동치는 상황에서 화석연료에 기반한 수소에너지 생산은 고비용을 치러야 한다. 미생물이 태양광으로 물을 수소와 산소를 분리하는 기술 등은 아직 상용화 단계에 이르지 못했다. 물론 아이슬란드처럼 기존의 대체 에너지를 이용해 수소를 만드는 게 최선의 방법이다.

하지만 우리나라에서 수소를 만드는 데 대체 에너지를 활용하기 힘들다. 예컨대 풍력으로 우리나라 전략 소비량인 30GW를 감당하려면 1만㎢의 면적이 필요하다. 경기도 크기의 풍력발전소가 필요하다는 얘기다. 만일 여기에서 나오는 에너지로 수송이나 산업용 에너지까지 충당하려면 면적은 몇 배나 더 커진다. 이미 다목적댐을 이용한 수력 발전도 한계에 이르렀다. 우리나라에 있는 온천수의 온도로는 지열발전소를 세운다는 것은 꿈도 꿀 수 없는 일이다.

최근에 우리나라를 비롯해 미국·프랑스·영국 등이 초고온 가스로를 개발하고 있다. 원자력으로 고온의 열을 낸 뒤 이를 이용해 물을 분해해 수소를 생산하려는 것이다. 원자력 수소는 천연자원이 없어도 에너지 자립을 이룰 수 있는 매력적인 방법임에 틀림없다. 하지만 핵확산이나 안전성, 방사성 폐기물 등의 문제를 피할 수 없다. 원자력 연구자들은 중수소와 삼중수소 등 가벼운 원소들이 서로 결합해 헬륨처럼 무거운 원소의 핵을 형성하는 핵융합을 궁극적인 에너지원으로 생각하고 있다.