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[궁금한 THE 이야기] ① 수소는 에너지를 어떻게 만들어 낼까?

궁금한 THE 이야기 '수소'편 제 1장 수소는 에너지를 어떻게 만들어 낼까?

우주에서 가장 풍부하게 존재하는 원소는 바로 ‘수소(Hydrogen)’.
오늘날 전 세계적으로 탄소중립을 위해 공해물질을 배출하지 않고 화석연료 대비 높은 효율을 가져
차세대 청정에너지로 부상 중인 수소에너지에 대한 모든 궁금증을 <궁금한 THE 이야기> 연재를 통해 자세히 풀어낸다.

인류가 수소를 하나의 원소로 인식하게 된 것은 언제일까? 에너지원으로서 수소의 역사는 약 300년 전으로 거슬러 올라간다. 1783년 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier)가 실험을 통해 물을 수소와 산소로 분해하는데 처음으로 성공했으며, 역으로 수소를 태우면 물이 생성된다는 사실도 밝혀냈다. 그는 이 검증을 통해 ‘물을 만들어내는 신비로운 원소’라는 의미에서 ‘수소’로 이 원소의 이름을 명명한 최초의 인류가 되었다.

지구 생명의 뿌리 '수소(Hydrogen)' 이름의 유래에 대해 알려주는 표이다. 앙투안 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier)는 수소를 최초로 명명한 프랑스 과학자로, 물을 뜻하는 Hydro와 생기다 를 뜻하는 Genes가 합쳐져 물의 발생자라는 뜻의 Hydrogen이 탄생했다 수소를 대표하는 가장 큰 특징은 ‘가장 가볍다’와 ‘매우 풍부하다’로 볼 수 있다. 수소는 원자번호 1번, 원소기호 H의 원자로 지구 상 가장 가벼운 무색, 무미, 무취의 기체이다. 우리 몸의 대부분을 차지하는 물(H20)의 구성 원소이기도 하며, 질량 기준으로 우주의 75%를 차지할 만큼 풍부해 ‘영구 원료’라 표현해도 무방할 정도로 고갈 우려가 없다.

또한, 수소는 공기와 혼합한 후 불꽃을 튀겨주면 폭발적인 연소반응을 보일 정도로 대표적인 가연성 물질이다. 연소 시 소량의 물과 극소량의 질소산화물(NOx)을 제외하고는 오염물질이 전혀 배출되지 않는다. 특히 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 생성하지 않기 때문에 친환경 에너지솔루션으로 주목받고 있다.

수소의 장점을 활용해 연료전지의 연료로 이용하면 편리하게 전기 에너지를 얻을 수 있다. 수소연료전지는 물을 전기분해하는 반응의 역반응을 이용한 장치이다. 물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생하는데, 반대로 수소를 공기 중의 산소와 반응시키면 전기와 열, 그리고 물이 발생한다.
수소연료전지 작동원리에 대해 보여주는 그림이다. 왼쪽은 물 전기분해 과정을 나타내고 있다. 물(H<sub>2</sub>O)은 수소(H<sub>2</sub>)와 산소(O)로 구성되어 있으며, 물에 전류를 흘리면 양극에서는 산소이온이 발생하게 되고 음극에서는 수소가 발생하게 된다. 오른쪽은 수소연료전지에서 전기를 발생시키는 과정을 나타내고 있다. 양극에서 수소는 수소 이온과 전자로 나누어지고, 전해질의 고분자 막은 수소 이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 된다. 수소 이온은 음극의 산소와 결합하여 물이 되며, 이 양극 사이의 전위차에 의하여 전류가 발생한다.

일반적으로 연료를 태워 전력을 생산하는 과정과 달리, 수소연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 매우 효율적이다. 이 수소연료전지를 발 빠르게 사용한 곳이 있는데, 바로 미국 항공우주국(NASA)였다. NASA는 1969년 7월 인류 최초로 달 착륙에 성공한 아폴로 11호에 수소연료전지 3대를 탑재한 바 있다.

우주선 1대당 최대 2,300W까지 전력을 생산할 수 있었던 아폴로 11호의 수소연료전지는 우주선 내 무수히 많은 기기를 작동시킬 전기를 생산했고, 이 과정에서 분해한 물은 우주비행사의 생명수가 되었다. 즉, 자원 순환이 가능한 점을 이용해 필요에 따라 효율적으로 사용한 수소연료전지가 달 착륙 성공에 큰 역할을 한 것이다.

우주 기술 분야에 활용되던 수소에너지는 공기보다 밀도가 낮은 수소의 특성으로 수소 자동차에 사용되고 있다. 석유파동 이후, 화석 연료 가격이 폭등하고 고갈 공포까지 더해지자 국제적으로 대안 에너지를 탐색하면서 수소 자동차에 대한 관심은 더욱 고조되었다.

포스코그룹은 2018년 현대 수소전기차 ‘넥쏘’에 세계 최초로 개발한 초고내식 스테인리스강 금속분리판 소재 ‘‘Poss470FC’을 적용했다. 왼쪽 사진 출처는 HMG JOURNAL다.

수소 자동차는 전기차에 비해 상대적으로 짧은 충전 시간과 긴 주행거리가 강점이면서 배기가스의 주성분이 물이기 때문에 높은 발전효율과 친환경성을 동시에 잡고 있다. 비용 효율 등의 문제를 해결해 시장성을 갖춘다면 대기 오염을 일으키는 휘발유, 디젤 자동차의 대안으로 제격일 것이다. 수소 자동차의 시장성을 확보하기 위해서는 충전 인프라의 확충이 우선적으로 요구된다. 운영 효율성까지 개선한다면 수소 자동차의 대중화는 앞당겨질 수 있다.

한편, 수소에너지는 석탄, 석유, 가스와 달리 전기처럼 만들어 내야 하는 2차 에너지다. 수소를 추출하는 방법은 정유 및 제철 공장 등의 부생수소를 활용하는 방법, 화석연료를 개질*하여 얻거나 신재생에너지를 활용한 물의 전기분해 방식 등 크게 세 가지로 나눌 수 있다.
* 개질(reforming): 석유를 정제하는 공정으로, 열이나 촉매의 작용에 의해 탄화수소의 구조를 변화시켜 부가가치가 높은 화학제품을 생산하는 것

생산 방식에 따른 수소의 종류를 설명하는 그림. 부생수소는 제철, 석유화학, 정유와 같이 기존 산업 현장에서 부수적으로 발생하는 부생가스에서 수소를 정제해서 사용한다. 추출수소는 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료를 이용해 수증기 개질법을 통해 추출한다. 수전해수소는 태양광, 풍력발전 등을 통한 전기로 물을 전기분해하여 생산한다.

현재 수소는 화석연료의 수증기 개질을 통해 주로 생산되지만, 친환경적이면서 경제성까지 갖춘 수소 제조가 가능해지면 ‘수소에너지의 시대’가 펼쳐질 것이다. 세계 에너지 기구 IEA에 따르면, 세계 수소에너지 사용량은 2020년 약 9천만 톤에서 2030년 2억 톤으로 증가할 것으로 전망하고 있다. 아직은 주위에서 수소에너지를 찾기 어렵지만,. 수소는 산업용 기초 원료부터 발전·수송·산업·건물 부문 등 다양한 분야에서 에너지원으로 활약하고 있다. 수소 열차, 선박, 드론과 같은 운송수단, 중장비, 친환경 도심 발전소 등이 그 사례다.

다방면으로 사용되는 수소에너지에 대해 각각 4개의 그림으로 나타내고 있다. 왼쪽 상단은 수소자동차, 왼쪽 하단은 수소철도, 오른쪽 상단은 수소 항만, 오른쪽 하단은 친환경 도심 발전소이다.

세계 각국이 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 수소를 주 에너지원으로 사용하는 ‘수소경제(Hydrogen Economy)’로 전환하는 추세로, 수소 운송산업, 수소 충전 인프라 산업, 재생에너지와 수소생산 산업, 수소연료전지 발전 산업 등으로 이루어진 새로운 생태계가 곧 도래할 것으로 보인다. 무한한 가능성을 가진 수소에너지를 통해 하루라도 빨리 인류가 당면한 에너지 및 기후변화 문제를 동시에 해결해주는 지속 가능한 친환경에너지 시스템의 구축을 기대해 본다.