제13기 국민참여기자단 / 김보성
세계 경제는 거의 석유를 에너지원으로 가동하는 시스템입니다. 우리가 사용하는 의류로부터 타고 있는 자동차등의 운송 수단, 그리고 매일 이용하는 휴대 전화를 가동하는 전력에 이르기까지, 대부분은 석유로부터 꺼낸 에너지로 돌아가고 있습니다. 그러나 기존 석유 기반의 에너지는 기후 변화를 심화시키는 등 부정적인 영향이 있는 것이 문제점입니다. 그래서 석유의 대체 에너지는 반드시 필요하게 되었습니다. 그 주인공은 수소 에너지입니다. 석유 대신 수소를 기반으로 한 사회가 되면 탄소 배출이 급감해 기후변화로 인한 피해를 어느 정도 줄일 수 있을 것으로 기대됩니다. 수소경제를실현하기위해서는그에너지원인인수소를안정적으로충분히얻는것이필요한데요.다음은수소를얻는방법을살펴봅시다.
1에너지 유형: 1차에너지와 2차에너지
에너지는 1차 에너지와 2차 에너지 두 가지 유형으로 분류됩니다. 1차 에너지는 자연에서 직접 얻을 수 있는 에너지인데, 대표적으로 석유와 석탄, 원자력 등이 있습니다. 자연에 존재하는 석탄을 채굴하거나 우라늄, 플루토늄 등 방사성 원소를 발굴해 에너지를 창출할 수 있기 때문입니다. 2차에너지는 이 1차에너지를 변환해서 편리하게 사용할 수 있도록 한 에너지입니다. 수소 에너지는 2차 에너지로 분류됩니다.
출처 = Pixabay
1 수소생산기술 1 : 천연가스의 이용방법
현재 가장 많이 사용되는 방법은 천연가스를 활용해 수소를 추출하는 수증기 개질 반응입니다. 이 방법은 수증기와 땅에서 채굴한 천연가스를 고온에서 반응시키는 과정을 거치는 겁니다. 이때 반응속도를 높이기 위해 금속의 일종인 니켈이 이용됩니다. 반응이 일어나면 수소와 기타 여러 기체가 혼합된 생성물을 얻을 수 있는데 이를 냉각시켜 다시 수증기와 반응시킵니다. 이 후 몇 가지 처리를 거치면 최종적으로 수소를 얻을 수 있습니다. 이 방법은 저렴한 비용이 들기 때문에 경제적이고 보편적으로 사용되지만 부산물로 이산화탄소가 발생한다는 문제점이 있습니다. 이로 인해 지속 가능한 생산 수단이 될 수 없다는 한계가 있습니다.
카본 블랙, 출처= Pixabay
1 수소생산기술 2: 수증기 개질반응 보완책, 쿠바에르너 공법
화학공학자인 쿠바에르너라는 자는 이렇게 한계가 있는 수증기 개질 반응의 보완책을 제시했습니다. 쿠바 엘너 공법으로 불리는 방법입니다. 이 공법은 마찬가지로 천연가스를 이용하는데, 부산물은 타이어나 플라스틱 제조에 사용되는 ‘카본 블랙’이라는 물질뿐입니다. 카본 블랙은 타이어, 플라스틱 제조에 재활용할 수 있어 경제적입니다. 수증기 개질 반응에 비해 이산화탄소의 배출도 현저히 적다고 하는 것입니다. 하지만 이 공법은 천연가스를 주원료로 하기 때문에 천연가스를 채굴하지 않으면 수소 생산이 불가능하다는 점이 여전히 한계로 남아 있습니다.
출처 = Pixabay
1 수소 생산 방법 3: 물을 분해하는
앞서 언급한 두 가지 기술 활용 과정에서 이산화탄소 발생, 천연가스 채굴 등의 한계가 남아있기 때문에 친환경 수소 생산 방법을 모색하는 것은 필수적입니다. 결국은 유한한 자원을 원료로 하는 것이 아니라 무한한 자원을 원료로 하는 방법을 찾아야 합니다. 지금까지 비화석 연료로부터 수소를 제조하는 실용화된 기술은 수분 해법이 있습니다.
수분해법은 여러 종류가 있지만 그 중 물 전기분해법이 가장 실용화 단계에 가까운 기술입니다. 물 전기 분해의 장점은 가장 쉽고 대량 생산이 용이하며 고순도의 수소를 얻을 수 있다는 점입니다. 고순도 수소는 연료전지 기기 작동 시 내구성을 증가시켜 환경오염 물질을 발생시키지 않습니다. 수전해를 통한 수소생산은 전력을 소모하기 때문에 실용화하기 어려운 단점을 가지고 있으나 이를 극복하기 위해 수전해를 통한 수소생산 시스템을 개발해야 할 필요성이 높아지고 있습니다.
물을 분해하여 수소를 얻는 다른 방법
비록 전기분해 방식이 가장 실용화된 방식이기는 하지만 다른 방법들도 끊임없이 연구개발되고 있습니다. 태양광 에너지를 활용하여 물을 분해하는 방법인 광분해 방법이 있습니다. 여기에는 생물력을 이용하는 생물학적 광분해와 전기 및 화학물질의 힘을 함께 이용하는 전기화학적 광분해가 있습니다. 생물학적 광분해는, 생물 내부에 수소를 생산하는 물질을 포함한 미생물을 대량으로 배양해 광합성을 시키면 수소가 생산되는 점을 이용한 것입니다. 전기화학적 광분해는 빛의 에너지를 화학물질에 대면 일련의 화학반응을 일으켜 수소를 분리하는 방식입니다.
이외에도 원자력 에너지를 활용하여 고온에서 물을 전기 분해하는 고온 전기 분해, 열화학적으로 물을 분해하는 방법, 바이오매스를 활용한 방법 등 여러 가지가 개발되고 있으며, 그 중에는 수소를 무한히 생산할 수 있는 방법도 있다고 알려져 있습니다.지금까지 석유경제가 안고 있는 다양한 한계를 타파하는 친환경 에너지 수소를 만들어내는 기술이 무엇인지에 대해 알아보았습니다. 수소는 천연가스로부터 생산하는 기술이 일반적이며 앞으로는 보다 친환경적이고 자원 걱정이 없는 물분해 기술이 상용화될 것으로 보입니다. 앞으로도 지속적인 기술개발을 통하여 친환경 수소사회로의 전환이 다가오기를 바라고 있습니다.
내용 출처 네이버 백과사전(학생 백과), [교과서 외 과학] 석유, 현대물질문명의 감초 네이버 백과사전(시사상식사전), 수소경제 한국에너지기술연구원 블로그, 수소가 이끄는 새로운 미래 앵글 앵글, [과학과 놀자]물질을 통과하여 이온화시키는 방사선을 진단과 치료에 활용하는 알파선·베타선은 종양치료… 감마선은 체외진단에 적합한 네이버 백과사전(화학백과), 촉매연합뉴스, 음성화학공장에서 카본블랙 5천여ℓ 유출… 회수중(종합) 이재영, 이용미, 엄성현, “수소생산을 위한 수전해이해 및 기술동향”, 광주과학기술원사진 출처 픽스바이
