차세대 에너지 수소에 대하여

탄소 중립적인 차세대 에너지인 ‘수소’를 소개합니다. 수소는 ‘녹색 수소’, ‘청색 수소’, ‘회색 수소’ 세 가지 유형으로 나뉘며, 각각 생산 방식이 다릅니다. 각 생산 방식, 구성 원소로서의 물리적 특성, 저장/운송 방법, 그리고 사용 방법에 대해서도 설명드리겠습니다. 또한 수소가 차세대 주요 에너지원이 되어야 하는 이유에 대해서도 소개하겠습니다.

물의 전기분해를 통한 친환경 수소 생산

수소를 사용할 때는 어쨌든 "수소를 생산하는 것"이 ​​중요합니다. 가장 쉬운 방법은 "물을 전기분해하는 것"입니다. 아마 초등학교 과학 시간에 해봤을 겁니다. 비커에 물을 채우고 전극을 물속에 넣으세요. 배터리를 전극에 연결하고 전원을 공급하면 물과 각 전극에서 다음과 같은 반응이 일어납니다.
음극에서는 H+ 이온과 전자가 결합하여 수소 기체를 생성하고, 양극에서는 산소를 생성합니다. 하지만 이러한 방식은 학교 과학 실험에는 적합하지만, 산업적으로 수소를 생산하려면 대규모 생산에 적합한 효율적인 메커니즘이 필요합니다. 바로 "고분자 전해질 막(PEM) 전기분해"입니다.
이 방법에서는 수소 이온은 통과시키는 반투과성 고분자 막이 양극과 음극 사이에 끼워져 있습니다. 장치의 양극에 물을 부으면 전기분해로 생성된 수소 이온이 반투과성 막을 통해 음극으로 이동하여 수소 분자가 됩니다. 반면 산소 이온은 반투과성 막을 통과할 수 없으므로 양극에서 산소 분자가 됩니다.
알칼리수 전기분해에서는 양극과 음극을 분리막으로 분리하여 수산화 이온만 통과시키면서 수소와 산소를 생성합니다. 또한 고온 수증기 전기분해와 같은 산업적인 방법도 있습니다.
이러한 공정을 대규모로 수행하면 대량의 수소를 얻을 수 있습니다. 이 과정에서 상당량의 산소(생산되는 수소 부피의 절반)도 생성되지만, 대기 중으로 방출하더라도 환경에 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 그러나 전기분해에는 많은 전력이 필요하므로, 풍력 터빈이나 태양광 패널과 같이 화석 연료를 사용하지 않는 전력을 이용하면 탄소 배출이 없는 수소를 생산할 수 있습니다.
청정에너지를 이용해 물을 전기분해하면 "친환경 수소"를 얻을 수 있습니다.

또한, 이 친환경 수소를 대량 생산하기 위한 수소 발생기도 갖추고 있습니다. 전해조 부분에 PEM을 사용함으로써 수소를 지속적으로 생산할 수 있습니다.

화석 연료로 만든 청색 수소

그렇다면 수소를 만드는 다른 방법은 무엇일까요? 수소는 천연가스나 석탄과 같은 화석 연료에 물이 아닌 다른 물질 형태로 존재합니다. 예를 들어, 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)을 생각해 보세요. 여기에는 수소 원자가 네 개 있습니다. 이 수소 원자를 제거하면 수소를 얻을 수 있습니다.
이러한 방법 중 하나는 증기를 사용하는 "증기 메탄 개질"이라는 공정입니다. 이 방법의 화학식은 다음과 같습니다.
보시다시피, 메탄 분자 하나에서 일산화탄소와 수소를 추출할 수 있습니다.
이와 같이 천연가스와 석탄을 “수증기 개질”이나 “열분해”하는 등의 공정을 통해 수소를 생산할 수 있습니다. “블루 수소”는 이러한 방식으로 생산된 수소를 가리킵니다.
하지만 이 경우에는 일산화탄소와 이산화탄소가 부산물로 생성됩니다. 따라서 대기 중으로 방출하기 전에 재활용해야 합니다. 부산물인 이산화탄소는 회수되지 않으면 "회색 수소"라고 불리는 수소 가스가 됩니다.

수소는 어떤 원소인가요?

수소는 원자 번호가 1이며 주기율표에서 첫 번째 원소입니다.
원자의 수는 우주에서 가장 많으며, 우주에 존재하는 모든 원소의 약 90%를 차지합니다. 양성자와 전자로 이루어진 가장 작은 원자는 수소 원자입니다.
수소는 핵에 중성자가 결합된 두 가지 동위원소를 가지고 있습니다. 하나는 중성자가 하나 결합된 "중수소"이고, 다른 하나는 중성자가 두 개 결합된 "삼중수소"입니다. 이들 또한 핵융합 발전의 재료로 사용됩니다.
태양과 같은 별 내부에서는 수소가 헬륨으로 핵융합되는 반응이 일어나고 있으며, 이것이 별이 빛을 내는 에너지원입니다.
하지만 수소는 지구상에서 기체 상태로 존재하는 경우가 드뭅니다. 수소는 물, 메탄, 암모니아, 에탄올과 같은 다른 원소들과 화합물을 형성합니다. 수소는 가벼운 원소이기 때문에 온도가 상승하면 수소 분자의 운동 속도가 증가하여 지구의 중력을 벗어나 우주 공간으로 탈출할 수 있습니다.

수소 사용 방법? 연소를 통한 사용

그렇다면 차세대 에너지원으로 전 세계적인 주목을 받고 있는 “수소”는 어떻게 사용될까요? 수소는 크게 “연소”와 “연료 전지” 두 가지 방식으로 사용됩니다. 먼저 “연소” 방식부터 살펴보겠습니다.
연소 방식에는 크게 두 가지 유형이 있습니다.
첫 번째는 로켓 연료로 사용하는 것입니다. 일본의 H-IIA 로켓은 연료로 액체 수소와 극저온 상태의 액체 산소를 사용합니다. 이 두 물질을 혼합하면 발생하는 열에너지가 생성된 물 분자를 가속시켜 우주로 발사합니다. 하지만 이 엔진은 기술적으로 매우 어렵기 때문에 일본을 제외하고 미국, 유럽, 러시아, 중국, 인도만이 이 연료를 성공적으로 결합했습니다.
두 번째는 발전입니다. 가스 터빈 발전 역시 수소와 산소를 결합하여 에너지를 생산하는 방식입니다. 다시 말해, 수소에서 발생하는 열에너지를 이용하는 방식입니다. 화력 발전소에서는 석탄, 석유, 천연가스를 태워 발생하는 열로 증기를 만들어 터빈을 회전시킵니다. 만약 수소를 열원으로 사용한다면, 발전소는 탄소 중립을 실현할 수 있습니다.

수소를 어떻게 사용하나요? 연료 전지로 사용하기

수소를 활용하는 또 다른 방법은 수소를 직접 전기로 변환하는 연료 전지입니다. 특히 일본에서는 도요타가 지구 온난화 대응책의 일환으로 휘발유 차량의 대안으로 전기 자동차(EV) 대신 수소 연료 차량을 적극적으로 홍보하며 주목을 받고 있습니다.
구체적으로 말하자면, 우리는 "녹색 수소"의 제조 방법을 소개할 때 역순으로 절차를 진행합니다. 화학식은 다음과 같습니다.
수소 에너지는 전기를 생산하는 동시에 물(온수 또는 증기)을 생성할 수 있으며, 환경에 부담을 주지 않는다는 점에서 평가가 높습니다. 그러나 이 방법은 발전 효율이 30~40%로 비교적 낮고, 촉매로 백금을 사용해야 하므로 비용이 증가합니다.
현재 우리는 고분자 전해질 연료 전지(PEFC)와 인산 연료 전지(PAFC)를 사용하고 있습니다. 특히 연료 전지 자동차에는 PEFC가 사용되고 있어 앞으로 더욱 확산될 것으로 예상됩니다.

수소 저장 및 운송은 안전한가요?

이제 수소 가스가 어떻게 만들어지고 사용되는지 이해하셨을 거라고 생각합니다. 그렇다면 이 수소를 어떻게 저장할까요? 필요한 곳으로 어떻게 운반할까요? 그리고 그 과정에서 안전은 어떻게 보장할까요? 지금부터 설명해 드리겠습니다.
사실 수소는 매우 위험한 원소이기도 합니다. 20세기 초, 우리는 수소가 매우 가볍다는 이유로 풍선, 비행선 등을 띄우는 기체로 사용했습니다. 그러나 1937년 5월 6일, 미국 뉴저지에서 "힌덴부르크 비행선 폭발 사고"가 발생했습니다.
그 사고 이후 수소 가스의 위험성이 널리 알려지게 되었습니다. 특히 수소 가스는 불이 붙으면 산소와 만나 격렬하게 폭발합니다. 따라서 "산소로부터 멀리" 또는 "열로부터 멀리" 하는 것이 필수적입니다.
이러한 조치를 취한 후, 우리는 배송 방법을 고안해냈습니다.
수소는 상온에서 기체이기 때문에, 기체임에도 불구하고 부피가 매우 큽니다. 첫 번째 방법은 탄산음료를 만들 때처럼 고압으로 압축하는 것입니다. 특수 고압 탱크를 제작하여 45Mpa와 같은 고압 조건에서 보관합니다.
연료전지차(FCV)를 개발하는 도요타는 70MPa의 압력을 견딜 수 있는 수지 재질의 고압 수소 탱크를 개발하고 있다.
또 다른 방법은 영하 253°C까지 냉각하여 액체 수소를 만든 후, 특수 단열 탱크에 저장 및 운송하는 것입니다. 해외에서 수입하는 액화천연가스(LNG)처럼 수소도 운송 중에 액화되어 부피가 기체 상태의 1/800로 줄어듭니다. 2020년에는 세계 최초의 액체 수소 운반선을 완성했습니다. 하지만 이 방식은 냉각에 많은 에너지가 필요하기 때문에 연료전지 차량에는 적합하지 않습니다.
이와 같은 탱크에 수소를 저장하고 운송하는 방법이 있지만, 우리는 다른 수소 저장 방법도 개발하고 있습니다.
수소 저장 방법은 수소 저장 합금을 이용하는 것입니다. 수소는 금속에 침투하여 금속을 부식시키는 성질이 있습니다. 이는 1960년대 미국에서 개발된 기술입니다. JJ Reilly 등이 수행한 실험에 따르면 마그네슘과 바나듐 합금을 사용하여 수소를 저장하고 방출할 수 있습니다.
그 후 그는 팔라듐과 같이 자체 부피의 935배에 달하는 수소를 흡수할 수 있는 물질을 성공적으로 개발했습니다.
이 합금을 사용하는 장점은 수소 누출 사고(주로 폭발 사고)를 방지할 수 있다는 것입니다. 따라서 안전하게 보관 및 운송할 수 있습니다. 하지만 부주의하거나 부적절한 환경에 방치할 경우, 수소 저장 합금은 시간이 지남에 따라 수소 가스를 방출할 수 있습니다. 작은 불꽃이라도 폭발 사고를 일으킬 수 있으므로 각별히 주의해야 합니다.
또한, 수소 흡수 및 탈착이 반복되면 취성이 발생하고 수소 흡수율이 감소하는 단점이 있습니다.
다른 방법은 파이프를 이용하는 것입니다. 파이프의 취성을 방지하기 위해 비압축 저압이어야 한다는 조건이 있지만, 기존 가스관을 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 도쿄가스는 하루미 플래그 프로젝트에서 도시가스관을 이용하여 연료전지에 수소를 공급하는 공사를 진행했습니다.

수소에너지가 만들어낼 미래 사회

마지막으로, 수소가 사회에서 할 수 있는 역할에 대해 생각해 보겠습니다.
더욱 중요한 것은 탄소 없는 사회를 촉진하고자 하며, 이를 위해 수소를 열에너지가 아닌 전기 생산에 활용하고 있습니다.
일부 가정에서는 대규모 화력 발전소 대신 천연가스 개질을 통해 얻은 수소를 이용하여 필요한 전기를 생산하는 ENE-FARM과 같은 시스템을 도입했습니다. 그러나 개질 과정에서 발생하는 부산물을 어떻게 처리해야 하는지에 대한 문제는 여전히 남아 있습니다.

미래에는 수소 충전소 증가와 같이 수소 자체의 유통이 확대된다면 이산화탄소를 배출하지 않고 전기를 사용하는 것이 가능해질 것입니다. 친환경 수소 생산에 필요한 전기는 당연히 태양광이나 풍력으로 생산된 전기입니다. 전기분해에 사용되는 전력은 발전량을 줄이거나 자연 에너지에서 잉여 전력이 발생할 경우 충전식 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있습니다. 다시 말해, 수소는 충전식 배터리와 같은 역할을 하게 되는 것입니다. 이러한 상황이 실현된다면 궁극적으로 화력 발전량을 줄일 수 있을 것이며, 내연기관이 자동차에서 사라지는 날이 빠르게 다가오고 있습니다.

수소는 다른 경로를 통해서도 얻을 수 있습니다. 사실 수소는 가성소다 생산의 부산물이기도 하고, 제철 과정에서 코크스를 생산하는 과정에서도 부산물로 생성됩니다. 이렇게 생산된 수소를 유통망에 통합하면 다양한 공급원을 확보할 수 있습니다. 수소 가스는 수소 충전소를 통해서도 공급됩니다.

좀 더 먼 미래를 내다봅시다. 전선을 이용한 전력 송전 방식은 에너지 손실이 큰 문제입니다. 따라서 미래에는 탄산음료 제조에 사용되는 탄산 탱크처럼 파이프라인으로 수소를 공급받고, 각 가정에 수소 탱크를 설치하여 전기를 생산하는 방식이 보편화될 것입니다. 수소 배터리로 작동하는 모바일 기기 또한 일상화될 것입니다. 이러한 미래는 매우 흥미로울 것입니다.