수소저장합금이 수소 경제 시대를 앞당길까?

수소저장합금이 수소 경제 시대를 앞당길까?

흔들리는 국제 유가, 그리고 동시에 흔들리는 세계의 경제. 이러한 상황 속에 세계 각국이 해결책으로서 ‘수소에너지’에 주목하고 있다. 수소는 물을 통해 얻을 수 있어 어느 곳에서나 쉽게 얻을 수 있는 평등한 자원이며, 공기 중에 산소와 결합하면서 연소하여 물로 변화하기 때문에 공해 물질을 거의 배출하지 않아 친환경 에너지에 속한다. 또한 연료전지 등을 통해 쉽게 전기로 환원될 수 있는 장점을 가지고 있어, 이를 에너지로서 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

수소를 저장하는 다양한 방법

수소는 넓은 연소한계와 미소한 착화에너지 그리고 매우 빠른 연소속도로 인한 높은 폭발위험성 때문에 저장 및 수송 기술이 필수적이다. 현재까지는 기체 상태로 압력을 주어 탱크나 봄베에 넣는 방식을 사용했다. 하지만 이런 경우, 저장용기의 크기가 커질수록 높은 압력을 유지하기 어려워 소규모 사용할 수밖에 없다. 또한 고압으로 인한 폭발의 위험성도 높다. 기체 상태의 수소를 액화하여 저장 밀도를 높여 운반하는 방법도 있지만, 20K까지 냉각시킬 에너지가 필요하다. 또한 저장에는 값비싼 초저온 용기가 필요해 이로 인한 비용 상승으로 경제성의 문제가 발생한다. 이 후 수소를 안전하고 효율적으로 저장하기 위한 기술이 연구되어 왔는데, 최근 이슈가 되었던 ‘수소저장합금’이 그 예이다.

           [표1.수소와 기체연료의 연소특성]

출처 : 수소저장합금의 응용

  

          

           [사진 1.700 bar 수소저장탱크]

출처 : 기계신문

          

           [사진 2.액체수소탱크]

    출처 : 하이리움산업주식회사

 

 

수소저장합금이란?

 

     [사진 3.수소저장합금]

출처 : 천재학습백과

 

수소저장합금은 상온 대기압에서 수소를 금속수소화물의 형태로 저장하고 가열과 감압에 의해 쉽게 수소를 방출하는 반응을 가지고 있으면서 그 반응속도가 큰 특성을 가지는 합금이다. 이는 형상기억합금의 원리를 응용하여 개발한 합금인데, 여기서 형상기억합금이란 다른 모양으로 변형시키더라도 물리적 반응에 의하여 다시 변형 전의 모양으로 되돌아오는 성질을 가진 합금을 말한다. 이러한 성질을 이용하여 수소저장합금은 수소를 가압하여 반응시키면 금속수소화물을 생성하고 열을 발생시키고, 반대로 수소를 저장하고 있는 금속수소화물에 열을 가하면 수소의 분해반응인 방출이 진행되어 수소의 평형 해리압에 상당하는 압력으로 방출된다.

금속의 수소좌(수소원자가 점유하는 금속의 격자간 위치)에 기체 수소가 금속수소화물의 형태로 고형화 저장되는 것이 특징이며, 이 때문에 수소원자들이 수소분자의 반경보다 작은 간격으로 저장되어 단위 부피당 에너지 저장밀도가 매우 높고 안전하게 순도 높은 수소를 저장할 수 있다. 또한 고압용기 및 단열용기가 필요치 않으며, 장시간의 저장이 가능하다. 그래서 이는 수소 자동차의 연료 저장용기, 흡열과 발열 반응을 이용한 냉난방 시스템과 폐열회수 시스템, 케미컬 엔진, 연료전지 등에 응용할 수 있다. 앞으로 수소 에너지 이용이 확대됨에 따라 다양한 용도의 개발이 기대되는 신소재이며, 시장 규모도 커질 것이라 예측하고 있다.

                

  

        [표2. 금속 단위격자에서 수소원자의 저장위치]

출처 : 수소저장합금의 응용

하지만 수소저장합금의 문제도 있다. 엄청난 무게와 부피의 합금을 필요로 하기 때문에 실용화가 극히 어렵다는 점이다. 그래서 합금의 수소저장량을 최대로 하여 최소한의 합금만을 사용하는 방향으로 다양한 연구가 진행 중에 있다. 대표적인 예로 bcc합금 및 Mg계 합금이 있다. 아직은 큰 수소저장량에 비하여 수소의 저장, 방출 특성의 문제점이 많지만, 최근 이를 개선하기 위한 연구와 더불어 다상합금의 구조를 금속조직학적으로 해석하여 새로운 합금을 탐색하는 방법 등에 의하여 획기적인 수소저장능력의 수소저장합금을 개발하고 있다.

 

 

수소저장합금이 수소 경제 시대를 앞당길 수 있을까?

수소 에너지를 이용하는 기술은 세계 에너지 시장에서 한국이 우위를 점하기 위해 반드시 전제되어야하는 기술이다. 그래서 부피가 큰 수소를 필요에 따라 쉽게 사용하기 좋은 형태로 저장하는 기술을 연구하고 개발할 필요가 있다. 그리고 이러한 움직임의 결과물로서 수소저장합금은 수소 자동차나 수소 연료 전지 등 수소 이용 기술을 뒷받침하였으며, 이로써 수소 경제 시대를 조금이나마 앞당기지 않았나 생각한다.

가까운 미래에 화석 연료가 고갈되면 신재생 에너지 시대로의 전환이 불가피하다. 하지만 이러한 변화가 에너지만의 변화를 의미하는 것이 아니라, 국가의 경제, 각국의 외교적인 부분까지도 큰 영향을 미치는 만큼 에너지 패러다임의 변화에 조금 더 능동적으로 준비할 필요가 있다. 이에 수소 저장 합금을 포함한 다양한 에너지 신소재를 활용함으로서 신재생에너지를 더 저렴하고, 효율적이고, 안전하게 이용할 수 있다면 화석 연료에서 신재생에너지로의 사람들의 이동은 자연스럽게 이루어질 것이다.

 

참고 문헌

 - 홍현선, 이경섭, 강계명, 수소 에너지 저장기술 및 개발 동향, 가스산업과 기술, 2003.12

 - 오현철, 수소저장방식 연구개발을 통한 미래에너지 전환효과, 전기저널, 2016.2

 - 정영관, 수소저장합금의 응용, 2009.6