수소에너지의 완벽한 친환경화, 가능할까?

 

 

수소에너지의 완벽한 친환경화, 가능할까? 

대학생신재생에너지기자단 19기 유홍주, 19기 정지영

 

[차세대 에너지, 수소에너지]

 인류의 문명과 경제사회에 크나큰 발전과 혁신을 가져온 것은 바로 화석연료이다. 교통수단, 생산수단 등 생활에 필요한 동력은 대부분 화석연료로부터 얻어진다. 이러한 화석 연료는 지하에 매장되어 있는데, 매장량이 한정되어 있기 때문에 우리가 얻을 수 있는 에너지에도 한계가 찾아오게 된다. 영국의 석유화학 전문회사인 British Petroleum에 따르면, 지금과 같은 추세로 화석연료를 채굴할 경우 석유는 42년, 석탄은 133년, 천연가스는 60년 후면 고갈될 것이라 한다. 가까운 미래에 에너지의 공급이 단절될지도 모르는 상황이다. 비단 화석연료가 없어지는 것만이 인류의 문제는 아니다. 화석연료는 지구 환경에 지나치게 부정적인 변화를 가져온다. 우리는 폭염이나 그치지 않는 장마, 백여 년 만의 한파 등 전 세계적으로 이상기후가 점차 심해지는 모습을 몸소 느끼고 있다. 그리고 이에 대한 가장 큰 원인은 지구온난화이며, 온난화를 가속화하는 것이 화석연료이다.

 화석연료로부터 인류가 직면한 문제에, 재생 가능하고 환경친화적인 신재생에너지의 사용이 대두되고 있다. 그중에서도 수소에너지는 떠오르는 청정에너지다. 수소 자원의 고갈 염려는 당연히 없으며, 연소 시 극소량의 질소를 제외하고는 어떠한 오염물질도 배출하지 않는다. 수소는 현재 화석연료가 결코 이뤄낼 수 없는 장점을 가진 차세대 에너지원이다. 2017년 수소자동차가 본격적으로 보급되기 시작했고, 2018년 정부는 수소산업을 혁신성장의 3대 과제 중 하나로 선정하여 수소에너지 활성화를 추진하기 시작했다. 수소사회가 점차 실현되고 있는 것이다.

[자료 1. 수소 에너지의 이용]

출처 : MY FRIEND HYOSUNG

 

[수증기 개질 공정이란?]

  현재 수소에너지의 다양한 이점들이 주목받으며 그 사용량이 증가하는 추세에 있다. 하지만 차세대 친환경 에너지로 주목받던 수소에너지가 완벽한 친환경성을 띠지 않는다면, 지금까지의 이점이 그대로 적용될 수 있을지는 미지수이다. 이러한 한계점은 바로 수소에너지 개발 과정에서 가장 먼저 필요한 “수소”를 생산하는 과정인 수증기 개질 공정에서 발생한다.

 수증기 개질 공정이란 현재 수소를 생산할 때 가장 많이 사용하고 있는 방법이다. 수증기와 폐기물을 약 300°C에서 1,200°C의 고온에서 반응시키면 폐기물 내의 유기물이 수증기와 반응하여 합성가스를 발생시킨다. 폐기물 내의 유기성분을 분해하기 위해서는 유해 폐기물의 증기 개질 공정을 거쳐야 하는데, 증기 개질 공정은 두 단계로 구성된다.

 먼저 300°C ~ 800°C의 온도 범위에서 폐기물 내의 유기 성분과 수증기, 합성가스의 혼합가스를 접촉시키면 유기 성분이 열분해 되며 일부 유기성분은 휘발하고 비휘발성 유기성분과 무기성분은 코크스의 형태로 남는다. 앞 단계의 과정에서 휘발된 유기성분은 약 1,200°C의 고온에서 수증기에 의해 분해되어 합성가스를 생성한다. 합성가스에 포함된 산 가스는 세정되고 합성가스는 다시 산화되어 이산화탄소와 물로 전환된 후 대기로 배출된다. 이 합성가스는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소로 구성되며 이 합성가스를 사용하여 수소 생산 과정을 시작하게 된다. 이때 어떤 폐기물을 사용하는지에 따라서 합성가스와 함께 미량의 메탄가스, 할로겐화산을 포함하는 배기가스, 질화물이나 황산화물이 발생한다.

 [자료 2. 수증기 개질 공정의 도식화 과정]

출처:HelloDD

 앞서 소개한 수증기 개질 공정은 공정 과정에서 볼 수 있듯이, 이산화탄소를 비롯한 다양한 대기오염물질이 발생한다. 이것이 바로 수소에너지가 완벽한 친환경화가 이루어지지 않았다는 의견의 근거가 된다. 따라서 이러한 단점과 한계를 극복하고자 수소 에너지 발전에 필요한 수소를 친환경적으로 획득할 수 있는 다양한 기술이 활발하게 연구되고 있다.

[태양광 분해법]

 친환경적인 방법으로 수소를 제조할 수 있는 다양한 방법 중 하나는 광촉매 화학반응을 통해 물을 분해하는 것이다. 광촉매란 현재 태양광에너지 발전에 활발하게 사용되고 있는 물질이다. 반도체성 물질인 광촉매는 자신이 가진 고유한 띠 간격 에너지 이상의 빛을 흡수할 경우 들뜬 상태가 되는데, 이때 에너지로 인해 전자-정공 전하 쌍을 생성한다. 이때 n형 반도체에서는 물의 산화반응이 일어나서 산소가 발생하고 p형 반도체에서는 수소가 발생한다. 이처럼 광촉매를 사용한 물의 분해는 따로 촉매를 사용하지 않기 때문에 이산화탄소나 다른 산화물이 발생하지 않아 친환경적이라는 장점이 있다.

[자료 3. 반도체의 에너지 띠 간격]

출처:정보통신기술용어해설

 그렇다면 왜 수증기 개질 공정 대신 광촉매 사용 물 분해 과정을 상용화하고 있지 않는 것일까? 현재 가장 많이 사용하고 있는 광촉매는 바로 이산화 티타늄으로, 그 경제성과 안전성이 타 물질들에 비해 비교적 입증되어 있다. 하지만 이산화 티타늄은 태양광의 3% 이내의 빛만 사용할 수 있으며 부식 진행이 빠르다는 단점이 존재한다.

 반면에 반도체의 띠간격 에너지가 낮아 효율이 높은 일산화아연, 황화카드뮴과 같은 각종 염료 성분은 전해질 내 분리가 쉽게 되어 안정성이 떨어진다는 단점이 존재한다.

 다양한 물질의 단점들을 보완하여 효율이 높으며 상용화가 가능할 정도로 값싸고, 장기적으로 사용 가능한 안정성을 가질 뿐만 아니라 원소의 안정성을 보장할 수 있는 광촉매가 필요하다. 현재는 앞서 언급한 이산화 티타늄을 개질하여 효율을 높이려는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이에 루비듐계 화합물을 활용하고 있다. 이산화 티타늄의 안정성은 가지고 가면서 다른 물질을 반응시켜 띠 간격 에너지를 낮추려는 연구이다.

 아예 다른 물질을 광촉매로 사용해보고자 하는 연구 또한 진행되고 있다. 바로 강유전체를 사용하는 것인데, 앞서 말했던 연구가 물질의 띠 간격 에너지를 낮추기 위한 연구였다면 강유전체를 사용하는 목적은 태양광 흡수 효율을 높일 수 있는 방법이다. 이는 수소 생산을 떠나 태양광 에너지 분야에서도 주목받고 있는 과제인데, 지구로 들어오는 태양광 중 더 넓은 영역을 흡수하여 그 에너지를 사용할 수 있도록 하는 것이 효율 상승의 핵심 과제이다. 강유전체는 자체적으로 양극과 음극을 형성하는 특징을 가졌기 때문에 전자와 정공을 더욱 효과적으로 분리할 수 있다는 연구 결과가 제시되었다.

 ‘물질’ 이 아닌 ‘구조’,‘형태’의 측면에서 접근하는 방향성도 간과할 수 없다. 현재 개발 중인 가시광선 흡수 기능의 메타 소재는 분자제어 조립기술을 이용한다. 분자제어 조립기술이란 나노 수준의 입자를 균일하고 주기적으로 배열하는 것으로, 이 소재는 매우 높은 빛 굴절률을 가져 광 흡수 효율이 훨씬 높다. 도쿄 공업대학 대학원의 가지카와 고타로 교수 연구팀은 분자제어 조립기술에 활용되는 나노 입자의 구조에도 주목했다.

 

[자료 4. 연잎 표면의 이미지]

출처: EE Times Japan

 연잎 표면에 존재하는 ‘마카로니 형상’을 표방하여 이를 발전시키고자 했는데, 마카로니 형상의 나노 구조를 주형에 이용함으로써 고효율의 대면적 초박막 광 흡수 메타물질을 제작하는 연구를 성공시켰다. 이 연구의 결과로 모든 가시광선 영역에서 반사율이 1% 이하로 나타나도록 광 흡수 효율을 성공적으로 높였다. 아이디어를 얻은 마카로니 형상의 나노 구조는 그 굴절률을 더욱 극대화했기 때문에 앞서 말한 메타 소재의 물질 구조로 주목받는다.

[바이오 수소 생산]

 또 다른 친환경 수소 제조 방법은 ‘바이오 수소 생산’이다. 미생물 내부에는 수소를 생산하는 효소가 존재하는데, 이 효소에 의해 미생물이 생산한 수소를 외부로 배출하도록 유도하여 수소에너지로 활용하는 방법이다. 미생물이 수소 생산의 촉매로 이용되는 것이다.

 미생물은 번식력이 있기 때문에 한 번 채취한 미생물을 배양하면 이를 이용해 지속적으로 수소를 생산할 수 있다. 바이오 수소 생산 방법은 비교적 저온, 저압 조건에서 생산이 이루어지고, 원료 물질로는 물, 바이오매스, 유기성 폐자원과 같은 재생자원을 사용해 지속적인 수소생산이 가능한 장점을 갖고 있다.

 2019년 11월, 해양 미생물 ‘NA1’이 세상에 드러났다. NA1은 지금까지 알려진 미생물 중 가장 많은 수소 생산 효소를 보유하고 있다. 생촉매로 사용할 수 있는 미생물 중 최대의 수소 생산성을 보이며, 일산화탄소(CO)를 먹고 바닷물을 분해해 수소를 만들어 낸다. CO가 세포막을 투과하여 미생물에 들어와 바닷물(H20)과 함께 이산화탄소 2개와 수소 이온, 전자로 분리된다. 그리고 수소 이온은 수소화 효소에 의해 수소가스를 생성한다.  

 일산화탄소는 풍부한 가스다. 국내 대형 제철소 3곳의 제련과정에서 생성되는 일산화탄소는 연간 약 300만 톤에 달한다. 이 중 대다수는 공기 중으로 버려진다. 이렇게 대기를 오염시킬 수 있는 일산화탄소는 바이오 수소 생산의 원료가 되고, 대기오염을 줄이면서 수소에너지를 만들 수 있다.

 NA1은 일산화탄소를 수소로 전환시키는 데 탁월한 능력을 갖췄다. 이에 경제성 측면에서 부가가치가 높은 고순도 수소를 생산하는 방법을 개발할 수 있었고, 바이오수소 대량생산에 성공했다. 바이오 수소 생산 플랜트가 본격적으로 가동되면 연간 약 330톤의 수소를 생산할 수 있다. 이는 약 2,200대의 수소 전기차를 운행할 수 있는 규모이다. 

 물과 태양빛을 이용하여 수소를 생산할 수도 있다. 바로 광합성 미생물을 이용하여 수소를 생산하는 것이다. 광합성 세균은 세포 내에 존재하는  hydrogenase를 이용하여 수소를 생산한다. 이들은 태양빛을 이용하여 물로부터 수소를 생산한다. 이는 이산화탄소를 수소 생산 과정의 탄소원으로 사용하기 때문에 이산화탄소 제거와 수소에너지 생산이라는 두 가지의 긍정적인 효과를 낼 수 있다.

 미생물을 이용한 바이오 수소생산 시스템은 꾸준히 주목받고 있다. 수소생산에 있어서 화석연료의 사용을 최소화할 수 있으며 미생물이 자체적으로 갖고 있는 대사과정을 이용하기 때문에 별도의 추가적인 장비가 필요하지 않기 때문이다. 미생물 증식에 필요한 자원인 물과 태양광은 도처에 무한으로 존재하기에 경제적이고 효율적인 방법으로 수소를 생산할 수 있다. 

[자료 5. NA1의 수소 생산 과정]

출처 : CEONEWS

 

 2021년 현재 환경오염과 자원고갈, 두 문제를 모두 해결할 수 있는 친환경에너지 발전은 선택이 아닌 필수로 자리매김했다. 특히, 수소에너지는 동력을 얻는 과정에서 일반적으로 사용하는 화석연료에 비해 친환경적이고, 고갈될 염려가 없기 때문에 미래 세대에게 굉장히 유망하다. ‘수소 사회‘가 구축되고 있는 요즘 그 사용량이 점차 늘어날 수소 에너지의 공정 과정에서는 경제성, 효용성과 더불어 오염물질의 배출을 없애는 연구도 절대 무시할 수 없는 부분이다. 수소에너지의 원천인 수소를 얻는 과정에서 현재 가장 보편적으로 사용 중인 수증기 개질 공정은 앞서 언급한 것처럼 단점이 분명 존재한다. 그러나 단점을 보완할 수 있는 태양광 분해법, 바이오 수소 생산법과 같이 다양한 방법을 통해 수소를 얻는다면, 수소에너지는 친환경 에너지로의 입지를 완벽히 다질 수 있을 것이다. 

 이와 더불어 태양광을 사용한 수소 생산기술이 크게 이루어진다면 수소에너지 분야가 아닌 태양광에너지 발전에서도 급진적인 발전을 이룰 수 있을 것이다. 미생물을 이용한 수소발전 또한 수소생산뿐만 아니라 유기 폐기물을 그 원료로 사용함으로써 폐기물을 친환경적으로 처리할 수 있는 메커니즘을 개발할 수 있을 것이다. 이처럼 친환경 수소 생성 기술들은 수소에너지 분야 이외에도 다른 환경 보존 기술에 기여할 수 있는 가능성이 다분하다. 

 오염물질이 일절 발생하지 않는 수소 생산 공정을 찾고 상용화시킬 수 있다면 우리의 수소 경제는 한 발짝 더 빠르게 도래할 것이며, 미래의 친환경에너지에 유망함을 밝혀 줄 것이라고 확신한다. 다양한 공정 방법의 장점을 극대화하고, 단점을 보완하여 완벽하게 친환경화 된 수소에너지의 상용화를 기대해본다.

---

참고문헌

[차세대 에너지, 수소에너지]

1) KIST, KISTORY, "점점 고갈되는 화석에너지, 대체 방법은 결국 '청정에너지'", 2011.8.10,

https://kiststory.tistory.com/152

2)카이스트 신문, 카이스트 신문, "화석연료 고갈, 신재생 에너지에 집중할 때", 2009.3.29,

http://times.kaist.ac.kr/news/articleView.html?idxno=101

3) 임희원, 월간수소경제, "수소경제, 과거와 현재 그리고 다가올 미래", 2019.8.4,

http://www.h2news.kr/news/article.html?no=7725

[수증기 개질 공정이란?]

1) 이승재, 한국에너지기술연구원, ”탄화수소의 수증기 개질 반응 공정”, 2005,

https://www.cheric.org/files/research/ip/p200505/p200505-501.pdf

2) 전승민, “한국, 原子力 수소생산 기술 확보 '시급'“ , HelloDD, ,2005,

https://www.hellodd.com/news/articleView.html?idxno=12861

[태양광 분해법]

1) 이정구, ”태양광 AR(Anti-Reflective) 코팅 기술현황 및 시장 동향”, 한국과학기술정보연구원, 2016,

https://repository.kisti.re.kr/bitstream/10580/6279/1/2016-019%20%ED%83%9C%EC%96%91%EA%B4%91%20AR%20%EC%BD%94%ED%8C%85%20%EA%B8%B0%EC%88%A0%ED%98%84%ED%99%A9%20%EB%B0%8F%20%EC%8B%9C%EC%9E%A5%EB%8F%99%ED%96%A5.pdf

[바이오 수소 생산]

1) 이종수, 월간 수소경제, "수소생산의 새로운 대안 '해양 바이오' 1. 미생물 이용 수소생산? 세계 최초 대량 수소생산 '눈앞'", 2019.12.3,

http://h2news.kr/news/article.html?no=7964

2) 중앙일보, 중앙일보, "미생물로 바이오수소 생산 성공", 2012.6.21,

https://news.joins.com/article/8525898