골든 수소, 세상을 구해 주이소..

골든 수소, 세상을 구해 주이소..

대학생신재생에너지기자단 22기 김혜윤, 23기 김경훈, 24기 이지혜

 

탄소 경제에서 수소 경제로의 패러다임 전환

현재 산업계에서의 주 에너지원은 화석 연료이다. 화석연료는 지구 평균 기온 상승을 유발하는 주요 원인이기 때문에 새로운 에너지 패러다임으로의 전환이 절실하다. 전 세계 산업계에서는 재생에너지 시스템으로의 변환을 추구하고 있으며, 이 과정에서 ‘수소 경제’가 시작됐다.

수소 경제는 기존 석유 및 석탄 등의 원료가 중심이 됐던 탄소 경제를 대체해 수소를 중요 에너지원으로 사용해 탄소배출을 획기적으로 줄이는 시스템을 뜻한다. 수소경제위원회의 자료에 따르면 청정수소 생태계 조성을 통해 ‘수소산업 생태계 활성화’를 통해 2030년에는 47조 원의 경제적 파급효과를 실현할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 수송 및 발전 산업 분야에서 2030년까지 135만 톤의 온실가스를 대규모 감축할 수 있으며 화석연료에 대한 의존도를 감소하고 에너지 공급망의 다변화를 시도하며 에너지 안보를 강화할 수 있을 것으로 기대된다.

 

수소 경제, 정말 친환경적일까?

​​수소는 화석연료와 달리 고갈될 우려가 없으며 가변적인 전기 생산량을 가진 재생에너지를 보완할 수 있다. 이 때문에 수소 경제로의 패러다임 전환의 필요성이 커지고 있으나, 올바른 수소 생태계 구축을 위해 전문가들은 수소 생산 과정에서의 온실가스 발생이 없어야 함을 주장하고 있다.

[자료 1. 수소 운송 방식]

출처 : 기술과 혁신

 수소는 주로 기체와 액체 형태로 운반된다. 수소를 액화시켜 운송하면 기존 고압 기체 튜브 트레일러 운송과 비교할 때 70% 이상의 운송비 절감이 가능할 뿐만 아니라 한 번에 운송할 수 있는 양이 대략 10배로 증가하게 된다. 액화된 수소는 대기압에서 저장이 가능하고 고압 기체 수소에 비해 폭발 위험성이 낮다는 장점이 있다. 따라서 수소 운송은 주로 액체 형태로 이루어지고 있다. 하지만 전기차를 비롯한 대부분의 산업 공정에서 수소는 기체 형태로 활용된다. 하지만 공기 중 기체 상태의 수소 비중은 0.00005% 정도로 매우 작기 때문에 여러 방식을 통해 수소를 독립적으로 생산하고 있다.

[자료 2. 수소 생산 방식에 따른 종류]

출처 : SK ENS

수소는 생산 방식에 따라 블루, 그레이, 그린 등 다양한 색깔로 불리고 있다. 석유화학 공정이나 철강 생산 공정 등에서 부수적으로 발생하는 부생수소와 천연가스를 개질해 생산되는 수소는 그레이 수소라 불린다. 이러한 그레이 수소는 저렴한 비용으로 수소를 대량 생산할 수 있지만 많은 양의 온실가스가 배출된다. 반면 그린 수소는 재생에너지에서 생산된 전기로 물을 분해해 생산하기 때문에 청정 에너지원으로 주목받고 있으나 경제 및 기술적 한계가 존재한다. 따라서 그레이 수소의 한계를 보완한 블루수소가 수소 생산 방식 중에서 그 비중이 늘어날 것으로 전망된다.

[자료 3. 수소의 온실가스 배출량]

출처 : 에너지 데일리

블루수소는 그레이 수소 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집, 활용 및 저장해 제거한다. 블루 수소는 가장 현실적인 수소 산업 대안으로 평가받고 있다. 하지만 미국 코넬 스탠퍼드 대학교 연구진의 연구 결과에 따르면 블루수소는 여전히 그레이수소의 88~91%의 온실가스를 배출한다. 블루수소는 전주기 메탄의 탈루 배출량 증가를 초래하며, CCS 가동에 필요한 에너지 생산을 위한 추가 가스가 연소 배출되기 때문이다. 이렇듯 수소 생산 방식의 친환경성에 의문이 제기되는 상황 속에서 이산화탄소를 배출하지 않는 천연 수소 일명 ‘골든 수소’와 ‘화이트 수소'에 대한 산업계의 관심이 커지고 있다.

 

천연 수소의 원리

천연 수소는 그동안 우리가 알고 있던 수소의 형태와는 달리, 다른 원소와의 결합 없이 지각에서 자연적으로 발생한다. 아직 탐사 장비와 지식이 부족하여 천연 수소의 기원에 대해서는 다양한 가설이 존재한다. 그중 세 가지 주요 기원은 다음과 같다.

[자료 4. 천연 수소의 발생, 손실, 추출 메커니즘]

출처: 뉴스투데이

① 방사성 동위원소의 지하수 분해

이 가설은 광물학자이자 지구화학자인 베르나츠키에 의해 제안됐다. 고방사성 암석 속의 우라늄, 토륨과 같은 방사성 물질은 자연붕괴되면서 에너지를 방출한다. 이때 방출된 에너지는 지하수 분자를 쉽게 분열시켜 산소와 수소를 생성한다. 실제 과거 몇몇 원자력발전소가 방사선으로 수소를 만들기 위해 시도했으나, 사업성 문제로 실패했다고 한다.

② 물과 초염기성 암석의 반응(사문석화)

감람석은 맨틀 상부에 널리 퍼져있는 암석이다. 철이 풍부한 감람석은 지표면 아래 뜨거운 물에 의해 암석이 변질되는 열수변질 현상에 매우 취약하다. 따라서 고온, 고압 조건에서 감람석과 물이 만나 사문석으로 바뀔 때 철은 물 분자로부터 산소 원자를 빼앗고 부산물로 수소를 방출한다. 이 메커니즘의 반응식은 다음과 같으며, 생성된 수소는 지표 아래에 축적된다. 

[자료 5. 사문석화 반응식]

출처: 동아사이언스

③ 지각변동

활성 단층 표면에 있던 천연 수소가 지각 변동에 의해 위로 이동하여 단층과 같은 지각의 경계면에서 새어 나온다는 가설이다. 이는 대수층 암석의 수소 농도와 해당 지역의 마지막 지각 변동 간 상관관계 등의 연구 결과로 뒷받침되고 있으나, 사문석화 등 다른 기원에 의해 생성된 수소의 양보다 훨씬 적을 것으로 예상된다.

2014년 ‘네이처’에 발표된 캐나다 토론토대 바바라 셔우드 롤라 교수에 따르면 천연 수소의 80%는 사문석화에 의해, 나머지 20%는 방사성 동위원소에 의해 생성된다고 한다.

이 밖에도 핵과 맨틀 가까이 갈수록 수소 농도가 높아진다는 사실을 근거로 천연 수소가 지각 내부 깊은 곳에서 생성된다는 가설도 존재하나, 이는 탐사 기술 부족으로 인해 검증되지 못하고 있다.

이렇게 생성된 천연 수소는 불투과성 암석층에 막혀 대륙붕 밑에 저장된다. 그러나 암석을 통해 확산하거나, 미생물에 의해 소비되고 비생물과 반응하여 손실되기도 한다. 천연 수소를 추출할 때는 석유처럼 저류층을 시추하여 채굴하거나, 원천 암석에서 직접 추출할 수 있다. 이 밖에도 원천 암석에 물을 주입하여 생산을 촉진할 수 있다. 이처럼 천연 수소의 저장 및 생산 메커니즘은 석유 가스를 닮았기 때문에, 전문가들은 이 두 분야를 접목할 때의 시너지 효과를 기대한다.

 

천연 수소의 역사

1888년, 주기율표의 아버지로 알려진 드미트리 멘델레예프는 우크라이나에 있는 한 탄광에서 수소가 지상으로 분출하고 있음을 기록하며 천연 수소의 존재를 처음으로 알렸다. 또한 1910년에 작성된 보고서에 따르면 독일 스타스푸르트의 소금 광산에서 약 5년 동안 매일 약 3,624리터의 수소가 누출됐다. 1933년에 작성된 보고서에는 호주 남부에 있는 캥거루 아일랜드 북부지역과 요크 반도에서 각각 80%, 70%의 수소로 이뤄진 가스를 발견했다는 내용이 담겨있다. 

이처럼 천연 수소의 존재를 암시하는 연구 결과가 꾸준히 나왔으나, 이는 여러 가지 요인에 의해 무시되었다. 첫 번째 요인으로는 그동안 지질학자들은 석유와 천연가스를 발견하는 데 집중했기 때문에 탄화수소 근처에서 발견되지 않는 천연 수소를 찾아내기란 어려웠다. 두 번째로, 당시 과학자들은 지각에 있는 수소는 미생물이 먹이로 삼거나 표면으로 스며들어 우주로 날아갈 것이라고 믿었다. 마지막으로, 기체를 검출하는 데 사용되는 크로마토그래피는 수소를 매개체로 사용하기 때문에 기체 샘플 속 수소와 장치 속 수소를 구별할 수 없었다.

[자료 6. 하이드로마의 탐사 현장]

출처: Hydroma

그러던 1987년, 천연 수소의 판도를 뒤집을 발견이 이루어졌다. 서아프리카 말리의 부라케부구라는 마을에서 우물을 만들기 위해 시추 작업을 진행하던 작업자가 담배를 피우다가 땅에서 새어 나온 가스에 불이 붙어 화상을 입었다. 이후 2007년 말리의 석유회사인 페트로마가 해당 지역의 탐사권을 획득했고, 2012년에는 마침내 해당 시추공에서 나오는 가스의 98%가 수소로 이뤄졌음을 확인했다. 페트로마는 포드 엔진과 30kW 발전기와 연결해 세계 최초로 천연 수소를 연소하여 전력을 생산하기 시작했고, 생산된 전력은 이후 7년간 아무 문제 없이 인근 마을에 공급됐다. 놀라운 사실은 발견 당시 측정된 초기 압력(4bar)이 4년 동안 유지된 채 생산됐다는 것이다. 이는 곧 지하에서 수소 저류층을 지속적으로 채워주는 움직임이 발생한다는 것을 의미하며, 수소가 기체 상태로 저류층에 남아있다는 것은 수소 분자의 크기와 화학적 재결합 능력을 감안할 때 매우 놀라운 발견이다. 또한 말리의 수소 생산정은 킬로그램당 1달러 미만으로 생산되기에 상업적 타당성이 확보된 거의 최초의 천연 수소 생산정이다. 이에 페트로마는 사명을 하이드로마로 바꾸고 500만 톤 규모로 추정되는 천연수소 저장공간 5개를 추가로 발견했다. 하이드로마는 천연 수소가 서아프리카 지역의 경제를 성장시킬 수도 있을 것이라 예상한다. 이 사건은 2018년 국제수소에너지 학술지에 게재되면서 세상에 알려지게 됐고, 이후 천연 수소에 대한 논문의 수가 폭발적으로 증가하기 시작했다. 또한, 러시아-우크라이나 전쟁으로 불안정해진 천연가스 공급의 대안을 찾기 위해 전 세계 각국은 천연 수소 분야의 연구⋅투자 규모를 확대하고 있으며, 현재까지 천연수소는 미국, 터키, 필리핀, 오만, 호주, 핀란드, 독일, 러시아 등 전 세계 수백 곳에서 발견됐다.

 

최신 동향

국내에서도 천연 수소 탐사가 이루어지고 있는데, 한국석유공사는 국내 최초 지하에 부존된 수소 탐사를 목표로 22년도부터 연구과제를 개시했다. 

[자료 7. 자연수소 탐침장치]

출처: 오일드림

천연수소 탐사에는 보다 정확하고 안정적인 수소가스의 측정과 장기간 모니터링을 위한 ‘자연수소 탐침장치’가 쓰였다. 이 기술은 토양에 장치를 삽입해 지하에서 발생하는 수소 기체를 측정하는 것으로 별도의 필터 및 배수 시스템을 이용해 토양 수소 측정에 가장 큰 제약 요인은 물에 의한 영향을 최소화하는 것이 특징이다. 그리고 공사는 전국 5개의 지점에서 자연 수소 측정장치를 활용해 국내 최초로 수소 발생을 확인해 정밀 분석 중이다. 

공사는 이번 조사 작업을 전략적으로 확대하는 한편, 자체 개발해 특허 출원한 수소 탐사 및 모니터링 기술을 적극 활용해 앞으로 전국의 유망지역을 발굴해 중장기적 분석을 실시할 계획이다. 지속적으로 공사가 보유한 유⋅가스 탐사/개발 기술력을 활용한다면 국내 지하에서 수소 발견도 더 이상 꿈이 아닐 것으로 보인다.

국외적으로는 2023년 9월 초, 미국 에너지부(DOE)의 첨단에너지연구계획국(ARPA-E)은 심해 암석에서 천연(골드)수소를 추출하는 기술을 개발하기 위해 2천만 달러의 보조금을 지원한다고 발표했다. 또한 빌 게이츠가 설립한 벤처캐피털(VC) 브레이크스루에너지는 천연 수소 시추기업 콜로마에 9천100만 달러(약 1천182억 원)을 투자했다. 

[자료 8. 호주의 HyTerra와 미국의 Natural Hydrogen Energy가 운영 중인 천연수소 탐사정]

출처: 월간수소경제

천연수소 탐사도 투자만큼이나 활발하게 진행 중인데, 2019년에 Natural Hydrogen Energy는 미국 중부에 있는 네브래스카주 제네바 근처에 3.4km 깊이의 천연수소 탐사 시추공을 뚫었다. 쳄비타 팩토리(Cemvita Factory)라는 스타트업은 저탄소 미생물로 에너지⋅광산 자원을 추출, 생산, 재생하는 솔루션을 기반으로 천연수소 추출 기술 개발에 착수해 2022년 9월에 텍사스에 있는 한 폐유정에서 천연수소 시범 생산을 성공적으로 진행했다. 이 기술은 엄선된 박테리아와 영양분이 조합된 액체를 폐유정에 뿌리면 미생물이 폐유정에 남은 오일 탄화수소를 분해해 수소와 이산화탄소를 생성하는 원리다. 이렇게 생성된 수소는 추출하고 이산화탄소는 지하에 저장하거나 다른 미생물로 분해하는 것이다.

 

기대 효과

호주 광산업체 골드하이드로젠에 따르면 2030년까지 천연 수소 가스전 투자 규모는 1천840억 달러, 한화로 약 242조 원에 달할 것으로 추산된다. 이는 각국 정부가 청정 수소에 대한 보조금을 확대하면서 나타난 현상이다. 

[자료 9. 골든 수소(천연 수소)]

출처: JPT

미국은 2023년 12월 22일, 인플레이션 감축법(IRA)을 통해 청정 수소 생산 기업에 kg당 0.6~3달러가량의 보조금을 지급하기로 결정했다. 유럽연합(EU)도 kg당 최대 4.5유로의 보조금을 지원할 방침이다.

투자 규모가 늘어나는 만큼 수소 수요도 증가한다. 스탠더드앤드푸어스(S&P)에 따르면 세계 수소 수요는 2023년 기준 연 9천700만 톤에서 2030년 연 1억1천900만 톤으로 증가할 전망이다. 여기서 중요한 것은 ‘수요와 공급’이 균형을 이루는 것이다. 

이는 가능할 것으로 보인다. 미국 지질조사국(USGS)은 경제성 있는 천연 수소가 세계 전역에 1조 톤 이상 매장돼 있다고 추정했다. 이를 상용화할 경우 2050년까지 세계 수소 수요를 맞출 것으로 관측하고 있으며, 천연 수소의 생산 단가는 kg당 평균 50센트로 추정돼 최대 11.8달러로 추산되는 그린 수소보다 적은 수준이다.

 

[자료 10. 천연 수소의 경제적, 환경적 이점]

출처: Gold Hydrogen

하지만 모든 과학 기술에는 장점만 있는 것은 아니듯이, ‘천연수소’ 또한 석탄, 석유를 잇는 에너지원이 될 수 있을지는 불투명하다. 아직 천연수소에 관한 연구는 초기 단계여서 수소가 어떻게 생성되는지, 상업적으로 이용할 수 있는지, 탈탄소화에 얼마나 도움이 될지 등 풀어야 할 숙제가 많다. 프랑스의 그르노알프스대의 프레데릭빅토르 돈제 교수는 “과학적 사실은 여전히 부족하다”며 과대포장 가능성을 경계했다. 추가로 세계 석유 대기업들도 관망 중인 상황이다. 

그럼에도 천연 수소에 대한 기대를 할 수밖에 없는 이유에는 전 세계적으로 “후퇴하는 기후대응, 가속화되는 기후재앙”에 있다. 과연 천연 수소는 절벽 끝에 놓인 인류를 구할 수 있을까?

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수소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소법과 알록달록 수소 이야기", 22기 김혜윤, 박주은, https://renewableenergyfollowers.org/3975

수소법과 알록달록 수소 이야기

2. "光水: 광촉매로 '그린 수소'", 22기 홍세은, https://renewableenergyfollowers.org/4319

光水: 광촉매로 '그린 수소'

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참고문헌

[탄소경제에서 수소경제로의 패러다임 전환]

1) 김채현 외 2명, “수소 산업 발전을 위한 국내외 정책 및 기술 동향 분석”, Journal of Hydrogen and New Energy, Vol. 34, No. 2, 2023, pp. 122~131, http://journal.hydrogen.or.kr/xml/36568/36568.pdf

2) 임희천, “수소산업 동향 및 산업발전 전망”, 전기저널, 2019.04.16,http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=2674 

[수소 경제, 정말 친환경적일까?]

1) 변상근, “고압기체보다 운송비 70% 절감 액화수소 수소경제 핵심 부상”, 전자신문, 2021.08.08, https://www.etnews.com/20210806000109 

2) 유영돈, “수소의 저장, 운송 및 충전”, 기술과 혁신, http://webzine.koita.or.kr/201909-specialissue/02-%EC%88%98%EC%86%8C%EC%9D%98-%EC%A0%80%EC%9E%A5-%EC%9A%B4%EC%86%A1-%EB%B0%8F-%EC%B6%A9%EC%A0%84

3) 홍대선, “수소경제는 친환경?...문제는 수소생산방식이다”, 한겨래, 2021.04.12, https://www.hani.co.kr/arti/economy/economy_general/990633.html 

4) 오동재, “’청정’한  블루 수소는 없다 : 한국 수소 경제의 숨겨진 온실가스 배출 추산”, 기후솔루션, 2022.09, https://forourclimate.org/hubfs/%5BKOR%5D%EC%B2%AD%EC%A0%95%ED%95%9C%20%EB%B8%94%EB%A3%A8%EC%88%98%EC%86%8C%EB%8A%94%20%EC%97%86%EB%8B%A4_%EA%B8%B0%ED%9B%84%EC%86%94%EB%A3%A8%EC%85%98_220915_Final6.pdf

[천연 수소의 원리]

1) Peter Coy, “A Gold Mine of Clean Energy May Be Hiding Under Our Feet”, The New York Times, 2023.02.27., https://www.nytimes.com/2023/02/27/opinion/hydrogen-natural-climate-change.html

2) 박상우, “땅속에서 캐는 궁극의 친환경 에너지원, 천연수소”, 월간수소경제, 2023.04.28., https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=10933

3) 곽노필,  “땅속에서 ‘골드 수소’를 캔다…더는 “미친 소리”가 아니다”, 한겨레, 2023.03.07., https://www.hani.co.kr/arti/science/technology/1082270.html

4) 배수아, “땅속에서 발견한 무한한 가능성, 자연수소”, 숙대신문, 2023.11.13., https://news.sookmyung.ac.kr/news/articleView.html?idxno=12032

5) 최봉, “[미네르바의 눈] 미국, 샘솟듯 솟아나는 재생에너지원인 천연(골드)수소 개발에 베팅”, 2023.09.18., https://www.news2day.co.kr/article/20230917500006

6) Knez D, Zamani OAM, “Up-to-Date Status of Geoscience in the Field of Natural Hydrogen with Consideration of Petroleum Issues”, Energies (19961073), 16 (18), 6580, 2023.

[천연 수소의 역사]

1) 정철균, “미국 그린 산업 리포트 수소 시대의 새로운 돌파구 ‘천연 수소’”, 한경ESG, 19, 84-86, 2023.

2) Eric Hand, “HIDDEN HYDROGEN”, Science, 2023.02.16., https://www.science.org/content/article/hidden-hydrogen-earth-may-hold-vast-stores-renewable-carbon-free-fuel

3) Hydroma, Hydroma – Hydrogen production leader in Africa

4) 강석기, “[강석기의 과학카페] 한국도 첫발 뗀 ‘천연수소’ 탐사…땅속 무한에너지”, 동아사이언스, 2023.06.28., https://m.dongascience.com/news.php?idx=60418

5) 최준영, “궁극의 에너지 ‘백색수소’ 시대 열리나 [최준영의 경제 바로읽기]”, 시사저널, 2023.11.11., https://www.sisajournal.com/news/articleView.html?idxno=276076

6) 박상우 기자, “땅속에서 캐는 궁극의 친환경 에너지원, 천연수소”, 월간수소경제, 2023.04.28., https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=10933

7) Peter Coy, “A Gold Mine of Clean Energy May Be Hiding Under Our Feet”, The New York Times, 2023.02.27., https://www.nytimes.com/2023/02/27/opinion/hydrogen-natural-climate-change.html

[최신 동향]

1) “땅속에서 캐는 궁극의 친환경 에너지원, 천연수소”, 월간수소경제, 2023.04.28, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=10933

2) 오일드림, “땅속에서 수소를 찾는다고? 한국석유공사의 도전적 첫걸음”, 2023.03.31, https://blog.naver.com/knoc3/223060708355

3) 최봉 기자, “[미네르바의 눈] 미국, 샘솟듯 솟아나는 재생에너지원인 천연(골드)수소 개발에 베팅”, 뉴스투데이, 2023.09.18, https://www.news2day.co.kr/article/20230917500006

4) 오현우 기자, “글로벌 ‘수소 가스전’ 탐사 붐…빌게이츠도 뛰어들었다”, 한경글로벌마켓, 2023.12.25, https://www.hankyung.com/article/2023122598441

[기대 효과]

1) 김민정, “1월 1주차 해외 ESG 핫클립”, 임팩트온, 2024.01.04, https://www.impacton.net/news/articleView.html?idxno=10554

2) Alicat Scientific, “The Gold Hydrogen Rush: Extracting golden hydrogen from depleted oil reserves”, https://www.alicat.com/knowledge-base/gold-hydrogen/#:~:text=In%20contrast%20to%20other%20hydrogen%20generation%20methods%2C%20gold,hydrogen%20a%20zero%20to%20negative%20carbon%20emission%20process.