[수소경제 ] ③ 수소에너지 의 특징

수소는 미래의 궁극적인 청정에너지원

이호선 기자 승인 2020.11.29 22:15 | 최종 수정 2021.09.24 14:46 의견 0
(사진=PIXABAY 이미지합성)

수소에너지(水素에너지, hydrogen energy)란 수소의 형태로 에너지를 저장하고 사용할 수 있도록 한 신재생 에너지라 볼 수 있다.

​수소는 연소시켜도 산소와 결합하여 다시 물로 환원되므로 배기 가스로 인한 환경 오염이 없기 때문에 수소 가스의 제조ㆍ저장ㆍ사용의 각 단계에서 새로운 기술이 개발되고 있다.

수소 에너지는 수소 형태로 에너지를 저장하고 사용하는 에너지원으로 석유나 석탄을 대체하는 미래의 궁극적인 청정에너지원 중 하나이다. 수소 에너지 원료가 되는 물은 지구상에 풍부하게 존재하며, 수소를 연소시켜도 산소와 결합하여 극소량의 질소와 물로 변하므로 공해 물질로 인한 환경오염 염려가 없다.

◇ 수소란?

​수소(水素, Hydrogen)는 주기율표의 가장 첫 번째(1족 1주기) 화학 원소로, 원소 기호는 H(←라틴어: Hydrogenium 히드로게니움), 원자 번호는 1이다. 표준 원자량은 1.008로, 질량 기준으로 우주의 75%를 구성하고 있는 우주에서 가장 흔한 원소이기도 하다. 순물질은 실온에서 기체상태의 H2로 존재하며, 1족 원소중에서 유일한 비금속 원소이다. 동위원소로는 중수소(2H)와 삼중수소(3H)가 있다.

수소는 1 개의 양성자(proton)와 1 개의 전자(electron)로 구성된 제일 간편한 원소이며, 우주에서 제일 흔한 원소이다. 그러나 수소는 자연에서 홀로 발견되지는 않으며 항시 산소나 탄소와 결합된 구조로만 발견된다.

또한 수소는 분자량 2.016, 비중은 0.09 kg/m3로 모든 원소중에서 가장 낮으며(공기의 1/16) 이러한 현상으로 인해 공기중으로 유출될 경우 빠르게 비산, 분산되어 상층 대기권으로 상승하게 되며 수소의 원자 질량은 H2 두 개로 다른 원자 질량 대비 매우 가볍다.

​또한 수소는 암모니아, 염산, 메탄올 등의 합성에 대량으로 사용되며, 가공 식품의 경우 기름을 경화시키기 위한 수소 첨가, 액체 연료 제조에 사용된다. 또 금속의 절단과 용접용 연료, 백금이나 석영 등의 세공 등에도 널리 사용된다. 또한 액체 수소는 끓는점이 아주 낮기 때문에 냉각제로 사용된다.

수소에너지 활성화 로드맵

◇ 수소에너지란?

수소에너지는 청정에너지이며 장기적으로 에너지 문제를 해결하기 위한 유력한 대체에너지 중에 하나이다. ​수소는 공기 중의 산소와 결합하면서 28,680 cal/g의 열을 내게 된다.

공기 중에서 연소 시 온도는 2,300℃까지 올라가며 산소분위기에서 연소온도는 3,000℃ 까지 올라간다. 실제로 20세기 초에는 석탄과 수증기와의 반응으로 만든 town gas (수소 50 % + 일산화탄산가스 50%)를 가정용연료로 이용하였으나, 값싼 천연가스의 발견과 일산화탄산가스 중독으로 이용이 제한되었다.

수소에너지는 일산화탄소가 없는 순수 수소(H2)를 말하며 주된 이용방식은 연소가 아닌 연료전지이다. 수소는 자연에서 발견될 때에는 물(H2O) 또는 석유처럼 항시 다른 원소와 결합된 구조로 나타나기 때문에 에너지를 투입하여 순수 수소구조로 바꾸 주어야 한다.

이러한 의미에서 수소에너지는 전기와 마찬가지로 에너지담체(擔體, energy carrier) 또는 2차 에너지로 정의된다. 그렇지만 전기에너지와의 다른 점은 대량 저장이 용이하다. (전기에너지도 배터리로 저장할수 있으나 단위 무게 당 에너지 저장량이 적다는 단점이다.

그러므로 태양에너지 또는 풍력발전으로 생산하는 전기는 날씨, 밤낮에 따른 변화가 심하므로 전기구조로 이용하고 남은 전력을 이용하여 (전기분해로) 수소를 생산하여 저장한 후 다시 연료전지 등으로 전기로 바꾸어 이용할 수 있다.

또한 수소는 수송과정에서 손해률이 극히 적어장거리를 수송할 경우 전력송전보다 유리하다.

수소를 얻는 방법에는 물을 전기 분해하는 것과 화석 연료에서 수소를 분해하는 것이 있다. 두 가지 모두 많은 에너지가 필요하고, 화석 연료를 이용하면 대기 오염물질이 발생한다는 단점이 있다.

수소는 기체 중에서 가장 가볍고, 폭발의 위험이 매우 크기 때문에 이를 저장하려면 고도의 기술이 필요한 특징이 있다. 수소는 물을 전기분해하면 쉽게 얻어지나 발전효율은 최고 40%정도이고, 열에너지의 약 30%만이 수소에너지로 전환된다.

그래서 효율을 올리는 방법으로 열화학 분해법이 자주 적용되고 있다. 이것은 화학반응의 평형이 온도에 따라서 깨지는점을 이용하여 온도가 다른 2개의 열원을 사용해서 물을 분해하는 방법이다.

수소 가스의 저장법으로는 금속 산화물에 흡착시키는 방법이 유망하다. 마그네슘을 비롯하여 금속 중에는 수소를 잘 흡수하는 금속수산화물이 들어 있는데, 이를 수소저장합금이라고 한다.

이 합금은 일정량의 열을 가해서 압력을 감소시키면 흡수한 수소를 다시 방출하는 성질이 있다. 따라서 수소를 잘 흡수하는 금속분말에 흡착시켜 수송하거나 저장하기란 그리 어려운 문제가 아니다.

이 방법을 쓰면 가스를 저장하는 경우보다 1/3~1/5정도로 부피를 줄일 수 있고, 폭발될 염려도 없다.

​수소를 저장하는 또 다른 방법은 수소 기체를 액체로 바꾸는 것이다. 이렇게 되면 밀도가 800배나 높아져 연료로서 효율이 크게 올라간다.

하지만 수소액화 기술은 미국·일본 등 일부 선진국들이 주도하고 있는 어려운 기술이다. 언뜻 생각하면 압력만 높이면 특정 단계에서 액화될 것 같지만 그렇지 않다. 수소는 상온에서는 아무리 압력을 가해도 액체로 바뀌지 않는다.

기체가 액체로 바뀌기 위해서는 물질마다 특정한 온도조건, 즉 임계온도(critical temperature)가 필요하다. 임계온도 이상의 온도에서는 압력을 아무리 가해도 액체가 되지 않는다.

수소의 경우 임계온도가 영하 240도에 달한다. 통상 수소를 액화할 때는 압력을 높인 다음 열교환기를 통해 영하 253도까지 온도를 떨어뜨리는 방법을 쓴다. 또한 단위 부피 및 무게당 에너지 저장밀도가 가장 높고, 활용을 위해 다른 공정이 필요 없이 단순 기화만으로 즉시 활용이 가능하다는 장점이 있다.

하지만 액화수소의 생산을 위해 기체수소의 액화 공정이 필요한데 대규모의 시설투자가 필요하고, 단순 압축 저장 방식에 비해 많은 에너지가 필요함으로써 경제성 문제가 수반되는 게 단점이다.

​수소에너지는 주로 연료전지(fuel cell)를 써서 사용한다. 연료전지는 연료에너지를 전기에너지로 변화시킬 때 연료와 공기를 전극 표면에서 산화반응시켜 그 반응에 따라 얻어지는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 것이다.

화학에너지를 일단 열에너지로 변환시키므로 열기관을 사용하여 전기에너지로 바꾸는 보통의 발전 방식에 비해서 간단하고 효율적이다.

수소에너지는 석유를 연료로 삼는 모든 엔진과 석유를 열원으로써 쓰는 모든 연료분야에서 사용할 수 있다. 이미 1956년에 액체수소를 로켓 연료로 사용하기 위한 연구가 시작되었고, 아폴로 우주선의 새턴5형 로켓, 스페이스셔틀에서는 엔진용 연료로서 실용화되었다.

수소에너지를 이용한 수소자동차ㆍ수소비행기도 각국에서 경쟁적으로 개발하고 있으나, 아직 수소의 가격이 비싸 실용화 단계는 시일이 걸릴 것으로 전망되고 있다.

수소는 화학적으로 반응성이 높아 대부분 물, 화석연료, 식물 및 동물의 구성 원소로 존재한다. 따라서 수소는 일차 에너지원인 석탄, 석유, 천연가스, 석유 및 태양에너지를 이용하여 얻을 수 있는 이차 에너지원이다.

만약에 일차 에너지원인 수소를 경제적으로 생산할 수 있다면, 에너지 문제의 해결뿐만 아니라 국가의 안보 확보 및 지속 가능한 발전이 모두 가능하기 때문에 경제적인 수소 제조기술은 국가의 안보, 산업 및 환경 등 다양한 분야에서 매우 중요하게 활용된다.

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