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희귀하지만 쉽게 만들 수 있는 수소에너지

  • 2015.03.20.
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수소에너지

 

우리가 숨 쉬는 공기는?
우리가 숨 쉬는 공기 중에 가장 많이 있는 것은 무엇일까요?
그건 바로 질소입니다.

채적비, 즉 대기에서 차지하고 있는 부피로 따지면 무려 78.084%가 질소죠.
그래서 과자포장도 지구의 환경과 비슷하게 하는 것일까요?

그 다음으로 많은 것은 우리에게 아주 중요한 산소가 20.946%이고 다음이 아르곤과 이산화탄소 등입니다.
수소는 그 외에 0.005%의 공기 중 미량 성분으로 분류되어 있습니다.
그 양은 불과 0.5ppm 즉, 0.5%의 백만분의 일 정도밖에 없습니다.

그리고 그 대부분도 수소의 가벼운 무게 때문에 지구 대기층의 가장 바깥인 외기층에 헬륨과 함께 존재하며 가끔은 우주로 날아가 버리기도 합니다.

하지만 수소는 그 희귀성에 비해 쉽게 만들 수 있습니다.
물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생되지요.

이렇게 생산하기 쉽기 때문에 과거에는 비행선 등에 사용되기도 했습니다.
하지만 수소는 가연성, 폭발성을 가지고 있는 기체죠. 그렇다보니 항상 위험이 따라 다니는데요.

1837년 독일의 체벌린형 비행선인 힌덴부르크 호가 뉴저지에 착륙하는 과정에서 폭발로 인해 전소된 사건은 오늘날에도 이야기될 정도로 유명합니다. 그래서 오늘날에는 풍선이나 비행선, 애드벌룬 등에 수소 대신 값이 더 비싼 헬륨을 사용하고 있습니다.

하지만 이와 함께 수소의 특성, 즉 가연성과 폭발하는 성질을 에너지로 활용할 수 있는 방법에 대해서 생각하게 됩니다.
이번에는 이신재생에너지로써 수소의 다양한 모습을 알아보도록 하겠습니다.

 

수소만들기

 

◆ 물과 전기만 있다면

대기 중에 존재하는 순수한 수소의 비율은 위에서 언급한 것처럼 매우 극소량입니다.
하지만 자연계 전체로 보면 수소는 아주 흔한 물질이기도 합니다.

먼저 물을 이야기해보면, 물은 수소분자 둘과 산소분자 하나로 이루어져 있습니다.
그리고 지구에서 차지하는 비중이 상당합니다. 뿐만 아니라 탄화수소 등의 물질에도 수소가 포함되어 있습니다.
이렇듯 수소는 항상 산소나 탄소와 결합된 형태로 자연계에 존재합니다.

그렇지만 이 상태로는 우리가 에너지를 얻을 수 없기 때문에 산소나 탄소와 결합된 수소를 분리해야 합니다.
가장 쉬운 분리는 물의 전기 분리일 텐데요.

하지만 이 방법은 사용되는 에너지에 비해 생산량이 많이 떨어집니다.
발전을 위해 사용하는 열에너지의 약 30% 정도의 에너지를 생산할 수 있는 수소를 얻을 수 있으니까요.

 

그래서 사람들은 보다 값싸고 효율적인 방법을 찾기 시작했습니다.
그중 현재 가장 많이 사용되는 방법은 천연가스 중 메탄을 수증기와 반응시켜 수소를 얻는 방법입니다.
이 방법은 처음에는 석탄과 수증기를 반응시키는 방법에서 시작되었습니다.

20세기 초에는 이 방법으로 얻은 수소와 일산화탄산수소가 각 50%인 타운가스라는 가스가 가정에 공급되기도 했습니다.
하지만 일산화탄산가스 중독의 위험과 값싼 천연가스의 발견으로 사라진 방법이죠.

메탄을 고온의 수증기와 니켈촉매를 통해 반응시켜 얻은 가스는 순도는 낮지만 저렴하게 수소를 생산할 수 있는 방법입니다. 그리고 전기분해를 보다 발전시킨 고온전기분해 방법이 있습니다.

고온의 수증기를 전기분해하면 상온보다 적은 전력으로 전기분해를 할 수 있죠.
이 방법은 고온의 열원이 있을 경우에 상당히 유리한 방법이죠.

그 다음으로 800도의 고온에서 화학적인 과정을 거쳐 분해하는 열화학분해법, 광전기, 또는 광촉매법으로 불리는 광전기를 만드는 반도체와 태양광을 이용하는 방법, 갈조류와 같은 미생물을 이용하는 광생물학법등이 있습니다.

이렇게 우리는 수소를 생산하는 방법을 점점 더 발달시켜가고 있습니다.
그런데 그렇게 얻은 수소는 어떻게 보관해야 좋을까요?

 

수소를 에너지로

 

◆ 수소를 에너지로?

키아누 리브스가 출연한 1996년도 영화 ‘체인 리액션’에서 물을 분해해 얻은 수소로 발전을 하는 설비가 등장합니다.
하지만 이 발전기는 마지막에 핵폭탄과 맞먹는 큰 폭발을 일으키게 되죠. 위에서 잠시 언급한 힌덴부르크호의 비극이나 이런 영화의 예를 들지 않더라도 실제로 수소는 매우 위험한 물질입니다.

이렇듯 수소는 매우 높은 가연성, 폭발성을 가지고 있기 때문에 아무렇게나 보관을 하면 자칫 큰 사고로 이어질 수가 있습니다.

이렇게 불안정하고 위험하기 때문에 초기 수소자동차 소식이 들렸을 때 사람들은 교통사고라도 나면 큰 폭발로 이어지는 것이 아닌가 하는 걱정을 했습니다. 그도 그럴 것이 우리에게는 수소폭탄의 이미지가 너무 강하기 때문이죠.

하지만 이때 사용되는 수소는 중수소라고 해서 우리가 사용하는 수소처럼 양성자 하나 전자 하나로 구성된 것이 아니라 양성자 하나에 중성자 하나로 구성된 중수소라는 물질입니다.

 

물론 우리가 아는 수소 자체도 위험한 물질이기는 하지만 수소폭탄에 사용되는 것과는 다른 물질이죠.

이것을 핵의 폭발력을 이용해 융합시켜 폭발력을 극대화시키는 것이죠.
이 수소폭탄은 일반 핵 폭탄에 비해 큰 폭발력을 가졌지만 방사능이 대량으로 발생하지 않기 때문에 비교적 깨끗한 폭탄이라는 아이러니한 평가를 받고 있기도 합니다.

물론 폭탄 자체는 좋은 것이 아니지만 핵 폭탄보다 거대한 폭발력을 가졌으면서도 깨끗하다는 평가를 받는 점에 주목해볼 만합니다. 하지만 아무리 깨끗하다고 해도 위험하다면 사용하기 어렵고 불안하지 않을까요?

 

지금은 마그네슘 등의 수소를 잘 흡수하는 금속분말을 이용해서 수소를 저장하는 방법이 개발되어 있기 때문에 안정성이 매우 높아졌습니다. 이것은 부피가 1/3~1/5까지 줄어들 뿐 아니라 폭발의 위험성도 없습니다.

이렇게 흡착된 수소를 다시 꺼내는 과정도 일정한 열과 압력만 가하면 다시 수소를 방출하기 때문에 필요한 양을 조금씩 꺼내서 안전하게 사용할 수 있죠.

그리고 최근 수소에너지의 이용법은 수소를 연소시키는 것이 아니라 수소저장합금을 산소와 만나게 해서 이 산화 과정에서 발생하는 전기를 이용하는 수소 전지입니다. 이 과정에서 발생하는 것은 전기와 물뿐이죠.

이 기술은 우주에서도 사용되고 있습니다.
수소와 산소로 전기를 생산하고 그 과정에서 만들어지는 물은 식수로 사용합니다.

게다가 우리 주변에 물 등 수소를 포함한 물질이 풍부할 뿐 아니라 에너지 생산 과정에서 발생한 물을 다시 분해해 사용하는 등 지속적이고 순환적인 에너지입니다. 전기와는 달리 에너지를 사용하지 않을 경우 저장해 놓기도 쉽다는 장점이 있죠.

하지만 수소에너지에도 분명 단점이 있습니다.
발화나 폭발의 위험성입니다. 수소는 발화가 잘 될 뿐 아니라 수소화염은 색이 없기 때문에 화염의 정도를 파악하기가 쉽지 않습니다. 하지만 이는 위에서 말한 수소저장합금을 이용하면 해결되기 때문에 큰 문제는 아니죠.

하지만 그보다 큰 문제가 있습니다. 그것은 수소를 생산하는 비용이 너무 크다는 점이죠.
수소를 생산하는 다양한 방법들이 개발되었지만 아직은 생산비용이 높아 한정된 곳에서만 사용하는 수준입니다.

 

◆ 우리 곁에 올 수 있을까?

이렇게 생산비용이 높지만 수소를 보다 값싸게 생산하는 방법은 꾸준히 개발되고 있습니다.
이 중 주목할 만한 기술은 광화학반응, 반도체와 태양에너지 등의 방법의 효율성이 보다 높아진다면 충분히 사용될 수 있습니다.

게다가 화석연료가 고갈된다면 아무리 비싸다고 해도 이용할 수밖에 없기도 하죠.

지금 우리가 살펴보고 있는 신재생에너지도 바로 화석연료 고갈에 대비한 면이 크고, 그와 함께 지금까지 에너지 생산 과정에서 피치 못하게 발생했던 오염물질들을 최대한 줄일 수 있는 에너지 생산방법을 찾아낸다는 의의도 큽니다.

그런 점에서 수소에너지는 아직 생산가격이 비싸기는 하지만 청정한 에너지원인 것은 확실합니다.
우리의 미래. 수소에너지를 더욱 가까이 할 수 있을까요?

 

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