‘보일러만 거꾸로가 아니다’ 그린 수소 시대 앞당길 차세대 수소 생산 기술은? [고든 정의 테크+]

친환경 미래 에너지로 수소가 자주 거론되지만 사실은 불편한 진실이 숨어 있습니다. 수소 자체는 우주에서 가장 흔한 원소로 고갈 걱정이 없고 부산물로 물만 남는 친환경 연료지만, 수소를 만드는 과정은 대개 친환경과는 거리가 멀죠.

현재 산업용으로 사용되는 수소는 석유화학 공정의 부산물이나 천연가스를 이용해서 생산되기 때문에 솔직히 말해서 화석연료나 다를 바 없습니다. 이렇게 화석 연료를 이용해 만들어낸 수소를 ‘그레이 수소’라고 부릅니다. 실질적으로 우리가 사용하는 수소의 대부분을 차지합니다. 그레이 수소 가운데 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집해서 따로 저장하면 ‘블루 수소’, 100% 친환경적 방법으로 생산되는 수소를 ‘그린 수소’라고 하는데. 이들 모두 생산 비중은 아직 미미합니다.

사실 수소는 매우 낮은 온도에서 액체 상태가 되고 폭발 및 화재 위험성이 커 다루기가 까다로운 연료입니다. 화석 연료를 태워서 화석 연료보다 사용하기 힘든 수소를 만들어 미래 에너지원으로 쓴다는 것이 논리적으로 말이 되지 않기에 미래 수소 경제를 위해서는 그린 수소 생산에 집중할 수밖에 없습니다.

태양 에너지나 풍력 같은 신재생 에너지를 이용한 그린 수소는 생산 단가가 매우 높습니다. 신재생 에너지 자체가 비싸기도 하거니와 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 과정 또한 저렴하지 않습니다. 그래서 몇몇 과학자는 친환경 에너지로 전기를 생산한 뒤 물의 전기 분해해 수소를 얻는 복잡한 과정 대신 한 번에 수소를 생산할 수 있는 대안을 연구하고 있습니다.

태양열을 이용한 태양 열화학 공정(solar thermochemical process)이 대안입니다. 기본적으로 열화학 방식은 물에 높은 열을 가하면 수소와 산소로 분해되는 현상을 이용합니다. 가능하면 온도를 낮추는 것이 대량 생산에 유리하기에 과학자들은 온도를 낮출 촉매 개발에 집중하고 있습니다. 동시에 태양 에너지를 어떻게 모으는 것이 가장 효율적인지에 대한 연구도 이뤄지고 있습니다.

호주연방과학원(CSIRO) 과학자들은 일반적인 태양열 집광 시스템과 반대로 위가 아닌 아래쪽으로 태양 에너지를 모르는 빔다운(beam down) 방식의 태양열 수소 생산 시스템을 개발했습니다. (사진) 일반적인 태양열 집열 시스템은 여러 개의 거울을 이용해 태양열을 높은 타워 꼭대기로 모아 물을 끓이거나 용융염을 가열합니다. 하지만 연구팀의 빔다운 시스템은 거울을 이용해 한 번 더 태양광을 반사해 아래쪽에 있는 반응 용기에 열을 더 집중합니다.





반응 용기 안에는 촉매 역할을 하는 산화세륨(Ceria, CeO2)이 들어 있는데, 높은 온도로 가열하면 물 분자에서 산소를 빼앗아 순수 수소만 남기는 열화학 반응을 일으킵니다. 반응 뒤에도 산화세륨이 남기 때문에 계속해서 사용할 수 있습니다.

연구팀은 빔다운 방식 태양열 시스템으로 20%라는 매우 우수한 에너지 전환 효율을 달성했다고 발표했습니다. 대부분 15% 정도에 그친 기존의 태양 열화학 반응 기술보다 훨씬 높은 효율입니다. 기존 그레이 수소보다 제조 단가가 높을 것으로 생각되지만 호주처럼 뜨거운 사막이 많은 국가에서는 상대적으로 유망한 그린 수소 생산 기술로 주목됩니다.

어떤 형태의 그린 수소이든 기존 연료보다는 비쌀 수밖에 없을 것입니다. 그러나 최대한 저렴하게 대량 생산하는 기술이 등장하면 그린 수소의 비중은 더 높아질 수 있습니다. 그린 수소는 수소차나 트럭 같은 운송 수단뿐 아니라 수소연료전지 발전, 수소환원제철처럼 친환경 산업의 미래 에너지원으로 큰 역할을 할 수 있을 것입니다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com