내려갈 줄 모르는 비싼 기름값에 운전을 하시는 분들이라면 주유소에 붙어 있는 가격표를 항상 눈 여겨 보게 되실텐데요. 각종 카드 할인에 포인트까지 박박 긁어 모아 주유를 해도 여전히 비싼 기름값에 한숨부터 나오는 경우가 많이 있지요.
이렇게 천정부지로 솟아오르고 있는 기름값! 한정된 자원인데 반해 사용양은 많아지다 보니 기름값이 고공행진을 하는 것은 어쩔 수 없나 봅니다. 게다가 사용하면 사용할수록 나오는 지구온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소도 많이 배출된다고 하니 비싼 가격을 치루고 우리의 아름다운 지구를 아프게 한다고 생각하니 운전대를 놓고 싶어집니다.
최근에 새로운 에너지 자원에 대한 관심이 더욱 높아지고 있는데요. 특히 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 에너지 자원들, 태양광, 풍력, 수력 등을 활용한 많은 연구들이 진행되었고 실생활에 사용하고 있는 곳도 점차 많아지고 있습니다. 그러나 아직까지는 석유를 완벽하게 대체할 수는 없기 때문에 다른 에너지 자원에 대한 연구도 계속 진행되고 있는데요, 그 중 가장 많은 관심을 받고 있는 것이 바로 수소입니다.
수소는 주기율표에서 가장 첫 번째에 위치하고 있는 원소로, 지금까지 알려진 원소 중에 가장 가볍고 전 우주를 통틀어서 가장 많은 양을 차지하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 게다가 이 수소를 태울 경우 많은 에너지를 얻을 수 있고 타고 나면 물만 생기기 때문에 석유와 달리 온실가스 배출에 대한 걱정도 덜 수 있습니다. 이렇게 장점이 많은 수소!! 오늘은 차세대 에너지 자원으로 주목 받는 수소에 대해서 이야기 해보도록 하겠습니다.
우주에서 가장 풍부한 원소인 수소! 알고 보면 아침마다 멋진 장관을 연출해주고 우리에게 따사로움을 제공하는 태양도 이 수소를 이용해서 빛을 내고 있습니다. 우주에 풍부하게 존재하는 수소이지만 이상하게도 지구에는 수소가 상당히 적게 존재하고 있습니다. 그것은 수소가 너무 가벼운 기체이기 때문인데요, 산소나 질소, 이산화탄소는 수소보다 수 십 배나 무거워서 지구 중력이 꽉 붙잡고 있을 수 있지만 수소는 가벼워서 중력이 붙잡고 있을 수가 없어서 지구에서는 순수한 수소를 얻기가 어렵습니다.
그렇지만 실망할 필요는 없습니다. 수소를 직접 얻을 수는 없지만 수소원소는 어디나 항상 존재하고 있습니다. 오늘 아침에 타고 온 버스에도, 나무에도, 심지어 물에도 수소가 있기 때문에 이곳에서 다시 얻어내면 된답니다.
과학자들은 바로 이 수소를 물에서 만들어 내는 방법에 대해서 연구를 하고 있습니다. 물은 두 개의 수소와 하나의 산소로 이루어진 분자인데요, 물 분자 두 개를 분해하게 되면 두 개의 수소 분자와 한 개의 산소 분자가 만들어지게 됩니다. 그렇다면 물에서 수소를 어떻게 하면 얻을 수 있을까요?
가장 처음 연구되었던 방법은 전기를 흘려주어서 수소를 발생시키는 것인데요. 물에 전기를 흘려줄 경우 전자를 받은 물이 쪼개지면서 수소 기체가 발생하게 됩니다. 이렇게 손쉽게 수소를 만들 수 있는 방법이 있지만 한 가지 문제는 수소 기체를 만들 경우 너무 많은 에너지가 필요하다는 것입니다. 즉 수소를 만들 때 들어가는 에너지가 수소를 이용해 생산하는 에너지보다 많이 필요하다는 것이죠.
그래서 다른 방법을 고안하기 시작했는데요. 바로 재생 가능한 다른 에너지원들, 태양광, 풍력, 수력등과 같은 에너지 원을 이용해서 수소를 발생시키는 방법하고 있습니다. 크게 태양광을 이용한 방법과 천연가스를 이용한 방법 두가지가 있는데요.
첫 번째로는 태양에너지를 이용해 수소를 만들어 내는 과정은 직접 물을 분해 할 수 있는 광촉매를 물에 넣고 빛을 비추어 수소를 발생시키고, 두 번째로는 메탄올, 에탄올과 같은 알코올 종류나 또는 천연가스를 이용해서 수소를 발생시키는 법이 연구되고 있습니다. 이렇게 수소를 만들어 사용할 경우 기존보다 많은 양의 에너지를 얻을 수가 있어서 다양한 연구가 진행되고 있는데요, 실제로 외국에서는 시범적으로 가정에서 수소를 만들어서 에너지 원으로 쓰이는 곳도 있다고 합니다.
차세대 에너지 원인 수소! 어떻게 사용해야 할까요? 수소를 우리가 사용하는 석유처럼 사용할 수도 있지만 그보다 더 효율적으로 사용하는 방법이 있습니다. 연료전지를 이용할 경우 더 많은 에너지를 얻을 수 있는데요, 어떤 원리로 에너지를 얻는 걸까요?
기존에 발전소나 자동차 엔진에서 석유를 이용하는 방식은 석유를 태운 뒤에 이때 나오는 에너지를 다시 운동에너지로 바꾸고 또 다시 전기에너지로 바꾸는 과정을 거치게 됩니다. 이렇게 에너지를 다른 에너지로 바꾸는 경우 그 사이에 손실되는 에너지가 생겨서 효율이 매우 저하됩니다. 반면에 수소를 이용하는 연료전지는 바로 전기에너지를 만들기 때문에 상당히 효율이 높다는 장점이 있습니다.
그렇다면 연료전지는 어떻게 수소에서 바로 전기를 생산할 수 있는 것일까요?
연료전지에는 다른 전지들처럼 양극과 음극이 존재합니다. 음극에는 아주 특별한 물질이 있는데 수소에서 전자하나를 분리해내는 촉매가 들어 있습니다. 그래서 수소가 들어오게 되면 촉매는 열심히 수소에서 전자를 분리하기 시작하고 수소는 촉매에 의해 전자를 잃은 이온이 되게 하는데 수소이온은 나중에 분리된 전자와 그리고 양극에 있는 산소와 만나서 물이 되게 됩니다. 그리고 수소에서 분리되었던 전자는 외부로 연결된 전선을 따라 돌면서 전기를 생산하게 됩니다.
연료전지는 어느 곳에서나 사용될 수 있지만 특히 자동차에 사용되기 위해서는 수소를 담아둘 용기가 필요하게 됩니다. 우리가 일반적으로 아는 가스통을 이용하면 되지 않을까 라고 생각할 수 있지만 쉽지가 않습니다. 수소는 가벼운 기체이고 액체로 만들기도 어려운 것으로 유명합니다. 산소에 경우 영하 186가 되면 액체가 되고 질소에 경우 영하 196가 되면 액체가 되지만 수소 무려 영하 253도가 되어야만 액체가 됩니다. 또 다른 기체와 달리 수소는 아주 적은 양만 있어도 많은 부피를 차지하기 때문에 많은 양을 필요로 하는 자동차에 수소를 저장하는 것이 어렵습니다.
그래서 특수 용기에 대한 연구가 진행되고 있는데요, 높은 고압의 수소에도 견딜 수 있는 통을 제작하는 것에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 또 아주 저온인 액체수소를 저장하는 것에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있는데 독일에서는 이미 상용화되어 있습니다.
한화케미칼은 기존 저장 방식을 대체할 수소 저장 물질을 개발하기 위해 지난 2006년 이후 국내 석학들과 나노 기술을 활용한 고형화 수소저장물질 개발을 위한 공동연구를 수행하고 있습니다. 향후 개발된 수소 저장 물질 및 저장모듈에 대한 양산 설비를 구축하고, 나아가 수소 경제에 필수적인 수소 제조, 저장 및 유통 분야 등으로 사업을 확장해 나갈 계획입니다.
지금까지 수소에 대해서 알아보았는데요, 아직은 수소를 직접사용하기 위해서는 넘어야 할 산이 많지만 기분 좋은 소식은 우리나라에서 세계에서 가장 효율이 좋은 수소로 가는 차를 개발했다고 합니다. 곧 있으면 도로 위뿐 만 아니라 생활 곳곳에서 수소에너지를 쓸 날이 얼마 안 남은 것 같네요.
- 참고문헌 –
한화케미칼 http://hcc.hanwha.co.kr
한화케미칼 블로그 http://www.chemidream.com/
General Chemistry, Thomson, Whitten, Davis, Peck, Stanley
화학으로 이루어진 세상, 에코리브르, K. 메데페셀헤르만외 2명
에너지 관리공단 신재생에너지센터 http://www.energy.or.kr/knrec/index.asp
