미래 수소 에너지 저장 우리에게 맡겨라

국제 유가가 최근에도 여전히 고공행진을 계속하고 있는 가운데, 중국 등 후발 공업국들의 수요 급증에 따라 화석 연료의 고갈이 더욱 앞당겨질지 모른다는 우려 섞인 전망이 고개를 들고 있다. 이에 따라 세계 각국은 ‘수소’를 차세대 에너지 수단으로 활용하기 위하여 더 많은 노력을 기울이고 있고, 에너지의 상당 부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라 역시 ‘수소경제 시대’에 큰 관심을 쏟고 있다.

지구상에 존재하는 대부분의 수소 원자는 물의 형태를 이루고 있어서, 전기 분해 등의 방법을 통하여 수소를 얻어야 하는데, 물론 수소 자체를 에너지의 원천으로 보기는 어렵다. 그러나 에너지의 저장, 운반 및 활용 매체로서 수소가 장차 핵심적인 역할을 하리라는 데에는 많은 사람들이 공감하고 있는 듯하다.

수소가 차세대 에너지로서 각광을 받는 이유는 중동 등의 특정 지역에 매장량이 밀집된 석유와는 달리, 물을 통하여 지구 어디에서나 얻을 수 있는 ‘평등한’ 에너지라는 점, 연소할 때 공해물질을 거의 배출하지 않는 청정 에너지라는 점 등 여러 가지를 꼽을 수 있을 것이다.

그러나 수소는 자체의 특성 상 다루기가 매우 까다로운 물질이다. 가장 가벼운 기체이며 끓는점이 영하 252.9 ℃의 극저온이기 때문에, 새어나가기가 쉽고 저장이 그만큼 어렵다. 고압으로 수소를 압축하거나 LPG(액화석유가스)나 LNG(액화천연가스)처럼 액화시켜서 사용하려면 엄청난 비용 부담이 따르며, 폭발성에 따른 위험도 크다.

따라서 수소를 안전하고 효과적으로 저장하기 위한 방안들이 그 동안 많이 연구되어 왔는데, 수소를 합금의 격자 안에 끼워서 보관하는 ‘수소저장 합금’도 그 한 예이다. 그러나 이 방법은 엄청난 무게와 부피의 합금을 필요로 하기 때문에 실용화가 극히 어렵다는 문제가 있다.

이런 가운데, 최근 국내에서 수소저장법에 관한 독특하고도 획기적인 연구 결과가 나와서 주목을 받고 있다. 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이흔 교수팀이 수소 분자를 얼음 입자 속에 저장할 수 있다는 사실을 세계 처음으로 밝혀내는 데 성공한 것인데, 관련 논문은 저명한 과학저널 ‘네이처’의 '주목해야 할 논문‘으로 실린 바 있다.

이 연구팀은 0℃ 도 부근에서 수소 분자가 얼음 입자 안에 만들어진 미세한 공간에 저장될 수 있다는 전혀 새로운 자연현상을 규명했는데, 순수한 물에 ‘테트라히드로푸란’이라는 유기물을 미량 첨가하여 얼음 입자를 만들었더니 무수히 많은 나노 크기의 축구공 같은 공간이 생기면서 수소가 안정적으로 저장되었다고 한다.

이번 연구 결과는 새로운 수소저장 해법으로 이어질 수도 있다는 점에서 커다란 관심을 모으고 있다. 연구팀이 영상 3-4도의 온도에서 수소가 저장되고, 수소를 포함하고 있는 얼음 입자가 상온에서 물로 변할 때 저장된 수소가 자연적으로 방출된다는 것도 아울러 밝혀냈기 때문이다.

이렇게 되면, 수소의 저장과 방출이 짧은 시간 내에 단순한 과정을 통하여 진행되기 때문에 수소의 활용 및 순환 시스템을 갖추는 데 보다 편리하고 경제적일 수도 있다.

저장매체로 쓰는 얼음은 물을 얼리면 만들어지므로 어디서나 쉽게 얻을 수가 있고, 거대한 얼음 창고와 같은 공간에 수소를 대규모로 저장할 수도 있다. 게다가 앞으로 실용화 연구를 진전시키면, 수소 자동차나 수소 연료전지 등에도 이용할 수 있을 것이다.

그러나 이와 같은 ‘얼음 수소’가 실용화되기 위해서는 아직 몇 가지 과제가 남아 있다. 가장 중요한 것은, 얼음 대비 저장되는 수소의 비율을 높이는 문제이다. 현행 가솔린 자동차의 에너지 효율을 감안할 경우, 미국 에너지성이 밝힌 기준에 따르면, 수소 저장률이 최소한 6% 이상 되어야 실용성을 인정받을 수 있으며 경제성을 좀 더 확보하려면 저장률이 10% 이상은 되어야 한다는 것이 수소에너지 전문가들의 견해이다.

또한 얼음 수소를 연료로 하는 자동차가 나오려면, 기존의 수소 자동차나 수소 연료전지 자동차와는 다른 새로운 매커니즘을 개발하여야 한다는 것이다.

현재 얼음 입자 안에 저장할 수 있는 수소의 비율은 4% 수준으로, 연구 팀은 얼음 내부의 공간을 넓히는 방법 등 수소 저장률을 더욱 높이기 위한 연구에 박차를 가하고 있다고 한다.

얼음 수소라는 새롭고 독특한 아이디어의 실용화 연구가 앞으로 큰 진전을 이루어서, 얼음을 넣고 달리는 자동차를 타고 다니면서 주유소나 LPG 충전소 대신 얼음 창고를 갖춘 ‘수소 충전소’에서 연료를 보충할 수 있게 되길, 나아가서는 우리나라도 수소 경제 시대의 원천기술을 가진 나라가 되기를 간절히 기대해 본다. (글: 최성우 - 한국과학기술인연합 운영위원)

출처 : KISTI의 과학향기