미래 경제패권 바꿀 ‘수소 문명’… 全주기 걸쳐 생태계 구축해야 [한국과학기술연구원(KIST) 함께하는 과학 다이브]
세상에서 가장 가벼운 기체 ‘수소’무게당 연소열, 메탄·가솔린의 3배 연소 후엔 물만 남아… 오염물질 ‘0’전기와도 양방향 전환 가능해 유용화석연료 문명과 다른 접근법 필요탄소중립시대, 다양한 생산법 강구폭발 위험 탓 저장·이송 해결도 시급글로벌 리더십 확보의 중요 밑거름
산업혁명이 본격화된 19세기 이후 현재까지의 시간은 현생인류의 역사에서 0.05% 정도 비중에 불과한 짧은 시간이다. 하지만 이 찰나의 순간에 일어난 과학기술의 발전은 35만년 인류사를 통틀어 가장 급진적이고 압도적인 양상을 띠고 있다. 이렇게 단 200여년 만에 인류의 생활상을 완전히 뒤바꾼 결정적인 과학기술 중 하나는 석탄과 석유, 즉 화석연료의 발견과 대규모 이용이다. 오늘날에도 전 세계 에너지 수요의 80% 이상을 담당하고 있는 화석연료는 현대 물질문명의 기반을 이루고 있는 3대 핵심자원인 철, 비료, 플라스틱의 대량 생산을 가능케 하는 가장 중요한 에너지원이기도 하다.
산업혁명 시대 석탄을 사용해 철강을 생산했던 고로제철공정은 지금도 전 세계 철강 제품 생산량의 70%를 담당하고 있다. 인류의 오랜 숙원이었던 식량문제의 해결 역시 화석연료가 없었다면 불가능한 일이다. 1913년 하버·보슈법으로 탄생한 질소비료는 획기적인 식량 증산으로 10억명 남짓의 세계 인구를 불과 100년 만에 80억명까지 급증시켰다. 질소비료의 원료인 암모니아는 질소와 수소의 반응으로 합성된다. 이에 필요한 대량의 수소를 저렴한 단가로 공급하는 데는 메탄 같은 천연가스의 이용이 절대적이다.
1902년 최초의 상업용 합성수지 베이클라이트의 개발과 함께 등장한 플라스틱도 부자와 가난한 사람을 가릴 것 없이 인류 전반의 생활수준을 빠르게 향상시킨 일등 공신이다. 인간의 생활에서 어떤 소재가 주로 사용됐는지를 기준으로 역사를 석기, 청동기, 철기 시대로 구분하는 방식에 따르면 현재 우리가 사는 시대는 플라스틱기라 해도 과언이 아니다. 어떤 소재도 범접하기 힘든 가성비와 내구성으로 이제 일상생활과 산업 전반에서 없어서는 안 될 필수품이 된 이 기적의 소재 역시 석유화학산업의 결과물이다.
하지만 인류에게 전례 없는 물질적 자유와 풍요의 시대를 선사한 화석연료 문명이 영원히 지속가능할 수 없다는 사실은 이제 지구촌 모두의 공통적인 상식이 됐다. 지난 150년간 지구의 온난화 가스인 이산화탄소 농도는 지속해서 증가했으며 그 결과 지구의 평균 기온은 1.5도 상승했고 그 상승 속도는 더 가속화하고 있다. 이와 함께 미세먼지, 미세플라스틱 등 인류의 생활에 큰 위협을 가하는 요소들이 등장하고 있다. 빠른 시일 내에 화석연료를 대체할 새로운 에너지원을 찾지 못한다면 빛의 속도로 발전해 온 현대문명은 그만큼 더 급격한 쇠락의 충격을 피할 수 없게 될 것이 분명하다.
화석연료의 대안으로 거론되는 미래 에너지원 중 가장 이상적인 것은 무한청정의 태양에너지다. 지구 표면에 쏟아지는 햇빛의 시간당 조사량은 전 세계의 연간 에너지 사용량 15테라와트의 약 1만 배가 넘는다. 이는 태양광 조사량의 0.1%만 활용해도 인류의 에너지 수요를 모두 충족할 수 있다는 의미다. 또한 햇빛과 물, 이산화탄소만으로 탄수화물을 만드는 식물의 광합성 원리를 이용하면 인류에게 필요한 화학소재들도 대량생산할 수 있다. 하지만 이는 너무 요원하기만 한 꿈이다. 그렇다면 과연 화석연료를 실제로 대체할 수 있는 에너지원은 무엇일까.
현재 거론되고 있는 미래 에너지원 중 가장 실질적이고 구체적인 대안이 수소 에너지라는 데는 별다른 이견이 없다. 물과 유기화합물의 형태로 자연 어디에나 존재하는 수소는 이론상 생산량이 무제한에 가깝다. 단위 무게당 연소열은 메탄, 가솔린의 2~3배이며 연소 후에도 순수한 물만 남고 오염물질이 생성되지 않는다. 21세기의 가장 중요한 동력원인 전기와도 양방향 전환이 가능하다. 근대과학의 여명기부터 꾸준히 지속된 연구와 응용으로 생산과 활용 모두에서 이미 상당한 기술과 지식이 축적돼 있다는 것도 강점이다.
하지만 수소 에너지 시대의 실현을 위해서는 유념해야 할 것이 있다. 수소 문명의 도래를 위해서는 지금까지의 화석연료 문명과 사뭇 다른 접근법이 필요하다는 것이다. 화석연료 문명의 시작은 석탄과 석유라는 원료의 확보에서부터 출발했다. 그리고 점차 이를 활용할 수 있는 다양한 방법론들이 개발되며 소재와 산업의 탄생으로 이어졌다. 반면 수소문명은 수소의 생산, 저장과 이송, 활용의 전 주기에 걸쳐 생태계 조성이 우선돼야 한다. 어느 한 부문의 기술혁신만으로는 수소문명 진입을 기대하기 어려운 것도 이 때문이다.
화석연료를 완전히 대체할 만큼 대량으로 수소를 얻는 일은 그리 쉽지 않다. 석탄, 석유, 천연가스처럼 비교적 손쉽게 캐거나 뽑아 쓸 수 있는 게 아니라 많은 에너지를 투입해 인위적으로 추출해야 하는 자원이다. 궁극의 친환경 수소 생산 방식인 수전해 기술의 고도화도 중요하지만 화석연료 기반이면서도 이산화탄소를 배출하지 않는 청록수소, 원자력의 열과 전기를 활용하는 핑크수소, 땅속에 매장돼 있는 천연수소까지 다양한 방법론이 강구돼야 한다. 탄소중립 시대의 상반된 시대적 요구인 경제성과 친환경성을 동시에 확보할 수 있는 수소 생산 기술이라면 어떤 것이든 모두 도전해야 한다.
또한 수소는 세상에서 가장 가벼운 기체다. 단위 무게당 연소열로 보면 같은 무게의 무연탄, 휘발유, 천연가스보다 몇 배의 에너지를 낼 수 있다. 하지만 부피를 기준으로 삼으면 상황이 전혀 달라진다. 수소는 압축이나 액화가 쉽지 않아 화석연료에 비해 에너지 밀도가 현저히 떨어지게 된다. 자칫 폭발의 위험도 있다. 이는 대용량의 수소를 저장하고 이송하려면 엄청나게 큰 용기가 필요하다는 말이 된다. 따라서 수소를 실용적인 에너지 운반체로 활용하기 위해서는 최대한 부피를 줄이는 기술이 필요하다. 현재 가장 대표적인 저장·이송 기술은 수소를 –253℃로 액화해 고가의 고압탱크로 옮기는 방법이다. 수소 기체는 희토류와 전이금속에 아주 잘 흡수되는 특성이 있다. 이런 성질은 수소의 생산과 저장에서 유용하게 이용되기도 하지만, 수소를 흡수한 물질이 부서지기 쉬워 저장 탱크나 기체용 배관을 고안하는 데 어려움을 야기하기도 한다. 수소 사회로의 진입에서 소홀히 생각할 수 있는 저장, 이송 문제야말로 시급하게 해결해야 하는 부분이다.
수소의 안전하고 효율적인 저장과 이송 기술은 향후 그린수소의 국제교역을 위해서도 필수적이다. 수전해 수소 생산에 사용되는 전기는 재생에너지로부터 얻어야 한다. 하지만 태양광, 풍력, 지열 같은 재생에너지 자원의 지역 간 격차는 매우 심하다. 넓은 국토와 긴 일조량의 미국과 호주, 긴 해안선을 가진 칠레, 지열이 풍부한 아이슬란드처럼 재생에너지 자원이 풍부한 국가들과 자연조건이 불리한 지역의 수소 생산단가에서 큰 차이가 나게 되는 만큼 교역이 활발해질 수밖에 없다. 우리나라 역시 균일하고 안정적인 재생에너지 공급이 어려운 환경임을 고려할 때 효과적인 수소 저장과 이송 기술의 개발은 친환경 수소 생산만큼이나 전략적으로 접근해야 할 사안이다. 향후 분업화 가능성이 높은 글로벌 수소 밸류체인 내에서 한국이 취할 수 있는 가장 좋은 선택지는 고부가가치 수소 기술의 수출국 지위를 선점하는 것, 그리고 이를 바탕으로 재생에너지 자원이 풍부한 국가들로부터 저렴하게 수소를 공급받을 수 있는 생산기지 현지화 전략일 것이다.
마지막으로 활용에 대해 생각해 보자. 친환경적으로 생산된 뒤 안전하고 효율적인 저장·이송 과정을 거친 수소의 최종적인 소비처는 크고 작은 형태의 수소연료전지다. 수소연료전지는 그 자체가 작은 발전소다. 차량과 선박 같은 이동수단뿐만 아니라 도심과 산업단지처럼 필요한 곳에 설치해 소규모 발전소로 이용할 수 있다. 여기서 전기는 물 분해의 역반응을 통해 발생되는데 대기 중의 산소와 수소를 결합시키는 과정에서 대기오염물질과 미세먼지를 정화하는 대형 공기청정기 역할도 하게 된다. 태양광, 풍력처럼 생산시간이 고르지 않고 남으면 버려지던 재생에너지를 장시간 저장할 수 있는 에너지저장시스템으로도 활용할 수 있다.
수소의 활용처는 비단 에너지 분야뿐만이 아니다. 화석연료가 담당해 온 핵심소재들의 생산에서도 수소는 큰 역할을 하게 될 것으로 기대를 모으고 있다. 석탄을 이용해 철강을 제조해 온 고로제철공정이 수소를 사용하는 수소환원제철법으로 전환될 것이고, 플라스틱은 석유화학산업이 아닌 바이오매스로부터 얻어지게 될 것이다.
플라스틱의 기존 원료인 화석연료는 동식물에서부터 비롯된 유기물이다. 동식물의 주요 구성원소인 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N) 중에서 오랜 기간에 걸쳐 산소와 질소가 제거되고 탄소와 수소만 남게 된 것이다. 현재 석유화학산업에서 플라스틱의 생산은 대부분 이들 남은 탄소와 수소에 다시 산소를 적절히 붙여 주는 부분산화반응을 통해 이뤄진다. 이렇게 합성된 부분산화물질을 고분자화한 것이 플라스틱이다. 이는 결국 화석연료와 출발점이 같은 바이오매스로부터 플라스틱을 얻을 수 있다는 것을 의미하는 것이기도 하다. 바이오매스가 화석연료와 다른 점은 지층이 아닌 상온상압의 대기 중에 존재하고 있어 산소를 많이 포함하고 있다는 것이다. 이런 과량의 산소를 제거할 수 있는 최적의 방법은 수소로 환원하는 것이다. 물론 바이오매스의 부분환원 기술과 이를 통한 플라스틱의 생산은 여전히 어려운 일이지만 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있는 만큼 실현 가능성은 계속해서 높아지고 있다.
지난 200여년간 화석연료의 도움으로 전례 없는 호시절을 구가해 온 세계는 이제 수소라는 새로운 친환경 에너지원의 개발을 통해 지구 생태계와 인류 사회의 상생이라는 한 차원 고도화된 문명 건설에 도전하고 있다. 가까운 미래가 될 수소 문명의 시대는 화석연료 자원이 없는 우리나라에 새로운 기회의 장이기도 하다. 지식과 기술만 있다면 얼마든지 새로운 에너지 패러다임의 주도권을 쥘 수 있는 공정하고 평등한 출발선이 열리는 셈이기 때문이다. 수소의 생산, 저장과 이송, 활용 전 주기에 걸친 고른 기술 개발과 생태계 구축에 대한 관심과 노력이 전 지구적인 환경문제의 해결은 물론 화석연료가 좌우해 온 세계의 권력지도와 경제지형까지 뒤바꾸게 될 수소문명 시대, 한국의 글로벌 리더십 확보의 가장 중요한 밑거름이 될 것으로 기대한다.
■이관영 전략연구단장은
우리나라의 화학공학과 에너지공학 분야를 대표하는 학자다. 고려대에서 30년 넘게 교수로 재직했으며 연구부총장을 지내는 등 대학 발전에 크게 이바지했다. 최근 한국과학기술연구원으로 자리를 옮겨 정부의 글로벌 톱 사업인 ‘청정수소 저장, 활용 전략연구단’을 수주하고 단장으로 활동하며 수소 사회로의 진입에 기여하고자 노력하고 있다.
이관영 KIST 청정수소저장·활용 전략연구단장
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