[21세기 과학 대탐험](6)신에너지 기술
◆첨단 에너지 개발로 본 미래상.
풍요로운 삶을 이끌기 위한 첨단기술 개발에 열중인 S연구소 김 박사.그는모든 과학자들이 그렇듯이 21세기의 사회적 요구를 분석해 기술확보 전략을마련하고,신기술을 개발하는 데 전력투구하고 있다.김 박사가 몸담고 있는분야는 미래의 에너지원 개발이다.그의 노력으로 해결할 수 있는 에너지 분야는 무한 청정에너지 확보와 휴대용 전자기기의 이동전원인 연료전지.무공해 신에너지 개발은 인류가 지구상에서 살아남기 위해 반드시 해결해야 할문제이고,연료전지는 정보통신시대를 가능케 하는 기반기술이기 때문에 다른연구 프로젝트보다 관심이 집중돼 있다.수만년간 축적해 온 화석연료를 지난1세기동안 거의 탕진해 버린 지구촌 인간들이 앞으로 20년이면 현실로 닥칠 에너지원의 고갈에 따른 문제를 어떻게 풀어나갈 것인가? 또한 이 때문에 더욱 황폐해지고 있는 지구환경을 어떻게 막을 것인가? 현 수준의 배터리로 만족할 수 없는 개인 이동통신기기를 충전없이 오래 쓸 수 있는 에너지원은 없을까?김 박사의 연구가 어떤 결과를 가져올 지를 알아보기 위해 2020년 3월 어느날로 날아가 20년 후 모습을 보았다.
일요일 오후,S연구소 소장 김 박사의 집.꽃샘 추위 때문인지 바깥 날씨는아직 쌀쌀하지만 실내는 태양전지와 연료전지를 복합설계한 가정용 에너지시스템 덕분에 쾌적하다.그의 집 뿐아니라 대부분의 가정에서는 이제 자체적으로 생산하는 무공해 전기로 필요한 모든 에너지를 충당하고 있다.발전소로부터 변전소를 거쳐 송전되는 전기줄은 지난 여름에 모두 철거됐다.
동네 아파트 주민들은 옥상에 설치한 고효율 태양전지로 자연이 무상으로선사해 주는 태양을 이용해 전기를 만들어 사용한다.남은 전기는 지역 전력회사에 팔아 수입을 올리고 있다.
김 박사가 살고 있는 동네의 상가와 여러 건물들은 자체적으로 설치된 중형연료전지(PAFC)를 이용,전기를 생산해 쓴다.이 지역의 산업체에서는 대형 연료전지(MCFC)로 필요한 전원을 자체 생산하고 있다.이들 사업체는 모두 정부의 세제혜택을 받는다.생산단가를 낮춘 것은 물론이고,무공해 공장이란 이미지를 부각시키는효과도 볼 수 있으니 1석3조인셈이다.
인터넷 TV로 뉴스를 보고 있던 김 박사의 입가에 미소가 떠오른다.같은 부서의 이 박사팀이 국립에너지연구소의 개발팀과 공동으로 지난 20년간 열정을 쏟아 완공한 우주 태양광 발전소로부터 마이크로파를 통해 성공적으로 전기가 송전되고 있다는 소식이다.태양을 따라 공전하며 하루 24시간 태양발전을 할 수 있으니,이제 지구상에는 더 이상 발전소가 필요없게 된 것이다.
이어지는 뉴스는 지구에 남은 화석에너지 중 석유는 매장량 감소 및 공해유발성 자원이라는 이유로 에너지로서의 사용 의존도가 점차 감소되고 있고,천연가스도 매장량을 걱정해야하는 단계라는 것.반면에 수소에너지를 활용한연료전지, 태양 에너지를 활용한 태양전지의 의존도가 상대적으로 높아가고있다는 내용이다.
공기가 어린 시절 시골의 그것처럼 상쾌한 것은 무공해 에너지 기술을 확보했다는 기쁨 때문일까,아니면 실제로 우리 지구에 더 이상 환경오염이 진행되지 않아 과거의 상태로 회복되고 있기 때문일까.김 박사는 자문해 본다.
아내는 손주들과 함께 백화점으로 외출을 준비하고 있다.김 박사도 같이 따라 나서기로 했다.요즘에는 전자 상거래만 하다보니 젊은 시절에 백화점 층층마다 다니면서 하던 쇼핑의 즐거움이 그립다.지난주 지방출장을 다녀온 터라 무공해 연료전지 자동차(Fuel Cell Vehicle,FCV)의 연료를 확인했더니,알코올 게이지가 아직도 반 이상 남아있다.김박사의 차는 이동형 연료전지로부터 발생한 전기를 이용해 모터로 구동되는 무공해 자동차다.승차감도 좋지만,김 박사의 아내가 이 자동차를 좋아하는 이유는 백화점 주차장 중 가장 좋은 자리가 무공해 자동차 전용 주차장으로 지정돼 있기 때문이다.환경을 보호하는 시민을 위해 차량 등록세를 거의 내지 않는 것도 또 다른 장점이다.
하지만,김 박사의 아내는 옆집이 새로 산 FCV 최신모델을 짐짓 부러워하는눈치다.최근 개발된 수소 저장용 탄소나노튜브와 양자교환막 연료전지(PEMFC)를 장착한 자동차인데,무공해는 물론이고 한번 수소를 주입하면 3∼4개월을연료걱정을 안해도 되니 부러울 수 밖에… 백화점 가는 차안에서 손주들이 부산스럽다.손주들 모두가 자신의 개인이동통신 단말기를 갖고 따라 나섰기 때문이다.외국에 있는 친구들과 인터넷게임을 즐기고 있다.녀석들의 단말기는 지난주에 집 앞 편의점에서 산 메탄올에 물을 타 연료전지에 주입한 터라 아직도 충전없이 며칠을 더 사용할 수있다. 김 박사 아내처럼 그저 휴대폰으로만 사용하면 20일 통화 대기,40시간연속통화가 가능하다.충전이 필요하면 그저 주사기로 알코올용액을 주입하거나,그 옛날 일회용 라이터처럼 교환만 해주면 된다.
중학교에 다니는 큰손자는 아예 자기 몸에 컴퓨터를 입고 나왔다.잠시도 컴퓨터를 떠나서는 생활이 안 되는 요즘 아이들에게는 입는 컴퓨터 (WearablePC)가 보편화된지 오래다.이를 작동시키는 전원은 마음대로 모양을 변화시킬수도 있고,구부릴 수 도 있는 자유형상의 폴리머 전지가 사용되고 있다. 또한,바지 혁대 대신 고용량 폴리머 전지를 차고 다니면서,필요한 전기를 언제어디서나 개인적으로 쓰는 것이 최근 신세대의 유행이다.
차창밖을 보니 지는 저녁노을이 오늘따라 아름답다.푸른 산,맑은 물,풍요로운 세상.김 박사는 차창 밖의 풍경을 감상하며 20년 전 연구소 실험실에서보내던 나날들을 그리며 다시 한번 입가에 미소를 짓는다.
◆장혁박사 삼성종합기술원 전문연구원◆ ▲38세 ▲인하대 금속공학과 ▲미국 유타대 금속공학과 공학 석·박사(전기화학복합재료) ▲미 유타엔지니어링스테이션 연구원 ▲미 일리노이대 금속재료학과 박사후 연구원 ▲미국 전기화학학회,한국전기화학회 회원 ▲삼성종합기술원 전문연구원(hchang@sait.samsung.co.kr).
*차세대 에너지원 키워드.
◆태양전지(Solar Cell) 태양광으로부터 광전자를 뽑아내 전기를 발생시키는장치. 태양열을 이용해 온수를 만드는 태양열 발전과 달리 반도체 소자를 이용해 태양광을 직접 전기로 바꾼다.일사량이 많은 호주와 미국 서해안 지역에서 주로 활용하고 있으며,일본정부는 이 시스템을 설치하는 건축물에 비용의 30%를 무상지원한다.
◆연료전지(Fuel Cell) 물을 전기분해하면 수소와 산소로 분해된다.반대로수소와 산소를 결합시키면 이 과정에서 에너지가 발생하는데 이를 이용,연속적으로 전기에너지를 생산하는 발전장치가 연료전지다.천연가스,메탄올 등에서 추출된 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생시키기 때문에 고효율 발전이 가능한 반면 화석연료에 비해 유해가스 배출량이 현저히 적다.
사용하는 주원료(전해질)에 따라 인산,용융탄산염,양자 교환막 등으로 분류된다.
◆우주태양광 발전소 인공위성에 대형 태양전지를 탑재,우주 상에서 발전해지구로 송전하는 시스템.대규모의 발전용 태양전지를 우주공간에 설치하기때문에 해가 지지 않는 우주공간에서는 24시간 연속발전이 가능하다.마이크로파를 이용해 메가와트급 이상의 전기 에너지를 지구로 송전한다.
◆메탄올 연료전지(DMFC) 메탄올에 물을 혼합한 용액과 공기와의 반응으로전기를 발생시키는 소형 연료전지.종래의 니켈-카드뮴 배터리보다 20배이상,리튬-이온 배터리보다는 10배 이상 긴 시간동안 전력을 공급할 수 있고,연료를 보태줌으로써 간단하고 신속하게 재충전할 수 있다.
◆수소저장용 탄소나노튜브 초미세 탄소 구조를 가진탄소나노튜브의 빈 공간에 수소를 저장,상온에서 배출해 연료로 사용할 수 있게 하는 장치.아직실험적으로 가능하다는 사실만 입증된 상태지만 상품화될 경우 가솔린자동차의 연료통 크기만한 탄소나노튜브로 만든 수소저장탱크를 장착한 자동차는 1회 충전으로 8,000㎞ 주행도 가능할 것으로 기대된다.
