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201911.15

수소 ‘이것’과 만나면, 진정한 그린 수소로 재탄생!

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/1015

 

 

에너지계의 방탄소년단이라고 할 수 있을 만큼 뜨겁게 부상하고 있는 에너지가 있죠. 바로 ‘수소에너지’입니다. 특히 선진국만 온실가스 감축 의무가 있었던 교토의정서와는 달리, 새롭게 적용될 글로벌 기후체제인 ‘파리기후변화협정’은 참여하는 194개 당사국 모두가 감축 목표를 지켜야 합니다. 각국 정부는 이를 대비한 대책을 모색하고 있는 가운데 ‘수소 에너지’에 대한 관심과 기술개발을 위한 경쟁이 치열해지고 있습니다.

 

우리나라 역시 2018년 수소 경제를 3대 전략 투자 분야로 선정해, 2030년 수소차와 연료전지에서 세계시장 점유율 1위를 차지할 것이라 목표를 밝힌 바 있습니다. 심지어 한 도시 안에서 수소 생산부터 활용까지 모두 이루어질 수 있는 ‘수소 생태계’가 갖춰진 이른바 ‘수소 도시’도 구축되고 있는데요. 그만큼 세계적으로 수소를 에너지원으로 하는 수소 경제의 실현이 시작되고 있습니다.

 

|전 세계는 왜 ‘수소 에너지’에 주목할까?

 

수소는 우주의 구성 원소의 90%를 차지하고 있는, 가장 흔한 원소입니다. 더욱이 수소는 깨끗하고, 아주 풍부한 데다 독성이 없는 물질이죠. 더 나아가, 물, 유기물, 화석연료 등의 화합물의 형태로 존재하는 수소는 전기분해 등의 방법으로 얻을 수 있으며, 가스나 액체 형태로 수송할 수 있어 간편히 활용할 수 있다는 장점이 있습니다. 무엇보다 연소시켜도 산소와 결합하여 다시 물로 탄생하기에 친환경적이죠.

 

 

 

현재 미항공우주국(NASA)의 국제우주정거장(ISS)은 수소와 산소가 결합해 물이 될 때 전기를 발생하는 연료전지를 이용하고 있는데요. 이는 우주선 안에서 동력원으로 사용될 뿐만 아니라, 부산물로 나오는 물을 식수와 우주선 보수용으로도 사용할 수 있습니다. 지금까지 전 세계가 소비한 수소량은 무려 수백 억㎥에 달하는데요. 그 활용 범위도 점차 늘어나 수소 에너지 발전 기술력에 대한 중요성도 점차 증대하고 있습니다. 만약 우리나라가 현재 목표하는 대로 2050년까지 전 세계 수소 에너지 수요의 18%를 차지하게 된다면, 수소 및 연료 전지 시장에서 약 2조 5천억 달러 규모의 시장 창출효과와 3천만 개 이상의 일자리 창출 효과를 얻을 것으로 기대하고 있다고 합니다.

 

|‘그레이 수소’라 불리는 수소 에너지?

 

하지만, 이토록 유망한 수소 에너지에도 한 가지 문제점이 있습니다. 바로 수소 생산 방식이 친환경적이지 않는다는 것입니다. 지금까지 생성되는 절반 가량의 수소는 천연 가스인 메탄을 고온 고압에서 분해하는 방법을 사용하고 있습니다. 하지만 이 방법은 수소 생산 과정에서 수소양의 약 8~10배가 되는 CO₂를 배출하게 됩니다. 이산화탄소가 발생하지 않는 방법으로는 물을 전기 분해해 수소를 얻는 방법이 있지만, 이 역시 결국 수소 생산용 전기를 만들기 위한 1차 에너지원이 필요한데, 이것 역시 이산화탄소를 배출하는 화석 연료를 이용할 수밖에 없는 것이죠. 이것이 수소 에너지가 ‘그레이 수소’라고 불리는 이유입니다. 현재 국내에서 생산되는 수소 역시 ‘그레이 수소’인데요. 결국 이산화탄소 배출이 없는 진정한 ‘그린 수소’로 가기 위해서는 1차 에너지원이 될 수 있는 고효율의 청정에너지를 확보하는 것이 관건입니다.

 

  

 

또한, 지구상에서 다른 원소와 결합한 상태의 수소를 분리해내는 과정에서 에너지가 소요되는데요. 결과적으로 생산해낸 수소 에너지량은 ‘에너지 보존법칙’에 따라 비해 투입에너지 대비 경제성이 낮다는 점 또한 해결해가야 할 난제입니다.

 

|수소 에너지와 핵융합의 만남, 에너지의 시작과 끝이 되다.

 

수소를 온전한 청정에너지로 만들 방법이 없는 것은 아닙니다. 먼저, 하늘의 태양을 살펴봅시다. 사시사철 우주에서 빛나고 있는 태양은 어마어마한 질량을 갖고 있어, 그 중력에 의해 수소가 태양 내부에 잘 갇혀있습니다. 1,500만도에 달하는 태양의 중심에서는 수소 원자핵들이 융합하며 막대한 에너지를 우주 공간으로 발산하고 있죠. 이처럼 태양에서 수소들이 만드는 에너지는 수소의 화학적 결합에 의한 에너지가 아닌 핵융합에너지입니다. 태양의 핵융합에너지는 반응 결과물로 헬륨이 남는 대표적인 청정에너지이지요. 바로 이 수소 핵융합에너지를 1차 에너지원으로 활용해 수소를 생산할 수 있다면 이산화탄소 등 유해물 걱정 없는 진정한 수소에너지 시대를 열 수 있게 될 것입니다.

 

 

 

물론, 수소 핵융합에너지를 1차 에너지원으로 사용할 수 있는 기술력이 선행되어야만 할 것입니다. 이를 위해 핵융합 연구자들은 태양의 핵융합에너지를 지구에서 구현하기 위한 연구를 수행하고 있습니다. 일명 인공태양이라 불리는 핵융합로에서 태양과 같은 환경을 만들고 핵융합을 통해 에너지를 생산하는 것이지요. 핵융합에너지는 연료도 무한하고, 친환경적인데다 대용량 에너지 생산이 가능해 진정한 꿈의 에너지로 불리기도 합니다. 아직 상용화를 위한 연구 수행 단계이지만, 핵융합에너지를 얻기 위한 노력이 이어진다면 20~30년 내에 실제로 핵융합 발전소 건설이 가능해질 것으로 예상하고 있습니다. 이러한 수소를 이용한 핵융합 발전이 성공한다면 세상 속 또 다른 히어로 에너지로 떠오르고 있는 ‘수소 에너지’의 안전한 1차 에너지원으로 활용되어, 세상을 더욱더 푸르게 만들 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

 

수소에너지와 핵융합에너지는 우리에게 깨끗한 환경을 선물해줄 수 있는 희망에너지입니다. 하지만 그 희망이 현실이 되기까지 여전히 풀어야 할 난제들이 많이 존재합니다. 그러나 각 분야 연구자들의 ‘피땀눈물’이 결실을 맺는다면 분명 두 에너지는 희망에서 현실로, 우리 생활 가까이 다가올 것입니다. 그리하여 두 에너지가 만드는 진정한 ‘그린수소 에너지 시대’의 완성의 날을 기대해 봅니다. 

 

흔히들, 우리가 두 발 서서 존재하고 있는 이 땅을 ‘빌려 쓰는 지구’라고 합니다. 100년 남짓한 시간을 빌려 쓴 만큼 더럽혀진 지구를, 다시 깨끗이 만들기 위한 고민은 더 이상 비단 ‘나’만의 일이 아닙니다. 몇 세대를 거듭하여 또 다른 세상의 주역으로 거듭날 소중한 생명의 땅이기 때문이죠. 무한한 청정에너지의 실현은 곧, 지구와 우리의 공존과도 직결된다는 사실을 잊지 말아야겠습니다.

 

 

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