지난 2015년 세계 197개 국가가 지구의 평균 온도 감축을 목표로 파리협정을 맺은 이후 친환경 에너지의 필요성이 높아졌다. 이에 맞춰 우리나라 정부는 지난 3월 탄소 중립 기술혁신 추진 전략을 제시했다. 지난달엔 연구기관의 비전 선포식을 열어 탄소 중립 실현을 위해 속도를 내고 있다. 경제의 중추 역할을 하는 조선·해운시장도 환경규제로 전환기를 맞고 있다. 국제해사기구에서는 2008년 발주 선박 대비, 2025년까지 선박 온실가스 배출량을 30%로 하고 2030년 이후 발주 선박은 탄소 배출량의 40%, 2050년에는 50%까지 검출하는 것을 결정했다. 이런 세계의 흐름에서 경쟁력 있는 대체 연료를 개발하는 것은 기업과 나라의 발전이 걸린 중대한 문제이다.
친환경적인 연료로는 암모니아와 수소 그리고 바이오디젤 등이 있다. 이 중 수소는 전기, 열에너지 등 최종 에너지로의 변환이 가능할 뿐만 아니라, 전기와 달리 대용량 장기간 저장이 가능한 만큼 시공간적 에너지 분배 시스템에 획기적인 변화를 일으킬 수 있는 잠재력이 있다. ‘수소 경제의 본격화 시점, 결코 먼 미래가 아니다. 수소 산업 가치사슬 관점에서…. 최용호. 2020.10’에서는 “글로벌 기준, 산업 부문이 온실가스 배출의 21%, 산업용 발전 수요로 사용되는 비중이 11%나 되는 만큼, 온실가스를 감축하기 위해서는 주요 배출원 중 하나인 산업 부문에서의 수소 활용도를 높여야 한다.”고 밝혔다. 수소는 연료로 사용된 후 물이 배출되는 친환경 연료로써 최근 차세대 에너지 연료로 주목받으며 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있다. 수소연료를 사용하기 위해선 수소를 만드는 기술과 저장·운송하는 기술 그리고 수소를 전기에너지로 변환하는 기술이 필요하다.
수소를 만드는 방법은 여러 가지가 있다. 첫 번째로 천연가스를 고온·고압에서 분해한 추출(개질)수소가 있다. 추출 수소 생산방식은 세계 수소 생산 분야에서 가장 보편적인 방식이다. 이때 온실가스가 함께 발생하며 발행한 이산화탄소를 포집해 탄산 산업 원료로 활용할 수 있다. 두 번째는 석유화학 공정 중에 부산물로 발생하는 부생 수소이다. 부생 수소는 석유 산업이 발달한 우리나라에서 보편화된 수소 공급 방식을 이용한다. 부산물로 발생하는 수소를 활용하는 것으로 경제성이 높은 것이 특징이다. 그러나 수소 생산을 위한 공정이 아니므로 생산량에 한계가 있다. 세 번째는 태양열과 풍력 등 신재생에너지로 생산한 전리고 물을 분해해 생산하는 수전해 수소이다. 수전해 수소는 가장 친환경적인 수소 생산 방식으로 생산되지만 현재 다른 수소 생산 방식보다 높은 생산비용이 발생한다.
수소는 기체나 액체 그리고 다른 물질과 결합한 화합물 형태로 저장·운송할 수 있다. 수소를 고압으로 압축해 기체 상태로 저장 튜브 트레일러와 파이프라인을 통해 운송하는 가장 저렴한 운송법이 있고 수소를 액화 수소로 저장하여 액체 상태로 저장·운송하는 방법이 있다. 이 방법은 비용이 많이 들지만 대량 저장이 가능하고 저장 효율성이 높다. 화합물을 통한 저장·운송으로는 암모니아 등을 통한 운송이 있다. 수소를 질소와 결합해 암모니아로 저장하는 것이다. 이는 기존 유조선 및 유조차에 활용하거나 상온·상압 운송이 가능하다.
이렇게 운송된 수소탱크에서 공급된 수소는 외부의 공기에서 공급된 산소와 연료전지에서 만나 전기와 물을 생산한다. 연료전지는 산소와 수소의 화학 반응으로 전기에너지를 만드는 발전 장치이다. 물을 전기분해하면 수소와 산소가 만들어지는데 역으로 수소와 산소를 반응시키면 물과 에너지가 발생한다. 전기는 동력원으로 사용되고 물은 밖으로 배출된다. 부산물로 순수한 물만 배출된다는 점이 큰 장점이다. 수소 경제를 구현하기 위해선 수소 연료의 대량공급이 필수적이다. 그러나 현재 수소 생산은 화석연료 분해 과정에서 나오는 부생 수소에 의존하고 있어 생산 과정에서 대량의 이산화탄소가 발생한다. 이런 문제점을 해결하기 위한 연구가 필요하다.
한편 우리 학교 교수들의 수소연료 관련 연구 실적이 눈에 띈다. 우리 학교 서형탁 신소재공학과 교수는 지난 6일에 단일 소재 기반의 고효율 태양광 물 분해 신소재 광전극을 개발해 ‘이상적인 도핑과 일함수 조절을 통한 {002}면으로 정렬된 1차원 텅스텐 산화물의 태양광 물 분해 개선 효과’라는 논문으로 촉매 분야 국제 학술지 5월 6일 자 온라인판에 게재했다. 이 논문에는 우리 학교 칼라누르 샨카라 신소재공학과 교수가 제1 저자로 함께 참여했다. 태양광 물분해 시스템은 수소연료를 생산하는 과정에서 기존 화석연료 개질 방식에 비해 매우 낮은 생산 효율이 한계점이었다. 이러한 낮은 생산 효율을 극복하기 위해서는 광전극의 광반응 특성을 향상 시키고, 장기 반응 내구성을 확보하는 것이 관건이다. 서형탁 교수는 저가의 텅스텐 산화물에 극소량의 불순물 도핑을 통해 고효율 단일소재 기반의 나노구조 광전극 제조에 성공했다. 제조된 광전극의 촉매에 흡수된 빛에 의한 광전류의 수소 전환 효율은 95%이다.
또한 우리 학교 김유권·서형탁·안병민 교수 공동연구팀은 과학기술정보통신부의 3단계 ‘C1 가스 리파이너리’ 사업 신규 프로젝트에 선정됐다. 과학기술정보통신부는 2015년부터 C1 가스 기반 연료·화학 원료 소재 생산 기술에 대한 집중적인 투자로 가스 전환기술을 육성하여 기존 석유 화학 신업을 보완·대체하는 신성장 동력을 창출하고자 ‘C1 가스 리파이너리 사업’을 추진하고 있다. 올해 3단계를 맞이한 이번 사업의 세부과제 공모에 김유권 화학과 교수(연구책임자)와 서형탁·안병민 신소재공학과 교수 공동연구팀은 ‘메탄으로부터 고부가 탄소 소재와 수소 동시 제조용 연속 촉매공정개발’ 주제에 최종 선정된 것이다. 현재 이산화탄소를 발생시키지 않고 가격 경쟁력을 갖는 친환경 ‘블루수소’ 생산 기반 구축이 필요하다. 공동연구팀은 국내 최초로 액상 합금 촉매 기술을 기반으로 한 이산화탄소 무발생 수소 대량 생산 기술 기초연구를 진행하여 기술력을 확보했다. 연구팀은 이번 사업에서 세계적으로 새로운 기술인 나노 합금 분말화 촉매를 이용하여 수소 생산 효율 및 신뢰성의 획기적 증대에 도전한다는 계획이다. 연구팀은 특히 관련 기업들과 사업화 기술 개발을 적극적으로 추진하겠다고 밝혔다.