수소

수소는 판도를 바꿀 수 있어요. 친환경 에너지를 공급하고 저장해 지구를 바꿀 잠재력이 있죠. 트럭, 선박, 비행기, 심지어 도시에도 에너지를 공급할 수 있어요. 하지만 수소 혁명을 현실로 만들려면 인류는 여러 기술적, 경제적 과제를 넘어야 해요. 그럼 원자 수준으로 여행을 떠나 수소가 정말 세상을 바꿀 힘이 있는지 알아볼까요!

우주에 관한 책을 펼친다면, 첫 장에서 수소를 만나게 될 거예요. 수소는 우주를 이루는 기본 재료 중 하나이기 때문이죠. 별 속 원자의 90%를 차지하고 ^[1-4] 지구에서는 물, 식물, 그리고 모든 생명체의 DNA를 이루는 주요 성분 중 하나예요 ^[4-7].

수소는 엄청난 에너지를 내는 연료이기도 해서 NASA는 우주 탐사 로켓의 연료로 사용해요 ^[8,9,10]. 수소는 이미 인류를 더 높은 곳으로 데려가고 있는 게 분명하죠. 게다가 CO₂도 전혀 만들지 않아요!

그런데 왜 전 세계에서 가장 인기 있는 에너지 선택지가 아닐까요? 음, 그렇게 간단한 문제는 아니에요.

자연 매장지가 있기는 하지만 ^[11-17] 지구에서 순수한 형태의 수소를 뽑아내기는 어려워요. 보통 다른 원소와 결합해 화합물을 이루고 있죠. 예를 들어 산소와 만나면 물, 즉 H₂O가 돼요. 탄소와 결합하면 메탄 또는 CH₄라고도 하는 화석 가스를 만들 수도 있어요.

그래서 순수한 수소를 얻으려면 결합한 원소에서 분리해야 해요. 물에서 수소를 얻으면 산소가 나와요. 화석 가스에서 분리하면 탄소가 나와요. 그러니 수소를 연료로 쓰는 일이 지구에 좋은지 나쁜지는 그 수소를 어떻게 생산하느냐에 달려 있어요.

현재 수소 연료를 생산하는 주요 방법은 회색, 파란색, 녹색으로 분류되는 세 가지예요: ^[18-21]

오늘날 대부분의 수소는 화석연료로 만들고 ^[22-28] 가장 흔한 종류는 화석 가스로 만드는 회색 수소예요. 하지만 가스, 석탄, 석유 중 무엇을 쓰든 화석연료로 수소를 생산하면 대기 중으로 많은 CO₂가 배출돼요 ^{[19,26,27,28]}. 안타깝게도 이런 방식이 전체 수소 생산의 99% 이상을 차지해요 ^[23,24,28]. 아야!

실제로 회색 수소 생산만으로도 영국과 호주의 배출량을 합친 것보다 더 많은 CO₂가 나와요 ^[28,29]!

최근에는 탄소 포집 및 저장이라는 기술의 발전으로 발전소가 CO₂ 배출을 잡아 지하에 저장할 수 있게 됐어요 ^[30,31,32]. 이 기술을 수소 생산과 결합하면 파란색 수소라고 불러요 ^[33,34].

하지만 이 방식은 CO₂ 배출을 줄이면서도 현재 메탄(CH₄)이 새기 쉬운데 ^[34-37] 메탄은 20년 동안 대기에 미치는 영향이 80배 이상 더 클 수 있어요 ^[38,39,40]. 한 연구는 잘못하면 늘어난 CH₄ 배출량이 너무 커져서, 처음부터 화석연료를 태우는 편이 더 나을 수도 있다고 밝혔어요 ^[35].

과학자들이 정말 찾는 것, 깨끗한 에너지의 엘도라도는 녹색 수소예요. 이것은 전기분해라는 화학 과정으로 물에서 생산해요: ^[41-45]

커다란 물탱크, 즉 H₂O를 떠올려 보세요. 수소를 얻으려면 먼저 산소와의 결합을 끊어야 해요. 그러려면 전기로 물 분자의 결합을 쪼개 귀한 수소 기체를 만들어요. 간단하죠!

이 모든 과정은 태양광과 풍력 같은 재생에너지로, 배출을 거의 0에 가깝게 하며 가동할 수 있어요 ^[41-45].

이 녹색 수소는 세상을 바꿀 잠재력이 있어요 ^{[21,28,43,44,45]}. 전 세계 배출량의 약 3.6%와 7.2%를 차지하는 ^[48] 석유화학 생산과 철강 제조 같은 산업은 ^[44-47] 화석연료 대신 녹색 수소를 쓰며 탈탄소화되기 시작하고 있어요. 몇몇 나라는 비료에 쓰이는 화합물인 암모니아 생산의 탈탄소화를 위해 투자하고 있고, 이는 전 세계 배출량을 추가로 1-2% 줄일 수 있어요 ^{[44-46,49-53]}.

전문가들은 교통 시스템에서의 활용도 연구하고 있어요. 전기차가 워낙 뛰어나 승용차는 우선순위가 낮지만, 장거리 트럭, 국제 해운, 장거리 항공기는 우선순위가 더 높아요. 무거운 배터리로 움직일 수 없기 때문에 녹색 수소가 이상적인 대안이에요 ^{[21,28,44,45,54]}.

이론적으로는 (그리고 지속 가능하게 생산된다면), 수소 연료를 사용할 때 직접 나오는 배출물은 물뿐이에요. 실제로 이 물은 NASA의 우주왕복선에서도 쓰이고, 우주비행사들이 실제로 마시기도 해요! ^[55,56]

그럼 문제는 뭘까요?

음, 수소를 그냥 태우면 공기 속 질소도 반응해 질소산화물을 만들 수 있는데, 이는 해로운 대기오염물질이에요 ^[57-61].

그래도 화석연료를 태우는 것보다는 깨끗하지만, 가장 깨끗한 방법은 아예 태우지 않고 수소의 화학 에너지를 전기로 바로 바꾸는 수소 연료전지를 쓰는 거예요 ^[62-65]. 이 방법은 더 효율적일 뿐 아니라 질소산화물 배출도 0이고, 당연히 CO₂도 0이에요! ^{[57-59,63-65]}

좋아 보이죠? 그런데 왜 오늘날 생산되는 수소 중 1%도 안 되는 양만 녹색일까요? ^[23,24,28] 왜 모두가 이 친환경 버전에 뛰어들지 않는 걸까요?

현재 수소는 비싸고 생산에 전기가 많이 필요해요 ^[66-69]. 재생에너지로 휴대폰을 바로 충전하는 대신 녹색 수소로 충전하려면, 먼저 재생에너지 전기를 수소로 바꾸고 연료전지로 다시 전기로 바꿔야 해요. 이렇게 하면 처음부터 태양광 패널로 휴대폰을 바로 충전했을 때 얻었을 에너지의 최대 70%를 잃을 수 있어요! ^[70,71,72]

녹색 수소는 돈 쓴 만큼의 효과가 크지 않은 것 같네요. 그럼 왜 사람들은 집과 도시에 전력을 공급하는 데 수소를 써야 할까요?

답은 수소의 가장 강력한 특징 중 하나에 있어요… 미래에 쓰려고 많은 에너지를 저장할 수 있는 능력이죠.

풍력 터빈에는 바람이 필요하고 태양광 패널에는 햇빛이 필요하기 때문에, 어둡고 바람 없는 날에는 전기를 계속 공급하려고 가스와 석탄이 자주 투입돼요. 하지만 더 친환경적인 아이디어가 있어요:

유연한 스마트 전력망으로 재생에너지로 집에 전력을 공급하고, 에너지 잉여분을 만들 만큼 충분한 풍력 및 태양광 발전 단지를 지어요. 남는 전력은 녹색 수소 시설로 보내 수소를 만드는 데 쓸 수 있어요. 이렇게 만든 수소는 저장했다가 태양광과 풍력으로 수요를 충족할 수 없을 때 전기를 만드는 데 쓸 수 있어요 ^[73-76].

그리고 이게 다가 아니에요, 수소는 오래된 광산, 소금 동굴, 심지어 고갈된 석유와 가스 저장소에 엄청난 양을 오랫동안 지하 저장할 수 있어요 ^[77-80]. 즉, 추운 겨울철에도 일 년 내내 쓸 수 있다는 뜻이에요.

이를 계절 간 에너지 저장이라고 하며, 이미 많은 나라가 투자하고 있어요 ^{[23,81,82,83]}. 언젠가는 화석연료 의존을 없애는 데 도움을 줄 수도 있어요. 더 좋은 점은, 이 거대한 수소 비축량이 나라들의 에너지 자립도를 높여 에너지 수입 의존을 줄이고, 불을 켜 두기 위해 다른 나라에 의지하지 않아도 되게 한다는 거예요 ^[84,85,86].

하지만 배터리로도 똑같이 할 수 있지 않을까요?

그렇진 않아요. 도시를 위해 몇 주나 몇 달치 예비 에너지를 저장하려면 배터리 비용이 훨씬, 훨씬 더 많이 들어요 ^[87-90]. 반면 수소는 대규모로 저장하면 매우 저렴할 수 있고, 이 에너지 저장 문제를 해결할 수 있어요 ^[91,92].

그럼 수소가 지구 탈탄소화에 역할을 할 수 있을까요? 음, 재생에너지로 만든 녹색 수소여야만 하고 ^[93], 비용도 현실적이어야 해요 ^[66-69]. 그러려면 기반 시설을 확충하고 업데이트하며, 재생에너지를 대규모로 보급해야 해요.

하지만 좋은 소식도 있어요! 이제 풍력과 태양광 발전은 화석연료보다 저렴해졌어요 ^[27,94-97]. 그리고 최근 전기분해 장치 기술이 발전하면서 녹색 수소 생산 비용도 빠르게 내려가고 있어요 ^[98-102].

그러니 인류가 이 떠오르는 기술을 뒷받침한다면, 녹색 수소는 우리가 기다려 온 빛나는 별 중 하나가 될 수 있어요.