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  1. 2010.08.02 얼음수소 있다? 없다?
  2. 2009.06.08 주유소? 주기소! 쓰레기 가스로 움직이는 버스 (2)

서기 2040년경, 석유와 석탄 같은 화석에너지가 고갈된 지구. 인류는 어떤 생활을 하고 있을까? 이 시점을 염두에 둔 다양한 영화들은 나름의 해석을 하고 있다. 지구에서는 더 이상 자원을 찾을 수 없어 달에 기지를 세우고 자원을 캐는 영화(더 문)도 있고, ‘아바타’처럼 행성 하나를 개척하기도 한다. 이보다 현실에 가까운 모습으로 묘사한 영화에서는 연료전지나 태양에너지 같은 대체에너지를 개발해 생활하는 장면을 보여준다.

하지만 실제 현실에서는 아직 뾰족한 대안이 나오지 않고 있다. 태양과 바람, 바닷물을 이용한 신재생에너지들에 가능성이 있다고 보면서 연구를 진행하고 있지만, 아직 화석에너지를 대체할 ‘확실한’ 대안이라고 말하기는 어렵다. 그래도 각자의 분야에서 최선을 다하는 과학자들이 있어 종종 좋은 소식이 들려오기도 한다. 최근 국내 과학자가 개발한 ‘수소 저장 물질’도 그들 중 하나다.

수소는 가장 가벼운 기체이면서 끓는점도 영하 252.9 ℃의 극저온이기 때문에 새어나가기 쉽다. 그래서 고압으로 수소를 압축하거나 LPG(액화석유가스)나 LNG(액화천연가스)처럼 액화시켜서 사용하려면 엄청난 비용 부담이 따르며, 폭발성에 따른 위험도 크다.

하지만 수소는 우주 질량의 75%를 차지하고 있으며, 지구상에서 가장 구하기 쉬운 원소다. 또 사용하고 난 뒤에 특별히 공해 물질을 배출하지 않아 미래 청정에너지원으로 꼽히고 있다. 안전하고 효과적으로 저장할 수만 있다면 자원으로서 가치가 큰 셈이다. 그래서 과학자들은 다양한 수소 저장기술을 연구하고 있다. 2010년 7월 4일자로 발표된 숭실대 김자헌 교수팀의 ‘나노 다공성 하이브리드 화합물(MOF, Metal-Organic Framework)’도 이런 아이디어 중 하나다.

다공성물질은 내부에 1~100nm 크기의 빈 공간을 가지는 물질을 말하는데 내부 공간에 기체 분자나 촉매를 잡아둘 수 있어 수소처럼 까다로운 물질을 저장하는 데 유용하다. 이번에 김 교수팀이 개발한 물질은 1g이 1만㎡(100m×100m) 크기의 운동장을 덮을 수 있어 현재 세계에서 가장 큰 표면적을 갖는 다공성물질로 알려졌다. 표면적이 큰 물질은 더 많은 양의 기체를 저장할 수 있으므로 이 물질을 사용하면 대량의 수소를 저장할 수 있을 것으로 보인다.

물을 활용해 수소를 저장하는 연구결과도 주목받고 있는 기술 중에 하나다. KAIST(한국과학기술원) 생명화학공학과 이흔 교수팀은 2005년 수소 분자를 얼음 입자 속에 저장할 수 있다는 사실을 세계 처음으로 밝혀냈다.

연구팀은 0℃ 부근에서 수소 분자가 얼음 입자 안에 만들어진 미세한 공간에 저장될 수 있다는 새로운 자연현상을 규명했는데, 순수한 물에 ‘테트라히드로푸란’이라는 유기물을 미량 첨가하여 얼음 입자를 만들었더니 무수히 많은 나노 크기의 축구공 같은 공간이 생기면서 수소가 안정적으로 저장됐다고 한다.

이렇게 수소가 저장된 얼음은 섭씨 3~4℃에서도 녹지 않을 정도로 안정화돼 있다. 또 물에서 생산된 수소를 얼음 입자에 저장했다가 에너지원으로 이용할 수 있다는 점에서 활용가능성도 많아진다. 저장매체로 쓰는 얼음은 물을 얼리면 만들어지므로 어디서나 쉽게 얻을 수가 있고, 거대한 얼음 창고와 같은 공간에 수소를 대규모로 저장할 수도 있다. 게다가 앞으로 실용화 연구를 진전시키면, 수소 자동차나 수소 연료전지 등에도 이용할 수 있을 것이다.

이흔 교수팀은 2008년 서강대 강영수 교수팀과 공동으로 얼음에 수소를 저장하는 기술을 한 단계 발전시켰다. 수소 원자를 저장할 수 있게 된 것이다. 수소 분자를 두 개의 원자로 쪼개 얼음 안에 저장하면 다른 물질과 반응이 훨씬 더 잘 되고 결합력도 높아진다. 따라서 얼음 연료 전지를 비롯한 다양한 수소 에너지 분야에 이용할 수 있게 된다.

그러나 이 같은 ‘얼음 수소’가 실용화되기 위해서는 아직 몇 가지 과제가 남아 있다. 가장 중요한 것은, 얼음 대비 저장되는 수소의 비율을 높이는 문제다. 또 얼음 수소를 연료로 하는 자동차가 나오려면, 기존의 수소 자동차나 수소 연료전지 자동차와는 다른 새로운 메커니즘을 개발해야 한다.

김자헌 교수팀의 다공성물질이나 이흔 교수팀의 얼음 수소 외에도 수소를 저장하는 기술 개발은 다양하게 진행되고 있다. 이런 새롭고 독특한 아이디어의 실용화가 큰 진전을 이뤄 우리나라도 수소 경제 시대의 원천기술을 가진 나라가 되기를 간절히 기대해 본다.

글 : 과학향기 편집부

※ 과학향기 제292호 ‘미래 수소 에너지 저장 우리에게 맡겨라’에서 일부 내용을 발췌했음을 알려드립니다.
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추억의 만화영화 ‘붕붕’에는 꽃을 유난히 좋아하는 차가 등장한다. 꽃 향기를 맡으면 힘이 솟는다는 설정의 자동차다. 꽃향기는 아니지만 쓰레기 가스를 맡으면 힘이 솟는 자동차가 국내에서 곧 선보일 예정이다.

서울시가 최근 상암동 월드컵공원 안에 쓰레기 매립가스를 이용한 차량용 수소충전소를 2010년까지 설립하기로 확정했다. 쓰레기 매립가스에는 수소의 연료가 되는 메탄가스가 40% 넘게 포함돼 있다. 여기서 힌트를 얻은 한국에너지기술연구원은 매립가스로 수소를 만들어 차 연료로 쓰자는 아이디어를 내놓았다.

월드컵공원은 옛날 서울의 쓰레기를 쌓아뒀던 난지도였고, 이곳에는 약 9,200만톤의 쓰레기가 묻혀 있다. 지금까지 여기에서 나오는 가스는 인근 아파트 단지의 난방 연료에 주로 쓰였다. 이런 사례는 외국에도 많지만 쓰레기 매립가스를 자동차 연료로 활용하는 계획은 국내 최초일 뿐 아니라 세계적으로도 유례를 찾기 어렵다.

수소는 태양열, 풍력 등과 함께 대표적인 신재생에너지로 손꼽힌다. 지구상에서 수소는 독립된 분자 형태로는 잘 존재하지 않지만 산소와 결합한 물의 형태를 이루고 있고, 석유나 천연가스 같은 화석 연료나 각종 유기 물질에도 잔뜩 포함돼 있어 무한정 얻을 수 있다. 또 연소한 뒤에는 이산화탄소 없이 물만 배출하기 때문에 이만한 친환경 에너지도 없다. 특히 수소를 압축해서 저장하는 연료전지 기술이 개발된 뒤로 활용가치는 더욱 높아졌다.

<현대기아자동차에서 제작한 수소연료전지 자동차>

이번에 개발된 기술은 매립가스를 활용한다는 점에서 각광받고 있다. 석유나 천연가스보다 훨씬 싸고 매립가스를 줄이는 것 자체가 환경에도 좋으니 일석이조다. 난방에 쓰고 남은 매립가스를 수소가스로 바꾸어 저장하면 필요할 때 언제든지 꺼내 쓸 수 있다는 얘기다.

그렇다면 어떻게 매립가스에서 수소를 뽑아내는 걸까? 새로 들어설 충전소는 먼저 매립가스에서 불순물을 제거하고 메탄가스만 걸러낸다. 여기에 섭씨 700도의 수증기를 가하면 순도 99.999%의 수소를 얻을 수 있다. 이렇게 생산한 수소는 415기압으로 압축해두었다가 수소자동차에 공급하게 된다.

서울시는 내년 9월 충전소가 완공되면 생산한 수소를 이용해 공원을 순회하는 버스 2대와 승용차 1대를 운용할 계획이다. 앞으로 2억5,000만톤 규모의 김포 쓰레기매립지에도 이 기술을 적용할 수 있을 것으로 보고 있다.

차량까지 운용하는 것은 우리나라가 첫손가락에 꼽힐 정도로 드물지만 쓰레기에서 수소를 생산하려는 시도는 이미 세계 곳곳에서 진행되고 있다. 영국 런던의 한 폐기물 재활용 업체는 지난 3월 플라스마를 이용해 쓰레기에서 수소를 생산하는 기술을 개발했다. 쓰레기를 밀폐된 공간에 넣고 섭씨 1만5,000도가 넘는 열을 가해 주면 공기가 전자를 방출하는 플라스마 상태가 된다. 이것이 쓰레기의 분자 결합을 끊어뜨려 가스가 되면 여기에서 수소를 분리할 수 있다는 것이다.

쓰레기뿐 아니라 분뇨를 이용해 수소를 얻는 연구도 진행 중이다. 일본 동경대는 올해 초 사람의 분뇨에서 수소연료를 분리하는 기술을 개발했다. 분뇨 1㎥당 일반 형광등 하나를 4시간 동안 밝힐 수 있는 전력을 생산할 수 있다고 한다. 미국 어바인 캘리포니아대 연구팀 역시 지난해, 하수구 분뇨에서 배출되는 메탄가스에서 전력을 생산하는 기술과 차량용 수소가스를 얻는 기술을 각각 개발했다.

<에너지연 내에 위치한 수소충전소. 천연가스에서 수소를 분리해서 사용한다.>

국내에는 이미 서울을 비롯해 인천과 대전 등 총 6곳에 수소충전소가 운영되고 있다. 하지만 대부분 석유나 천연가스 등 화석 연료를 이용해 수소연료를 만들고 있다. 태양광이나 바람과 같은 자연에너지로 생산한 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 연구도 있지만 아직까진 경제성이 떨어진다는 지적을 받고 있다. 실제로 제주도에 풍력 발전소와 결합한 수소충전소를 설치하는 계획이 있었지만 수년째 보류된 상태다.

전문가들은 화석 연료 사용을 줄이고 자연에너지를 이용한 수소 연구가 점차 주목받을 것으로 전망한다. 화석 연료 매장량이 한정적일 뿐 아니라 환경에 끼치는 영향도 중요해졌기 때문이다. 아무리 깨끗한 수소에너지라고 해도 수소를 만드는 방법도 역시 깨끗하고 친환경적이어야 한다.

이런 측면에서 버려진 쓰레기에서 수소를 만드는 시도는 수소연구의 틈새시장을 잘 공략했다는 평을 받고 있다. 자연에너지를 이용한 수소연구의 부족한 경제성을 화석 연료를 쓰지 않고 버려진 쓰레기로 채웠기 때문이다.

난방 연료에서 자동차 연료까지, 거듭되는 쓰레기의 변신은 신재생에너지에 새로운 동력이 되고 있다. 원료비가 들지 않으면서 환경오염도 없는 쓰레기 가스로 달리는 수소자동차는 그야말로 일석이조라 하겠다. 녹색 성장의 큰 축은 어쩌면 쓰레기 기술, 쓰레기 경제가 담당할지 모를 일이다.

글 : 이재웅 동아사이언스 과학전문기자

ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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