수소 에너지는 환경을 지키는 차원에서 건강한 지구를 위한 청정 에너지원 중 하나로 수소 형태로 에너지를 저장하고 사용한다. 이 에너지의 원료인 물은 지구에 풍부하고 수증기와 비의 형태로 순환되면서 생겨나는 원료 이기 때문에 고갈될 염려가 없고 수소는 연소를 하더라도 산소와 결합하여 극소량의 물과 질소로 변하기 때문에 공해에 대한 걱정이 없다.
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재충전이 필요 없이 전기를 만들어내는 연료전지
수소 에너지의 대표적인 방식은 수소 연료전지(fuel cell)인데 이는 수소를 직접 연로로 사용한다. 물의 전기 분해 과정을 반대로 한 장치로 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 에너지를 생산한다. 연료전지(fuel cell)는 연료와 공기를 전극 표면에서 반응시켜 생성되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환장치로 연료가 공급되는 한 재충전할 필요 없이 계속 전기를 만들어 낼 수 있다. 소음이 거의 없고 발전을 하는 과정에서 생기는 열에너지는 급탕이나 난방으로 이용할 수 도 있어서 효율성면에서도 뛰어나다.
특히 화학 에너지를 열에너지로 먼저 변환시킨 후 열기관을 사용해서 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 보통의 발전 방식에 비해 간단해서 편리하다. 문제는 이러한 수소 연료를 효과적으로 제어하고 보관하는 방법을 찾아야 한다는 숙제가 남아 있다는 것이다.
수소 에너지의 가능성과 개발 현황
수소 에너지는 석유를 원료로 하는 모든 엔진이나 연료를 사용하는 모든 분야에서 사용할 수 있다. 1956년부터 이미 액체 수소를 사용해 로켓의 연료를 만들려는 노력이 시작되었고 아폴로 우주선의 새턴 5형 로켓으로 스페이스 셔틀의 연료로 실제 사용이 되기도 하였다. 2014년에 수소연료전지를 이용한 자동차가 세계 최초로 출시되었고 지속적으로 연구로 수소를 연료로 사용이 가능하다는 것이 현실화되면서 특히 수송수단의 대체 에너지원으로 큰 기대를 걸고 있는 상황이다. 우리나라에서도 1980년대부터 대체에너지 기술개발사업 중장기 계획에 수소 에너지 개발이 포함되어 있어서 수소에너지 기술을 상용화시키기 위한 준비를 꾸준히 진행해 오고 있고 실제 수소 자동차 등을 개발하여 선보임으로써 수송수단으로써의 대체에너지의 실사용 가능성을 선보이고 있는 상황이다.
수소는 대부분 안정된 탄소화합물이나 물로 존재하기 때문에 석유나 천연가스의 열분해에 의해 만들어 지거나 다른 화학공정의 과정에서 발생하게 되는데 이로 인해 추출해 낼 수 있다. 우리나라에서는 주로 석유의 정제 과정에서 나프타의 분해를 통해 얻거나 물을 전기 분해하는 과정에서 얻는 방식을 사용한다. 전기 분해 방식은 전기에너지에 비교해서 투자 대비 결과물의 효능이 크지 않기 때문에 대체할 수 있는 전원이나 촉매를 이용한 제조 기술의 연구가 지속적으로 이루어져야 한다. 그런 일환으로 물을 바로 전기 분해하는 것 이외에 더 효율을 높이기 위해 여러 가지 물질을 결합시킨 뒤 원자로의 열을 이용하고 여러 단계의 화학반응을 통하여 결합물질에서 물을 분리시켜 수소와 산소를 추출해 낼 수 있는 열화학 사이클 법이 연구되고 있다. 하지만 아직은 연구와 개발단계에 있어서 설비를 제작하는데 비용이 많이 든다는 문제점이 남아 있다.
미래가 밝은 수소 에너지 보관법
어쨌거나 다양한 방식으로 만들어낸 수소는 고압가스, 액체수소, 금속 수소 화합물 등의 형태로 저장을 할 수 있게 된다. 현재는 주로 고압 기체 상태로 저장하는 방식을 사용하고 있지만 부피당 수소를 저장할 수 있는 밀도가 너무 낮아서 경제성이 부족하고 이런 방식을 사용했을 때의 과부하에 대한 안정성이 확보된 것이 아니라서 수소를 액체나 고체로 저장하기 위한 새로운 기술들을 지속적으로 연구하고 발표되고 있는 중이다. 그중 가장 안정성이 있어서 심도 있게 검토되고 있는 것이 수소 가스 저장법으로 금속 산화물에 흡착시키는 방법이다.
이 방법은 마그네슘과 같이 수소를 잘 흡수하는 물질들을 이용해 금속 수산화물의 형태로 저장하는 방식이다. 이런 방식을 '수소 저장 합금'이라고 하는데 이런 합금의 경우는 먼저 금속에 수소를 가득 저장시켜두었다가 열을 가하여 금속의 압력을 감소시키면 흡수했던 수소를 밖으로 방출해버리는 성질을 이용하는 것이다. 이처럼 수소를 잘 흡수하는 금속에 수소를 흡착시켜서 저장하고 그것을 옮기는 것은 크게 번거롭지 않다. 그리고 이런 방법을 사용하면 가스 상태로 저장하는 것보다 부피도 확 줄일 수 있고 폭발에 대한 위험성도 없어 안전하기 때문에 차세대 수소에너지 보관방법으로 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
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