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차세대 에너지 저장소, 수소!

남극의 세종 과학 기지의 최근 사진을 본 적이 있나? 새하얀 눈으로 덮여있어야 할 남극이 지구온난화로 인해 눈이 녹아 현재는 갈색의 흙이 보이고 있다. 뿐만 아니라, 올해만 하더라도 역대 최고 규모라는 거대한 태풍이 몇 차례 한반도를 쑥대밭으로 만들며 지나갔다. 기후변화는 이 글을 읽고 있는 지금도 나날이 심각해지고 있다.


남극의 눈이 전부 녹아 민낯을 드러낸 세종 과학기지의 모습이다.

차세대 에너지 저장소, 수소

현재 지구온난화와 에너지 부족 문제를 해결하기 위한 신재생 에너지 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데, 태양광발전이나 풍력발전과 같이 자연 에너지를 이용한 발전은 시간에 따른 전력 생산 편차가 크다는 문제가 있다. 실제로, 독일의 한 도시는 에너지 편차로 인해 낮 시간, 남는 전기를 처분하는 데 돈을 들이기도 한다. 그렇기 때문에 실제로 이를 적용하기 위해서는 에너지 저장 기술이 필수적이다.


수소는 가장 효율적인 에너지 저장 매체이다.

수소는 이에 가장 적절한 에너지 저장 매체이다. 수소 연료 전지는 이론적으로 수소 열량의 83%라는 매우 높은 최대 효율을 가진다. 순수 물만 배출하기 때문에 친환경적이며, 액화 수소 등의 형태로 안정적인 저장과 이동이 가능하다. 이러한 수소를 주 에너지원을 하는 경제 체계를 ‘수소 경제’라 부르며 세계 여러 나라는 이러한 수소 경제를 활성화시키기 위해 각종 노력을 하고 있다.



수소연료전지

그러나 화석연료와 같이 수소를 직접 태워 사용하는 것은 효율이 떨어진다. 그렇기 때문에 수소를 에너지원으로 해서 전기를 생산하는 전지인 ‘수소연료전지’를 사용한다.


수소 연료전지의 간단한 구조도.

수소연료전지는 수소와 산소로 물을 만들어내는 물 전기분해의 역반응을 통해 전기를 생성하는 배터리이다. 음극에 수소, 양극에는 산소를 공급하며, 이 둘이 만나서 생성된 물은 전지 밖으로 배출된다. 수소가 수소 이온으로 산화되고, 수소 이온과 산소가 물을 생성하는 반응을 일으키며, 반응 도중 전자가 이동한다. 이 전자의 이동으로 인해 전류가 흐르게 된다.


수소 연료전지의 반응식.

기존의 화석연료는 전기를 생성하는 과정, 마찰 등으로 인해 다양한 에너지 손실이 일어난다. 반면, 수소에너지는 이러한 에너지 손실이 적기 때문에 매우 높은 효율을 가질 수 있다. 이론적으로는, 수소 연료전지는 최대 수소 열량의 83%까지 효율을 가질 수 있다.


뿐만 아니라, 수소 연료전지의 배출물은 오로지 물 밖에 없기 때문에, 해로운 가스 등을 배출하지 않는다. 또한 화석연료를 이용한 반전시설보다 훨씬 간단하게 이용할 수 있으며, 설치에 필요한 면적 또한 훨씬 적다. 자동차의 리튬이온전지 대신 사용하는 ‘수소차’ 또한 많이 알려져 있다.


이러한 장점 이외에도 수소 연료전지는 소음이 적고, 다양한 방법으로 수소를 생산할 수 있다는 점에서 유용하다. 또한, 전기를 생산될 때 나오는 열을 동시에 활용해서 열 발전을 시킬 수 있다.


수소를 어떻게 생성할까?

전 세계적으로 가장 많이 사용되는 수소 생성 방법은 천연가스 개질이다. 천연가스에서 황을 제거한 메테인(CH4)에 열을 가해 수소를 생성하는 방법이다. 그 외에는 산업과정에서 배출되는 수소 혼합 가스에서 수소를 분리해 사용하는 방법이 있다.


전 세계적으로 가장 많이 사용되는 방법은 천연가스 개질 방법이다.

이 글에서 가장 자세하게 다룰 방법은 물 전기분해 방법이다. 연료전지의 반응과 반대로, 물에 전기를 가하는 방법이며 일반적으로 수소경제에서 언급되는 수소 생성 방법이 이것이다. 물 분해에서는 산소 발생 반응과 수소 발생 반응이 동시에 일어난다. 촉매가 이 사이에 들어가 반응의 효율을 높인다.


알칼리 수용액에서의 물 분해 반응식이다.

물 분해 촉매

물 분해에 사용되는 촉매는 크게 광촉매와 전기촉매로 나눌 수 있다. 광촉매는 태양광을 받아 물과 직접 전자, 전공을 주고받는다. 식물이 광합성을 하는 것처럼, 빛 에너지 만으로 수소를 얻을 수 있다. 그러나 이 경우 산소 발생 반응, 수소 발생 반응이 같은 공간에서 일어나며 현재까지는 매우 낮은 효율을 보인다. 전기 촉매는 태양광 패널 등을 연결해 태양으로부터 전기를 공급받고, 이를 통해 촉매 반응을 일으킨다. 이 경우 산소 발생 반응, 수소 발생 반응이 분리되어 있으며 상대적으로 높은 효율을 보인다는 장점이 있다.


아직까지 수소 에너지는 생성부터 사용까지 계속해서 연구가 진행되는 중이다. 세계 각국이 환경문제에 관심을 키워가고 있으며, 동시에 그 열쇠가 될 수 있는 ‘수소’는 가장 주목 받고 있다고 해도 과언이 아니다. 앞으로 찾아올 ‘수소 경제’에 대비해, 조금 더 관심을 가져보는 것은 어떨까?



유호정 학생기자│Chemistry│지식더하기


참고자료

[1] http://www.energycenter.co.kr/

[2] http://www.kmecnews.co.kr/

[3] http://dongascience.donga.com/

첨부 이미지 출처

[1] http://www.newspenguin.com/

[2] https://korean.mercola.com/

[3] https://www.doosanmobility.com/kr/

[4] http://study.zum.com/

[5] http://www.energydaily.co.kr/

[6] https://eml.pusan.ac.kr/


첨부 동영상 출처

[1] youtube.com/watch?v=1Ly0PB7hcRk



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