미래에너지 '수소' 이용한 친환경도시 이제 곧 다가온다.
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미래에너지 '수소' 이용한 친환경도시 이제 곧 다가온다.
  • 김종우 기자
  • 승인 2020.07.21 15:55
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차세대 미래에너지 수소

전기자동차에 이어 수소자동차가 개발되고 있다. 수소(水素)는 한자 ‘물 수’와 ‘바탕 소’가 합쳐진 단어이며 한자어 처럼 물을 구성하는 원소가 바로 수소이다.

​지구 지표면의 71%를 덮고 있는 물의 분자 구조로 물을 바탕으로 이루는 수소는 요즘 미래에너지로 주목받고 있다. 수소가 미래 에너지로 주목받는 이유 또한 물이라서다. 지구에 있는 많은양의 물을 분해한다면 어마어마 한 양의 수소를 얻을 수 있다. 또한 산소와 만나는 연소 반응을 통해 전기를 생산해도 물과 극소량의 질소만이 생성돼 공해 물질이 배출되지 않는 등 매우 친환경적이다.

수소는 이러한 특성을 갖고 있기 때문에 수소를 이용한 에너지활용에 대한 연구는 전 세계가 발 빠르게 움직이고 있다. 자동차는 물론 인간이 생활 할수 있는 수소 도시까지 만들려고 하고 있다.

수소를 이용한 에너지를 만들기 위해서는 먼저 순수한 수소를 분리해야하며 물을 분해하면 고순도의 수소를 얻어낼 수 있다. 물에 1.75V 이상의 전류를 흘려주면 양극에서는 산소 기체가 발생하며 음극에서는 수소 기체가 발생한다. 하지만 이러한 과정 즉 물을 전기 분해할 때 소요되는 비용이 많이 들기 때문에 과학자들은 비용을 낮추기 위한 연구에 집중하고 있다.

2019년, 현택환 기초과학연구원 나노입자연구단장이 이끄는 연구팀은 햇빛으로 물에서 수소를 뽑아내는 광촉매를 개발했다고 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’에 소개된 적이있다.

​연구팀은 반도체 물질인 이산화타이타늄에 구리 원자들을 끼워 넣어 새로운 광촉매를 개발했다고 발표했는데 이 광촉매는 빛을 받아들여 화학반응에서 반응 속도에 영향을 주는 물질이다. 참고로 이산화타이타늄은 빛을 받으면 전자를 내뿜는 물질이며 연구팀이 개발한 광촉매는 물에 담고 빛을 비추면 전자가 수소 이온과 결합하면서 수소 분자(H₂)가 기포 형태로 분리되는 방식이라고 전했다.

​연구팀이 개발한 새로운 광촉매는 상온, 대기압에서 수소를 생산하며 온실가스도 배출하지 않고 저렴한 구리를 이용해 수소 생산 단가를 획기적으로 낮출 물질로 기대를 받고 있다.

​현재 가장 많이 이용되는 수소 분리 방법은 화석연료를 통해 얻어내는 방식으로 메탄(CH₄) 등 탄화수소에 수증기를 넣어 수소를 생산하는 수증기 개질 방법이 대표적이다.

이방식은 많은 수소를 얻을 수 있는 장점이 있지만 고온과 고압 같은 조건이 필요하기 때문에 에너지 소비가 많이 든다. 또한 온실가스인 이산화탄소를 일부 발생 되기 때문에 이부분을 줄이기 위해 많은 과학자들이 물 분해에 시간과 노력을 투자하는 것이다. 

​물 분해나 수증기 개질 등 여러 가지 방법으로 분리해 낸 순수한 수소는 고압가스나 액체 등으로 저장된다. 이후 산소와 반응시키면 열을 내뿜고, 이때 발생한 열은 우리가 활용할 수 있는 에너지로 변하는 것이다.

울산 율동의 수소시범도시 주거모델 구상도

생성된 수소 에너지 역시 태양광 발전을 통해 얻은 에너지처럼 생활 속의 에너지원으로 사용할 수 있으며 국토교통부는 2022년까지 국내 세 곳(경기도 안산과 울산, 전북 완주·전주, 삼척) 을 ‘수소 도시’를 만들겠다고 2019년 발표하였다.

​수소 도시는 수소를 냉난방과 전기, 교통 등 도시를 움직이는 에너지원으로 활용하며 도시 내에서 수소의 생산과 저장, 이송, 활용이 모두 이뤄져야 한다. 수소 도시로 선정된 세 곳은 현재 수소 기술을 도시에 접목하기 위한 연구를 진행 중이라고 한다.

​수소 도시는 국내 뿐아니라 전 세계 선진국가들이 만들려고 한다. 2008년 덴마크 최고 환경 프로젝트로 지정된 이 사업은 덴마크 롤란드 섬은 2008년부터 베스텐스코프 마을에 연료 전지 모듈을 설치하고 공급망을 구축했다. 이 모듈은 태양열 또는 풍력 발전으로 생산된 전력으로, 전기 분해를 통해 물을 수소와 산소로 분해하고, 연료전지를 이용해 수소와 산소를 반응시켜 전기와 열을 생산하는 방식이다. 또한 공급방식은 천연가스처럼 각 가정에 공급되기 전에 탱크에 모아두었다가 파이프를 통해 공급한다.

​아시아 강대국 일본 역시 수소 도시 사업에 진입하였으며 2011년 일본 정부는 기타큐슈시와 협력해 수소 타운 프로젝트를 시작을 알렸다. 도시에 파이프라인을 설치하여 수소 에너지를 공급하는 모델로, 24시간 안정적으로 수소 에너지를 사용할 수 있다. 또한 충전 설비를 설치해 수소에너지로 움직이는 지게차, 자전거 등을 운송수단으로 활용하고 있으며 코로나 사태로 개최가 연기 된 도쿄올림픽을 목표로 기타큐슈시와 같은 수소 도시를 계속 추진하고 있다.

​영국은 2030년까지 기존 천연가스 배관을 활용해 수소를 공급하는 ‘리즈 시티 게이트 프로젝트’를 추진 중이며 호주와 네덜란드 등 유럽에 국가들은 수소 도시를 건설하기 위한 실증사업을 하고 있다고 한다.

자료 : Research Association of Hydrogen Supply /일본 기타큐슈 수소타운 개념도

 

 

 


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