수소 정말로 우리의 미래 에너지원인가

그동안 우리는 화석연료 즉 석탄과 석유, 천연가스에 의존하는 삶을 살아왔습니다. 수십 년 전부터 석유의 고갈이 머지않았다는 소위 과학자들의 경고를 들어왔지만 여전히 석유는 여전히 잘 나오고 있고 수압파쇄기술(프래킹)에 힘입은 셰일가스의 개발은 에너지 분야의 게임체인저가 되었습니다. 엄청난 양의 셰일가스가 미국과 중국의 지하에 묻혀있어 아무 걱정을 안 해도 될 듯합니다. 물론 무한할 수는 없지만 그래도 상당히 당분간은 값이 어떨지는 몰라도 에너지 수급 자체가 크게 문제 될 것 같지는 않습니다. 그럼에도 불구하고 화석연료의 소비로 촉발된 지구온난화와 그에 따른 기후변화는 돌이킬 수 없는 파국으로 치닫고 있는 상황입니다. 전 세계가 미증유의 기후변화와 자연재난을 직면하고 있습니다. 더 이상 기존의 방식으로는 인류가 지속가능하지 않을 것이라는 인식은 공감을 얻고 있는 것 같습니다. 에너지 생산과 획득의 방식이 획기적으로 바뀌지 않으면 안 될 시기라는 것입니다. 풍력, 지열 등의 신재생에너지가 대안이 될 수 있을까요 아니면 요즘 각광을 받고 있는 수소가 정말로 대안이 될까요? 후쿠시마 원전으로 중단되는 분위기의 원자력발전이 다시 살아나는 모양새입니다. 어디로 가야 할까요?

 

제주 풍력발전기

 

 

석유

석유는 인류의 삶을 방식을 획기적으로 바꾼 에너지원입니다. 과거에는 석탄에 의존한 사회 및 경제구조였지만 석유가 개발됨으로써 석탄은 빠르게 역사의 뒤안길로 사라져 갔습니다. 우리나라에서도 1980년대까지 석탄으로 난방을 하고 각종 에너지원으로 사용했지만 이후 빠르게 석유로 대체되었습니다. 물론 아직 석탄발전소가 있기는 하지만 신규건설과 활용은 점점 줄어들고 있는 상황입니다. 일상생활에서 석탄을 사용하는 경우 거의 없다고 보는 것이 맞을 것 같습니다. 

 

석유는 유기적으로 혹은 무기적으로 지층 내에서 자연적으로 만들어진 액체의 탄화수소(Hydrocarbon)입니다. 인류가 소비하는 자원 중에서 물과 더불어 가장 핵심적인 자원의 하나입니다. 석유는 에너지 자원(주로 액화천연가스, 휘발유, 등유, 경유)으로서 뿐만 아니라 석유로부터 플라스틱, 섬유 등 일상생활에서 사용하는 거의 모든 것에 활용되고 있습니다.  석유는 주로 중동국가(사우디아라비아, 예멘, 아랍에미레이트, 오만, 이란 등)에서 많이 생산되지만 미국, 중국, 러시아 등도 많은 매장량과 생산량을 가지고 있습니다. 과거 우리나라를 포함한 전 세계의 경제는 석유값에 의해 좌지우지되던 시절이 있었습니다. 석유값이 폭등하면 나라의 경제가 휘청거릴 지경이었습니다.

 

지금도 대부분의 에너지는 석유에서 얻고 있습니다. 매일 운행하는 자동차들이 모두 석유로 운행되고 있습니다. 과거 우리는 수십 년 이내에 석유가 고갈될 것이라고 경고를 많이 들었습니다. 저같이 나이가 조금 있는 사람은 매번 그런 말을 들었는데 그 수십 년이 이미 지났는데도 여전히 석유는 잘 나오고 있으니 이젠 구라로 밖에 보이지 않습니다. 석유매장량이 고무줄도 아니고 매번 고갈된다던 석유는 고갈은 커녕 늘어나는 것처럼 보입니다. 이는 과거에는 기술부족으로 파악하지 못했던 유전이나 가스전을 발전된 기술로 찾아내고 있으면 또한 과거에는 기술부족으로 경제성이 부족했던 유전들과 가스전들도 이제는 혁신적인 기술로 보다 손쉽고 저렴하게 생산할 수 있게 된 것으로 보입니다. 즉 기술발전에 따라 오히려 매장량이 증가하는 양상을 보이는 것입니다.  

 

미국의 원유 및 천연가스 매장량, 출처: 미국에너지정보청

 

그러나 문제는 이런 증가에도 불구하고 반드시 고갈되는 순간은 올 것이라는 것이며 화석연료 사용에 따른 온실가스의 증가로 지구기후에 치명적인 영향을 주고 있어 현 상태로의 화석연료 생산과 소비는 지속가능하지 않다는 것입니다. 어떤 식이든지 대안이 필요한 시점에 대해서는 공감을 하고 있는 것 같습니다.

 

셰일가스

사실 60-90년대는 겪은 석유파동은 중동 산유국의 힘을 보여준 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 석유에 의존하는 방식으로는 이들의 영향력에서 벗어날 수 없었습니다. 이런 이유로 미국도 저 당시에는 국제평화라는 명목으로 중동에 끊임없이 간섭을 하였습니다. 어떤 때에는 이쪽 편을 들거나 또 상황이 바뀌면 저쪽 편을 드는 등 석유확보를 위한 정치적 행보는 변화무쌍이었습니다. 그러다가 미국은 획기적인 전기를 마련합니다. 수평시추 기술을 장착한 수압파쇄기술(프래킹)을 개발함으로써 에너지 혁명이라고 하는 셰일가스를 생산할 수 있게 되었습니다. 프래킹은 고압의 유체를 2000-3000 미터 아래의 천연가스(LNG)를 산점상으로 포함하고 있는 셰일층(퇴적암)에 분사하여 암석에 틈새를 만들어 천연가스가 잘 흐르도록 유로를 형성하여 생산할 수 있게 하였습니다.  

 

이 기술은 미국을 중심으로 경제적으로 적용되게 되었습니다. 이제 더 이상 미국은 중동의 석유에 의존할 필요가 없게 되었습니다. 셰일가스의 매장량에서는 중국, 아르헨티나, 알제리, 미국, 캐나다, 멕시코, 남아공, 호주, 러시아, 브라질, 호주 순서이지만 실제로 생산량은 미국, 중국, 캐나다, 멕시코, 알제리, 아르헨티나 순서입니다. 그런데 다른 나라의 생산량을 다 합쳐도 미국의 생산량을 넘지 못합니다. 이는 미국이 압도적인 셰일가스 생산 인프라와 기술을 갖추고 있기 때문입니다. 

 

국가별 셰일가스 생산량, 출처: 미국에너지정보청

 

그러나 결국 셰일가스도 온실가스를 배출하는 화석연료라는 것입니다. 에너지 측면에서는 매우 혁신적이지만 환경측면에서는 다른 방안도 반드시 마련되어야 한다는 것입니다. 기후변화에 대한 임계점에 거의 도달한 우리로서는 반드시 대안을 마련할 필요가 있어 보입니다. 유럽선진국 특히 독일을 중심으로 원자력발전의 폐기와 풍력, 태양, 지열과 같은 신재생에너지의 적극적 도입이 이루어지고 있습니다. 특히나 후쿠시마 원자력발전소의 폭발 사고는 전 세계에 원자력 발전의 무서움을 보여준 사례라고 할 수 있습니다. 물론 토로나 이후 러시아와 우크라이나 전쟁으로 촉발된 에너지 위기로 인하여 일부 국가에서 다시 원전을 고려하는 움직임이 있는 것은 사실입니다. 그럼에도 불구하고 원전에 대한 우려와 불신이 상당한 것은 사실입니다. 

 

 

신재생에너지

신재생에너지는 종래의 화석연료를 변화시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 변화시켜 이용하는 에너지를 말합니다. 신재생에너지는 시장창출 및 경제성 확보가 가능해야 합니다. 또 화석연료 사용에 따른 이산화탄소 발생이 거의 없어야 합니다. 또 태양, 바람, 지열 등을 활용하되 무한 재생에 가능해야 합니다. 그리고 연구개발에 의해 에너지 활용이 가능해야 합니다. 흔히 신재생에너지는 신에너지와 재생에너지로 구분합니다.

• 신에너지: 연료전지, 수소, 석탄액화, 가스화 및 중질잔산사유 가스화
• 재생에너지: 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열

우리나라의 신재생에너지 적용은 저번 정부에서 거의 태양 위주(태양과 풍력비율은 87:13)로 이루어졌습니다. 그러나 태양광 발전을 위해 멀쩡한 산의 산림을 훼손하는 등의 환경문제를 유발하였으며 또한 생산된 전기에너지를 저장하거나 송전하는 인프라가 갖추어져 있지 않아 무용지물이 되는 경우도 발생하였습니다.  

 

태양광 발전

 

국제기준에 의한 1차 에너지 대비 신재생에너지의 비율이 우리나라가 2.3%인데 반해 이탈리아가 19.4%, 독일이 16.4%, 영국이 13.9% 그리고 프랑스가 11.8%, 미국이 8.5%, 호주가 8.5% 그리고 일본이 6.8%로 상당한 격차를 보이고 있습니다. 우리나라의 경우 의 비율은 45%이고 열로는 약 15% 정도 차지하고 있습니다. 2022년에 천명한 우리나라의 신재생에너지 비율 목표치를 애초 31%에서 21.6%로 낮추는 등의 변화를 보여 신재생에너지 개발과 보급에 후퇴된 정책을 보여 우려의 목소리가 있는 것도 사실입니다. 또한 이번 정부에 들어 원자력 발전에 대한 강조와 집중이 고조되고 있는 시점입니다. 신재생에너지에 대한 에너지믹스에서 문제점으로 기저부하를 감당할 수 있느냐에 대한 지적도 있습니다. 

 

수소에너지

블루수소

신에너지로서 수소의 역할이 강조되고 있는 시점입니다. 우선 수소는 만드는 방식에 따라 명칭이 달라지는데 재생에너지롤 만드는 것을 그린수소하고 하며 이산화탄소의 포집, 활용, 저장(CCUS)을 활용하는 블루수소 그리고 원자력으로 만든 핑크수소가 있습니다.   

• 그린(Green) 수소: 그린수소는 재생에너지로 물을 전기분해하여 생산하는 이산화탄소가 배출되지 않는 친환경수소를 말합니다. 친환경이지만 생산단가가 높다는 문제점이 있습니다. 기술개발에 따라 개선의 여지가 있습니다.
• 블루(Blue) 수소: 블루수소는 화석연료 촉매반응으로 생산하는 수소와 동일한 과정을 거치지만 CCUS를 이용해 탄소를 포집하여 탄소배출을 줄이는 것을 줄이는 것을 말합니다. 탄소배출을 60%나 줄이고 경제성도 있어 현실성 있는 대안으로 친환경 수소생산 방식으로 인기를 끌고 있습니다.
• 핑크(Pink) 수소: 원자력 발전 시 생성되는 증기와 전기로 수소를 생산하는 것을 말합니다. 미국에너지부, 프랑스 전력회사에서 관심을 가지고 있으며 우리나라 한국수력원자력에서 연구를 진행하고 있습니다.

수소는 매우 효과적인 에너지원인 것은 확실합니다. 그러나 현재로서는 그린수소, 블루수소, 핑크수소 모두 생산단가가 높은 것이 문제입니다. 향후 기술발전에 따라 그린수소 등의 역할이 커질 것으로 기대가 됩니다.

 

자연(천연) 수소

한편 자연상의 지층에서도 수소가 생성됩니다. 석유나 천연가스처럼 자연상에서 수소가 생성되며 계속 충진 되는 특징이 있습니다. 현재 수소가 생성되는 기작과 충분한 양의 수소가 매장되어 있는 지층을 찾기 위하여 한국석유공사 등에서 국내 지질학자 등과 협력하여 내륙에 대한 수소 탐사를 시작하였습니다. 어떤 분들은 지층 내 자연수소의 탐사가 제2의 골드러시(오일러시)를 만들 것이라고 말하기도 합니다. 

 

수소는 우주에 가장 먼저 생긴 가장 작고 가장 가벼운 무색무취의 물질입니다. 그런데 수소분자(H2)는 비슷한 양의 디젤이나 휘발유보다도 4배 많은 에너지를 가지고 있으며 온실가스도 배출하지 않습니다. 그런데 앞서 말한 대로 인공적으로 만드는 수소는 그 과정에서 일부 탄소배출이 불가피합니다. 이런 측면에서 자연적인 수소는 매우 매력이지 않을 수 없습니다. 자연적인 수소를 화이트수소 혹은 골드수소라고도 합니다. 자연수소가 만들어지는 기작을 보통 3가지로 말하고 있습니다.

• 맨틀 상부에 분포된 감람석: 철이 풍부한 감람석이 고온에서 지하수와 반응해 사문석이 되는 과정에서 수소를 방출하는 것으로 보입니다. 철이 물 분자로부터 산소를 빼앗고 수소를 방출한다는 것입니다.
• 방사성 원소: 우라늄과 토륨 같은 지각의 방사성 원소가 붕괴하면서 지하의 물분자를 쪼개 수소를 생성한다는 것입니다. 캐나다 토론토대 지질학 롤라 교수는 사문석화 과정이 수소의 80% 그리고 나머지 20%가 방사성 붕괴로 온다고 주장했습니다.
• 지구의 핵: 일부 과학자들은 지구의 핵이 수소의 공급원으로 보고 있습니다. 핵에 갇혀있던 수소가 수천 킬로미터 지하 암석을 거쳐 깨진 틈으로 수소가 올라온다고 추정합니다. 

 

최근에 와서 미국지질학회가 천연수소위원회를 구성했고 미국지질조사국 그리고 호주 등이 각국의 지층에 대행 자연수소의 탐사를 시작했습니다. 천연수소는 석유와 가스에 비해 생성기간이 짧다는 장점이 있으며 지하수가 높은 온도와 압력에서 철 광물과 반응하면서 계속 만들어질 수 있다고 합니다. 그동안 지질학자들은 유전 등의 조사에 있어 수소에 대하여 관심이 없었다. 유전 근처에서는 온전한 상태의 수소도 없을뿐더러 애당초 수소가 목표가 아니니 측정이나 조사를 할 이유도 없었기 때문입니다. 

 

이 자연수소에 대한 것은 이제 시작인 만큼 에너지분야의 게임체인저가 될 것인지는 미지수입니다. 그동안 지질학자들이 관심을 가지지 못했다는 측면에서 다소 충격적인 부분도 있습니다. 그리고 기대도 됩니다. 실제로 지하에 얼마큼의 경제성이 있는 수소가 있을지 미지수입니다. 조사와 탐사는 물론 생성 기작에 대한 연구도 이어져야 할 것입니다. 기대가 실망으로 끝나지 않고 인류의 에너지원으로 확인되기를 간절히 기대해 봅니다.