제가 공과대학 언론기관 소속(tmi)인데 이번 학기 제가 쓴 글을 공유합니다! 공유해도 되냐고요? 저도 모룹?니다?!?
그림 자료는 붙여넣기가 안되네요ㅠㅠ
양해 바라요ㅠㅠ
#환경
편의점에서 생분해성 비닐을 제공하고, 카페에서도 종이 빨대를 제공하는 등 환경에 대한 관심이 대두되면서 ESG 경영도 주목받고 있다. ESG란 Environment(환경), Social(사회), Government(지배구조)의 앞 글자를 따온 단어이다. 따라서 ESG 경영은 기업의 비재무적인 요소인 환경, 사회, 지배구조에 대한 경영을 뜻한다. ESG 경영의 한 사례로는 음원 스트리밍 사이트 melon이 진행하는 ‘숲;트리밍’ 프로젝트가 있다. 이 프로젝트는 melon ‘숲;트리밍’ 페이지에서 응원하는 아티스트를 선택하면 결제 금액의 2%가 그 아티스트 이름 앞으로 적립되고, 이 금액이 2천만 원에 도달하면 서울환경연합으로 기부되어 아티스트의 이름으로 숲이 조성되는 프로젝트다. 본 프로젝트로 많은 아티스트들의 숲이 서울 내에 조성되어 있다.
▲ 그림1. 숲;트리밍 참여 방법
▲ 그림 2. 숲;트리밍 프로젝트 목표 금액 달성으로 조성된 투모로우바이투게더 숲
그러면 ESG 중 E, Environment에 대해 좀 더 집중해 보자. 환경을 중시하는 이러한 흐름은 어디서부터 온 것일까? 1997년 12월의 교토 의정서, 2015년 12월의 파리기후변화협약에 이어 2019년 12월 EU의 그린딜을 통한 2050년 탄소중립 목표 발표까지 이어지는 흐름 속에서 환경에 대한 관심이 촉구되었고, ESG 경영까지 확장된 것이라고 볼 수 있다. 2050 탄소중립에서 2050이 특별히 지정된 이유는 IPCC가 2100년까지 지구 평균온도 상승폭을 1.5℃ 이내로 제한하기 위해서는 전 지구적으로 2030년까지 이산화탄소 배출량을 2010년 대비 최소 45% 이상 감축하여야 하고, 2050년경에는 탄소중립을 달성하여야 한다는 경로를 제시했기 때문이다. ESG 경영이 성공적으로 이루어지기 위해서는 사회∙경제적 제도와 기술이 뒷받침되어야 할 필요가 있다.
#신재생 에너지와 수소 에너지
그러한 기술적 측면의 예시 중 하나로는 신재생 에너지를 들 수 있다. 대표적인 신재생에너지로는 태양광 에너지, 풍력 에너지, 수력 에너지 등이 있다. 이러한 신재생 에너지들은 기상 등의 외부 환경에 의해 발전량이 달라지는 “간헐성”이라는 치명적인 단점이 있다. 이러한 간헐성을 보완할 수 있는 신재생에너지가 있는데, 바로 수소 에너지이다.
#수소 에너지의 저장
수소 에너지는 다른 신재생 에너지와는 다른 방식으로 에너지를 저장할 수 있는 특성을 가진다. 이를 P2G 에너지 저장 기술이라고 한다. P2G는 Power to Gas의 약자로, 기존의 에너지 저장 기술은 전력을 전력 그 자체의 형태로 저장하여 전선의 저항으로 인한 지속적인 손실이 발생한다. P2G 저장 기술은 전력을 연료로 전환하여 저장하기 때문에 전력에서 연료로의 전환 과정에서 발생하는 전력 손실을 제외하고는 기타 손실이 발생하지 않는다.
기존 에너지 저장 기술
전력을 전력 형태로 저장
P2G
전력을 연료 형태로 저장
▲ 표 1. 기존 에너지 저장 기술과 P2G의 비교
P2G 에너지 저장 기술에는 다양한 다공성 소재가 쓰일 수 있다. 그 중 대표적인 소재가 MOF이다. MOF란 Metal-Organic Framework, 금속 유기 골격체이다. MOF의 구조는 그림 3과 같다. 노란 공 부분은 기공을 표현한 것이고, 파란색 정사면체는 금속 이온을, 그 이외의 부분은 탄화수소 유기화합물을 표현한 것이다. MOF는 금속이온과 탄화수소 유기 화합물이 삼차원으로 연결되어 내부에 미세 기공을 형성한다. MOF에 흔히 사용되는 탄화수소 유기화합물은 중간에 벤젠이나 나프탈렌과 같은 방향족 탄화수소가 있다. 이들은 금속이온과 연결되기 위해 양 끝에 카복실기를 가진다. 카복실기의 카복실산이 화합물 합성 과정에서 음이온이 되어 양이온인 금속과 배위결합으로 연결된다. 탄화수소 유기화합물은 다리처럼 양쪽의 금속 이온을 연결해 주는 작용을 하므로 다리 리간드라고 부르기도 한다. 수소는 전자 개수가 1개밖에 되지 않아 전자 개수가 많은 다른 기체보다 물질의 표면에 물리 흡착을 하기 힘들지만, 유기화합물을 구성하는 탄화수소기가 상대적으로 풍부한 전자를 가지고 있기 때문에 수소의 전자가 부족하더라도 괜찮다. 기공을 둘러싸고 있는 골격 화합물의 표면에 수소를 물리 흡착시켜 MOF에 저장하는 것은 다른 수소 저장 방법에 비해 상대적으로 낮은 압력에서 수소를 저장했다가 필요할 때 쉽게 꺼내어 연료로 사용할 수 있는 장점이 있다.
▲ 그림 3. MOF-5의 구조
[용어 사전]
*탄화수소: 탄소와 수소만으로 이루어진 화합물
*카복실산: 카복실기(COOH)를 가지고 있는 유기 화합물
*배위결합: 한 원자가 다른 원자에게 일방적으로 전자를 제공하는 공유결합
*물리흡착: 분자가 응집할 때 작용하는 물리적 인력에 의해 고체 표면에 그대로의 형태
로 흡착하는 것
#수소의 생산
수소는 생산 방법에 따라 분류할 수 있다. 여러 수소가 있지만 가장 잘 알려진 세 수소는 그린 수소, 블루 수소, 그레이 수소다. 세 수소는 생산 방식 및 이산화탄소 배출 여부로 나뉜다. 먼저 그레이 수소는 탄소를 배출하는 수소이다. 그레이 수소는 천연가스 등 화석 연료를 개질하는 과정에서 이산화탄소를 발생시키며 생산되는 수소이고 개질 수소와 부생 수소로 나뉜다. 블루 수소는 그레이 수소에서 발생한 이산화탄소를 CCUS 기술로 포집, 저장하여 이산화탄소 배출량이 없게 만든 수소이다. 그린 수소는 재생에너지 기반으로 만들어지는 수소로 이산화탄소 배출이 원래부터 없는 수소이다.
▲ 그림 4. 수소의 분류
수소 생산 방식 또한 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 탄화수소를 이용한 수소 생산, 바이오매스를 이용한 수소 생산, 물 분해를 이용한 수소 생산이다.
먼저, 탄화수소를 이용한 수소 생산은 생산 비용이 가장 낮기 때문에 수소 생산에 있어서 가장 많이 사용하는 방식이다. 이 수소 생산 방식에는 습윤 개질 반응, 부분산화 반응, 자열 개질 반응, 가스화 반응, 수성가스 전환 반응의 5가지가 있다. 첫 번째로 습윤 개질 반응은 기체 혹은 액체 상태의 화석연료가 수증기와 반응하여 수소와 일산화탄소를 생산하는 반응으로 반응식은 다음과 같다. [ ] 평형 반응이고 매우 강한 흡열반응이며, 가장 효율이 높고, 고농도의 수소 생산이 가능하다.
두 번째로 부분 산화 반응은 무거운 탄화수소로부터 수소를 생산할 때 주로 사용하는 방법이다. 부분 연소법, 즉 부분산화법은 탄화수소의 일부를 산소 또는 공기로 연소시키고, 그 발생 열에 의해 잔존 탄화수소를 변성시켜 생성물을 연속적으로 만드는 내열식 제조법이다. 고압의 반응기에서 천연가스를 부분 산화시켜 불순물인 황이 제거된 천연가스를 공기와 반응시키는 방법으로 반응식은 다음과 같다. [ ]
세 번째로 자열 개질 반응은 습윤 개질 반응과 부분 산화 반응을 혼합한 반응이다. 네 번째로 가스화 반응은 석탄이나 바이오매스 등과 같은 고체상의 연료를 가스화 반응을 통하여 수소가 포함된 합성가스로 전환하는 반응이다. [반응식 생략] 수성 가스 전환 반응은 습윤 개질 반응 또는 가스화 반응에서 발생한 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 추가로 이산화탄소와 수소를 발생시키는 반응으로, 반응식은 다음과 같다. [ ] 가역반응이고 약한 발열 반응이며, 고온에서 반응속도가 우세하기 때문에 다단 반응기를 사용하여 효율을 증가시킨다.
[용어 사전]
*정반응: 가역 반응 중에서 오른쪽 방향 화살표를 따라 진행되는 반응
*흡열 반응: 반응이 일어날 때 열에너지를 흡수하여 주위의 온도가 낮아지는 반응
*발열 반응: 반응이 일어날 때 열에너지를 방출하여 주위의 온도가 높아지는 반응
*가역 반응: 정반응이 일어남과 동시에 역반응이 일어나는 반응
다음으로 바이오매스를 이용한 수소 생산이다. 바이오매스는 농작물, 목재 및 분뇨 등 동식물로부터 생산되는 재생 가능한 자연 상태의 에너지원이다. 바이오매스를 이용한 수소 생산 방식은 열화학적 방법과 생물학적 방법의 2가지로 나뉜다. 열화학적 방법은 산소 혹은 스팀을 사용한 가스화 반응을 주로 이용하여 수소를 생산한다. 생물학적 방법은 상온, 상압에서 이루어지며, 다시 생물학적 광분해 방법과 발효법으로 나뉜다. 생물학적 광분해 방법은 박테리아와 조류가 반응에 참여하여 수소화 효소 시스템을 통해 직접 물을 분해하여 수소를 생산하는 방식이다. 반면 발효법은 탄화수소로 구성된 바이오매스가 미생물에 의해 발효되면서 유기산으로 전환됨과 동시에 수소를 생산하는 방식이다.
▲ 그림 5. 바이오매스의 한 종류인 산림바이오매스
마지막으로 물 분해를 이용한 수소 생산이다. 이 방식은 강한 흡열 반응으로 많은 양의 에너지가 필요하다. 물 분해를 이용한 수소 생산 방식은 전기 분해법, 열분해, 광전의 3가지로 나뉜다.
첫 번째로 전기 분해법은 전기로 에너지를 공급하여 수소를 생산하는 방법으로, 공급되는 전기가 재생 에너지일 경우 가장 청정한 방식으로 수소를 만들 방법이기 때문에 최근에 많은 연구가 진행 중이다. 현재 상용화된 대표적인 전기 분해법은 알카라인, 양성자교환막(PEM), 고체산화물전해질(SOEC)가 있다. 양성자교환막(PEM)에서는 양극으로 공급된 물이 수소 이온과 산소로 분해되면서 수소가 생성되는 반응이고, 알카라인과 고체산화물전해질(SOEC)은 음극으로 공급된 물이 수소 분자와 수산화 이온으로 분해되고, 수산화 이온이 전해질을 통과하여 양극에서 산소를 형성하는 반응이다.
두 번째로 열분해는 물을 수소와 산소로 분해될 때까지 고온으로 가열하는 방법이다. 공정이 간단하지만 2,500°C 이상의 매우 높은 온도가 필요하다. 물을 산소와 수소로 만드는 화학반응을 순환시킨다.
세 번째로 광전은 광화학 전지를 사용하여 수소를 생산하는 방법이다. 태양전지와 메커니즘이 유사하지만, 전자의 이동이 전기 생산을 유도하는 태양전지와 달리, 전자의 이동이 물의 환원에 의한 수소 생산에 직접 활용된다. 전자의 이동이 물의 환원을 유도하여 수소를 생산한다는 점에서 차이가 있다.
▲ 그림 6. PEM 연료전지의 작동 원리’’
탄화수소를 이용한 수소 생산 방식과 바이오매스를 이용한 수소 생산 방식 중 열화학적 방법은 그레이 수소를 생산하는 공정이고, 물 분해를 이용한 수소 생산은 그린 수소를 생산하는 공정이다. 바이오매스를 이용한 수소 생산 방식 중 생물학적 방법은 사용되는 생물이 그 과정에서 이산화탄소를 배출하는지의 여부에 따라 그레이 수소인지 그린 수소인지가 갈릴 것이다.
#질문
그렇다면 그레이 수소는 이산화탄소를 배출시키기 때문에 퇴출당하여야 하는가? 논의에 앞서 그레이 수소에 대해 더 자세히 알아보자. 그레이 수소는 크게 개질 수소와 부생 수소로 나뉜다. 개질 수소는 탄화수소를 분해하여 생산하는 수소이고 부생 수소는 석유화학 공정이나 철강 공정 과정에서 부산물로 나오는 수소이다. 개질 수소는 천연가스나 석탄가스와 같은 탄화수소를 분해하여 생산하는 수소로, 탄소가 수소 생산 과정에서 발생하는 것이 확실하다. 하지만 부생 수소는 다른 공정 중에 나오는 부산물로 생긴다. 이러한 점을 미루어 봤을 때 개질 수소는 퇴출당하여야 할 것 같으나 부생 수소는 퇴출당할 필요가 없을 것 같다.
한편으로는 수소의 안전성을 우려하는 목소리 또한 존재한다. 수소 에너지를 듣고 수소 폭탄을 떠올리면서 폭발을 연상하기도 한다. 하지만 수소 폭탄과 수소 에너지의 발생 메커니즘은 차이가 매우 크다. 예를 들어, 연료전지의 작동온도는 최대 1,000도로, 수소폭탄의 작동온도인 1억 도에 한참 못 미친다. 그리고 메커니즘의 차이에 앞서서 먼저 사용되는 수소 자체가 다르기 때문에 수소 폭탄과 수소 에너지의 수소는 전혀 같을 수 없다. 수소 에너지를 발생시키는 데 사용되는 수소는 질량수가 1인 경수소이고, 수소 폭탄에 사용되는 수소는 질량수가 2인 이중수소와 질량수가 3인 삼중 수소이다
또한 수소가 가연성이 높은 원소이기 때문에 공기 누출 시 폭발하지 않을까 하는 우려도 존재한다. 수소가 폭발성을 가지는 농도는 4~75%인데, 수소는 헬륨보다 2배, 천연가스보다 6배 빠른 1.2~9.1m/s의 속도로 상승하기 때문에 공기 중에 누출되더라도 밀집되지 않고 빠르게 상승하여 농도가 매우 낮아지기 때문에 폭발이 일어날 가능성이 작다. 수소연료탱크와 연료 공급 시스템, 연료전지 스택에는 실시간으로 작동하는 수소 누출 감지 센서가 마련되어 있고, 수소연료탱크 주변 온도가 과하게 올라가면 안전밸브가 탱크 내부 수소를 대기 중으로 강제 배출한다. 또한 수소 연료전지 자동차 외관에 불이 붙는다 해도, 수소연료탱크 외부 표면에는 내화재가 적용되어 있어 수소에는 불이 붙지 않는다. 그리고 수소의 자연 발화 온도는 570℃로, 현재 도시가스와 자동차 등에서 사용하고 있는 LNG의 자연 발화온도인 540℃나 LPG의 자연 발화 온도인 470℃에 비해서 높다. 또한 미국화학공학회가 실시한 위험도 분석에서도 수소의 상대적 위험도는 1로 가솔린, LPG, 도시가스보다 낮은 비교적 안전한 에너지원이라고 볼 수 있다.
[용어 사전]
*질량수: 원자의 양성자 수와 중성자 수를 합친 수
▲ 그림 7. 수소 원자의 종류
▲ 표 2. 주요 에너지 종합적 위험도 평가
리튬이온, 휘발유, 수소의 무게당 낼 수 있는 에너지를 비교했을 때 리튬이온은 250Wh/kg, 휘발유는 12,899Wh/kg, 수소는 39,405Wh/kg으로 수소의 효율성 또한 높은 것으로 확인되었다. 이러한 이점 덕분에 대형 운송 수단에서의 활용 가치가 부각되고 있고, 세계 각국에서 수소 버스, 수소 기차 등에 투자하고 있다. 국내 기업에서는 현대자동차가 수소 전기 트럭을 개발하고 있다. 또한 로켓의 연료에도 활용되고 있다.
투자의 대상이 되는 수소차란 연료전지를 동력원으로 하는 자동차이다. 환경부는 지난해 12월 제6차 수소경제위원회를 열고 수소전기차 보급 확대 방안을 발표했다. 수소전기차 보급 확대 방안에는 상용차를 중심으로 수소차 보급을 확대해 2030년까지 30만 대를 보급하고 수소충전소는 660기 이상을 구축한다는 목표가 담겨있다. 전기차에 비해 충전시간도 짧고 주행 거리도 긴 수소차이지만 전기차보다 판매량이 낮은 원인에는 수소 충전 등의 수소 기반 시설이 너무 적다는 등의 이유가 있다. 수소차가 널리 보급되기 위해서는 수소 인프라의 확충이 필요하다.
그림 1, 2: 「마침내 찾은 나의 미래, 투모로우바이투게더 1호 숲!」, 『멜론매거진』, 2024.04.18, https://www.melon.com/musicstory/detail.htm?mstorySeq=14819
그림 3: Charles Yang,「Metal Organic Frameworks — A Brief Introduction」,『Medium』,2018.06.25, https://medium.com@charlesyang_32909/metal-organicframeworks-a-brief-intro-9f8ced9500bb>, 2024.09.19
그림 4: SK ENS, 「수소에 색이 있다? 컬러수소(Color hydrogen)」, 『NAVER 포스트』, 2022.07.26, <https://m.post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=34197673&memberNo=54083852&vType=VERTICAL>, 2024.09.19
그림5: Forest TIME, 「에너지가 Money? 친환경에너지 산림바이오매스」, 『NAVER 포스트』, 2021.08.26,
<https://m.post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=32247690&memberNo=35084660&vType=VERTICAL>, 2024.09.19
그림6: 김재휘, 「고분자 전해질 연료전지」, 『NAVER 지식백과』, 2021.07.05, <https://terms.naver.com/entry.naver?docId=6514344&cid=42331&categoryId=69222 >, 2024.09.19
그림7: SK ENS, 「안전하고 깨끗한 생활 속 에너지 수소가 궁금하다면?」, 『NAVER 포스트』, 2022.07.26, <https://m.post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=35698333&memberNo=54083852&vType=VERTICAL>, 2024.09.19
표 2: 우수연, 「 [수소경제-수소한국②]수소차는 총 맞고도 멀쩡했다」, 『아시아경제』, 2019.03.05
이신근,한재윤,김창현,임한권,정호영, 「수소생산 기술동향」, 『Cleam Technol.』 제23권 제2호, 한국청정기술학회, 2017.06, 121-132p.
