수소에너지 상용화, 꿈을 이루다
수소저장합금을 이용한 냉난방기, 보일러 등 실용 제품 생산
2007-03-02 김경수 기자
수소에너지는 공해물질이 생성되지 않고, 직접 연소, 연료전지 등의 연료로서 사용이 간편하고 다양한 형태로 저장이 가능하다. 수소에너지는 궁극적으로 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있고, 사용 후에는 다시 물로 재순환이 이루어지며 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있다.
과학기술부의 ‘기후변화협약 대응 연구개발 종합대책’을 보면 국내에서는 온실가스를 방출하지 않는 청정에너지인 수소에너지를 제조·이용하는 기술과 재생에너지 활용 기술 등 다양한 기술이 정부 지원 아래 개발되고 있다.
태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 해양에너지, 지열 등 온실가스를 배출하지 않는 재생에너지를 활용하는 기술은 이미 대부분 상용화 단계에 접어든 상태다. 지금 각 가정의 콘센트까지 도착해 있는 전기에는 재생에너지로 만든 전기가 극히 적은 양이지만 섞여 있다.
하지만 이처럼 재생에너지를 전기와 같은 이용에 편리한 에너지로 바꾸는 데는 많은 비용이 들어, 정부 보조금 없이는 지속 가능하지 않다는 게 문제다. 따라서 재생에너지 설비의 효율성을 높여 생산비를 낮추는 게 과학기술계의 과제가 되고 있다.
이산화탄소를 배출하지 않고 수소에너지를 만드는 데 재생에너지를 이용하는 방안 도 활발히 연구되고 있다. 여기서도 문제는 경제성이다. 아직은 수소를 만드는 데 들어가는 에너지가 수소에서 얻을 수 있는 에너지보다 훨씬 많기 때문이다. 과기부 수소에너지사업단장 김종원 에너지기술연구원 책임연구원은 “실용화되기에는 아직 먼 기술”이라며 “2013~2015년은 돼야 경제성 여부가 판가름 날 것”이라고 말했다. 꿈의 에너지인 수소에너지가 세계적으로 10년~20년 지나야 상용화되는데 그 걸림돌인 안정성과 경제성, 보관 등을 세계 최초로 해결한 기업이 있어서 화제가 되고 있다.
세계 최초로 수소에너지를 상용화하는데 성공한 기업인 (주)다음에너지의 이태형 대표는 1988년부터 연구를 시작해 20년간 수많은 시행착오를 겪은 후 수소저장합금 3.4wt% 개발에 성공하고, 이어 6.7wt% 개발도 초읽기에 들어갔다. 지난달부터 (주)다음에너지는 수소저장합금 원천기술을 적용한 수소 냉난방기·수소 오븐·수소 열풍기·보일러 등의 개발을 완료하고 올해 본격 판매에 나섰다. 이번 제품 상용화는 수소 에너지 상용화가 20년 후에나 가능할 것이라는 기존의 예상을 뒤집은 성과에 해당해 국내는 물론 세계적으로도 주목을 받았다. 이태형 대표는“누군가는 해야 된다는 생각으로 연구와 개발에 임했습니다. 기존 탄소에너지를 수소에너지로 완전 대체할 날이 멀지 않았습니다.”라고 성공 감회를 소개했다. 수소에너지를 이용한 가전제품이 개발됨에 따라 기존 탄소 에너지원 사용에 따른 환경오염 방지는 물론 연료비를 획기적으로 절감할 수 있는 전기가 마련됐다. 수소에너지는 공해물질을 배출하지 않고 열효율이 높아 대체 에너지원으로 주목받았으나 보관과 안전성 문제 등이 상용화의 걸림돌로 작용했다. (주)다음에너지는 새로운 수소에너지 저장방법인 수소저장합금기술을 개발, 상온 상압에서도 수소의 보관이 가능하도록 함으로써 일반 가정용 가전제품에 수소를 활용할 수 있게 했다.
세계 최초 3.4wt% 수소저장합금기술 개발
세계 각국은‘수소’를 차세대 에너지 수단으로 활용하기 위해 더 많은 노력을 기울이고 있고, 에너지의 상당 부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라 역시‘수소경제 시대’에 큰 관심을 쏟고 있다. 지구상에 존재하는 대부분의 수소 원자는 물의 형태를 이루고 있어서 전기 분해 등의 방법을 통해 수소를 얻어야 한다. 수소가 차세대 에너지로서 각광을 받는 이유는 중동 등의 특정 지역에 매장량이 밀집된 석유와는 달리, 물을 통해 지구 어디에서나 얻을 수 있는 에너지이고, 연소할 때 공해물질을 거의 배출하지 않는 청청에너지이기 때문이다. 그러나 수소는 자체의 특성상 다루기가 매우 까다로운 물질이다. 가장 가벼운 기체이며 끓는점이 영하 252.9℃의 극저온이기 때문에, 새어나가기가 쉽고 저장이 그만큼 어렵다. 고압으로 수소를 압축하거나 LPG나 LNG처럼 액화시켜서 사용하려면 엄청난 비용 부담이 따르며, 폭발성에 따른 위험도 크다. 따라서 수소를 안전하고 효과적으로 저장하기 위한 방안들이 그동안 많이 연구되어 왔는데, 수소를 합금의 격자 안에 끼워서 보관하는‘수소저장 합금’이 그 예이다. (주)다음에너지의 이태형 대표는“수소저장합금기술은 1960년대 후반에 네덜란드의 필립사가 개발한 란탄-니켈계 합금이 최초의 것으로 금속과 수소가 반응해 금속수소화합물을 만드는데 어떤 종류의 합금은 대량의 수소를 흡수해 가열하면 용이하게 수소를 방출하는 성질을 가지고 있습니다.”라며“상용화에 가까운 것은 티탄-철, 란탄-니켈, 티탄-망간 합금 등입니다. 이러한 합금의 성질을 이용하면 약간의 온도와 압력처리를 통해 수소를 쉽게 저장할 수 있습니다.”라고 설명했다. 수소저장합금기술은 수소와 반응하는 금속 물질들의 최적 배합을 찾아내 상온 상태에서도 많은 양의 수소를 고밀도로 저장할 수 있는 기술인 것이다. 따라서 (주)다음에너지는 수소에너지의 가장 큰 난제인 안정성과 경제성 측면에서 획기적인 성과를 나타낸 것이다. 이태형 대표는 지난해 3월 개나다 벤쿠버 환경에너지박람회에 참가해 물에서 분리한 수소를 안전하게 저장한 후 공기 중의 산소와 결합해 열을 발생하게 하는 신기술을 선보임으로써 전 세계 바이어들의 탄성을 자아낸 주인공이다. 이를 계기로 이 대표는 그해 7월 미국의‘하이랜드파트너스’사로부터 170억 원의 투자계약을 하였으며, 미국 증권회사인‘머피앤듀리’사와 나스닥 상장을 위한 주관사 계약을 성공리에 마치기도 했다.
2010년 이후엔 수소에너지 시대
수소에너지는 석유나 석탄의 대체 에너지원으로 사용될 수 있다. 수소의 원료인 물은 무한히 많고, 연소하더라도 연기를 뿜지 않는 등 수소는 미래의 무공해 에너지원으로서 중시되며, 인류 궁극의 연료로 지목되고 있다. 수소는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 현재 인류가 당면하고 있는 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈을 예상할 때 궁극적인 미래의 대체에너지원 또는 에너지 매체로 생각되고 있다. 이는 현재의 에너지시스템에 이용되는 화석연료가 사용 후 NOx. SOx, 분진 등과 같은 대기오염물을 배출하여 지구의 환경을 오염시키고 있을 뿐만 아니라 최근에는 화석연료 연소에 따라 배출되는 이산화탄소의 대기 중 농도증가로 지구온난화의 우려를 가중시키고 있다. 현재 세계의 수소 소비량은 수백 억 m3에 이르렀지만 물을 원료로 해서 값싸게 대량생산할 단계까지는 아직 이르지 못하고 있다. 현재 연구되고 있는 주된 제법으로서는 원자력발전의 전력으로 물을 전기분해하는 방법과 열화학사이클법 등이 연구되고 있다. 여러 종의 물질을 결합시키고 원자로의 열을 이용해서 여러 단계의 화학반응을 일으켜 최종적으로 물을 수소와 산소로 분리시키는 열화학사이클법이 연구되고 있지만 설비 투자가 많은 것이 단점이다. 또한 수소에너지를 얻는 과정 자체가 현재 석유나 석탄을 이용하는 것보다 훨씬 많은 재원을 요구하지만 향후 에너지 수급전망에 따르면 수소의 생산단가가 화석연료의 생산단가보다도 낮게 되는 시점인 2010년을 전후해서 수소에너지 시대가 도래할 것이라고 전문가들은 예측하고 있다. 에너지원 이용 추세로 보더라도 산업혁명이후 석탄, 석유 등 탄소원자수가 많은 연료로부터, 탄소원자수가 1개인 천연가스로 변화하고 있으며, 21세기에는 탄소가 없는 수소가 가스 연료로서 각광을 받을 것이라고도 한다. 따라서 수소를 미래의 에너지원으로써 효율적인 수소생산기술, 수소 저장 및 수송기술, 안전성기술과 아울러 수소를 이용한 응용기술에 주안을 두고 각 분야의 연구를 상호 유기적으로 결합하여 미래 21세기 에너지안보 및 국가 경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 될 수소에너지 기술을 확보하는 것은 중요하다. 수소는 산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수소 자동차, 수소비행기, 연료 전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있을뿐더러 가스 상태로 주거용, 난방용, 발전용으로 쓸 수 있다. 가스 연료를 대신하여 그대로 사용할 수도 있다. 수소에너지에 대한 각국의 연구개발 동향으로 볼 때, 정부나 주정부 등 공공기관이 개발 자금을 부담하여 적극적으로 개발을 지원하고 있고, 기존 기술을 활용하여 실용시스템을 구성하여 문제점 해결과 시민에 대한 계몽을 함으로서 장래 시장 도입을 용이하게 할 수 있도록 기반을 조성하고 있다. 한국에너지기술연구원에서는 지속적으로 수소에너지 관련 연구를 수행하고 있으며 열화학법에 의한 수소제조기술, PV시스템을 이용한 수소제조기술, 고체고분자전해질 이용 수소제조기술, 저가의 청정연료 제조기술, 금속수소화물을 이용한 열수송기술 등의 연구가 수행되었거나 진행 중에 있다. 무한정인 물과 유기물질을 원료로 하여 수소를 제조 이용한다면, 재순환되므로 자원 고갈 우려가 없어, 화석연료 자원이 빈약한 국가에 적합한 에너지원이 될 것이다.
세계 기술개발의 선두에 위치한 우리나라
(주)다음에너지의 수소저장기술은 수소저장합금과 수소저장용기의 완전한 분리가 이루어지는 것이다. 상온상태에서 작동이 가능한 저장장치일 뿐만 아니라 강제냉각이 가능하여 충전시간을 최소화 해 역시 뛰어난 경제성을 자랑한다. 이태형 대표는“수소저장 원천 기술을 확보하고 있고 수소저장기술의 독보적 선두 그룹에 위치해 있지만 국가와 기업 간의 경쟁이 심화되어 자칫 소모전이 될 수 있고, 희토류인 원재료의 해외 의존도가 높아 산업화의 인프라가 부족한 것이 최대 약점이 될 수 있습니다.”고 밝히고“하지만 세계적으로 볼 때 기술개발의 초기단계에 있고 그 선두에 우리나라가 설 수 있는 기회가 아직 남아있기 때문에 매우 희망적이라고 볼 수 있습니다. 고유가 시대나, 환경 규제의 강화 등 세계적인 기류뿐만 아니라 민간 투자 의지도 높아지고 있고, 국제 협력의 분이기가 고조되고 있는 이상 빠른 속도로 수소에너지의 발전이 이루어질 수 있다고 봅니다.”라고 덧붙였다. (주)다음에너지에서 개발한 수소저장합금은 세계 최초로 상용화 시키는 자랑스러운 우리 기술임과 더불어 화석 연료 대비 상대적으로 저가 전략을 펼칠 수가 있다. 또한 가정과 산업현장에서 직접 수소저장이 가능해 절대적인 에너지비용의 절감 효과도 탁월할 것으로 예상된다. 이 대표는“수소저장용기 또한 용도별, 용량별로 제작이 가능해 저장의 편리성과 수소가스 이용 확대에 따른 제품 대처에 용이할 것입니다.”라며“수소 사용의 당위성을 먼저 계몽한 후에 이번에 개발된 기술을 알릴 예정입니다. 수소에너지에 대한 편견을 없애기 위해 단계적으로 언론에 노출시킬 계획입니다.”라고 전했다. 이 대표는 수소의 생활화를 위한 캠페인 유치 및 다양한 경로로 제품의 편리함을 홍보하고자 여러 유형의 제품 개발에 힘쓰고 있다.
해외 시장으로 진출
(주)다음에너지는 해외진출과 해외시장 확대를 위해서도 박차를 가하는 중이다. 최근 인도네시아 수라바야 지역 260만평과 아체지역의 720만평에 각각 바이오디젤 원료인‘자락’과‘옥수수’등의 대량재배생산 및 바이오 디젤 임가공 생산에 대한 업무 협약을 맺었다. 이 대표는“동남아시아 일대의 수소에너지에 기반을 둔 열병합발전 시스템 및 플랜트 공급 사업을 전격화하고 대규모 바이오디젤 원료를 사용키 위한 전략의 일환으로 이번 계약을 체결했습니다.”라고 밝혔다. (주)다음에너지는 올해 예상매출액 500억 원으로 출발해 완전 상용화 이전인 2011년까지 1,200억 원의 매출을 달성하고 2012년 완전 상용화 이후에는 폭발적인 매출 신장을 예상하고 있다. NP