21세기 수소경제시대 개막을 위해서 수소생산기술의 상용화를 준비해야 한다.

미국 경제학자 제레미 리프킨 교수는 “미래 사회의 대체 에너지로서 수소에너지가 유력한 대안이다. 수소에너지 공급망이 현재의 인터넷과 같은 역할을 담당하여 누구나 소비자인 동시에 공급자가 될 수 있는 ‘수소혁명’시대가 열리게 될 것이다.”고 전망하였다.
수소는 물(H2O)을 구성하는 핵심 원소로 거의 무한정으로 사용할 수 있다.
수소 1kg을 산소와 결합하면 3만5천 kcal의 에너지가 방출된다. 이는 같은 질량의 다른 연료인 부탄, 프로판, 휘발유, 등유 등과 비교하면 무려 3배나 높은 효율을 나타내고 있다. 더욱이 다른 연료들이 이산화탄소를 발생시켜 환경오염에 큰 영향을 미친다. 그런데 수소는 연소 후 질소산화물(NOx)을 극소량 배출하는 것을 제외하면 아무런 대기오염물질을 전혀 방출하지 않는다.
이와 같이 지구환경문제를 해결해 주고 에너지 고갈문제도 해결해 줄 수 있는 유일한 대체에너지원으로 수소에너지가 21세기 수소경제시대를 이끌어 나갈 원천이 될 것이라는 사실을 아무도 부인하지 않는다. 그런데 수소생산에 많은 비용을 부담해야 되기 때문에 이를 개선시킬 기술개발이 선행되어야 한다.
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현재 수소를 생산하는 방법은 화석연료의 스팀재생법이나 물의 전기분해법 등으로 전기에 의해서 이뤄지고 있다. 이는 수소를 생산하기위해서는 수소로부터 얻는 에너지양과 맞먹는 전기에너지를 사용하여야 한다. 더욱이 수소는 부피가 커 (프로판 가스의 22배)이를 압축, 액화시키는데 추가적인 비용을 부담해야 한다. 따라서 현재 수소생산은 친환경적이지 않고 화석연료의 연장이라고 할 수 있으며 다른 화석연료 사용보다 2배 이상 비용부담을 해야 한다. 따라서 수소경제시대를 개막시키기 위해서는 이런 수소생산의 한계점을 극복해야 한다.
현재 수소를 생산하는 방법은 대체로 천연가스인 메탄을 고온·고압에서 스팀으로 분해하는 방법(CH4+H20 → H2+CO2)이다. 그렇지만 미래 대체에너지원이 되기 위해서는  천연가스를 분해하거나 물을 굳이 비싼 전기로 분해하지 않고 수소 에너지를 생산할 수 있는 기술이 개발되어야 한다. 이를 위해서 물이나 단순한 유기물을 광촉매라는 특수한 물질을 이용해 수소를 발생시키는 광화학적 물 분해, 태양열이나 폐열을 이용한 열화학적 물 분해, 미생물을 이용하여 물이나 유기물을 분해하는 방법 등 여러 가지 기술개발이 추진되고 있다.

수소는 수소연료전지자동차 외에도 해수담수화, 고부가가치 의약품 제조, 수소이용 히트펌프, 암모니아 합성 등 다양한 산업에서 유용하게 쓰일 수 있다. 특히 철강 분야에서는 철을 얻기 위해 철광석에 붙어 있는 산소를 떼어내야 하는데, 현재 용광로에 철광석과 코크스를 넣어 액체로 만들어 산소를 제거한다. 그래서 철 1톤을 생산하려면 2톤의 이산화탄소가 배출되고 있다. 그렇지만 수소 환원법이 개발된다면 코크스 대신 수소를 사용하여 산소를 제거할 수 있게 되어 전혀 이산화탄소를 배출하지 않는 철을 생산할 수 있게 된다.
이와 같이 수소생산이 상용화된다면 현재 석탄, 석유, 천연가스 그리고 바이오매스 등 화석연료로 인한 탄소 배출이나 에너지 고갈을 걱정하지 않고 수소로 대체하여 나가게 될 것이다. 특히 수소에너지는 직접 연소 또는 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하고 고압가스, 액체수소 등의 다양한 형태로 저장이 용이해 차세대 에너지원으로 각광받게 될 것이다. 또한 산업용 기초소재부터 현재 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모둔 분야에 이용될 수 있다.
많은 전문가들은 2050년에 청정에너지원인 수소를 사용하는 '수소경제 ' 시대가 도래 할 것으로 확신하고 있다. 앞으로 에너지 저장기술이 더 발전하게 되면 물만으로 가전기기나 자동차가 구동할 수 있어 ‘물로 가는 자동차시대’가 열리게 될 것이라고 한다. 

머지않아 수소생산기술개발로 상용화가 기대된다. 
우리나라는 2005년을 ‘수소경제 원년의 해’로 선포하고 수소관련 기술개발에 집중하고 있다. 현재 130만 톤의 수소를 생산, 95%가 탈황과 석유정제에 사용되고 있다. 그렇지만 앞으로 햇빛과 물을 이용해 수소를 대량 생산할 수 있는 광촉매기술이 개발되고 있어 머지않아 수소생산 상용화가 이뤄진다면 수소는 모든 에너지원을 대체할 수 있게 될 것이다.
 
우리나라 연구진이 태양 빛을 이용해 물을 수소와 산소로 분리하는 광분해 기법을 새롭게 개발했다. 연세대 박종혁 등은 화장품, 페인트 등 많은 제품에 사용되는 티타늄 산화물(TiO2)을 이용해 태양광 흡수 능력 및 전기전도도를 크게 높이는 나노 소재 제조 기술을 개발했다. 이번에 개발한 티타늄 산화물 소재 뿐 아니라 텅스텐 산화물, 산화철, 비스무트 바나듐 산화물 등에 다양하게 확대 적용할 수 있어 태양광 에너지 수소 변환 기술의 상용화 가능성을 가속할 수 있는 계기가 마련되고 있다.
한편 이종협 서울대 화학생물공학부 교수팀이 햇빛의 가시광선을 이용해 물에서 기존 방식보다 74배나 더 많은 수소를 생산하는데 성공했다. 즉 태양광 중 4%에 불과한 자외선으로 수소를 생산하는 기존방식에서 벗어나 금 나노 입자로 태양광 중 44.4%를 차지하고 있는 가시광선을 흡수해 열전자를 발생시키는 생산기술을 개발하였다. 이는 기존방식보다 74배나 되는 많은 양의 수소를 생산할 수 있게 되어 수소에너지가 대체에너지원으로 부상할 수 있는 계기를 만들어 주고 있다.

한편 일본 도쿄 대학, 미야자키 대학의 연구팀은 고효율 태양 전지의 전력으로 물의 전기 분해 시스템을 구축하고, 태양 에너지의 24.4%를 이용해 수소의 생성에 성공했다. 지금까지의 광촉매를 이용한 수소 생산에서는 태양에서 수소의 에너지 변화 비율이 10% 미만이었다. 그런데 레이저와 LED 등에 사용되는 고품질의 반도체를 렌즈로 모은 강한 빛 하에서 발전하는 집광형 태양 전지(발전 효율 31%)를 사용해 물의 전기 분해 장치와의 전기적 연결 방법을 개선하여 에너지 손실을 줄여 수소로의 에너지 변환 효율 24% 이상을 실현시켰다. 이렇게 되면 미국 에너지성이 목표로 하는 수소 비용 1kg당 4달러 이하의 비용 감소가 예상된다고 한다.

4세대 원자로가 개발되면 수소생산과 안전이 가능해진다
원자로에서 발생한 열에너지의 3분의 1 정도만 전기 생산에 사용되고 나머지는 방출되고 있다. 이 버려진 열에너지를 이용하여 수소를 생산할 수 있다. 즉 원자로가 900도 이상의 열을 낼 수 있다면 방출되는 열에너지로 물을 분해해 수소를 만들 수 있다. 그렇지만 현재 사용되고 있는 원자력 발전은 경수로이기 때문에 320도 이상 열을 낼 수 없다.
앞으로 상용화될 4세대 원자로인 초고온가스원자로는 우라늄 연료를 세라믹 속에 가두고 방사능 오염이 일어나지 않는 원소인 헬륨을 냉각재로 사용해서 안정성을 높일 수 있다.
핵분열 반응으로 원자로 내부 온도가 1800도까지 올라가도 방사성물질 유출이 잘 일어나지 않는다. 여기에 원자로의 열로 수소를 생산하는 기술까지 결합하면 안전과 효율, 두 마리 토끼를 다 잡을 수 있는 기술인 셈이다.

원자력 수소는 우리나라를 비롯해 일본, 미국 등 10여 개국이 본격적으로 연구하고 있다. 미국은 차세대원전사업을 통해 2018년까지 수소 생산을 위한 실증용 원자로를 건설할 계획이다. 일본은 1998년부터 시작된 실증연구를 2015년까지 마치고 10년 뒤에는 상용화할 계획이다.
우리나라는 2026년까지 실증 시스템을 만들고 2040년대에 에너지의 20%를 수소로 대체한다는 계획이다. 2015년 6월 현재 실증로 설계에 적용할 수 있는 원자로 설계 및 해석 코드를 개발 완료했다. 국내 기술로 건설한 헬륨 실험실에서 900도의 초고온 운전에 성공하기도 했다.
후쿠시마 원자력 발전의 방사능 누출로 세계가 원자력 발전의 폐지를 주장하고 있다. 이때  4세대 원자로 기술이 개발된다면 새로운 원자력 시대가 열리게 될 것이다.

수소경제사회로 진입하기 위해서는 무엇보다 장기적인 투자가 필요하다.  따라서 수소생산 상용화에 대비하기 위한 정부 차원의 수소인프라 구축이 결국 수소경제시대를 지배할 수 있는 기반이 마련되는 것이다,
일본은 그동안 유가변동과 관계없이 정부의 투자가 지속되어 왔다. 그런데 우리나라는 고유가 시대에서만 수소 인프라에 대한 투자를 실시하여 수소산업 경쟁력을 갖춰 나가기에는 부족한 부문이 많다.
미래를 준비한 자만이 지배할 수 있는 특권을 갖게 된다. 그래서 21세기 수소경제시대를 미리 미리 준비해 나가야 우리는 앞으로 세계경제의 주역이 될 수 있는 것이다.
당진산업단지는 에너지 다소비업체인 철강 산업과 화력발전, 대산의 석유화학단지로 구성되어 있다. 이들이 사용하고 있는 화석연료들은 결국 수소에너지로 대체시켜 나가야 되는 날도 머지않았다. 이에 당진시는 수소 경제시대에 대비하여 당진산업단지 중장기 계획을 수립해야 한다. 그래서 미분양된 절반가량의 산업단지에 기업을 유치하고 기획입지 방안을 마련하여 앵커기업을 선정, 첨단 융합단지를 만들어 나가야 할 것이다.

환경전문기자 김종서