무려 104개소의 원전을 보유한 원자력 최강국이면서도 지난 79년 펜실베니아주 스리마일 원전 사고 이후 단 한건의 원자력발전소 건설도 허용치 않았던 미국이 갑작스레 입장을 선회한 배경은 가장 단시간내에 에너지 대외의존도를 대폭 낮출 수 있는 유력한 방안이 원자력이라고 판단한데 기인한다.
특히 전세계적으로 불고 있는 수소경제 열풍과 관련해 중장기적으로 ‘원자력수소(Nuclear hydrogen)’의 도입을 지원하기 위한 결정이라는 시각도 제기되고 있다. 원자력수소 기술개발을 주도하고 있는 국가가 바로 미국인데 이의 도입을 위해서는 신규 원전 건설이 불가피하기 때문이다.
반면 국내에선 아직도 원자력수소에 대한 타당성 논란이 계속되고 있다. 가장 현실적인 대량 수소제조기술로 꼽히지만 원자력에 반대하는 시민단체들은 물론 일부 수소에너지 전문가들조차 과도한 투자비, 시기적 타당성, 국민적 합의 부재 등을 이유로 내심 곱지 않은 시선을 보내고 있는 실정이다.
수소제조 분야의 뜨거운 감자가 원자력수소라면 저장분야에서는 수소자동차용 Type-Ⅲ 복합용기와 Type-Ⅳ 복합용기간의 보이지 않는 기술우위 공방이 한창이다. Type-Ⅳ가 이론적으로는 앞선 기술임에 틀림없지만 현재의 기술로는 안전성에서 Type-Ⅲ가 더 우월하다는 것이 공방의 핵심이다.
수소경제 구현과 에너지 독립을 이룩하기 위해선 반드시 확보해야만 하는 수소 제조, 저장, 활용 기술. 하지만 아직까지 어떤 기술이 채택되고 상용화될지 전혀 예측할 수 없기 때문에 모든 가능성을 열어놓고 다방면에서 연구가 진행되고 있어 각 분야별로 크고 작은 논란이 끊이지 않고 있다.
● 가장 非환경적 에너지로 친환경에너지를 생산?
주변 지인들에게 현존하는 가장 위험한 에너지를 하나 꼽으라고 하면 많은 사람들이 최우선적으로 원자력을 머릿속에 떠올릴 것이다.
원자력 사고가 결코 흔한 것이 아니며 도시가스나 LPG 사고로 인한 사망자가 오히려 월등히 많음에도 불구하고 일반대중들이 원자력을 위험한 에너지로 인식하고 있는 것은 체르노빌 원전사고, 일본 원폭투하 등 몇몇 대형참사가 뇌리 속에 깊게 각인되어 있기 때문이다.
그렇다면 친환경에너지, 청정에너지, 무한에너지, 차세대에너지 등 온갖 화려한 수사로 치장되고 있는 수소를 이렇듯 위험한 원자력으로 생산하려 한다면 국민들은 사고의 혼란에 빠질 수도 있을 것이다.
지금까지 개발 또는 연구되고 있는 주요 수소제조방법은 크게 물(H2O) 분해법, 증기개질법, 납사(나프타)분해법, 생물학적분해법, 광화학적분해법 등으로 구분된다.
● 원자력수소 원천기술 확보
특히 여타 수소제조기술들이 선진국과 상당한 기술격차를 보이고 있는 반면 원자력수소는 우리나라가 미국, 일본, 중국 등과 공동으로 세계에서 가장 먼저 기술개발에 뛰어든 만큼 향후 상용화가 이루어질 경우 원천기술 로열티 등으로 막대한 부가가치를 올릴 수도 있다.
이와관련 한국원자력연구소 박창규 소장은 “수소경제시대에는 경제적으로 대량의 수소를 생산해내는 것이 필수적”이라며 “이같은 관점에서 2020년 수소경제 진입 시점에서 원자력수소의 역할이 매우 중요하다”고 강조했다.
그러나 이같은 장점에도 불구하고 앞서 언급된 것처럼 청정에너지를 만들기 위해 지구상에서 가장 위험하다고 평가되는 원자력을 사용한다는 사실은 원자력수소의 태생적 한계로 지적된다.
원자력에 대한 무조건적(?) 배척을 표명하는 일부 시민단체나 환경운동가, 그리고 약 1조원이 투입되는 초대형사업에 대한 시기심에서 비롯된 공연한 비난들을 걸러내더라도 비공개 석상에서 원자력수소에 대해 타당성 있는 불만을 표시하는 인사들도 상당하다.
고효율수소에너지 제조·저장·이용 기술개발사업단에 참여중인 한 수소전문가는 “향후 10~20년간은 원자력수소방식으로 생산해야할 만큼 대량의 수소시장이 창출되지 않으며 특정플랜트에서 수소를 대량 생산한 후 배분하는 중앙집중식 시스템과 온사이트(on-site) 및 분산식 시스템 중 어느 방향으로 기술트렌드가 전개될지 예측할 수 없는 상황에서 1조원의 투자비는 과도하다고 밖에 볼 수 없다”고 밝혔다.
● 미래의 수소제조법 혼재
특히 수소 자체로도 수소폭탄이라는 좋지 않은 이미지를 불식시켜야 하는 상황에서 원자력수소까지 위험성 논란에 합세할 경우 수소에너지에 대한 국민적 합의가 더욱 늦춰질 수 있다는 우려는 무시할 수 없는 수준이다.
이에따라 이들은 수소경제 초기에는 경제성이 가장 높고 기술적으로도 완성된 천연가스증기개질법(표-2)으로 수소를 생산한 후 궁극적으로 태양열, 풍력, 지열 등 자연에너지로 만든 전기로 물을 전기분해하는 물 전기분해법(표-3)으로 나아가는 것이 무한에너지, 청정에너지라는 수소의 진정한 가치를 살릴 수 있는 길이라고 주장하고 있다.
실제로 현대·기아자동차, 한국가스공사, SK, 한국에너지기술연구원 등 국내에서 건설되었거나 건설예정에 있는 수소충전소 모두가 천연가스증기개질공정을 채용하고 있다.
하지만 이 방법들 또한 화석연료의 고갈에 대비하기 위한 수소에너지를 화석연료로 만든다는 점(천연가스증기개질), 값비싼 전기를 사용해 경제성이 없다는 점(물전기분해), 지리적·환경적 한계가 있다는 점(자연에너지 활용 물전기분해) 등 극복해야할 한계들이 존재하는 것은 마찬가지이다.
결국 어떠한 기술이 미래의 수소제조법으로 채택될지는 앞으로의 기술개발 상황, 저장 및 배송기술 등 유관기술 개발 여부 등에 따라 결정될 것으로 보이지만 특정한 하나의 기술이 채택된다기 보다는 각국의 지리적·환경적·기술적 상황에 따라 다양한 방법이 혼재하는 형태가 될 가능성이 높을 것으로 보여진다.
● Type-Ⅲ와 Type-Ⅳ의 경쟁
수소제조분야 못지않게 저장분야에서도 기술개발 경쟁이 치열하게 전개되고 있다.
수소의 저장은 고압기체수소저장법, 액체수소저장법, 금속수소화물(Metal-hydride)저장법, 탄소나노튜브 저장법 등을 중심으로 연구가 집중되고 있으며 한국외대 채희권 교수팀의 MOF, Metal-Organic Framework) 저장법, 한국과학기술원(KAIST) 이흔 교수팀의 얼음 입자내 저장법 등 안전성과 저장효율을 높이기 위한 새로운 시도들도 다양하게 전개되고 있다.
이러한 수소저장기술의 핵심 타켓은 누구나 예상하듯 수소자동차용 저장용기의 개발이다. 수소자동차는 미래의 최대 수소 수요처이자 수소저장용기의 최대 고객이기 때문이다. 기술 완성도 및 상용화 가능성을 놓고 보면 현재로는 일반 승용차용으로는 고압기체수소저장법이, 수소배송 차량의 저장용기 및 수소충전소용 저장탱크의 경우 액체수소저장법이 초기 수소경제를 주도할 가장 유력한 저장매체로 꼽힌다.
특히 차량에 적용하는 저장용기는 정치식(定置式) 저장시스템과 달리 차량에서 발생할 수 있는 다양한 환경에 부합해야 함은 물론 사용자의 안전성을 고려한 고도의 신뢰성이 요구된다. 이러한 이유로 현존하는 수소저장기법 중 액체수소저장법을 제외하면 저장효율면에서 가장 월등하고 저장용기의 복잡성, 외부열기 차폐기술 등을 고려할때 시스템 구성이 단순하고 경제적인 기체수소저장법이 주목받고 있다.
기체수소저장용기는 세계적으로 Type-III 복합용기(composit cylinder)와 Type-IV 복합용기가 천문학적 규모의 미래시장을 선점하기 위한 사활을 건 기술경쟁을 펼치고 있다.
● 2007년까지 700bar 용기 출시
먼저 Type-III는 용기 전체를 유리섬유 또는 탄소섬유 등으로 감아 적층시킨 형태의 용기로서 용기내부하중 대부분을 섬유와 수지에 의한 복합재료부분에서 감당하기 때문에 내부 금속라이너가 받는 하중이 적어 용기의 경량화가 가능하다는 점이 최대 특징이다.
국내에서는 Type-III 용기의 금속제 라이너로 알루미늄에 마그네슘(Mg)과 규소(Si)를 첨가한 6061 합금을 주로 사용하고 있으며 대구에 위치한 ㈜이노컴(대표 이동세)이 대표주자로 꼽힌다.
한국기계연구원(KIMM) 출신들이 연구인력의 주축을 이루고 있는 이 회사는 지난해말 미국 Luxfer社, SCI社에 이어 세계에서 3번째로 Type-III 복합용기에 대한 미국 교통국(DOT) 인증을 획득한바 있으며 KIMM과의 공동연구를 통해 이미 FCV용 350bar(5,000psi) 용기의 시제품 개발을 완료한 상태이다.
이 회사의 정재한 연구원은 “오는 2007년까지 700bar 용기의 시제품 개발을 마치고 2009년 국내외 인증을 완료하는 등 2010년으로 예정된 국내 FCV 상용화 시기에 맞춰 Type-III 700bar 복합용기의 양산체제를 갖춰나갈 방침”이라고 밝혔다.
반면 Type-IV 복합재료 용기는 비금속 라이너에 수지를 함침(含浸)한 연속섬유(탄소섬유)를 용기에 감은 후 가열하여 수지를 경화시키는 방법으로 제조된다.
비금속 라이너에 주로 사용하는 재질은 고밀도폴리에틸렌(HDPE)이며 함침 수지는 Type-II 및 Type-III와 같이 에폭시(epoxy) 계열을 사용한다.
● 복합용기에 나노기술 채용
섬유 또한 유리섬유는 E-calss, 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계를 주로 사용하고 있다. 이와같은 라이너의 재질을 제외하면 Type-IV는 Type-III 용기와 복합재료층의 구조가 동일하다.
그러나 비금속(고분자폴리머)라이너를 사용하는 Type-Ⅳ 용기는 알루미늄라이너를 사용하는 Type-III에 비해 가스누출이나 금속보스와 라이너의 기밀상태 등의 완벽치 못한 것으로 알려져 있다. Type-Ⅳ가 Type-III에 비해 앞선 기술임에 틀림없지만 FCV용 수소저장용기로는 전세계적으로 Type-III가 우위를 점하고 있는 이유가 여기에 있다.
Type-IV의 국내 선두주자는 전북 김제 소재 ㈜케이씨알(대표 정지용)로 이 회사 또한 지난해말 미국, 독일에 이어 세계 3번째로 수소자동차용 350bar Type-Ⅳ 복합용기(저장능력 1.6㎏)의 개발에 성공하고 북미지역 자동차용 고압수소용기 인증(ANSI/CSA NGV2-2000)과 압축천연가스(CNG) 용기인증을 획득했다.
특히 케이씨알은 세계최초로 복합용기에 나노기술을 채용, 2~3나노미터(nm)크기의 점토입자(clay)를 통해 탄소섬유의 틈새를 막아줌으로서 가스차단성을 2배 이상 획기적으로 증가시켰다. 첨단 나노소재를 활용해 Type-Ⅳ의 취약점을 보강해낸 것이다.
한편 Type-III나 Type-IV 모두 현재의 실용화 기술은 350bar에 머물러 있지만 최종 목표는 700bar이다. 에너지밀도가 낮은 기체수소를 연료로 사용하는 수소자동차가 기존 가솔린 자동차와 유사한 수준의 주행거리를 갖추기 위해서는 최소한 700bar 이상의 초고압으로 저장할 수 있어야하기 때문이다.
Type-IV, 가격 중량에서 우위
이는 700bar이상의 고압을 견뎌낼 수 있는 복합용기가 FCV용 저장매체로서 유일한 해답으로 인정받는 까닭이기도 하다.
이와관련 [표-5]은 Type-III와 Type-IV의 장단점을 비교한 것으로 일반적으로 Type-III는 신뢰성 측면에 강점을 보이며 Type-IV는 가격과 중량면에서 유리한 것으로 받아들여진다.
반면 Type-IV는 누출을 비롯 수소에 대한 폴리머라이너의 침투성, 온도에 대한 취약성 등이 기술적으로 해결해야할 과제로 지적되고 Type-III의 경우 기술적 어려움은 크지 않지만 용기의 용량의 커지면 공정이나 가격에서 Type-IV 보다 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있다.
이러한 이론적 장단점에도 불구하고 현재 상용화되어 있는 CNG용 압력용기에 있어서는 Type-III와 Type-IV는 가격 및 중량이 거의 비슷한 상황으로서 안정적인 개발과 신속한 실용화를 추구한다면 Type-III가 유리하며 앞으로의 기술발전에 역점을 둔다면 Type-IV에 더 많은 관심을 두어야 한다.
이에따라 오는 2010년 국내 5,000억원, 전세계 25조원대로 급성장할 수소자동차 용기시장을 장악하게될 주인공은 누가 먼저 안전성, 효율성, 경제성 등을 갖추고 700bar의 고지를 점령해내는가의 여부에 달려있다해도 과언은 아니다.
[표-2 ]증기개질 공정
CH4 + H2O CO + 3H2 (증기개질)
CO + H2O CO2 + H2 (Shift 반응)
● 핸드폰에서 비행기까지 ‘A to Z’
그렇다면 미래 수소경제시대에서 우리는 수소를 어떠한 용도로 사용하게 될까.
수소를 연료로 사용하는 수송기기들만 수소자동차를 포함해 수소비행기, 수소열차, 수소잠수함, 수소선박, 수소트럭, 수소오토바이, 수소자전거 등에 대한 연구가 진행중이다. 이중 우리나라의 현대자동차를 포함한 전세계 모든 완성차 메이커들이 기술개발에 매진, 상당한 기술진척을 보이고 있는 수소자동차 및 수소버스를 제외하고도 많은 분야에서 상용화에 근접한 실적이 나타나고 있다.
일례로 미국 에어로바이런먼트사는 지난해말 액체수소를 연료로 사용하는 세계최초로 무인 수소비행기의 시험비행에 성공한바 있으며 독일 HDW(하데베)에 의해 수소연료전지잠수함의 상용화도 이루어졌다. 수소연료전지잠수함의 경우 독일, 포르투갈, 이탈리아, 그리스, 이스라엘과 함께 우리나라도 214급 잠수함 도입사업의 일환으로 독일 현지에서 수소잠수함을 건조중이다.
수소열차 또한 일본과 덴마크가 각각 기술개발에 매진중이며 트럭, 오토바이, 자전거는 세계 각국에서 시제품 출시가 잇따르고 있다. 최근에는 아이스링크 정빙기(Ice resurfacer), 휠체어, 유람선, 지게차 등 거의 모든 종류의 운송기기 분야로 수소의 적용분야가 확대일로를 걷고 있는 상황이다. 운송기기 이외에도 수소는 연료전지와 짝을 이루면서 가히 무한대에 가까운 활용성을 지닌다.
[표-3] 물전기분해 공정
2H3O+ + 2e- H2 + 2H2O (음극)
3H2O O2 + 2H2O+ + 2e- (양극)
H2O H2 + O2
[표-4] 물전기분해법 vs 증기개질법의 장단점 비교
물전기분해 증기개질
▷공정의 단순성
▷환경친화적
` ▷상용화된 기술 사용▷현존하는 최고효율의 수소생산방식
장점▷가정/충전소별 자체▷상용화된 기술 사용
생산가능(on-site)▷저렴한 생산비
▷화석연료 非사용
▷기술 진전 가능
단점▷고가의 전력 사용▷화석연료(메탄)에 의존
▷고가의 생산비▷CO2 발생
● 가정용 수소연료전지
현재의 기술개발 추세대로 라면 노트북, 핸드폰, PDA 등 대부분의 모바일 기기가 기존 배터리 대신 수소연료전지를 채용하게 됨은 물론 기존 배관망에서 공급되는 도시가스를 증기개질하여 수소를 생산, 이를 전력으로 변환하는 가정용 수소연료전지를 통해 가정내 난방과 전기를 공급받게 될 전망이다. 이와관련 미국 샌프란시스코의 태양열-수소 연료전지 우체국, 캐나다 벤쿠버의 수소연료전지 세차장 등 난방 및 전기 사용량의 전부 또는 일부를 수소연료전지로 충당하는 건물들이 연료전지 실증사업의 일환으로 속속 건설되고 있다.
산업적으로도 올해 2월 세계최대 석유화학기업인 영국 BP사와 미국의 다국적 전력생산기업 에디슨인터내셔널사가 총 10억달러(약 1조원)를 공동투자해 미국 남부캘리포니아 지역에 수소가스를 연료로 태워 전력을 생산하는 500MW급 ‘수소연료발전소’를 건설키로 합의하는 등 대규모 프로젝트들의 출범이 이어지고 있다.
결국 미래 수소경제시대에서 수소는 때로는 연료로, 때로는 전기로, 때로는 열에너지의 모습으로 우리 실생활과 밀접하게 연관될 팔방미인의 에너지인 셈이다.
● 한국원자력연구소 박창규 소장
원자력은 ‘선택이 아닌 필수’
이온주입기술로 4세대 초고온원자로 재료문제해결
“원자력은 선택이 아닌 필수입니다”
최근 미국 등 선진국들을 중심으로 원자력에 대한 관심과 투자가 높아지고 있는 것과 관련 한국원자력연구소(KAERI)의 박창규 소장은 차세대 에너지로서 원자력의 가치와 활용성에 대해 이렇게 단적으로 표현했다.
박 소장은 “국제유가가 배럴당 70달러를 넘나드는 등 세계는 화석연료를 지나 새로운 에너지 패러다임의 시대를 맞고 있다”며 “저비용, 고효율의 준(準)국산 에너지인 원자력은 에너지자립과 에너지안보, 온실가스배출 문제 등을 극복하고 국가의 지속적 발전을 가능케 할 필수불가결한 선택”이라고 재차 강조했다.
이처럼 원자력 대세론을 말할 때 빼놓을 수 없는 것이 일명 '원자력수소'로 불리는 제4세대 초고온원자로(VHTR)로서 이에대한 그의 애정은 각별하다. 지난해 KAERI의 수장에 오르기 이전까지 원자력수소사업추진반을 이끌었던 단장이 바로 박 소장이었기 때문이다.
박 소장은 “수소경제 구현을 위해서는 경제적인 방법으로 대량의 수소를 생산할 수 있어야 한다”며 “원자력수소는 원자력을 이용한 기술주도형 에너지 자립, 국가에너지안보 확보, 지구온난화방지, 삶의 질 향상 등을 모두 충족시킬 수 있는 가장 현실적인 대안”이라고 밝혔다.
이와 관련 올해초 950。C 의 고온을 견딜 수 있는 재료가 존재하는지 여부를 놓고 논란이 일면서 잠시 사업이 중단되기도 했지만 지금은 과기부의 지원 아래 핵심기술개발이 재개된 상태이다.
박 소장은 “초고온의 운전 조건하에서 재료문제는 중요한 현안의 하나”라며 “신물질의 개발에는 막대한 비용이 들어가는 만큼 임플란테이션(이온주입)을 통해 내부를 코팅하여 부식성과 강도를 높이는 신기술을 개발 완료해 특허를 신청한 상황”이라고 설명했다.
그는 또 “당시의 사업중단은 재료 문제 보다 대규모 실증사업을 원활히 수행하기 위해선 산자부와 산업체의 참여도 필요하다는 판단에 따라 사업이 재구성되면서 발생한 것”이라며 “과기부와 KAERI가 원자력수소의 핵심기술을 개발하고 산자부와 산업체는 설계, 건설, 실증을 담당키로 조정이 완료됐다”고 덧붙였다.
특히 박 소장은 방폐장 부지선정에만 19년이나 걸렸던 우리나라 실정에서 원자력을 활성화하기 위해선 국민들의 합의가 매우 중요함을 직시하고 대국민 홍보에도 만전을 다할 계획이다.
이를위해 그는 원자력에 대한 일부 국민들의 막연한 불안감이 정보의 부재에서 비롯된다고 판단, 최근 코엑스와 국립중앙박물관에서 개최한 '원자력 체험전'과 같이 일반 대중들이 직접 보고 만질 수 있는 체험중심의 홍보로 신뢰를 쌓아나간다는 방침이다.
한편 박 소장은 “원자력 분야의 발전을 위해서는 무엇보다 국가정책결정권자들과 오피니언 리더들의 인식전환이 필수적”이라며 “특히 원자력 기술은 장기간의 노력과 투자가 필요한 분야인 만큼 단기간의 성과나 실적에 치중하기보다 대형프로젝트를 발굴해 체계적 지원을 펼쳐야한다”고 강조했다.
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