수소에너지에 대한 정확한 이해

자연적 중수소·삼중수소 변환 불가
수소차·충전소서 사용 수소와 별개

산업용 수소 사용하는 기자재 안전장치기능 탑재돼 있어
모든 기체 중 가장 가벼워 유출 시 확산속도 매우 빨라

“수소차”가 네이버 검색 1위를 차지했다. 장시간은 아니지만 수소를 에너지로 다루는 사람으로 보면 많은 것을 느끼게 해준다. 이번 해는 유난히 수소를 에너지로 보는 관점이 남 다른 한 해인 것 같다.

수소전기자동차가 세인의 관심을 모으고 있는 가운데 재생에너지 보급과 더불어 친환경 에너지로서 수소가 에너지의 핵심적인 역할을 담당할 수 있을 거라는 기대가 더욱 더 높아지고 있다고 생각되기 때문이다.

일반적으로 사람들에게 “수소하면 생각나는 것이 뭐가 있나?”라고 질의하면 거의 대부분 사람들은 수소폭탄을 연상하면서 ‘폭발성 있는 매우 위험한 물질’이라고 생각한다. 그러나 수소에 대해 인지하고 있는 사람들은 물을 구성하는 가장 가벼운 원소 라고 이야기 한다.

수소를 폭탄·폭발로 연상하는 일반인들을 생각하면 수소를 에너지로 생각하며 이를 주업으로 삼고 있는 사람들 입장에선 해소해야 할 가장 큰 과제 중 하나다.

그럼 정말 수소는 일반 사람이 생각하는 폭발하기 쉬운 위험한 물질일까? 과연 그러한 인식은 어디서부터 출발할까? 한번 살펴보았다.

인류와 공존하는 물질

수소는 지구상에서 가장 많이 존재하는 물질이다.

지구의 70%에 해당하는 원소이며, 우리 몸의 대부분을 차지하는 물이 바로 그 수소의 원이다. 즉, 수소는 지구를 구성하는 원천물질이며, 인류가 탄생하면서부터 인류와 수소는 함께 공존해왔다.

그러나 수소는 일반적이지 않고, 여러 다른 원소들과 결합해 있는 물질이기 때문에 지구상에서 수소 그자체로만 존재하기는 어려운 물질이다. 이에 수소를 에너지원으로써 활용하기 위해 화석연료, 전기와 같이 다른 에너지를 이용해 제조해야 한다. 때문에 수소를 전기에너지와 같이 2차 에너지원으로 분류하게 된다.

반면 이 과정에서 수소는 연소돼 다시 물로 돌아가고, 단위 무게당 가지는 에너지가 타 종류 연료보다 크기 때문에 지구상에서 최적의 에너지원으로 꼽히고 있다.

특히 수소가 에너지원으로 가치를 가지려면 재생에너지원으로부터 얻은 전기로 수소를 만들어 에너지로 이용할 수 있어야 한다.

간혹 “어! 비싼 전기로 수소를 만들면 무슨 경제성이 있어요?”라고 의문을 제기하기도 하지만, 재생에너지원인 태양광, 풍력은 간헐적이고 계절에 따라 출력 변동이 심한 특성이 있어 잉여전력이 발생하기 때문에, 이를 이용해 수소를 만들어 저장이 가능하다.

또 저장된 수소를 다시 연료전지 등을 통해 전기로 만들어 사용하고 차량용 연료, 난방 및 취사 등의 열에너지 등으로 활용하면 우리는 화석연료 없이도 수소를 여러 형태의 에너지로 활용할 수 있다.

수소 불안감, 언제부터 조성됐나

다시 원점으로 돌아가보자. 수소는 정말 위험한가?

수소가 위험하다고 생각하는 것은 지구상에서 있었던 두 가지 사건의 연관성에서 기인한다고 판단된다.

지난 1937년 독일의 비행선 ‘힌덴부르크’호가 대서양 횡단을 마치고 계류장에 도착해 로프를 내리는 순간 불꽃이 튀어 대 폭발이 일어난다. 그곳에 모인 기자들에 의해 이 사건은 전 세계에 펴져나갔고, 이로 인해 수소는 위험하다는 이미지가 전 세계적으로 강하게 각인시키는 계기가 됐다.

또 다른 하나는 수소폭탄이다. 수소폭탄은 지구 에너지의 원천인 태양에서 일어나는 핵융합을 기반으로 한다. 수소가 헬륨으로 변하면서 발생하는 에너지를 이용한 폭탄으로, 지구상에서 가장 강력한 파괴력을 가지고 있기 때문에 이 역시 수소는 폭탄이라는 인식을 일반인에게 크게 각인시켰다.

세상에서 가장 가벼운 물질

여기에서 우리는 안전성면에서 수소가 어떤 물질인지를 살펴 볼 필요가 있다. 우선 수소는 세상에서 가장 가벼운 물질이다.

개방 된 곳에서 수소를 다루게 되면 폭발의 위험은 없고, 실내에서도 높은 곳에 환기장치를 설치하면 안전하게 작업 등 활용이 가능하다.

그러나 수소의 폭발한계는 부피기준 15%에서 90%가 되면 폭발이 일어나고 또한, 적은 에너지로도 연소가 가능하기 때문에, 폭발을 방지하고 수소를 안전하게 다룰 수 있도록 하는 방안이 아주 중요하다.

당연히 모든 수소를 다루는 설비들은 폭발에 대비한 안전 설비를 갖추고 있고, 이들을 안전하게 활용하는 방법 등이 다방면으로 제시되고 있다. 특히 이들 설비와 올바른 활용방법을 인지한다면 비행기, 자동차, 선박 등과 같이 다양한 분야에서 안전하게 운영할 수 있다.

 즉, 수소는 쉽게 연소되고 폭발 반경이 넓지만 안전하게 사용하는 방법을 가지고 다루게 되면 우리가 일상적으로 사용하고 있는 천연가스, LPG 등과 별다름이 없이 폭넓게 활용할 수 있는 물질이 된다.

이들 생활에 직접 활용되는 가스들 역시 일정한 폭발조건에 도달하게 되면 위험하기 때문에 이를 방지하기 위한 안전설비를 갖추고 있고, 이를 다루는 기술들이 개발돼 운용방안에 따라 안전하게 운용되고 있는 것이다.

수소역시 수소를 일상에서 안전하게 사용할 수 있도록 다양한 안전설비를 갖추고 있어 이들 설비와 크게 다를 것이 없다.

핵융합이 일어나야 수소폭탄

두 번째, 수소폭탄에 대해 알아보자.

수소폭탄은 그 기능을 가지려면 내부에 장착된 중수소가 고온·고압이 돼 핵융합이 일어나는 조건을 만들어주어야 한다.

통상 이를 위해 수소폭탄은 내부에 원자탄을 장착하고, 이를 폭파시켜 충분한 에너지를 얻어 핵융합을 일으킨다. 때문에 강력한 폭발력을 가지게 되는 것이다. 즉, 여기서 수소가 핵융합의 원료로서 사용되기에 수소폭탄이라 명명된 것이다.

특히 수소폭탄은 질량 2인 중수소와 질량 3인 삼중수소를 플라즈마 상태로 약 1억℃ 이상 가열해 핵융합반응을 일으켜 발생하는 핵융합에너지가 중성자의 운동에너지로 나타나 폭발하는 현상이다. 수소폭탄 반응을 일으키기 위한 1억℃ 이상의 열은 우라늄 핵폭발 등의 반응으로만 구현이 가능하다.

즉, 한국가스안전공사를 비롯한 국내 저명한 여러 전문가들은 현재 일반 수소는 자연상태에서 중수소 또는 삼중수소로 변환될 수 없다고 강력히 밝히고 있다.

때문에 수소는 수소폭탄에서 보면 하나의 물질로 활용되는 것뿐이지, 일반적으로 사용되는 수소가 저장되어 있는 일반 탱크에서 수소가 자체적으로 융합해 폭탄으로 변하는 일은 결코 일어날 수 없다. 때문에 수소차·충전소 등 다양한 산업에서 사용되는 수소는 “위험하다. 안전하지 못하다.”라는 의견과는 거리가 먼 이야기다.

수소 안전성 홍보 적극 필요

수소는 재생에너지와 연계되어 공해 없는 에너지를 공급하고, 이를 이용하여 산업용 원료, 자동차, 발전 그리고 냉난방 등에 활용될 수 있는 연료이다.

기존의 지구온난화 문제를 야기하는 화석연료를 지금의 에너지 시스템에 대한 큰 변화 없이 대체시킬 수 있는 유일한 방안이다. 현재 수소를 중심으로 한 에너지시스템에 대한 기술개발이 착실히 진행되고 있으나, 앞에서 이야기된 수소에 대한 막연한 불안감과 수용성의 부족은 미래 새로운 산업으로서 수소에너지시대로 진입하는데 커다란 장벽으로 나타나고 있다.

이에 따라 미래 수소가 중심이 되는 에너지시스템을 구축하기 위하여 민간을 중심으로 에너지로 활용하기 위한 수소의 안전한 사용방법과 그 안정성, 그리고 친환경성에 대한 대 국민 홍보가 필요하다.

또한 정부에서는 충분한 안전설비를 갖춘 수소 관련설비들에 대하여는 현 시점에 맞게 설치 및 운용에 대한 규제를 완화하여 일반인들이 접근하기 용이하도록 하고, 이의 활용방안을 적극적으로 추진하여 새로운 수소시대를 열어갈 수 있는 분위기를 만들어줄 필요성이 있다.

또한 수소관련 기업 및 협회 그리고 정부 기관에서도 수소가 민간이 쉽게 이해하고 안전하게 사용할 수 있는 물질이라는 것과 그의 효용성 및 친 환경 성 등을 책자 및 미디어를 활용한 홍보를 강화해야 한다.

또 수소의 안전성 및 효용성을 체험 할 수 있도록 ‘수소이해 체험관’등과 같은 다양한 방법을 강구하여 대중에게 다가가는 것도 중요하다.

이와 같은 노력과 수소의 이용 기술의 발달, 그리고 안전에 대한 합의가 이루어진다면, 수소가 미래 친환경 지속가능한 에너지사회를 만들어 가는 근간이 될 수 있을 것이다.