수소 에너지에 관한 기초 지식

화석연료를 대체할 청정에너지로 여겨지는 수소는 물을 전기 분해하여 생산 저장할 수 있습니다. 물의 전기 분해는 크게 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)으로 나뉩니다. 이러한 반응에서 촉매는 중요한 역할을 합니다. 

이번 포스팅에서는 수소에너지 관한 기초적인 내용에 대해 알아보겠습니다.

 

수소 에너지란?

수소는 화석연료를 대체할 수 있는 에너지로 깨끗하고 재생 가능한 에너지로 여겨지고 있습니다. 이는 수소를 연소시키면 물과 미량의 질소산화물만 생기고 다른 오염 물질은 만들지 않기 때문입니다. 사실 수소는 에너지 운반체로 엄청난 양의 에너지를 전달하거나 저장할 수 있습니다. 수소는 연료 전지에 사용되어 전기에너지 및 열에너지를 생산할 수 있습니다. 그리고 생산된 수소에너지는 아직 석유 정제 및 비료 생산에 대부분 사용되고 있지만, 수송용 연료와 같은 화석연료가 담당하던 분야에서도 점차 점유율을 높여갈 것으로 기대됩니다. 

수소 에너지의 장점은 전기에너지에 비해 효율적이고 저장과 운송이 용이하다는 것입니다. 우리가 전기에너지를 생산하고 사용하는 과정을 살펴보면, 화력, 태양광, 풍력 발전소 등에서 다른 형태의 에너지를 전기에너지로 변환해 줍니다. 또한 전기에너지를 저장할 때는 전지에 화학 에너지 형태로 바꿔서 저장하게 됩니다. 이처럼 에너지의 변환 과정에서 에너지의 손실이 발생하게 됩니다. 그리고 전선을 따라 이동할 때도 에너지 손실이 있습니다. 이에 반해 수소에너지는 탱크에 저장하고 운반할 수 있습니다. 저장하고 이동하는데 드는 에너지 이외에 손실되는 에너지는 없습니다. 

다음은 수소 분자가 공기 중의 산소와 반응하여 에너지를 만들어내는 과정을 화학식을 이용하여 표현한 것입니다.

2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)

 
여기서 g는 기체 상태, l은 액체 상태를 의미합니다.

그리고 이 반응에서 에너지 572 kJ이 방출됩니다.

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수소 에너지의 생산 방법

 

증기-메탄 개질

지금 가장 많이 사용되는 수소 생산 방법은 증기-메탄 개질(steam-methane reforming) 방법입니다. 이 생산법에서는 고온 증기(700°C이상)와 천연가스 내의 메탄(CH₄)을 반응시킵니다. 그러면 수소, 일산화탄소, 그리고 소량의 이산화탄소를 생성합니다. 이 반응은 흡열 반응이기 때문에 진행을 위해서 열의 공급이 필요합니다. 다음은 증기-메탄 개질 반응을 화학식으로 표현한 것입니다.

CH₄ + H₂O + (열) → CO + 3H₂

하지만 이 방법은 화석연료를 사용하고 탄소를 배출하기 때문에 수소에너지를 반쪽짜리 청정에너지로 전락시킨다고 볼 수 있습니다.

물 전기분해

화석 연료의 사용을 피하고 수소를 생산하는 방법으로는 물 전기분해(water electrolysis)가 있습니다. 이 방법은 화석 연료 대신 전기에너지를 사용합니다. 일반적으로 물 전기 분해의 전체 반응은 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction)과 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction)의 두 가지 반응으로 나뉩니다. 수소 발생 반응은 보통 약자 HER로 쓰이고 물이 캐소드(cathode)에서 환원되어 수소 분자(H₂)를 생산하고, 산소 발생 반응은 물이 애노드(anode)에서 산화하여 산소 분자 (O₂)를 생산합니다. 이 반응에서 전극의 촉매 작용은 매우 중요합니다. 이 때문에 효율적이고 값싼 촉매 물질을 개발하기 위한 연구들이 진행되고 있습니다.