수소 저장 문제점 극복될까?

촉매를 이용하면 저장된 메탄올을 쉽고 효율적으로 가스화할 수 있다. 촉매를 이용하여 액체연료에서 수소를 추출하는 과정은 ‘수소 경제’에 가장 큰 걸림돌이 되었던 저장 방법을 개선할 수 있다. 최근 연구진은 메탄올이라는 액체연료에서 수소를 추출할 수 있는 촉매를 개발하였다. 본 기술이 상용화되면 향후, 수소를 보다 쉽게 저장하고 운송할 수 있게 될 것으로 기대된다.

독일 로스토크 대학교(University of Rostock) 화공학자 매씨아스 벨러(Matthias Beller)와 동료연구원들은 머지 않은 미래에 메탄올을 이용한 수소 에너지 사용이 활성화되기를 학수고대하고 있다. 메탄올이 송수관을 타고 저장 탱크로 이동하는 동안 필요한 장소에 도달하기 이전에는 화학적 반응을 통해 수소로 환원되지 않게 하고, 지정 장소에 도달하면 독립형 마을, 자동차, 통신 장비 등에 에너지를 공급하게 한다는 것이 연구진의 계획이다. 수소는 높은 에너지 밀도를 가지고 있고, 연소 과정에서 수증기만을 배출하는 아주 이상적인 청정 연료이다. 수소를 대규모로 저장하는 것은 불가능하지만, 수소 경제 지지자들은 풍력 발전 또는 태양광을 이용하여 생산된 전기로 물을 가수분해하면 엄청난 양의 수소를 얻을 수 있다고 주장한다. 하지만, 기체인 수소를 저장하고 안전하게 운송하기 위해서는 압축을 하거나 액화를 시켜야 하는데, 본 과정에 엄청난 에너지가 소모되는 문제점이 있다. 많은 화학자들은 지난 수십 년간 수소를 연료로 사용하기 위한 최선의 방법을 찾기 위해 연구에 매진해 왔다.
액체 저장 기법: 수소를 고체나 액체 상태로 저장하는 것이 하나의 방법이 될 것이다. 지금까지는 많은 재료들이 수소 저장에 시도되었으나 충분한 양을 저장하지 못했을 뿐만 아니라, 저장된 물질에서 수소를 사용 가능할 정도의 양만큼 추출하지 못했다. 상용적인 촉매를 사용하여 수소와 일산화탄소를 결합하는 반응을 이용하면, 수소를 액체연료 변환하는 것은 어려운 일이 아니다. 메탄올은 수소를 다량 함유한 물질로 무게의 12.5% 정도의 수소를 함유하고 있다. 현재까지는 메탄올에서 수소를 추출하기 위해 대기압에서 메탄올을 섭씨 200도로 가열하는 과정을 25~50회 반복하는 방법을 이용하고 있으며, 이것이 메탄올 이용을 어렵게 만드는 한계점이다.

그러나 벨러와 동료연구원들은 용해 가능한 루테늄(ruthenium) 기반의 촉매를 이용하여 대기압에서 섭씨 65~95도의 낮은 가열을 통해 메탄올에서 수소를 추출하는 방법을 발견하였다. 본 연구 결과는 2013년 2월 27일 네이처(Nature)지에 게재되었다 [Nielsen, M. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature11891, 2013]. “현재로서 본 방법을 통해 얼마나 많은 에너지가 절약될 것인지를 추산하기는 어렵다. 본 기법은 연구 초기 단계의 것으로 상용화에는 몇 년의 시간이 소요될 것이다. 그러나 우리가 발견한 촉매와 메탄올을 이용하면 휴대전화, 컴퓨터, 자동차 등에 탑재될 연료 전지에 대한 수소 공급을 현실화하는 데는 충분할 것으로 사료된다”고 벨러는 말했다.

메탄올 등의 액체에 수소를 저장하는 방법을 연구하는 영국 옥스포드 대학교(University of Oxford) 화학자 에드먼 트생(Edman Tsang)은 본 연구를 두고 엄청난 발견이라고 말했다 [Yu, K. M. K. et al. Nature Commun. 3, 1230, 2012]. 그는 반응에 낮은 온도를 이용하는 것에 매력을 느꼈는데, 이유는 섭씨 65~90도라는 온도는 수소 연료 전지가 작동할 때 발생하는 열의 온도와 거의 같기 때문이다. 이것은 전기를 생산하는 연료 전지에서 발생한 열을 메탄올-수소 반응에 이용할 수 있다는 것을 잠정적으로 의미한다. 즉, 본 기법을 잘 이용하면 에너지 효율 측면에서 엄청난 이득이 될 것으로 기대된다.

기술적 난관: 그러나 아직까지는 반응의 크기를 확장해야 하는 기술적 난관이 존재한다. 예를 들어, 자동차를 움직이기 위해서는 초당 24리터의 수소를 생산할 만큼의 반응이 수반되어야 하지만, 현재로서는 분당 1밀리리터의 수소를 공급하는 수준에 그치고 있다. 촉매 역시 몇 달에서 몇 년 정도는 안정한 상태를 유지해야 하지만, 현재 기술은 촉매를 3주 정도 안정화시키는 수준이다.

더구나 반응에는 메탄올과 물을 분해하기 위해 촉매와 강알칼리 용액을 사용하는데, 반응 결과로 세 개의 수소와 하나의 이산화탄소가 나온다. 발생된 이산화탄소가 알칼리(alkali)와 반응하는 것을 막으면서 메탄올-수소 변환을 느리게 만드는 것을 방지하든지 아니면 이산화탄소가 대기로 나가지 못하도록 반드시 모아져야 한다. 즉, 이산화탄소가 방출되지 않게 모을 수 있다면, 수소를 메탄올로 만드는 역반응 과정에 이용하여, 메탄올에서 수소를 축출하는 효율을 높일 수 있을 것이다. 또한 이산화탄소 방출도 줄일 수 있을 것이다. 이러한 결점에도 불구하고, 트생은 메탄올에서 수소를 추출하는 것이 상당히 가치 있는 일이라고 말했다. 수소 연료 전지는 메탄올을 직접 사용하는 연료 전지에 비해 두 배 이상의 효율을 가지기 때문이다.

대체 에너지: 그러나 모든 사람들이 벨러와 트생의 의견에 동조하는 것은 아니다. 남부 캘리포니아 대학교 (University of Southern California) 노벨 화학상 수상자인 조지 올라(George Olah)는 그들의 연구에 대해 과학적으로 견고한 근거를 가지고 있지만, 실제로 필요하지는 않다고 말했다. 올라는 미래에는 직접적으로 메탄올을 액체연료로 사용하는 시대가 올 것이고, 메탄올 생산을 위해 이산화탄소를 포집하는 연구에 몰두할 것이라고 전망했다.

“자동차, 휴대전화 등에 메탄올 또는 메탄올-수소 시스템을 이용하고자 하는 사람들은 우선 현실적인 시스템을 개발하기 위한 공학적 복잡성에 대해 심도 있게 이해할 필요가 있으며, 다음으로 시스템을 소형화하는 방법을 고민해야 한다. 메탄올-수소 시스템 대신 에너지 수송과 시스템 소형화에 핵심적인 역할을 할 배터리는 태양 전지판을 이용하는 것이다. 압축한 수소를 간단하게 땅에 저장함으로써 장기적인 관점에서 풍력을 이용한 대규모 에너지 저장은 실현될 수 있다”고 영국 쉘필드 대학교(University of Sheffield)의 에너지 저장 기술을 연구하는 피터 홀(Peter Hall)은 말했다. 메탄올-수소 시스템의 역할은 현재 전력 분야에서 확고한 자리를 잡지 못하고 있으며, 대체 에너지로 발돋움하기 위해서는 수소를 저장하고 운반할 수 있는 기술이 수반되어야 한다. 메탄올이 육로를 통해 손쉽게 운송할 수 있게 된다면, 메탄올은 대체에너지 시장에서 이상적인 연료가 될 것이다.

1. 출처: NatureNews (Feb. 27, 2013)
2. 원문정보: Nature doi:10.1038/nature.2013.12518
3. 그림설명: 결정체 종류의 새로운 형태의 촉매는 메탄올을 수소로 효율적으로 변환시킴으로써 연료 전지에 에너지를 공급할 수 있다. (제공: 바바라 헬러)
4. 참고문헌:
1. Nielsen, M. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature11891 (2013).
2. Yu, K. M. K. et al. Nature Commun. 3, 1230 (2012).

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http://www.nature.com/news/liquid-storage-could-make-hydrogen-a-feasible-fuel-1.12518