[ET단상]지구 에너지의 역사와 수소경제

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[ET단상]지구 에너지의 역사와 수소경제

45억년 전 지금 우리 하늘 위에서 이른바 대폭발과 함께 새로운 물질이 사방으로 퍼져나갔다. 그 가운데 수소 성분은 매우 가벼워서 한쪽으로 몰려갔다. 수많은 석영, 즉 실리콘 성분도 퍼져나가 덩이 형태로 만들어졌다. 전자가 태양의 탄생, 후자가 지구의 탄생이다.

39억년 전 지구는 태양계 형성 과정에서 생긴 유성의 공격을 2000만년 동안 받았다. 지구 위로 엄청난 물 입자를 머금은 유성이 떨어졌다. 그러면서 생명체 근원이라 하는 물과 단백질을 형성하며 수차례 빙하기를 거치면서 지금의 나이인 45억년이 지나고 있다. 그것이 지구상의 수소 출현을 나타내는 물의 기원이다.

태양계 핵심인 태양은 이렇게 앞으로도 수차례 우여곡절을 거치면서 예상 수명인 100억년이 됐을 때 또다시 내부 수소를 다 소모한 후 적색거성으로 비대해졌다가 백색왜성으로 사라지게 될 것이다. 물론 이것이 현재 우리 우주에서 일상으로 일어나는 자연 현상이다.

인류가 나타나 에너지를 쓰기 시작한 때부터 지금까지 그 오랜 세월 동안 우리는 지구에 매장돼 있는 자원을 캐내 사용해 왔다. 대표 물질이 석탄이다. 석탄은 고생대에서 중생대에 걸쳐 각 지층에 포함돼 있던 물질이다. 인류가 사용한 역사는 2000년 전 그리스 시대부터고, 채굴해서 사용한 역사는 19세기 이후로 200년도 채 안 된다.

100만~200만년 전에 형성돼 백악기·쥐라기 지층에서 발견된 석유의 사용은 수천년 전 아스팔트와 석유램프에서 기원한다. 그러나 이후 20세기 들어와 석탄과 석유 사용을 본격화해 오늘에 이르고 있다. 앞으로도 엄청난 양의 이산화탄소를 배출하며 지속 사용할 것으로 예상된다.

지금 일상에서 일어나는 기후 변화 환경은 이런 자연광물 에너지의 부산물인 이산화탄소에서 기인한다는 것이 정설이다. 이에 따라 이런 지구 사용 환경을 지속한다면 2100년 이후에는 지구 온도가 4도 상승하며, 해수면 상승과 저지대 도시 침수 등으로 인류 6억명이 위험에 처할 것으로 예측된다. 즉 우리 지구 환경은 지속해서 인간이 살기에 부적합하게 변해 가고 있으며, 이를 해결할 유일한 방법은 꾸준히 지구 온도 상승을 막아 내는 일 이외에는 없을 것으로 판단한다. 그렇지 않다면 우리 인류는 혁신 기술 개발로 우주공간에 있는 새로운 푸른 별을 찾아 이주하는 수밖에 없을 것이다.

이의 대안이 바로 화석연료를 대체할 신재생에너지 적극 사용이다. 태양광과 풍력 등을 이용한 에너지 사용이 그것이다. 단점이라 일컬어지는 자연 환경 변화에 의한 에너지 생산성 불균일을 보완하는 에너지저장장치(ESS) 사용이다. 또 기저 부하를 담당할 수 있는 에너지원으로, 수소가 포함돼 있는 에너지원을 이용해 전기를 생산하는 연료전지 또는 수소연료 전지라고 하는 에너지원 사용이다. 이는 지구상에 존재하는 수소를 이용, 지구 환경을 해치지 않는 순수한 물만을 배출하는 장치다. 물론 이 과정에서 생기는, 지구 환경을 해치는 부산물 생성을 인정하더라도 효용성이 매우 높은 것은 사실이다.

태양에는 아직 사용하지 않은 73.4%의 수소가 오늘도 폭발을 일으키며 머나먼 지구로 빛 형태의 에너지를 제공하고 있다. 앞으로도 이 과정을 통해 수십억년 동안 무료 제공을 할 것이다. 이러한 빛의 근원인 수소에너지를 이용해 지구상에서 우리 인류가 사용할 모든 에너지원을 생산할 수 있다면 후손에게 더욱 환경 친화형의 안전한 환경을 물려줄 수 있을 것이다.

이것이 1954년 4%에서부터 시작해 64년이 지난 2018년 현재 24%의 상용화 효율에 이르는 태양광을 이용한 에너지 생산 방식이다. 지구 온도가 4도 상승한다는 2100년 이전에는 효율이 100%에 근접해 우리 인류 에너지 위기를 극복할 대안이 되지 않을까 기대해 본다. 그것이 바로 수소를 이용한 에너지 생산, 즉 진정한 의미의 수소경제가 아닐까 한다.

안형근 건국대 전기공학과 교수 hkahn@konkuk.ac.kr