미래 에너지, 원자력수소가 해법이다

 

[Science] 미래 에너지, 원자력수소가 해법이다

기사입력 2008-12-05 18:31

이산화탄소 배출 없는 청정에너지…화석 연료 대체

2000년대 들어 화석연료의 고갈과 기후변화 문제의 대안으로 전 세계는 기존의 자원의존형 에너지체계로부터 기술주도형 청정 에너지체계로의 전환을 모색하고 있다.

이중 화석연료를 대체할 미래에너지로 가장 각광을 받고 있는 것이 수소에너지다.

세계 선진국은 수소를 주 연료로 사용하는 수소경제를 이제는 선택이 아니라 피할 수 없는 미래로 인정하고 2020년대 수소경제 진입을 위한 국가차원의 수소경제 마스터플랜을 수립하여 기술개발에 노력을 경주하고 있다.

이중 수소경제 진입의 전제조건인 대량 수소생산 기술로 '원자력수소'에 집중적인 투자가 이루어지고 있다.

？ 휘발유의 3배 에너지 가진 수소

우리나라의 에너지는 2006년 현재 1차에너지의 97%를 수입에 의존하고 이중 44%가 석유로 이중 80%를 지정학적으로 불안한 중동에 의존하고 있다.

또 과다한 화석연료 사용으로 OECD 국가 중 이산화탄소 배출 증가율 1위이며 최근 세계 평균의 2배에 달하는 기후변화의 직접적인 영향을 받고 있다.

따라서 우리나라의 화석연료 고갈과 기후변화에 대응하기 위한 대책 수립이 다른 어느나라 보다 더욱 시급하다.

수소는 우주의 탄생 과정에서 가장 먼저 만들어졌으며 우주의 75%를 차지하고 있는 가장 가벼운 원소다.

지구상에서 수소는 대부분 물 또는 탄소화합물 형태로 존재하며 수소 원소형태로는 극미량 만이 존재한다.

수소는 산소와의 화학반응시 휘발유의 3배에 달하는 에너지를 발생시키며 타고나면 물로 바뀌는 고효율 청정에너지다.

또한 수소는 전기에너지와는 달리 저장 및 이송이 가능하므로 수소자동차，연료전지, 전기생산 등의 연료로 쉽게 사용될 수 있다.

이러한 수소에너지의 장점으로 전 세계는 수소를 주연료로 사용하는 청정 수소경제시대가 2030년대 구현될 것으로 예측하고 이를 위한 연구개발(R&D)에 적극적인 투자를 하고 있다.

수소는 화석연료나 물로부터 만들 수 있다.

그러나 수소를 만드는 데는 큰 에너지가 요구되며 에너지원으로 화석연료를 사용할 경우 이산화탄소 배출이라는 문제가 있다.

따라서 청정한 수소생산을 위하여 재생에너지나 원자력 등 청정에너지를 이용한 물분해 방법이 바람직하다.

물은 지구상에 무한히 존재하므로 과학기술에 의한 청정 물분해 수소생산은 지속적인 국가발전의 원동력과 기후변화와 화석연료의 고갈에 대응책을 제공한다.

？ 미래에너지，원자력수소가 해법

원자력에너지는 우라늄과 같은 무거운 원자핵이 분열하면서 또는 수소와 같은 가벼운 원자핵이 융합하면서 나오는 에너지를 말한다.

이중 핵분열에너지는 이미 상용화돼 우리나라 전기의 40%를 생산하고 있다.

원자력발전의 원리는 화석연료를 태워 발생하는 열을 내는 것을 원자력 에너지로 대체한다는 점 외에는 화력발전의 원리와 같다.

차이점은 원자력은 산소를 사용하지 않으며 이산화탄소 배출이 없는 청정에너지라는 것이다.

또한 원자력은 기술로 만들어 내는 준 국산에너지로 석유와는 달리 연료 값에 영향을 받지 않는다.

우리나라의 원자력기술력은 세계 6위로 우리나라에서 원자력발전은 지난 30년간 저렴하고 안정적인 전력공급으로 우리나라의 경제발전에 크게 기여하고 있다.

원자력은 앞으로 기후변화와 화석연료 고갈에 대응할 현실적 대안으로 고려되고 있으며 수소생산，합성연료 생산 뿐만아니라 우주에너지로서도 역할을 수행할 수 있다.

원자력수소는 자원 의존도가 낮은 기술주도형 에너지로 과학기술로 미래 청정에너지인 수소를 생산할 수 있다.

원자력수소는 섭씨 950도에서 안전운전이 가능한 제4세대 고유안전로인 초고온가스로의 고열을 이용해 물을 열화학 또는 고온 전기분해 방법으로 직접 분해, 대량의 수소를 안전하며 깨끗하고 경제적으로 생산하는 기술이다.

원자력수소생산 시스템은 초고온가스로계통，원자로계통의 열을 수소생산계통에 전달하는 중간루프계통, 그리고 열화학 또는 고온전기분해 수소생산계통으로 구성된다.

？ 2023년부터는 우리나라도 원자력수소 생산

미국의 경우 원자력을 이용한 수소 생산기술 연구를 위해 2011년까지 12억달러를 투자，기초기술연구를 마치고 2018년까지 원자력 수소 생산을 위한 실증로를 건설할 계획이다.

일본 역시 한국과 같은 방식으로 2015년까지 초고온 가스로를 이용한 실증연구를 마치고 2025년 수소 생산에 나설 예정이다.

한국원자력연구원은 2004년부터 본격적으로 수소원자력에 대한 연구개발을 수행하고 있다.

원자력연은 2023년께 열출력 200㎿급 실증 시스템을 개발한 이후 열출력 600㎿급 상용로를 개발할 계획이다.

초고온 가스로의 경우 열출력 기준 100㎿당 연간 약 1만톤의 수소를 생산할 수 있다.

중소형 원자로이기 때문에 열출력 3000㎿급 경수로와 비교해 동일한 부지 안에 600㎿급 5기를 건설해 동급의 열출력을 얻는 것도 가능하다.

경수로의 경우 열출력의 33%를 전기로 바꿔주는 수준이지만 초고온 가스로는 헬륨가스 터빈을 이용할 경우 열출력의 50%를 전기로 바꿀 수 있는 고효율 원자로다.

수소는 지구상의 무한한 자원인 물로부터 얻어질 수 있으며 타고나서 다시 물로 변환되므로 환경오염이 없는 지속 가능한 청정에너지 매체다.

또한 전기에너지와는 달리 저장과 이송이 가능하고，타면서 석유의 3배에 해당하는 에너지를 발생하므로 에너지 활용도 및 경제성이 높다.

미래 에너지로서 수소는 수송，분산전원 및 가정용 연료전지의 연료로 그리고 석탄 액화，이산화탄소 포집 메탄올 생산 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

원자력수소는 자원 의존도가 낮은 기술주도형 에너지로 원자력의 높은 에너지 밀도는 좁은 지형적 여건의 우리나라에서 대량 수소생산을 위한 현실적인 해법이다.

도움말=한국원자력연구원 이원재 박사