수소, 저장 혁신을 통해 에너지 원으로서 더욱 매력적으로 부상

우주에서 가장 가벼운 원소인 수소는 기호 H로 표시됩니다. 원자 번호는 1이며 가장 흔히 존재하는 원소입니다. 단 하나의 양성자와 하나의 전자로 구성된 가장 단순한 화학 원소이며, 무색, 무미, 무취입니다. 

흥미롭게도, 수소는 우주 질량의 약 75%를 차지한다고 추정됩니다. 그러나 지구 지각에서는 무게 기준으로 약 0.14%에 불과합니다. 수소는 고체, 액체, 기체 형태로 다른 원소와 화합물로 자연적으로 존재합니다. 산소와 결합하면 가연성 물질인 물(H₂O)을 형성하고, 탄소와 결합하면 석유와 석탄에 존재하는 탄화수소를 형성합니다. 따라서 수소는 태양광·풍력과 같은 재생 가능 전력, 원자력, 천연 가스 등 다양한 자원으로부터 생산될 수 있습니다. 

특히, 다양한 발견이 이루어졌습니다 호주, 뉴질랜드, 캐나다, 프랑스, 독일, 일본, 러시아 등 국가에서 자연적으로 형성되는 수소 가스 주머니가 발견되었습니다. 현재 과학자들은 이러한 매장량의 규모와 기원, 그리고 추출 시 주변 환경에 미칠 잠재적 영향을 조사하고 있습니다.

에너지 원으로서의 수소

수소 연료를 생산하는 가장 일반적인 방법은 열, 전기분해, 광전기구동 전기분해, 태양광 구동, 그리고 생물학적 공정입니다. 

열

열 공정에서는 증기가 디젤, 천연 가스, 가스화 석탄 또는 가스화 바이오매스와 같은 탄화수소 연료와 반응하여 수소를 생산합니다. 특히 전체 수소 생산량의 대부분(약 95%)이 천연 가스의 증기 개질을 통해 이루어집니다. 

전기분해

전기분해는 물을 산소와 수소로 분리하는 과정입니다. 이 과정은 전해조에서 일어나며 물 분자로부터 수소를 생성합니다.

Biological

생물학적 공정은 박테리아와 같은 현미경으로만 볼 수 있는 미생물을 이용해 수소를 생산합니다. 

Solar

태양광 구동 공정은 이름 그대로 빛을 이용해 다양한 방식으로 수소를 재생산합니다. 여기에는 광전기화학(특수 반도체를 사용해 물을 H와 O로 분리), 광생물학(박테리아와 녹조류의 자연 광합성 작용 이용), 그리고 태양열화학(집광된 태양열을 이용해 물 분해 반응을 구동) 등이 포함됩니다.

이 모든 특성 외에도 수소는 청정 연료로, 연료전지에서 사용될 때 물, 열, 전기만을 배출합니다. 따라서 전력 생산 및 자동차·로켓 등 운송 분야에서 매력적인 선택지가 됩니다. 에너지 밀도가 높고 저장이 가능하며 온실가스를 배출하지 않는 이 물질은 실제로 200년 이상 전 내연기관을 구동하는 데 사용된 바 있습니다. 

이러한 점들은 수소가 재생 에너지 저장의 주요 옵션 중 하나이며, 이미 여러 산업에서 활용되고 있음을 보여줍니다. 그러나 그 진정한 잠재력은 아직 완전히 실현되지 않았습니다. 이를 위해서는 수소를 경제적으로 대규모 생산해야 하며, 현재 인프라도 수소에 맞게 적응해야 합니다. 물론 가스 파이프라인을 통한 수소 운송도 가능합니다.

우리는 아직 수소를 연료로 활용하는 모든 가능성을 완전히 활용하지 못했지만, 수소를 에너지 원으로서 전면 활용하기 위한 연구·개발에 대한 전 세계적인 투자 규모는 해마다 증가하고 있습니다. 실제로 최근 연구에서는 향후 에너지 시스템을 위한 고밀도 수소 저장을 가능하게 하는 획기적인 돌파구를 제시했습니다.

고밀도 수소를 저장할 수 있는 프레임워크

지난달 Nature Chemistry 저널에 발표된 “소공극 수소화 프레임워크가 고밀도 수소를 저장한다”라는 연구는 한국국가연구재단(NRF)과 독일연구재단(DFG)의 지원을 일부 받았습니다.

나노다공성 물질이 가스 저장 분야에서 큰 관심을 받고 있지만, 높은 체적 저장 용량을 달성하는 데는 여전히 어려움이 있다고 연구진은 지적했습니다. 이에 여러 대학의 연구자들이 모여 이 문제를 해결하고자 했습니다.

일본 도호쿠대학 고급재료연구소(WPI-AIMR)와 독일 막스플랑크 지능형 시스템 연구소의 마이클 히르셔는 아이디어를 구상하고 프로젝트를 총괄했습니다. 한편 한국 울산과학기술원(UNIST)의 오현철 교수가 이 프로젝트를 이끌었습니다.

흥미롭게도 2022년, 막스플랑크 지능형 시스템 연구소, 미국 에너지부(DOE) 오크리지 국립연구소(ORNL), 드레스덴 공과대학, 그리고 프리드리히-알렉산더-에를랑겐-뉘른베르크 대학교 팀은 수소가 H₂ 끓는점에 가까운 매우 낮은 온도에서 표면에 응축된다는 것을 보여주었습니다. 이 과정은 초고밀도 단층을 형성해 액체 수소 밀도의 3배에 달하며, 1kg당 부피를 5리터로 감소시킵니다.

이번 최신 연구에서는 중성자 회절, 비탄성 중성자 산란, 체적 가스 흡착, 그리고 1차 원리 계산을 활용해 마그네슘 보로하이드라이드 프레임워크를 조사했습니다. 이 프레임워크는 작은 기공과 부분적으로 음전하를 띤 비평탄 내부를 가지고 있어 수소(H)와 질소(N)의 흡착을 가능하게 합니다. 

질소와 수소는 기공 내에서 현저히 다른 흡착 부위에 자리잡으며, 각각 0.66 N₂와 2.33 H₂ per Mg(BH₄)₂라는 서로 다른 제한 용량을 보입니다. 1950년에 처음 발견된 Mg(BH₄)₂는 고용량 수소 저장 물질로, 나노다공성 MOF와 유사한 결정 다형성뿐 아니라 매우 높은 체적 수소 밀도와 중량 수소 용량을 가진 밀집형 다형성을 모두 가지고 있습니다.

따라서 분자 수소는 액체 수소보다 약 두 배에 달하는 매우 높은 밀도로 압축됩니다. 

연구팀은 중성자 회절(NPD)을 이용해 구조 내 수소 원자의 위치와 분자 흡착 부위를 확인했습니다. 

연구에 따르면, 펜타-디하이드로젠 클러스터(디하이드로젠은 두 개의 수소가 단일 결합으로 연결된 형태)가 발견되었으며, 한 위치의 H₂ 분자는 회전 자유도를 가지고 반면 다른 위치의 H₂ 분자는 명확한 방향성을 가지고 프레임워크와 방향성 상호작용을 합니다. 이는 고밀도 수소가 정상 대기압에서도 소공극 물질 내에서 안정화될 수 있음을 보여줍니다.

이러한 발견을 통해 연구팀은 고밀도 흡착 기술을 활용해 제한된 수소 저장 용량 문제를 성공적으로 해결했습니다. 

이 획기적인 개발은 UNIST 화학과 오현철 교수에 의해 보고되었으며, 향후 에너지 시스템에 중요한 진전을 의미합니다. 

대규모 수소 저장을 가능하게 하는 기술

수소를 운송, 고정식 전력, 휴대용 전력에 활용하려면 저장이 핵심 역할을 합니다. 수소는 질량당 에너지가 가장 높지만, 실온에서의 밀도가 낮아 부피당 에너지가 낮습니다. 따라서 더 높은 에너지 밀도를 달성하려면 첨단 저장 방법이 필요합니다.

현재 저장 기술은 주로 액체 또는 기체 형태의 분자 수소 저장에 초점을 맞추고 있습니다. 그러나 체적 및 중량(그램·킬로그램당 저장 가능한 에너지) 측면에서 기존 기술에는 한계가 존재합니다.

수소를 기체 형태로 저장하려면 고압 탱크가 필요하고, 액체 형태로 저장하려면 극저온이 필요합니다. 또한 표면에 흡착하거나 고체 내부에 흡수시켜 저장할 수도 있습니다.

분자로서의 수소는 약한 반데르발스 힘(비이온성, 비교적 약함)을 통해 기공(공극)을 가진 물질에 물리흡착될 수 있습니다. 이는 가스 분자가 고체 표면에 부착되는 과정이며, 고다공성 물질이 높은 중량 수소 흡착을 제공하지만 체적 저장 용량에서는 개선이 필요합니다.

이때 입방형 마그네슘 보로하이드라이드(γ-Mg(BH₄)₂) 나노다공성이 뛰어난 결과를 보여줍니다. 밀도는 ρ = 0.550 g cm⁻³이며 33%의 자유 기공 부피를 가집니다. 약 9 Å의 기공 직경은 수소나 질소와 같은 작은 분자를 흡착할 수 있게 합니다. 부분적으로 음전하를 띤 내부 표면을 통해 수소 원자가 기공에 노출됩니다.

이 연구는 NFR과 과학기술정보통신부(MSIT)의 중견연구사업을 통해 마그네슘 양이온(Mg⁺)과 마그네슘 수소화물, 고체 붕소 수소화물(BH₄)₂로 구성된 나노다공성 복합 수소화물을 합성했습니다.

이 물질은 3차원 배열로 5개의 수소 분자를 저장할 수 있어 뛰어난 고밀도 수소 저장을 실현합니다. 또한 기공 부피당 144 g/L의 수소 저장 용량을 보여 전통적인 방법을 크게 능가합니다. 놀랍게도 물질 내부의 수소 분자 밀도는 고체 상태보다도 높습니다.

오 교수는 이 물질을 “수소 저장 분야의 패러다임 전환”이라 부으며, “전통적 접근법에 대한 설득력 있는 대안”이라고 설명했습니다. 

이 개발은 수소를 에너지 원으로 활용하는 생산성 및 경제 효율성을 크게 향상시키며, 대규모 수소 저장을 통한 대중 및 개인 운송 분야의 광범위한 활용 과제에도 대응합니다.

이 개발로 혜택을 볼 기업들

수소 저장을 혁신하는 이러한 연구가 혜택을 줄 수 있는 산업을 생각하면, 화학, 에너지, 자동차, 엔지니어링, 건설 등 다양한 분야가 떠오릅니다. 이제 이로부터 이익을 얻을 수 있는 기업들을 살펴보겠습니다: 

#1. Honda Motor Co., Ltd.

일본에 본사를 둔 자동차 기업은 CO₂ 배출량을 줄이겠다고 약속했으며, 수소 에너지 잠재력에 초점을 맞춘 최초 기업 중 하나라고 주장합니다. 

이 목표를 달성하기 위해 혼다 모터는 1980년대부터 다양한 적용 분야를 위한 연료전지 기술을 연구해 왔습니다. 

올해 초, 혼다는 제너럴 모터스(GM)와 협력해 다양한 제품에 적용할 수 있는 수소 연료전지 전력 솔루션 생산을 시작했으며 이를 “수소 시대의 시작”이라고 부르고 있습니다.

시가총액 648억 5천만 달러인 이 회사의 주가는 현재 36.93달러이며 연초 대비 19.22% 상승했습니다. 혼다 모터는 연간 매출 1,284억 9천만 달러, 주당순이익(EPS) 7.73, 주가수익비율(P/E) 4.77을 기록했으며, 배당수익률은 2.77%입니다.

#2. Dow Chemical Company

다우 케미컬은 탄화수소·에너지 등 다양한 분야에 관여하고 있습니다. 최근에는 린데(Linde, NYSE: LIN)와 협력해 캐나다에 있는 순탄소 배출 통합 에틸렌 크래커 및 파생 제품 시설에 청정 수소와 질소를 공급하기로 했습니다. 이 계약은 지난해 말 65억 달러 규모 프로젝트를 위해 최종 체결되었으며, 린데의 공기 분리 및 자동열 개질 기술을 활용해 크래커 배가스를 수소로 전환할 예정입니다.

시가총액 399억 달러가 넘는 다우 케미컬의 주가는 현재 56.76달러이며 연초 대비 3.5% 상승했습니다. 다우 케미컬은 연간 매출 446억 2천만 달러, EPS 0.81, P/E 69.67을 기록했으며, 배당수익률은 4.93%입니다.

#3. McPhy Energy SA

프랑스에 본사를 둔 이 기업은 수소 생산 및 저장 솔루션을 개발합니다. 지난해 McPhy는 차트 인더스트리(Chart Industries, Inc. , NYSE: GTLS)와의 상업 계약을 확대했으며, 차트는 수소 압축 및 액화와 관련된 프로세스와 장비를 제공하게 됩니다. 

가장 최근에는 선도적인 전해조 기술 및 제조 기업으로서 스웨덴 AAK AB와 계약을 체결해 4 MW 용량의 800-30 전해조와 관련 부품을 공급, 스웨덴 기업이 저탄소 수소를 공정 가스로 사용할 수 있도록 했습니다.

시가총액 471억 8천만 유로(프랑스 파리 유로넥스트 MCPHY-FR)인 이 회사의 주가는 현재 1.69유로이며 연초 대비 49.97% 하락했습니다. EPS는 -0.69, P/E는 -1입니다. 지난달 McPhy는 2023 회계연도 실적을 발표했으며, 연간 매출이 17% 증가한 1,880만 유로, 전해조 사업은 25% 성장했습니다. 또한 12월 말 현금 보유액은 약 6,200만 유로였습니다.

결론 

수소 에너지 저장 시장은 급속히 성장할 것으로 예상되며, 향후 8년간 176억 달러 규모를 넘어설 것으로 전망됩니다. 이는 정부가 수소 기반 인프라에 대규모 투자를 진행하고 있기 때문이며, Global Market Insights에 따르면 특히 운송 부문이 연평균 10% 성장률(CAGR)을 기록하며 큰 폭의 성장을 주도할 것으로 보입니다. 

수소가 보다 깨끗하고 효율적인 에너지 원으로서 가진 잠재력을 감안할 때, 앞으로도 운송 분야뿐 아니라 다양한 산업에서 채택이 확대될 것입니다. 지속적인 연구와 새로운 발견을 통해 우리는 보다 넓은 수소 활용을 보게 될 것이며, 이는 탄소 중립 달성에 크게 기여할 것입니다.

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