‘기후위기 구원자’ 수소경제에 담긴 과학의 모든 것
수소와 수소경제는 인류를 기후위기에서 구해낼 구원자로 꼽힌다. 우리나라를 비롯해 세계 각국은 수소경제 구축에 발 벗고 나서고 있다. 2050년께면 수소가 세계 에너지 공급의 상당 부분을 차지할 전망이다. 이미 수소전기차는 도로에서 어렵지 않게 만난다.
하지만 빅뱅 이후 가장 먼저 생겨나고, 우주 질량의 4분의 3을 차지하고 있는 수소에 대해 우리는 얼마나 알고 있을까? 왜 이산화탄소는 기후위기의 주범이고, 수소는 구원자인가?
『수소경제의 과학 - 다가올 수소경제, 우리가 꼭 알아야 할 과학 이야기』는 두 명의 과학자가 함께 수소와 수소경제의 모든 것을 과학적 원리로 쉽게 풀이해 놓은 책이다. 독자들은 탄소문명을 대체할 수소경제가 담고 있는 자연 원리를 이해하는 즐거움을 맛볼 수 있다.
탄소문명, 더 이상은 안 된다… 인류 역사의 미래는 어떻게 될까?
온 세계가 기후위기로 소란하다. 산업혁명 이래 200여 년 동안 배출한 이산화탄소량보다 1990년 이래 30년 동안 배출한 이산화탄소량이 훨씬 많다. 탄소문명의 짙은 그림자는 기후위기로 되돌아왔다. 인류가 이산화탄소 배출을 줄이고 탄소문명을 전환할 방법을 찾지 못하면 세계는 위기에 놓일 수밖에 없다. 인류는 탄소문명과 이별하고 새로운 에너지 경제구조로 전환해야 한다. 지속가능한 수소경제는 유력한 대안이다. 세계가 ‘수소’로 뜨거운 이유다. 탄소중립, 그린 수소, 수소전기차, 수소연료전지, 수소충전소, 수소전기차 보조금 등의 단어들은 더 이상 낯설지 않다.
세계 각국은 수소경제 구축 경쟁에 앞다퉈 나서고 있다. 경제정보 서비스기업인 블룸버그는 2020년 보고서에서 30년 뒤인 2050년 세계 에너지 총수요의 24%가 수소로 충당될 것으로 추정했다. 미국은 2030년까지 수소 자급률 100%를 달성하는 계획을 수립했으며, 유럽도 2030년께면 수소경제에 돌입할 것으로 전망된다.
우리나라도 다르지 않다. 윤석열 정부는 지난해 출범 당시 수소경제 성장 로드맵을 제시했다. 지난해 11월 한덕수 국무총리 주재로 개최된 수소경제위원회에서는 “수전해(물을 전기분해해 수소와 산소를 생산하는 기술), 액화수소 운송선, 충전소, 연료전지, 수소 터빈 등 7대 전략 분야를 지원해 2030년까지 수소전문기업 600개를 육성할 것”이라고 밝혔다. 올 상반기에는 세계 최초로 수소발전 입찰 시장을 개설할 예정이다.
두 과학자가 전하는 1번 원소 수소와 미래 수소경제 이야기
왜 그 많은 원소 가운데 하필 ‘수소’일까? 화학자 김희준과 물리학자 이현규, 두 사람이 『수소경제의 과학 - 다가올 수소경제, 우리가 꼭 알아야 할 과학 이야기』에서 그 해답을 풀어놓았다.
수소는 138억 년 전 빅뱅 이후 최초로 만들어진 원소이자 우주 질량의 4분의 3을 차지하는 가장 풍부한 원소다. 존재하는 모든 것의 근원인 셈이다. 저자들은 탄소가 기후변화를 일으킬 수밖에 없는 태생적 운명과 수소가 인류의 에너지 문제를 해결할 구원자가 될 것이라는 전망을 과학적 원리를 통해 설명하고 있다. 고 김희준 서울대학교 화학부 명예교수는 재밌고 쉬운 일상의 언어로 과학을 전달하는 한국 대중과학교육의 선구자로, 수소경제의 과학적 근간을 쉽게 풀이한다. 이현규 한양대학교 물리학과 명예교수는 수소의 탄생 과정과 수소가 수소 시대의 주에너지원으로 활용될 수 있는 물리화학적 이유를 설명한다.
『수소경제의 과학』이 단순한 과학 교과서에 머물지 않는 것은 두 석학이 △우리는 왜 지금 수소경제에 대해 논의해야 하는지 △탄소를 대체할 새로운 에너지원으로 왜 하필 수소가 떠오른 것인지 △수소는 어떻게 우주에서 가장 풍부한 원소가 되었는지 △수소와 탄소의 에너지 함유량이 어떻게 결정되며 이는 수소경제에 어떤 의미가 있는지 △수소 이용 방식 특히 운송 수단에서의 수소 활용 현황은 어떠하며 누가 그 발전을 이끌어왔는지 등 과학기술적 분석과 사회경제적 통찰을 아울러 담아냈기 때문이다.
1장. 왜 지금, 수소인가
오래된 미래, 수소경제
이산화탄소 배출의 역사
이산화탄소는 지구 온난화의 주범일까
이산화탄소는 어떻게 지구 온난화를 일으키는가
이산화탄소 감축을 위한 노력
2장. 수소는 어디에서 왔나
우주 탄생의 비밀, 빅뱅
인플레이션 이론
빅뱅 이후 ‘1초’
빅뱅의 강력한 증거
우주적 신토불이
3장. 반응열을 통해 본 수소의 경제성
공유는 즐겁다
수소, 산소, 이산화탄소의 발견
수소와 탄소의 반응열 비교
4장. 수소 시대의 운송 수단
전기차
수소전기차
● 화석연료를 기반으로 한 탄소경제를 극복하고 탄소중립 그리고 수소경제가 성공적으로 자리 잡기 위해서는 우선 탄소중립이 왜 중요한가, 즉 이산화탄소가 지구 온난화의 주요한 원인이라는 점에 공감대가 형성되어 있는가, 그리고 수소는 탄소의 경제적인 대안인가 등 쉽지 않은 여러 질문에 답할 수 있어야 한다. (p.14, ‘왜 지금, 수소인가’ 중에서)
● 2021년 노벨물리학상은 이산화탄소 농도와 지구 온난화의 상관관계를 정량적으로 밝힌 프린스턴대학의 마나베 슈쿠로와 막스플랑크기상연구소의 클라우스 하셀만에게 돌아갔다. (…) 이러한 배경 아래, 이산화탄소를 필연적으로 배출할 수밖에 없는 화석연료의 자리를 수소로 대체하자는 수소경제가 자연스럽게 주목받게 됐다. 수소는 자연에 풍부하게 분포되어 있어 연료가 고갈될 우려가 없고, 연소 과정에서 이산화탄소 대신 물을 만들기 때문에 지구 온난화 문제에서 자유롭다.(p.15, ‘왜 지금, 수소인가’ 중에서)
● 수소경제를 논할 때 자주 언급되는 말이 있다. 수소는 우주 질량의 3/4을 차지하는 가장 풍부한 원소라는 것이다. (…) 수소는 어떻게 보통 물질의 대부분을 차지하게 됐을까? 우주가 탄생하는 순간에 해당하는 빅뱅에 그 답이 있다.(p.45, ‘수소는 어디에서 왔나’ 중에서)
● 우리 사회는 화석연료 에너지를 기반으로 문명의 발전을 이뤄왔다. 주에너지원으로 사용된 화석연료의 변천을 보면 인류 역사 초기부터 사용된 나무에서 산업혁명을 이끈 석탄에 이어 석유, 그리고 천연가스로 바뀌어왔다. 흥미로운 것은 연료의 성분 중 탄소에 비해 수소가 차지하는 비율이 나무는 0.1인데 반해 석탄은 1, 석유는 2, 그리고 천연가스는 4로 증가한다는 점이다. 연료에서 탄소의 비중이 적어지는 탈 탄소화 과정이 진행되고 있는 것이다. 경제적으로는 연료의 단위 무게당 에너지 함유량이 증가하는 방향으로 바뀌어 왔다. 이는 수소경제에서도 마찬가지다.(p.71, ‘반응열을 통해 본 수소의 경제성’ 중에서)
● 같은 무게의 수소와 탄소가 주어졌을 때, 이들이 연소하면서 발생하는 에너지, 즉 반응열로 두 에너지의 경제성을 비교해보자. 각각 석탄과 수소를 연료로 사용하는 화력발전소를 생각하면 된다. 어차피 물을 끓이고 터빈을 돌려서 전기를 생산하는 것은 마찬가지이기 때문에, 같은 무게에서 얼마만큼의 열이 발생하는가를 비교하면 효율을 비교할 수 있을 것이다. (…) 동일한 무게의 수소와 탄소에서 나오는 에너지를 비교하면 수소는 탄소에 비해 4.4의 열이 나오는 셈이다(286/65.7=4.4). 단위 무게당 수소가 탄소보다 4.4배 더 많은 반응열, 즉 에너지가 나오니 상당한 차이가 아닐 수 없다.(p.88, ‘반응열을 통해 본 수소의 경제성’ 중에서)
● 수소연료전지의 전압은 수소의 반응열, 전자의 전하, 그리고 아보가드로수에 의해 놀랍게도 간단히 정해진다. 수소경제의 저력은 수소의 구조적 단순성과 간단하게 적용될 수 있는 과학적 원리에 기반한다고 볼 수 있다. (p.117, ‘수소 시대의 운송 수단’ 중에서)
● 수소연료전지는 2차전지의 경우와 같이 전해질로 쓰이는 물질과 음극과 양극에 쓰이는 물질, 그리고 구조에 따라 특성이 달라진다. 2차전지에서 리튬이온전지가 성공을 거두고 시장을 독점했듯이 미래를 선도할 실용적인 수소연료전지 개발은 분명히 과학자들에게 놓칠 수 없는 도전의 기회다. 우리는 이를 통해 수소연료전지와 수소경제의 새로운 풍경을 보게 될 것이다. (p.118, ‘수소 시대의 운송 수단’ 중에서)
김희준 [저]
서울대학교 화학과를 졸업하고 미국 시카고 대학교에서 이학 박사학위를 받았다. 매사추세츠 공과대학(MIT), 하버드 의대 연구원과 미육군 네이틱 연구소 책임연구원을 역임했다. 현재 서울대학교 화학과 교수로 재직 중이다. 번역서로는 '어떻게 원자를 쪼갤까, 원소의 새로운 지식' 들이 있다
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