신재생에너지라 하면 주로 온실가스(CO2)를 동반하지 않는 에너지로서 풍력이나 태양광에너지를 상기시키는데 사실은 1990년대에 미국이 석유의 대체에너지로 제의한 수소가스 에너지가 신재생에너지의 중심에 있다.

수소가스는 공기 중에서 산화해 열과 증기만을 만든다(4H2+2O2 2H2O). 반면에 화석연료(편리상 메탄가스로 대표하면)는 연소해 열을 제공하고 증기와 온실가스(CO2)를 남긴다(CH4+2O2 2H2 O+CO2). 수소가스는 온실가스를 남기지 않기 때문에 에너지 매체로서 적절하다고 해 화석연료의 대표격인 석유를 대체할 수 있는 수소에너지 시대를 예고한 것이다. 수소에너지/수소경제시대를 열기 위해서는 많은 량의 수소가스 제조기술, 운반/저장 기술 및 수소가스 버너, 엔진, 발전용 터빈 같은 분야의 기술 등도 동반돼야한다. 수소경제로 가는 길 중의 하나가 연료전지와 같이 수소가스로부터 직접 전력을 생산하는 방법이다. 수소에너지로 가는 큰 흐름이 있고 병행해서 풍력과 태양광 에너지가 있는 것이다.

우리나라의 연간 에너지 소비량은 2억(108)TOE에 해당된다고 한다. 1.0TOE는 104Kcal의 열에너지로서 벙커C유 1드럼에 해당된다. 현재 우리나라는 2007년에 5%를 신재생에너지화 하고 2011년에는 10%까지 올린다고 한다.
연간 에너지 소비량의 10%면 2천만(x107)TOE에 해당된다. 연간 2천만(107)드럼의 벙커C유를 신재생에너지로 대체해야한다. 어느 정부 발표에 보면 8000TOE를 대체하는 전력생산은 24MW라고 했다. 2000만TOE는 3만MW 발전용량이 되는데 현재의 기술로서 1MW의 태양광전력을 생산하는데 약 1만m2의 Solar cell panel을 깔아야한다.
3만MW(연간 에너지 소비량의 10%)이면 3x108m2=300km2인데 여의도 면적이 3km2이니 여의도의 300배이다. 태양광 Solar cell로서 대체 하려면 그 넓이가 얼마나 되는지 상상해 보라. 300MW짜리 발전소 100개에 해당된다. 

LNG(CH4 gas)의 예를 들면 1.0TOE의 열을 연소에 의해 발열하려면 762g의 CH4 gas가 필요하고 이에 대한 CO2는 2,095g이 나온다. 2x107TOE(10%의 연간 에너지 소비량)는 1.5x104톤의 CH4 gas가 필요하고 따라서 4.1x104톤의 CO2가 발생한다.
3만MW의 전력을 태양광이나 풍력으로 대체한다면 우리나라 지형을 바꿔놓을 것 같다. 이 두 가지 기술에 대한 원천기술은 우리나라에 없고 유지비를 포함한 가격이 얼마나 되는지 발표된 것도 본 적이 없다.

그런데 요즘 신재생에너지 하면 태양광과 풍력이야기만 들리지 수소가스 이야기는 들리지 않는 것이 현실이다. 한 토론회에서는 어느 경제학자가 “수소가스는 60%만이 신재생에너지이다”라고 발표한 것을 들었다. 물론 태양광도 설치하고 풍력도 이용해야 하겠지만 이것만으로 2011년에 10% 신재생에너지가 달성될 것이라고는 믿지 않는다.
현재 우리나라 LNG 화력 발전량이 대충 3만MW에 비슷하지 않나 생각된다. 화력발전에 사용되는 LNG 1만5000톤을 개질해 수소가스와 CO2가스를 분리, 수소가스 터빈으로 발전하고 2.7x104톤의 CO2가스는 매립하는 것이 현실적인 방법이라고 본다. 고온개질반응의 원천기술은 우리가 소유하고 있으니 유리한 입장이 아닌가.

이 기술의 CDM화에서 발생되는 이익을 수소가스 터빈 교체투자에 넣을 수도 있고 하니 경제성도 있을 것 같다. 또 수소가스 터빈은 현재의 증기터빈보다 몇 배의 효율이 높은 장점도 있다(최근 LA Times에 미국은 첫 25MW 수소가스 터빈 발전기를 Califonia Carson에 건설한다고 밝혔다).

현재 정부가 예측하고 있는 2011년까지 10%의 에너지 소요를 신재생에너지로 대체하려면 현재 쓰고 있는 화석연료에서 CO2가스를 분리해 따로 저장하는 방법을 밟아야 할 것이다.
방법은 ‘고온 개질반응’ 이라는 것이다. 널리 ‘석탄가스화’라고도 알려져 있기도 한다. 일단 우리나라의 화력발전이 LNG(메탄가스)의 열로서 되고 있는 줄 아는데 이 메탄가스를 아래와 같이 개질해 수소 가스로 바꾼다.
(1) CH4+H2O   CO+3H2
(2) CO+H2O   CO2+H2
(3) CH4+2H2O  
CO2+4H2          +164.63KJ
(4) 4H2+2O2  
2H2O       -967.24KJ
(5) CH4+2O2  
2H2O+CO2      802.61KJ

(1)에서 CH4를 개질해 (2)에서 CO를 H2와 CO2로 바꾸면 (3)이 되고, CO2와 H2를 분리하여 수소와 CO2가 생산된다. CO2는 저장하고 (4)에서 수소를 연소하면 -967.24KJ 라는 열을 얻게 된다. (4)에서 (3)을 빼면, 실용 가능한 열량이 된다.
(5)에서 CH4를 가스화(개질)하지 않고 연소하면 역시 똑같은 열량을 얻게 된다. 개질이라는 과정을 거쳐서 수소를 만들어서 연소하면 똑같은 열을 얻게 된다. 차이는 개질해 CO2를 분리 저장하지 않을 경우에는 CO2가스가 대기에 방출되는 것이다. 대기에 버려진 CO2를 모으려면 엄청난 비용이 든다. 그러나 개질반응 후에 수소와 CO2를 분리하는 것은 쉽다.

메탄뿐만 아니라 모든 탄소를 골격으로 하는 유기물질(화석연료 및 합성수지 등등)이 똑같은 개질반응을 하게 돼 수소를 생산할 수 있다. 많은 폐유나 폐플라스틱도 마찬가지로 가스화 될 수 있다. 전기 분해하여 물에서 수소를 얻었다면 많은 전기에너지를 소모하는데 여기에서는 외부에너지의 유입 없이 물분해도 하고 메탄가스의 열분해도 같이하여 물에서 나오는 수소와 메탄가스에서 나오는 수소를 합하게 돼 있다.

반응(3)에서 보다시피 메탄가스 하나를 가지고 수소가스 4개를 만든다. 이 반응이 개질 반응인데 현시점에서 이 반응을 시행만 할 수 있다면 가장 효율적인 수소가스 제조방법이다. 이 개질 반응의 원천 기술을 한국 사람인 내가 가지고 있는 것이다.

정부는 신재생에너지 목표를 도달할 수 있는 과정을 선택해야 한다. 그렇게 해야만 분산된 목표와 과정을 놓고 정부 예산의 낭비가 없을 것 아닌가. ‘고온 개질기’기술이 석탄가스화에도 적용되는 것이다. 석탄도 1200℃ 이하에서는 가스화 되지 않는다. 촉매를 사용해 1200℃보다 저온에서 개질반응을 한다고 연구 과제를 하고는 있지만 성과가 없는 것이 당연하다. 재래식 석탄가스화 방법에서는 고압의 산소와 증기를 투입해 석탄 또는 중류를 일부 태워서 발생하는 열로서 온도를 1200℃ 이상으로 유지해 석탄개질을 하는 것이다. 이 방법에서는 개질반응의 효율도 좋지 않지만 석탄과 중류를 연소하니 CO2 가스를 방출할 수밖에 없다.

미국 위주로 물을 대량 전기 분해하기 위해서 새로운 원자력 발전기를 설계·연구한다고 하는데 많은 사람들이 원자력 발전이 환경친화적이고 심지어 신재생에너지라고 생각하는 사람들도 있다.
우리는 다행이도 원자력 발전소 사고가 없었다. 한번 사고나면 그 재앙은 크다. 우리도 방사성폐기물 저장 장소를 설정하는데 10년 이상이 걸렸는데 어떻게 환경친화적인가. 다른 선진국도 더 이상 만들지 않겠다고 하고 있다. 최근에 일본에서는 다 지어놓은 핵발전소도 가동을 중지했다는 소식이 있는데 이것에 기대하고 화석연료에서 CO2가스 제거작업을 지연하고 있을 수는 없다. 미국이 새로운 핵발전소를 제안했지만 최근에 Califonia Carson에 수소가스 발전기 1호를 건설한다고 했고 앞으로 많이 설치할 것이라고 하고 있다. 새로운 핵발전소가 설계되었다 하더라도 안전성 등을 고려할 때 실제 전력 생산이 될 때까지는 수십 년이 필요하지 않겠나 싶다.
지구는 아마 기다리지 못할 것이라고 생각하는 사람도 많다. 한 곳에서 많은 수소가스를 생산하는 방법은 전국으로 분산하는 문제를 안고 있다. 현시점에서 보면 화석연료에서 수소가스와 CO2를 분리해 수소가스 에너지를 사용하는 것이 가장 안전하고 경제적이라고 본다. 또 이 방법에서 사용될 수 있는 화석 연료의 종류도 확대돼 중동 의존도도 감소 될 것이다.

특히 동북아시아에 많이 매장된 석탄이 빛을 볼 수도 있다. 메탄가스(CH4)를 예를 들어서 설명하였지만 고온 개질기 기술은 석탄에도 유효하다. 특히 이 기술에서는 H2/CO molar ratio가 ‘3.0∼1.0’에서 선택가능하다. 고로 합성가스 액화(DME, 석유생산) 과정이 유리함으로 수소가스 발전, 합성가스 액화 등의 복합시설이 IGCC와 같이 구성될 수 있다고 본다. 나아가서 가스화가 가능한 유기성 폐기물의 연간 발생량이 1000만톤이 넘는다. 1톤의 유기폐기물(CH2)이 1000TOE를 생산한다고 보면 2만톤의 유기성 폐기물이면 2000만TOE(우리나라 연간 에너지 소비량의 10%)를 대체할 수 있다. 우리나라 총 유기폐기물의 0.2%에 해당된다. 우리나라가 이 기술을 완수시키면 에너지를 위한 원유는 앞으로 100년간은 수입하지 않아도 된다.

신재생에너지에 머리 쓰고 계시는 여러분! 한 번 해 볼 만 하지 않은가? 우리 후손의 생존 문제이다. 지혜를 모아야 한다.