수소의 차세대 대안은 지하에 있다
천연 지질학적 수소(geologic hydrogen)를 찾는 '21세기 골드러시'가 본격화되고 있습니다. 미국 중西部 리프트 지역에서 최대 96% 농도의 수소가 발견되는 등 상업적 가능성이 커지고 있으며, 물과 촉매를 주입해 인위적으로 수소 생성 반응을 유도하는 자극형(stimulated) 지질 수소 기술도 등장했습니다. 다만 자연적으로 생성되는 수소의 총량과 포집 가능성, 저장·운송 문제 등은 여전히 풀어야 할 과제입니다.
요약: 새로운 수소 공급원을 찾는 경쟁이 벌어지고 있으며, 그 가스(혹은 그것을 만들 수 있는 조건)는 우리 발밑 지하에 숨어 있을 수 있습니다.
수소는 대형 트럭부터 항공기, 제철까지 다양한 분야에서 연료로 사용될 수 있습니다. 연소 시 물과 산소만 남고 기후변화의 원인인 탄소 배출이 전혀 없기 때문에 기후 솔루션으로 자주 주목받고 있습니다.
최근 발간된 인쇄판 기사에서 프리랜서 기자 제임스 딘은 자연 발생 수소 가스를 둘러싼 21세기 골드러시를 취재했습니다. 제가 최근 흥미를 갖고 지켜본 연구 분야라서, 그 잠재력과 여전히 남아 있는 질문들을 살펴보겠습니다.
현재 수소는 압도적으로 화석연료, 주로 천연가스를 이용해 생산됩니다. 그리고 대부분은 석유 정제나 비료 및 기타 화학물질 제조에 사용됩니다. 하지만 최근 몇 년간 기후 관련 업계의 많은 이들은 생산 과정까지 청정한 미래를 상상해왔습니다.
몇 년 전 저에게 물었다면, 청정 수소 경쟁은 재생에너지 전력으로 구동되는 전기분해 장치 방식과 기존 화석연료 기반 방식에 탄소 포집을 결합한 방식 사이의 대결이라고 답했을 것입니다. 하지만 두 방식 모두 주로 높은 비용 때문에 확산에 어려움을 겪고 있습니다.
최근 들어 새로운 분야에서 탄력이 붙고 있습니다. 바로 지질학적 수소(geologic hydrogen)입니다. 기업들은 아프리카, 아시아, 유럽, 호주, 북미 전역에서 자연 발생 수소 자원을 발견했습니다. 미국 지질조사국(USGS)은 국내 수소 전망 지도(즉, 가스가 자연적으로 존재할 가능성이 높은 곳)를 발표했습니다.
핫스팟 중 하나는 미국 중서부, 특히 캔자스에서 미시간까지 이어지는 '중부대륙 열곡(Midcontinent Rift)'입니다. 약 10억 년 전 이곳에서 지각이 늘어나고 갈라지면서 마그마가 균열을 통해 솟아올랐습니다. 그 결과 오늘날 이 지역에는 철이 풍부한 암석이 많으며, 이 암석은 물과 반응해 쉽게 수소를 생성할 수 있습니다.
호주 기업 하이테라(HyTerra)는 네브래스카와 캔자스 전역에서 수소를 탐사하고 있으며, 이미 수소 농도가 최대 96%에 달하는 가스 샘플을 발견했습니다. 총 자금 조달 규모가 4억 달러를 넘어 이 분야에서 가장 많은 자본을 확보한 기업 중 하나인 콜로마(Koloma)도 이 지역에서 탐사를 진행 중입니다.
이들 기업의 주요 의문 중 하나는 자연적 과정으로 얼마나 많은 수소가 생성되며, 이를 효과적으로 포집할 수 있는지입니다. 수소는 분자량이 매우 작고 가벼운 기체라 바위의 아주 작은 균열까지 빠져나갈 수 있습니다.
제임스가 기사에서 다뤘듯이 긍정적인 신호들도 있습니다. 연구자들은 온타리오 북부의 한 광산에서 수십 개의 시추공을 조사한 결과, 각 시추공에서 연간 8킬로그램의 수소가 방출되는 것을 발견했습니다. 이 한 곳에만 시추공이 14,000개가 넘는다는 점을 고려하면 포집 가능한 잠재 수소량이 상당합니다.
자연 발생 원천을 찾는 대신, 일부 기업들은 스스로 반응을 촉진하는 방법을 택하고 있습니다. 이른바 '자극형 지질 수소(stimulated geologic hydrogen)'의 개념은 수소 생성에 유리한 조건은 있지만 축적된 자원은 없는 장소를 찾는 것입니다. 물, 촉매, 또는 반응에 필요한 다른 요소를 첨가하면 과정을 가동할 수 있습니다.
텍사스 기업 베마 수소(Vema Hydrogen)는 시추정을 뚫고 물과 촉매를 주입해 반응을 유도함으로써 지하 암석에서 수소를 생산하려 합니다. 이 회사는 퀘벡의 시추정에서 공정을 시험 중이며 2028년 본격 생산을 시작할 계획입니다.
다른 기업들은 수소 생산의 다른 측면에 도전하고 있습니다. 예를 들어 이든 지오파워(Eden GeoPower)는 전기를 이용해 암석에 균열망을 형성해 물이 스며들 수 있는 경로를 늘리고 있습니다. (이 기술은 증강형 지열 프로젝트에도 유용할 수 있습니다.)
여전히 해결되지 않은 질문이 많이 남아 있습니다. 수소는 운반과 저장이 매우 어렵기로 악명이 높아, 많은 공간이나 초저온을 통해 기체를 액화하는 등의 방식이 필요합니다.