(4)-전자기력,미래에너지 수소



지금의 3대 종교는 약1500년 전, 약2000년 전, 약2500년 전에 태어나신 성인들의 가르침이다. 그 당시의 문화와 문명을 기준으로 말씀하신 것이므로 문화와 문명이 발전한 지금을 기준으로 보면 진부한 면도 있고 제자들이 잘못 해석한 것도 있다.


물질문명이 빠른 속도로 발전하고 있어 우주창조의 과정까지도 과학적으로 규명해가고 있다. 자연과학을 모르면 종교를 잘 못 해석하여 큰 오류를 범할 수 있다. 자연과학이 가장 발달한 일부 기독교문명권과 가장 뒤떨어진 일부 회교문명권과 무력충돌이 일어나 세계를 불안과 공포로 몰아 넣고 있다.


지도자가 종교보다 자연과학을 깊이 공부했다면 이런 불행한 일이 일어나지 않았을 것이다. 오래전부터 자연과학공부를 하려고 마음먹었는데 인터넷의 발달과 포털사이트 naver.com의 지식검색창 덕분으로 어렵지 않게 공부를 할 수 있어 정말 다행으로 생각하며 naver.com에 항상 고마운 마음을 갖고 있다.


마침 2003년 11월 22일 중앙일보 문화면에 나와 같은 생각을 하는 미국의 미리암 데레사 맥길리스 수녀의 “과학의 눈으로 종교를 보세요”기사를 읽고 지원군을 만난 외로운 병사의 심정으로 보다 충실한 내용의 글을 써보겠다는 욕심이 생긴다.


4.진(震-천둥 번개, 전자기)


진괘는 주역에서는 천둥·번개로 해석한다.

그러나 우주창조의 순서로는 전기 또는 전자기력으로 본다.

헬륨의 핵융합으로 태양이 만들어진 과정을 복습해보자.

핵융합은 중수소(D)와 삼중수소(T) 또는 헬륨이 결합되면서 중성자 또는 양성자가 나오는 반응이다. 핵반응 후 입자들의 질량이 처음에 존재했던 입자들의 질량 합보다 가벼워진다.


그 차이가 에너지로 분출되는 것이다.

그런데 핵융합 때의 질량차이가 핵분열 때보다 훨씬 커 핵융합에너지는 핵분열에너지의 300배나 된다.


핵을 결합시키는 핵력이 존재함과 동시에 핵이 가까워질수록 밀어내는 전자기력의 척력도 존재한다. 전자기력은 원자(수소원자, 헬륨원자)가 만들어지면서 발생하였다.

원자가 만들어지는 과정을 고찰해보자.


빅뱅의 순간에 6 가지의 쿼크(quark)와 6 가지의 렙톤(lepton)이라고 하는

기본 입자들이 만들어졌고, 약 0.00001초 이내에 쿼크로부터 양성자와 중성자가 만들어졌다고 한다.


전자는 렙톤의 일종이다. 따라서 우주의 나이가 0.00001초 정도 되었을 때

후일 물질 세계와 생명을 만들어 나갈 원자의 재료는 갖추어진 셈이다.

왜냐하면, 모든 원자(原子-atom)는 양성자, 중성자 , 그리고 전자로 이루어졌기 때문이다.

더구나 양성자는 전자 하나만 얻으면 수소원자가 된다.


그런데도 최초의 원자가 생기려면 30만년 정도를 더 기다려야 한다.

팽창하는 우주는 급격히 식고 있지만 아직 우주는 원자를 만들기에는 너무나 뜨겁기 때문이다.

전자가 원자의 일부로 가만히 붙어있지를 못한다는 말이다.

우주의 나이가 30만년 정도 되어서 온도가 3천도 정도로 내려갔을 때 비로소 수소 원자가 생겨났다.


처음 3분간 양성자 두 개와 중성자 두 개가 모여 만들어진 헬륨 원자핵도

전자를 붙잡아서 헬륨 원자가 된다. 이렇게 해서 물질세계의 기본 단위인 원자가 생겨난 것이다.


나머지 90 가지 정도의 자연에 존재하는 원소(元素-element)들이

생겨나는 데에는 다시 수십 억 년이 걸렸다.

팽창하는 우주의 여기저기에서 중력(重力, gravity)에 의하여

수소와 헬륨이 모여 별들이 생기고, 이 별들의 진화(進化, evolution) 과정에서 내부의 높은 온도 하에서 무거운 원소들이 생기는 핵융합(核融合, nuclear fusion) 반응이 일어나기 때문이다.


원자의 구조를 보면


(1)원자핵: 원자의 중심에 위치하면서 (+)전기를 띠며 이동할 수 없다.

(2)전자: 원자핵을 중심으로 돌고 있는 물질로(-)전기를 띤다.

원자핵의 (+)전기와 전기적인 인력에 의하여 원자에 붙어 있다.

원자핵과 분리되기 쉽다



전기의 종류


(1) (+)전기 : 위의 그림에서 보는 바와 같이 전자를 잃고 생성된 전기.

양전하(電荷)를 띤 전기

(2) (-)전기 : 전자를 얻고 생성된 전기.음전하를 띤 전기이다.


전기력


(1)인력 : 서로 다른 전기 사이에 끌어당기는 힘

(+)전기와 (-)전기 사이에 작용한다.

(2)척력 : 서로 같은 전기 사이에 밀어 내는 힘이 있다.


모든 원자는 (+)전기, (-)전기,인력, 척력을 갖고있다.

우주에는 수소(水素-hydrogen)원자가 가장 많으며,

대기권을 포함한 지구에도 수소원자가 가장 많다.

수소원자는 위와 같은 전자기력을 갖고 있으므로

미래의 에너지원은 수소라고 볼 수 있다.


전기력과 자기력은 따로 존재하는 것이 아니라

위와같이 동시에 존재하는 전자기력이다.


전자기력은 태양이 만들어진후에 만들어 졌음을

알 수 있다.


우리가 지금 유용하게 쓰고있는 전기는 누가 발명하였을까?


1800년에 이탈리아의 물리학자 알레싼드로 볼타(Alessandro

Giuseppe Antonio Anastasio Volta 1745-1827)가

아연판과 구리판을 묽은 황산에 넣어 계속적으로 전기를 만들어

낼 수 있는 장치인 "볼타 전지"를 세계 최초로 만들어 내었다.

전류를 유도하는 기전력의 단위인 V(볼트)는 그를 기념하여

붙여진 이름이다.


그후 영국의 물리학자이자 화학자인 마이클 패러데이(Michael

Faraday 1791-1867)에 의해 최초의 전동기가 발명되었다.

전기와 자기는 같은 현상이면서 겉으로 나타나는 모습이 다를

뿐이라는 사실이 그 당시에 밝혀지고 있었다.


전기의 힘으로 자석을 만들었으며, 패러데이는 이 전자석을 이용하여

거꾸로 전기를 만들어 낼 수 있음을 처음발견한 것이다. 전자석을

연속회전시키는 실험도 성공하여 발전기를 고안하고 전기모터도 발명

한 셈이다.


그후 1837년에 미국의 화가 새무얼 모스는 전신기와

전신부호를 만들어 전기 통신시대를 열었고,

1876년에는 미국의 알렉산더 그라함벨(1874-1922)에

의해 전화기가 개발 되었다.

그후 여러 발명가들이 수많은 전기장치를 세상에 선보이기 시작했다.

그 대표적인 인물이 미국의 토마스 에디슨(1847-1931)이다.

그는 전화기를 개량하고 축음기를 발명하였으며 전등을 처음으로 만들고

활동 사진을 만드는 등, 전기를 이용하는 길을 활짝 열어 놓았다.


전기에너지의 실용화가 먼저 전지의 발명으로 이루어지고

다음에 전동기가 만들어진것을 보면

수소전지가 먼저 실용화되고 다음에 수소를 원료한 전동기나

발전설비가 만들어질 것으로 예상된다.



빠르면 20~30년안에 에너지혁명이 실현될 가능성이 높다.



수소에너지는 미래의 청정에너지원 가운데 하나이다.

수소는 연소시 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는

공해물질이 배출되지 않으며, 직접 연소를 위한 연료

또는 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하다.

또한 수소는 이 세상에서 가장 풍부한 화학원소로서

지구 표면을 덮은 바다에는 13억7천만㎦의 물이 있고

바닷물 1kg에는 0.108g의 수소가 있다.


수소에너지란 수소를 연소시켜서 얻는 에너지이다.

수소를 태우면 같은 무게의 가솔린 보다 3배나 많은 에너지를 방출한다.

수소는 전기에너지와 함께 현재의 에너지 시스템을 유지할 수 있는

에너지 매개체이다


수소는 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있다.

게다가 산업용 기초소재에서부터 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등

현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 응용돼

미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 평가되고 있다.


수소의 에너지 시스템을 실용화하기까지는 제조, 수송, 저장, 변환,

이용 등 모든 분야에 있어서 해결해야 할 많은

화학적인 개발 문제가 있다.

수소 에너지 시스템을 개발하기 위하여 수소를

싼값으로 대량 생산할 수 있는 제조법, 경제적인 저장과 수송법,

공해 없는 연소, 연료 전지 등의 이용법이 연구 과제이며

또한 해결하지 않으면 안 되는 문제점이다.


안전성을 고려한 수소가 대량으로 값싸게 제조되어서 보급된다면

현재의 에너지 시스템에 큰 변화를 가져올 것이 확실하며

머지 않아 현재의 전력 경제에 맞먹는

수소 경제가 이루어질 것이 기대된다.


갈색글 출처 : 에너지연대


[풀이 글]


쿼크(quark)

물질의 기본입자인 쿼크의 존재는 이미 잘 알려져 있다.

1995년 미국 페르미가속기연구소에서 톱쿼크가 발견됨으로써

6개의 쿼크가 자연에 존재하며 그들은 상당히 다른 질량을

가지고 있다는 것이 밝혀졌다.

1962년 머레이 겔만이 제안했던 쿼크모델이 드디어 완성된 것이다

(겔만이 쿼크모델을 제안할 때 3개의 쿼크만 사용했다).


실험적으로 양성자가 쿼크로 이뤄졌다는 것은

1967년 미국 스탠포드선형가속기센터가

2백억eV(전자볼트)의 전자를 양성자에

충돌시키는 실험에서 처음 확인했다.

현재 물리학자들이 이해하고 있는 바로는

1세대의 업(up)쿼크와 다운(down)쿼크,

2세대의 스트렌지(strange)쿼크와 참(charm)쿼크,

3세대의 바틈(buttom)쿼크와 톱(top)쿼크 등 6개의 쿼크가

우주의 모든 물질을 만들어낼 수 있는 것이다.


3개의 쿼크가 합쳐지면 중입자(baryon)라는 입자가 된다.

양성자는 이 중입자들 중 가장 가벼운 것이다.

쿼크와 반쿼크가 합쳐지면 중간자(meson)라는 입자가 된다.

이들 중 대표적인 것이 일본의 유가와 히데키가

1935년 예측해 1949년 노벨상을 탔던 파이(π) 중간자이다.


3가지색을 지닌 쿼크


여기서 쿼크의 성질을 잠시 알아보기로 하자.

이 그림은 쿼크와 물질을 이루는 경입자(lepton, 전자와 같은 입자들)의

성질을 나타낸 것이다.

쿼크의 특이한 성질은 이들이 분수전하를 가진다는 것이다.

즉 전자 전하량의 3분의 1 또는 3분의 2의 크기를 갖고 있다.


분수전하를 가진다는 것 외에도, 쿼크가 경입자와 다른 점은

색이 있다는 것이다.

쿼크는 3가지 다른 색, 즉 빨강, 파랑, 녹색을 띨 수 있다.

이에 따라 양성자와 중간자와 같은 입자들은 무색투명한 색이 된다.

양성자를 이루는 3개의 쿼크들은 각각 빨강, 파랑, 녹색을 띠고 있다.

빛의 삼원색을 합치면 무색투명해지는 것과 같이

이들을 합치면 무색 투명해진다.


더 신비로운 것은 쿼크들이 각자의 색을 가지고

홀로 존재할 수 없다는 것이다.

이들은 중입자 또는 중간자 내부에서

색이 없는 조합으로만 존재하게 된다.

이를 '쿼크의 유폐'라고 부른다.

결국 자유롭게 혼자 돌아다니는 쿼크를 볼 수 없다는 것이

현재 물리학의 결론이다.


또한 쿼크의 질량은 매우 다양하다.

가장 가벼운 업쿼크는 전자의 10배 정도이고, 가장 무거운 톱쿼크는

금(Au) 원자 하나의 질량에 맞먹는다.

다시 말해 톱쿼크의 질량은 업쿼크의 질량보다 3만6천배나 크다.

기본입자인 쿼크들의 질량이 왜 이렇게 다양할까 하는 것은

질량의 근원 문제와 관련된 매우 중요한 의문점이다.


한편 6개의 쿼크들 중에서 양성자와 중성자의 주 구성성분이며,

현재 우주물질 중 대부분을 차지하고 있는 것은 업쿼크와 다운쿼크다.

나머지 4개의 쿼크들은 입자가속기나 우주선 입자를 통해서 생성되고,

매우 짧은 시간 동안 살다가 업쿼크나 다운쿼크로 붕괴해 버린다.


6개의 쿼크는 주역의 대성괘가 6효로 이루어진 것과 상관관계가

있는 것 같다. 소성괘 3효는 하늘 등 8가지의 의미만 있고 대성괘 6효는

예를 들면 하늘과 땅과의 상호작용의 결과 등

64가지의 의미를 내포하고 있다.



(5)-수소 연료전지시대




수소 연료전지 시대 곧 도래


음과 양의 조합이 원리인 반도체문명이

0과1의 조합인 디지털문명으로 승화하여 형형색색의 꽃들이

이 지구촌위에 활짝 피어나고 있다.


60대 나이에 디지털문명의 꽃인 인터넷이

나의 가장 친한 친구가 될 줄은 꿈에서도 상상해 본적이 없다.


미국과 한국이 반도체 강국에서 디지털강국으로 발돋움하여

세계의 물질문명을 선두에 서서 이끌어 갈 것이다.


유전자공학, 수소 연료전지 개발 등 에너지혁명이 실현되면

물질문명은 인간에게 행복을 듬뿍 안겨다 줄 것이다.


2003년 12월 27일자 "태극기가 뜻하는 바를 올바로 알자(4)에서

빠르면 20~30년 안에 수소연료가 실용화되는 에너지혁명이

실현될 가능성이 높다고 보았다.


그러나 자료를 검색한 결과 빠르면 5년내에 수소연료시대가

열릴것으로 보인다. 하루가 다르게 빨리 발전하는 물질문명의

흐름을 파악하여 대처하는데 이글이 조금이라도 도움이 되기를

기대해 본다.



연료전지를 발명한 사람은 영국의 법관 그로브(Grove) 경．

지난 1839년의 일이었다．


그가 한 실험은 시험관으로 연료전지 4개를 직렬로 연결해

전기에너지를 얻은 후 이를 이용해 물을 전기분해한 것．


이것이 연료전지의 효시．

이렇게 발명된 연료전지가 20C에 우주선의 주된 전원으로 장착되고

무공해자동차 엔진으로 개발되고 있다．

물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생한다．


여기서 다시 수소와 산소를 반응시키면 연소반응에 의해 열이 발생하면서

물이 되는 데 이 때 두 원소를 직접 반응시키는 대신 연료전지를 통해

화학반응이 일어나게 하면 물과 열 이외에 전기도 발생하게 된다．




연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해된다.


↓


수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동한다.


↓


전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생한다.


↓


공기극에서 수소이온과 전자,

그리고 산소가 결합하여 물이된다



이러한 원리를 이용한 연료전지는 공기극,연료극,

그리고 두 전극 사이에 위치하는 전해질로 구성돼 있는 구조이다．

연료극에는 수소가,공기극에는 공기가 공급된다．

그러면 촉매역할을 하는 각 전극에서 전기화학반응이 진행된다．

이 때 전해질이 산성이면 수소가 이온화돼 산소쪽에서 물이 생긴다．


연료극에서는 수소가 수소이온과 전자로 분리되는 데 수소이온은 전해질을 거쳐

공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생시킨다．

전해질을 거쳐온 수소이온과 외부회로를 통해온

전자는 공기극에서 산소와 결합해 물이 된다．


전해질이 알칼리성이면 산소가 이온화돼 수소쪽에서 물이 생긴다．

연료전지 한 쌍을 단전지라 하며 음극인 연료극과 양극인 공기극 간의 전압은

약 1볼트 내외．단전지를 직렬로 연결해 원하는 만큼의 전압을 얻는다．


또한 전극의 크기가 커지면 이온의 통과량도 커져 전류도 증가한다．

때문에 단전지의 수를 늘리거나 각 전극의 크기를 크게 하면

큰 출력을 얻을 수 있다．때문에 일회용 건전지나 한 번 사용하면

재충전이 필요한 이차전지와 달리 연속적인 발전기,

혹은 에너지변환기가 될 수 있다.


25℃에서 수소·산소 연료전지로 수소2g(1몰)과 산소 16g(0.5몰)을 반응시키면

18g(1몰)의 물이 생기면서 1.229V의 전압이 발생한다．

이는 약 56.9Kcal의 열량에 해당된다．

수소·산소의 원래 반응열이 68.6Kcal이므로 효율이 89%정도라는 계산이 나온다．

이는 기존의 화력발전보다 효율이 훨씬 높은 것이다

．

수소가 또한 꿈의 대체 에너지로 기대를 모으는 것은

질소화합물,황화합물,매연 등을 배출하지 않는 연료이기 때문이다．

‘개질기’라는 변환장치를 이용하면 석탄가스,천연가스,매립지가스,

메탄올,휘발유 등에서 수소를 손쉽게 추출할 수 있다


연료전지 자동차는 그동안 차세대 무공해 자동차로

‘전기자동차’가 꼽혀왔다.

하지만 자동차업계는 ‘축전지형 전기자동차’는 물 건너간 것으로 보고 있다.

축전지는 무겁고 비싼데다, 충전속도가 느린 게 큰 단점이고

전기자동차를 움직이려면 값비싼 노트북컴퓨터의 배터리(니켈수소전지)가

2만개나 필요하다.


21세기 인류의 생활을 바꿀 핵심기술인 ‘연료전지’가 실용화 단계에 접어들어

몇 년 안에 자동차, 잠수함, 노트북컴퓨터 심지어

휴대전화의 배터리까지 대체할 전망이다.


연료전지는 60년대 제미니 우주선에 물과 전기를 공급하는 데 사용된

값비싼 기술이었지만, 금세기 중반에는 내연기관이나 배터리처럼

흔한 존재가 될 것으로 과학자들은 내다보고 있다.


연료전지에는 ‘전지’란 말이 붙어있지만,

전기를 저장하지 않고 생산하는 소형 발전소이다.

따라서 연료전지 자동차는 ‘달리는 발전소’이고,

연료전지 휴대폰은 ‘주머니 속 발전소’인 셈이다.


연료전지의 발전원리는 물의 전기분해를 거꾸로 한 것으로 보면 된다.

물에 직류전기를 흘려주면 분해돼 수소와 산소가 된다.

반대로 수소와 산소를 반응시키면 전기와 물이 나온다.

이 때 나오는 전기를 뽑아 쓰는 게 연료전지이다.


▼ 오염걱정 덜고 자원 풍부 ▼


연료전지는 열 손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다.

또 배기가스 대신 물이 나오고, 화석연료처럼 에너지 고갈 문제도

크게 걱정할 필요도 없다.


연료인 수소는 탄소와 수소원자로 이루어진 석유, 천연가스,

바이오매스, 메탄올 등에서 다양한 방법으로 추출할 수 있으며

광촉매와 태양에너지로 물을 분해해 만들 수도 있다.


현대―기아 연료전지개발팀 이기춘 박사는

“연료전지는 e비즈니스 다음으로 유망한 사업이어서

미국에서는 최근 벤처기업들이 수백 개 생겨났고,

일본 정부는 정보기술, 생명공학, 연료전지를 21세기 3대 산업으로 꼽고

연구개발에 전력을 기울이고 있다”고 말했다.


▼ 고성능 수소연료 자동차 등장 ▼


연료전지가 꿈의 클린에너지로 각광받으며 기대를 모으게 된 가장 큰 이유는

자동차분야 때문이다．

연료와 공기를 연료전지에 공급할 때 발생하는 전기에너지로

자동차를 구동시키는 전기자동차에는 고분자전해질 연료전지가 사용된다．

이 때 연료는 수소를 직접 사용하거나 메탄올이나 휘발유를 개질해 쓴다．


자동차 뒷꽁무니에서 배기가스가 나오지 않고 대신 물만 나오는

차세대 무공해차는 듣기만 해도 카타르시스를 안겨준다．

엄청난 시장성을 내다보고 BMW나 벤츠,도요타 등 독일과

일본의 자동차 회사들 뜨거운 개발경쟁을 벌이고 있다．

현대·대우자동차도 여기에 뛰어들었다


지난해 연료전지 전략으로 방향을 선회한 현대자동차는

6개월 동안 165억 원을 들여 연료전지 자동차를 개발해

1일 캘리포니아에서 열린 국제 전시회에 선을 보였다.

미국의 연료전지회사인 IFC사와 공동 개발한 산타페 모델의

이 자동차는 한 번의 수소 충전으로 1백60㎞를 달리고,

최고속도는 시속 124㎞이다.


이 자동차의 연료는 수소이다.

하지만 주유소, 파이프라인 등 연료공급체계가

석유에서 수소 중심으로 바뀌는 시기는

2020년께가 될 것으로 보인다.


이에 따라 현대―기아를 포함해 다이믈러, 포드, 혼다 등

주요 회사는 가솔린과 메탄올을 쓰는 중간단계의 연료전지 자동차를

2004년 시판을 목표로 개발 중이다.

이 자동차는 연료전지 외에도 가솔린이나 메탄올을 수소로 바꿀 수 있는

연료 변환기를 내장하게 된다.


미국 에너지부는 연료전지와 수소에너지의 도입으로 2040년 경에는

1일 1,100만 배럴의 석유수요를 대체할 수 있을 것으로 추산하고

있으며 이는 현재 미국의 1일 석유수입량과 비슷한 규모다.


미국은 향후 5년간 "Hydrogen Fuel Initiative"와 "FreedomCar"

프로젝트에 17억 달러를 투자할 계획이다.

2010년을 전후하여 수소에너지 체제로 본격 전환하여

주택과 산업용은 2010년 경, 자동차용은 2015년 경부터 본격

상업화하는 것을 목표로 하고 있다.


유럽연합은 향후 5년간 20억 유로를 투입하는

‘재생에너지 및 수소에너지 개발 프로젝트’를 추진 중이다.


아이슬란드의 경우 지열 등 풍부한 재생에너지원을 이용해

대량의 수소를 생산·수출하고, 오는 2015년까지 석유소비를

모두 수소로 대체하는 ‘수소 경제대국’을 꿈꾸고 있다.

아이슬란드는 이미 지난해 상업용 수소충전소를 처음 선보였으며,

수소자동차까지 공급하고 있다.


현재 뮌헨공항 구내에서 수소자동차를 가동하고 있는 독일도

97년부터 ‘독일 수소프로젝트’를 추진 중이며,

수소를 생산·저장·수송하기 위한 기술과

기간시설 개발에 매진하고 있다.


이에앞서 지난 80년대부터 대체에너지 개발에 박차를 가해 온

일본은 이미 수소생산 및 발전을 위한 고온가스냉각로(HTTR)

건설을 완료하고 운전에 들어갔다.


또 최근에는 주택용 연료전지에 대한 테스트를 전국 43개소로 확대하고

자동차용 연료 스테이션도 수도권 5개소에 운영하는 등

수소에너지의 실증실험에 주력하고 있다.


이는 지난 93년부터 2020년까지 24억달러를 수소에너지 개발에

투자키로 한 장기 전략에 따른 것으로 일본은 지난 2002년 한해에만

이 분야에 무려 220억원을 쏟아 부었다.


일본 정부는 앞으로 3년 이내에 자동차 및 가정용 연료전지를

실용화할 수 있을 것으로 판단하고 2010년부터는 본격적인

수소시장 상업화에 나선다는 야심찬 계획을 추진 중이다.


늦기는 했지만 우리나라도 올해부터 오는 2016년까지

약 3조원의 예산을 투입해 수소 생산에 필요한 신형 원자로를

개발하는 등 수소에너지시대에 본격 대비하겠다는

장기 프로젝트를 마련했다.



▼연료전지 잠수함▼


국방부는 2009년까지 1조2천7백억 원을 들여

연료전지를 탑재한 차기 잠수함 3척을 독일 HDW사의 기술을 제공받아

현대중공업이 건조한다고 발표했다.


현대전에서 잠수함의 성능은 얼마나 물 속에서 오래 버티냐에 따라 결정된다.

이 최신형 잠수함은 평소에는 디젤발전기와 축전지로 모터를 돌려

움직이지만, 비상시에는 120 킬로와트 짜리 두 개의 연료전지를 탑재하고

2주일까지 물 속에서 작전을 수행할 수 있다.


디젤발전기만을 지닌 기존 잠수함은 연료를 태울 때

많은 산소를 소모하므로 하루에도 2,3차례 수면 위로 떠올라 산소를 흡입한다.

그만큼 적에게 노출될 위험이 크다.

하지만 연료전지 잠수함은 산소 소모가 훨씬 적어 오래 잠수하는 것이다.


▼ 휴대전화 20일 대기 도전 ▼


△연료전지 노트북 컴퓨터, 휴대전화△

지난해 90g짜리 휴대용 연료전지를 개발해 노트북컴퓨터를 6시간 작동시킨

삼성종합기술원 장혁 박사팀은

2005년 상업화를 목표로 10g짜리 휴대폰용 연료전지 개발에 도전하고 있다.


이 휴대전화용 연료전지는 메탄올과 물을 혼합한 용액을 연료로 쓴다.

만년필 잉크 카트리지 정도인 10㎖의 연료로 20일 통화대기,

40시간 연속 통화를 실현시킨다는 계획이다.


장혁 박사는 “휴대폰의 배터리는 충전하는 데 시간이 걸리지만,

연료전지를 쓰면 만년필 잉크 카트리지 갈아 끼우듯이

손쉽게 연료를 보충할 수 있고

기존의 리튬이온전지보다 3배 이상 오래 쓸 수 있다”고 말했다.


일본의 NEC는 연료전지를 사용하여 40시간 가동이 가능한

노트북 PC와 15일이상 사용할 수 있는 휴대폰을 개발 중에 있다.



연료전지 발전소의 전력으로 움직이는 전철.고압수소차로 출퇴근하고

가정용 연료전지에서 나오는 전력으로 생활한다．

휴대전화는 한 번 충전에 한 달간 에너지가 지속된다．

그리고 우리의 영해는 연료전지 잠수함이 지킨다’


꿈의 클린 에너지라 불리는 연료전지가 생활화된 우리의 미래 모습이다．

결코 상상의 세계 속에만 가능한 얘기가 아니다．

2010년경이면 연료 전지 자동차가 세계 자동차시장의 10%을 차지하고,

그 후 기하급수적으로 늘어날 것이라는 전망이다．


무공해,무소음,고효율,다연료,모듈화,열병합 활용가능이라는 장점을 가진

연료전지．그러나 경제성을 보완하고 기술의 내구성과 인프라를

구축해야 하는 과제를 안고 있다．

꿈의 미래 에너지 연료전지의 국내외 개발실태를 점검해 본다.


▼연료전지의 종류▼


사용하는 전해질의 종류에 따라 여러가지가 있다．

전해질에 따라 이온전도체와 작동온도가 제각각이며

전극의 종류,연료,원료,효율,출력범위,용도도 달라진다．


인산을 사용하는 인산연료전지,탄산리튬과

탄산칼륨의 혼합물을 사용하는 용융탄산염 연료전지,

지르코니아라는 세라믹을 이용한 고체산화물,

수소이온교환막을 이용하는 고분자전해질 연료전지와 직접메탄올전지,

수산화칼륨을 사용하는 알칼리 연료전지 등이 있다．


인산·용융탄산염·고체산화물 연료전지는 주로 발전용,

고분자전해질연료전지는 수수송용으로 개발되고 있다,

가정용 연료전지를 사용하면 송전탑이 필요없는 등 편리성이 많다．


우리나라에서도 LGCI가 LNG 등 소량의 에너지원을 사용해

전력과 온수 등을 생산할 수 있는 가정용 연료전지를 개발,

곧 국내외에 공급할 예정이다．


또한 수송용은 미국 일본 독일이 치열한 개발경쟁을 벌이고 있어

실용화가 앞당겨질 것으로 전망된다.

독일에서는 연료전지 잠수함을 곧 실전배치할 예정이다．


직접메탄올연료전지는 수소탱크와 개질기가 필요없고

연료전지도 소형화할 수 있기 때문에 휴대전화 등

휴대용 전원으로의 응용이 가능하다．

카트리지 형태로 부착했다가 언제든지 교환할 수 있는 장점이 있어

노트북 컴퓨터나 무전기등에도 곧 실용화될 것 같다．

알칼리 연료전지는 우주선용으로 개발되고 있다．


▼우주개발▼


연료전지용 산소탱크에 문제가 생기는 아폴로13호 우주선．

전원이 차단되는 바람에 달착륙은 고사하고

우주미아가 될 뻔한 우주여행….

톰 행크스가 주연한 영화 ‘아폴로13호’의 내용이다．

이 영화를 보면 연료전지가

이미 우주개발용으로 사용돼 왔다는 것을 알 수 있다．


고분자전해질 연료전지의 초기모델이

1965년 제미니 3호에 처음 탑재됐고

알칼리 연료전지가 1968년부터 아폴로우주선,챌린저 왕복우주선,

콜럼비아 왕복우주선의 전원으로 사용됐다．

연료전지에서 발생하는 물은 우주비행사들의 음용수로 쓰이기도 했다．


▼수소 추출방식 경합▼


수소를 추출해 내는 방식과 연료선정을 둘러싼 석유,가스,전력 업계의

주도권 쟁탈 경쟁도 치열하다.

연료에 포함된 탄소와 수소를 분리해내는 데는 에너지가 많이 소요된다．

때문에 탄소가 많은 가솔린은 수소를 꺼내기 어렵다는 게 단점．

반면에 메탄올은 낮은 온도에서도 수소를 발생시킬 수 있지만

가솔린은 높은 온도가 유지돼야 하고

함유된 유황을 제거해야 하는 문제가 있다.


지금까지는 기술적 편리성이 있는 메탄올을 이용한 자동차개발쪽이

우세한 것이 사실.그렇다고 가솔린 쪽의 개발열기가 죽은 것은 아니다.

최근 가솔린에서 직접 수소를 얻을 수 있는 촉매변환장치를

개발하는데 성공한 제너럴 모터스(GM)가 좋은 예．

가솔린에서 직접 수소를 얻을 수 있는 이 변환장치는

S자형태로 구부린 지름 10㎝의 튜브에 3개의 촉매제가 삽입돼 있다．


가솔린과 물을 함께 분사해 수소와 일산화탄소(CO)를 만든 다음

다시 공기를 분사해 CO를 CO2로 변환시킨다．

풍부한 수소기류는 연료전지에 저장됐다가

그곳에서 전기적으로 변환된다．


이 과정에서 가솔린이 지닌 포텐셜에너지가 바퀴를 구동시키는

전기에너지로 변환되는 효율은 40% 정도．순수 수소보다는 효율이

약간 떨어지고 부산물로 CO2를 발생시키지만

일반적인 가솔린엔진 보다는 효율이 50% 정도 높고 훨씬 깨끗하다．


또한 물을 사용하면서도 영하의 날씨에서 사용할 수 있고

공회전때나 부하가 낮은 조건에서 효율이 더욱 좋아지는 등

연료전지의 장점을 그대로 갖고 있다는 평가다．

BMW,일본 마쯔다,도요타도 가솔린방식이 갖는 이같은 이점에 주목해

2∼3년내 상용화를 목표로 연구·개발을 서두르고 있다．


한국과학기술연구원 오인환 박사는 “연료전지는

21C 10대 핵심기술의 하나로 매우 다양하게 응용될 것”이라며

“우리나라도 연료전지의 실용화를 위한

종합정책을 수립하고 관련법규를 제정해 전문인력을 양성하고

연료 인프라 구축을 서둘러야 한다”고 말했다.


한국원자력연구소 박창규 박사도 “스타워즈(Star Wars)라는 영화를 보면

우주 비행사들이 ‘연료전지 발전소’ 파괴를 위해 사활을 거는 것처럼

수소를 이용한 차세대 연료전지 개발 기술은 머지않은 장래에

국가 경쟁력의 원천으로 떠오르게 될 것”이라고 전망했다.




자료출처:동아일보, 국민일보,파이낸셜 뉴스,naver.com,삼성경제연구소,

한국과학기술연구원


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