[월간수소경제 박상우 기자] 수소는 생산과정에서 사용되는 원료와 생산 기술에 따라 색깔로 구분한다.

우선 브라운수소(Brown Hydrogen)는 석탄을 고온·고압에서 가스화해 추출한 수소이며 그레이수소(Gray Hydrogen)는 천연가스의 주요 성분인 메탄을 고온·고압 수증기와 반응시켜 추출한 수소다. 이들은 다른 수소보다 경제성이 높지만 생산과정에서 이산화탄소가 많이 발생한다.

블루수소(Blue Hydrogen)는 그레이수소처럼 천연가스에서 수소를 얻지만 생산과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집·저장(CCS)하는 설비를 이용해 이산화탄소 배출량을 줄인 수소다. 

청록수소(Turquoise Hydrogen)는 천연가스를 고온 반응기에 주입해 수소와 고체탄소로 분해하는 열분해 기술로 수소를 생산하며 그 과정에서 이산화탄소는 발생하지 않고 고체탄소가 부산물로 나오는데, 이 고체탄소는 타이어와 기계용 고무부품 등의 소재로 활용될 수 있다. 블루수소와 청록수소는 경제성이 비교적 높은 데다 이산화탄소 배출량이 적다.

그린수소(Green Hydrogen)는 태양광, 풍력 등 재생에너지를 통해 생산한 전기로 물을 전기분해해서 생산하는 수소다. 생산과정에서 수소와 산소만 발생하기 때문에 오염물질이 전혀 생성되지 않으며 재생에너지의 불안정한 수급을 수소로 변환해서 저장할 수 있다. 다만 다른 수소보다 생산비용이 높고 전력소비량이 많으며 재생에너지 간헐성 등 해결해야 할 문제가 많다.

원자력 발전으로 생산한 전기로 물을 전기분해해 생산하는 핑크수소(Pink Hydrogen), 원자력 발전 과정에서 발생하는 열로 물을 열화학분해해 생산하는 레드수소(Red Hydrogen), 원자력의 열과 전기로 물을 열화학+전기분해해 생산하는 퍼플수소(Purple Hydrogen)도 있다.

이들과 다르게 석유처럼 땅속에서 채굴해서 얻는 수소가 있다. 바로 골드수소 또는 화이트수소인 ‘천연수소’다. 

아무도 믿지 않았던 수소
천연수소는 지구 지각 내에서 자연적으로 생성되는 수소로, 100년 이상 지질학 문헌에서 논의됐지만 실체가 확인되지 않아 생성, 이동, 분리 또는 지표면 아래에서의 축적에 대해 알려진 바가 거의 없다.

천연수소에 대한 최초의 과학적 논의는 주기율표의 아버지인 드미트리 멘델레예프가 우크라이나에 있는 한 탄광 내 균열에서 수소가 누출된 것을 보고한 1888년이다. 또 1910년에 작성된 보고서에 따르면 독일 베를린 남서쪽 스타스푸르트(Strassfurt)에 있는 소금광산에서 약 5년 동안 매일 약 3,624리터의 수소가 누출됐다. 

1944년에 작성된 보고서에는 호주 남부에 있는 캥거루 아일랜드(Kangaroo Island) 북부지역과 요크반도(Yorke Peninsula)에서 각각 80%의 수소로 이뤄진 가스와 70%의 수소로 이뤄진 가스를 발견했다는 내용이 담긴 것으로 알려졌다.

이같이 천연수소를 발견했다는 기록이 많았음에도 당시 정보, 기대감, 관심이 전혀 없어 이 수소가 천연수소인지 몰랐던데다 석유, 가스 등 화석연료를 채굴하기 위한 개발과 연구에 집중하고 있어서 소수의 과학자를 중심으로 연구됐을 뿐 개발은 이뤄지지 않았다. 

그런데 뜻밖의 장소에서 천연수소가 실제로 존재한다는 것이 증명됐다.

1987년 서아프리카 말리의 수도 바마코(Bamako)에서 약 60km 떨어진 부라케부구(Bourakébougo)라는 마을에서 물을 얻기 위한 시추작업이 진행됐다. 여러 곳을 시추했으나 끝내 물을 얻지 못했다.

그런데 한 작업자가 담배를 피우면서 무려 108m까지 판 시추공을 들여다보는 순간 폭발이 일어났다. 이 폭발로 작업자는 화상을 입었으나 생명에는 지장이 없었다. 또 화재가 발생했으나 인근 마을에 피해를 주지 않았다. 다만 화재를 완전히 진압한 후 시추공을 메꾸기까지 몇 주가 소요된 것으로 알려졌다.

주목할 점은 불의 색깔이 낮과 밤에 다르게 나타난 것이다. 미국과학진흥회가 발간하는 과학 학술지인 ‘사이언스’는 당시 상황을 목격한 마을 주민의 말을 인용해 불의 색깔이 낮에는 푸른 탄산수, 밤에는 빛나는 금빛을 띠었다고 밝혔다. 이 때문에 마을 주민들은 저주받았다며 해당 지역을 외면했다. 

그러던 중 2007년 말리의 에너지개발업체인 페트로마가 해당 지역의 탐사권을 획득했다. 한창 탐사가 진행되던 2012년 해당 시추공에서 나오는 것이 98%의 수소로 이뤄진 가스라는 것을 확인했다.

이에 페트로마는 수소를 연소하도록 개조된 포드 엔진과 30kW 발전기를 설치하고 전기를 생산해 인근 마을에 공급했다. 수소가 연소될 때마다 엔진 배기구에서 나온 것은 바로 물이었다.

이것이 바로 ‘천연수소’다. 이에 페트로마는 즉시 사명을 하이드로마(Hydroma)로 바꾸고 해당 지역을 중심으로 24개의 시추공을 뚫으며 탐사를 개시, 780km2의 면적에서 5개의 천연수소 저장공간을 발견했다. 저장공간의 깊이는 최저 30~135m에서 최대 1,125~1,500m에 달하며 쇄설성(풍화를 받아 떨어져 나온 광물로 구성된 성질)을 가진 탄산염으로 구성됐다. 축적된 양은 약 500만 톤에 이를 것으로 추정된다.

더욱 놀라운 것은 발견 당시 측정된 압력(4bar)이 유지된 채 4년 동안 생산됐다. 이는 저장공간에 지속적으로 천연수소가 채워졌다는 것을 의미한다. 탐사팀은 주기적으로 지하수가 높은 온도와 압력에서 철광물과 반응해 생성된 수소가 틈새로 저장공간 역할을 하는 지층에 축적되고 모암(母巖)으로 확산된 것으로 추정했다.

이후 하이드로마는 천연수소를 상업 생산할 계획이었으나 코로나 팬데믹과 군사 쿠데타, 보안 문제로 관련 장비를 도입하지 못해 결국 무산됐다.

드디어 깨어난 수소
이를 계기로 2018년부터 천연수소에 관한 연구가 활발해지기 시작했다. 사이언스지에 따르면 현재까지 전세계에서 천연수소가 누출된 것으로 확인된 곳은 캐나다 온타리오주 구리 광산, 남아프리카공화국 내 금, 백금, 크롬 광산, 아이슬란드의 지열 염수, 브라질 상 프란시스코(Sao Francisco) 분지, 미국 노스캐롤라이나 연안 등 수백 곳에 달한다. 

전문가들은 천연수소가 △지각과 맨틀에서 나오는 심층수소의 탈가스화 △물과 초염기성 암석의 반응 △지구 맨틀에서 환원제와 물의 접촉 △새로 노출된 암석 표면과 물의 상호작용 △광물 구조 내 하이드록실 이온의 분해 △물의 자연 방사선 분해 등을 통해 생성되는 것으로 보고 있다.

이 중 물과 초염기성 암석의 반응은 지구 맨틀을 구성하는 감람석 등 철분이 풍부한 광물과 물이 일련의 고온 반응을 통해 수소를 생성하고 수소는 지각을 통해 침투해 일부는 지표면 아래에 축적된 것으로 추정한다.

감람석은 지표면 아래 심부에서 열수에 의해 암석이 변질되는 현상인 열수변질에 상당히 취약하다. 이 때문에 감람석 가장자리나 깨진 틈을 따라 사문석이 자라는 사문석화가 발생한다. 이 과정에서 철은 산화되어 물분자에서 산소 원자를 얻고 수소를 방출한다. 이렇게 생성된 수소가 지표면 아래에 축적된다는 것이다.

지난해 2월 국제수소에너지저널에 게재된 ‘아이슬란드 열수지대의 수소배출과 대서양 중부 능선과의 비교’라는 논문에 따르면 저자들은 잠수정을 통해 구조판이 갈라지고 맨틀 바위가 솟아올라 새로운 해양 지각판을 만드는 화산 중대서양 능선을 관찰한 결과 미네랄이 풍부한 뜨거운 물을 분출하는 우뚝 솟은 바위에서 해저에서 분출되는 다량의 수소를 측정했다고 밝혔다. 또 대서양 중앙 능선에 걸쳐 있는 아이슬란드에 있는 온천과 지열정에서도 비슷한 수소유동성을 확인했다.

매장량과 생산량은 정확하게 측정하기 어려우나 생산량은 인간이 매년 생산하는 9,000만 톤보다 더 많을 것으로 추정된다. 매장량의 경우 원유의 매장량과 경제성을 조사할 때 사용하는 시스템을 통해 추정하면 매장된 천연수소의 10%만이 경제성이 있을 것으로 보이며 그 양이 약 1조 톤에 이를 것으로 추정된다.

무엇보다 천연수소는 다양한 지질학적 반응을 통해 생성되기 때문에 탄소가 전혀 없는 궁극의 친환경 에너지원인 데다 석유와 가스를 시추·생산할 때 사용하는 장비와 방법을 활용하면 저렴하게 공급할 수 있다. 

하이드로마와 함께 말리에서 천연수소를 탐사·연구한 캐나다 채프먼 석유 엔지니어링의 데니스 브리에르(Denis Brière) 부사장은 사이언스지와의 인터뷰에서 “얕은 우물과 거의 순수한 수소로 혜택을 받은 말리 지역의 채굴 비용이 1kg당 50센트까지 저렴해질 수 있다”고 밝혔다.

또 스페인에서 천연수소를 탐사·연구·개발 중인 헬리오스 아라곤(Helios Aragon)의 이안 먼로 CEO는 “손익분기점 비용이 50센트에서 70센트에 이를 수 있다”라며 “만약 그것이 효과가 있다면 에너지 생산에 혁명을 일으킬 수 있다”라고 사이언스지에 말하기도 했다.

이 때문에 세계 곳곳에서 천연수소를 채굴하기 위한 시도가 진행되고 있다. 

금맥 찾아 분주

대표적인 곳이 바로 호주다. 지난 2021년 2월 사우스오스트레일리아주정부는 천연수소를 개발할 수 있도록 관련 규제를 완화했다. 사우스오스트레일리아 지형 특성상 천연수소가 풍부할 것으로 예상되기 때문이다.

사우스오스트레일리아주 중부 지역에는 약 44만km2 규모의 고대시대 지질이 잘 보존된 가울러 크라톤(Gawler Craton)이라는 지역이 있다. 가울러 크라톤은 약 38억7,500만~27억5,000만 년 전 시기의 시생누대부터 16억~10억 년 전 시기의 중원생대의 지질이 표면층과 지하층에 남아 있다.

이 가울러 크라톤에 포함된 캥거루 아일랜드 북부지역과 요크반도에서 각각 80%의 수소로 이뤄진 가스와 70%의 수소로 이뤄진 가스를 1944년에 발견했다는 보고서가 2020년 11월에 발견됐다.

호주의 천연수소 개발업체인 골드 하이드로젠(Gold Hydrogen)은 사우스오스트레일리아주정부가 관련 규제를 완화하자마자 캥거루 아일랜드와 요크반도를 포함한 약 9,000km2를 개발할 수 있는 허가를 요청, 현재 해당 지역에서 천연수소 채굴을 위한 개발을 진행하고 있다.

골드 하이드로젠은 해당 지역에 약 130만 톤의 천연수소가 저장된 것으로 추정하고 있다. 이는 40년 동안 100만 가구에 전력을 공급할 수 있는 양이다.

스페인에서도 천연수소 개발이 활발하다. 

스페인과 프랑스의 국경선 역할을 하는 피레네산맥의 중심부에는 철이 풍부한 해양 암석들이 있다. 이 암석들은 이베리아 판이 바다를 닫고 지금의 프랑스 지형에 부딪혔을 때 압착되고 들어 올려졌다. 

깊은 단층이 그 암석에서 생성된 수소를 단단한 셰일로 덮인 다공성 사암층으로 전달하는 것으로 전문가들은 보고 있다. 이를 증명하듯 1963년 스페인 북동부 아라곤 지역에 3.7km 깊이로 시추한 몬존(Monzon)-1 유정에서 25%의 수소를 함유한 가스가 확인됐다.

이에 스페인의 천연수소 개발업체인 헬리오스 아라곤은 지난 2020년 아라곤 광역자치주정부로부터 900km2 부지에서 6년 동안 천연수소를 탐사할 수 있는 허가를 받고 개발에 착수, 지난해 몬존-1 유정에서 수소와 헬륨이 매장된 것을 확인했다.

헬리오스 아라곤은 해당 지역에 약 5,000억 입방피트의 수소와 헬륨이 매장된 것으로 예상한다. 5,000억 입방피트가 모두 수소라고 가정하면 약 118만 톤에 해당된다. 헬리오스 아라곤은 2024년에 추가로 천연수소 탐사 시추공을 뚫기 위해 지방정부의 승인을 기다리고 있다.

그러나 스페인 연방정부가 2021년에 도입한 기후법에 따라 시추를 금지하고 있어 2028년부터 천연수소 상업 생산을 시작하겠다는 헬리오스 아라곤의 계획이 다소 지연될 것으로 예상된다.

미국에서도 천연수소를 찾기 위한 움직임이 활발하다.

미국지질조사국(USGS)은 철이 풍부한 맨틀 암석이 해저 아래 약 10km에 있는 동부 해안에서 약 10~20km 떨어진 곳과 10억 년 전 화산 균열로 미네소타에서 캔자스까지 철이 풍부한 맨틀 암석이 띠 모양으로 지표면에 가까이 있는 곳에 천연수소가 풍부한 것으로 보고 연구 중이다.

또 2019년 Natural Hydrogen Energy는 미국 중부에 있는 네브래스카주 제네바 근처에 3.4km 깊이의 천연수소 탐사 시추공을 뚫었다. 이곳은 균열지대의 바위와 연결될 수 있는 깊은 단층에 가까이 있으며 최근 천연수소가 확인된 것으로 알려졌다. 2022년 4월 Natural Hydrogen Energy의 지분을 사들인 하이테라(HyTerra)는 한 프레젠테이션에서 “해당 시추공에서 나오는 가스가 맑은 불꽃으로 타오른다”며 수소가 많이 함유되어 있다는 것을 암시했다.

쳄비타 팩토리(Cemvita Factory)라는 스타트업은 저탄소 미생물로 에너지·광산 자원을 추출, 생산, 재생하는 솔루션을 기반으로 천연수소 추출기술 개발에 착수, 지난해 9월 텍사스에 있는 한 폐유정에서 시범 생산을 성공적으로 진행했다.

이 기술은 엄선된 박테리아와 영양분이 조합된 액체를 폐유정에 뿌리면 미생물이 폐유정에 남은 오일 탄화수소를 분해해 수소와 이산화탄소를 생성한다. 이렇게 생성된 수소는 추출하고 이산화탄소는 지하에 저장하거나 다른 미생물로 분해하는 것이다. 쳄비타는 이 기술로 폐유정에서 장기간 안정적으로 수소를 추출할 수 있다고 주장한다. 다만 상업생산을 언제 시작할지 밝히지 않았다.

천연수소는 한국에서도 찾고 있다.

한국석유공사는 지난 4월 7일 전국 5개 지점에서 천연수소 부존 가능성을 확인했다고 밝혔다. 한국석유공사는 국내 최초로 지하에 부존된 수소를 탐사하기 위해 지난해부터 관련 연구과제를 수행하고 있다. 

한국석유공사는 전국 5개 지점에서 천연수소 측정장치를 활용해 국내 최초로 수소 발생을 확인, 정밀분석 중이며 지하에 부존된 석유를 개발하는 기술을 직접적으로 적용할 수 있는 새로운 청정에너지원 확보의 첫걸음이 될 것으로 기대하고 있다.

특히 이번 연구에서는 정확하고 안정적인 수소가스의 측정과 장기간 모니터링을 위한 ‘천연수소 탐침장치’를 개발해 3월 28일 특허를 출원했다. 이 기술은 토양에 장치를 삽입해 지하에서 발생하는 기체수소를 측정하는 것으로 별도의 필터 및 배수 시스템을 이용해 토양 수소 측정에 가장 큰 제약 요인인 물에 의한 영향을 최소화한다.

석유공사는 이번 지표조사작업을 전략적으로 확대하는 한편 지질, 지구 물리, 시추 등의 보유 기술과 자체 개발하여 특허 출원한 수소 탐사 및 모니터링 기술을 적극적으로 활용하여 앞으로 전국의 유망지역을 발굴해 중장기 분석에 들어갈 계획이다.

풀어야 할 숙제가 많다
그러나 천연수소에 관한 연구가 아직 초기 단계여서 어떻게 생성되고 이동해서 축적되는지, 상업적으로 이용할 수 있는지, 평균 생성량은 얼마나 되는지, 탐사·개발·생산 비용이 얼마일지, 탈탄소화에 얼마나 도움이 될지 등 풀어야 할 숙제가 많다. 

예를 들어 지금까지 천연수소를 발견한 곳들은 대부분 지열, 물, 석유 등을 얻기 위해 개발하는 과정에서 우연히 확인됐기 때문에 최적의 위치가 아닐 수 있다. 또 천연수소가 축적되는 방식을 두고 일부는 석유와 가스가 지하에 축적되는 방식과 같을 것으로 주장하며 다른 쪽에서는 천연수소가 지표면 위로 스며 나오기 때문에 상수도처럼 개발·생산할 수 있다고 주장한다.

무엇보다 천연수소 관련 법률이 전무한 데다 정보가 매우 부족해 관련 법률이 도입되기까지 상당한 시간이 필요하다. 이로 인해 천연수소를 개발하려는 업체들은 정부 지원 없이 도전해야 한다. 

그래서 일부 국가들은 기존 광업법이나 가스법을 토대로 천연수소 탐사·개발을 허가할 것으로 전망된다. 반면 정치 환경이 복잡하고 종종 정치인이나 지역사회에서 시추를 긍정적으로 보지 않는 국가에서는 기존 탄화수소법이 폐지돼 천연수소 탐사에 영향을 주고 있다.

그럼에도 천연수소가 가진 잠재력이 큰 만큼 천연수소에 대한 궁금증이 풀리는 순간 세계 에너지 시장에 상당한 영향을 줄 것으로 보인다.