땅에서 水素를 뽑아내자…무한한 ‘天然水素’ 向한 골드러시[딥다이브]

東亞日報
入力 2024年 2月 21日 10時 00分

한애란 記者

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‘땅을 파면 天然水素가 펑펑 나온다. 아마도 無限大로 繼續生成될 거다.’
이런 얘기, 어떤가요. 웬 虛無孟浪한 소리냐고요? 틀림없는 詐欺꾼이라고요?

最近有名科學저널 사이언스誌와 美國地質調査局 같은 信賴할 만한 機關과 科學者들이 이 스토리를 眞摯하게 傳하고 있습니다. 天然水素, 地質學的水素, 白色(White)水素, 골드(Gold)水素 等. ‘地殼에서 自然生成되는 水素’를 일컫는 用語도 참 여러가지인데요. 어쩌면 世上을 바꿀 發見日誌 모르는 天然水素를 들여다봅니다.

수소를 땅속에서 뽑아내서 쓴다면? 천연수소 또는 백색수소라는 놀라운 발견. 게티이미지 — 水素를 땅속에서 뽑아내서 쓴다면? 天然水素 또는 白色水素라는 놀라운 發見. 게티이미지

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科學常識 깬 天然水素

보글보글, 洞窟 안에 고인 물속에서 氣泡가 끊임없이 올라옵니다. 프랑스 그로노블알프스大學硏究陣이 2月 9日者 사이언스誌를 通해 公開한 映像인데요. 活潑하게 放出되는 이 氣體의 正體는 바로 水素(H₂)입니다.

發見지는 알바니아의 깊은 地下에 있는 크롬철광 鑛山. 硏究陣測定結果每年最小 200t의 水素가 이곳에서 輩出되는 것으로 確認됐습니다. “이 發見은 特定 오피올라이트(指標에 올라온 海洋板暗層)가 經濟的으로 有用한 水素蓄積을 할 수 있음을 示唆한다”고 硏究陣은 殿下죠.

프랑스 연구진이 대량의 천연수소를 발견한 알바니아의 광산. 사이언스가 공개한 짤막한 동영상엔 물속에서 기포가 올라오는 모습도 담겼다. 영상은 사이언스지 홈페이지에서 다운로드 받을 수 있다. 사이언스지 — 프랑스 硏究陣이 大量의 天然水素를 發見한 알바니아의 鑛山. 사이언스가 公開한 짤막한 動映像엔 물속에서 氣泡가 올라오는 모습도 담겼다. 映像은 사이언스誌 홈페이지에서 다운로드 받을 수 있다. 사이언스誌

땅속에서 純粹한 水素가 펑펑 솟아 나오고 있다고? 이게 무슨 常識을 깨는 소리인가 싶죠. 가장 가벼운 元素인 水素는 워낙 작은 데다 反應性이 커서 單獨으로는 地球上에 存在할 수 없다는 게 그동안의 常識 이었습니다.

‘炭化水素(石油나 天然가스)를 除外한 地球上의 모든 水素는 이미 酸化되어 燃料로 使用할 수 없다. 結合되지 않은 豐富한 水素를 얻고 싶다면, 찾을 수 있는 가장 가까운 곳은 太陽表面이다.’ 2007年保守色彩의 美國雜誌 ‘뉴 아틀란티스’는 ‘水素詐欺’라는 題目의 記事에서 이렇게 指摘했죠. 外界가 아닌 地區에선 水素를 얻으려면 複雜하고 값비싼 過程을 거쳐야 하는데 水素가 어떻게 未來의 에너지源이 되겠냐는 批判이었습니다.

그런데 그 常識이 틀렸습니다. 地區에 水素가 묻혀있고, 그 量이 꽤 많다는 事實이 續續 밝혀지고 있습니다. 都大體 이 水素는 어떻게 생겨났을까요.

천연수소 생성과 추출을 설명하는 다소 복잡한 그림. 천연수소는 (1)방사성 광물의 붕괴 에너지로 인한 물 분해 (2)철이 풍부한 암석이 물을 만나 녹스는 사문석화 과정 등으로 만들어진다. 사이언스 — 天然水素生成과 抽出을 說明하는 多少複雜한 그림. 天然水素는 (1)放射性鑛物의 崩壞 에너지로 인한 물 分解 (2)철이 豐富한 巖石이 물을 만나 녹스는 蛇紋石火過程等으로 만들어진다. 사이언스

水素를 自然發生시키는 原理는 12가지 以上으로 推定되는데요. 硏究者들은 그中 가장 많은 天然水素를 만들어내는 게 ‘蛇紋石火’ 作用이라고 봅니다. 用語는 어렵지만 槪念은 簡單합니다. 鐵이 豐富한 巖石이 매우 뜨거운 물과 反應해 녹슬면서 酸化鐵과 水素가스를 生成 하는 거죠. 一種의 ‘철이 豐富한 물웅덩이’에서 水素가 퐁퐁 솟아나고, 그 水素가 땅속에 갇혀서 모여있는 건데요. 그 反應은 無限大로 繼續 일어날 거고 水素는 재충전될 겁니다. 그 巖石과 물은 地球에 너무나 豐富하게 存在하기 때문이죠. 이게 바로 죽은 動物(有機物)李 쌓여 만들어낸 石油나 天然가스(=埋藏量에 限界 있음)와 다른 點이기도 합니다.

只今은 水素를 어떻게 만들고 있을까요. 天然가스의 개質反應(分子構造를 바꿈)으로 만들거나(그레이수소), 電解槽라는 設備를 利用해 물을 電氣分解하죠(그린수소). 그레이水素는 生産費가 低廉하지만(㎏당 1달러 안팎) 더럽고, 그린水素는 깨끗하지만 너무 비싼 게 問題인데요(㎏당 3~7.5달러) . 天然水素, 卽地下貯藏庫에서 水素를 뽑아내기만 하면 된다면? 經濟性을 따질 때 基準線이 되는 生産費㎏當 1달러 以下를 達成할 수 있으면서도(시추업체의 主張) 生産過程에서 炭素排出이 제로 水準입니다. 水素時代로 가는 데 있어 큰 걸림돌이었던 水素生産問題가 單番에 解決되죠. 勿論貯藏과 運送의 問題는 如前히 남겠지만요.

水素 골드러시가 始作됐다

땅속에서 水素가 觀察된 건 꽤 오래前부터입니다. 100餘年前인 1921年濠洲地質學者들이 南部의 한 鑛山에서 높은 濃度(80%)의 水素를 發見한 記錄이 남아있고요. 冷戰時代舊蘇聯科學者들이 知覺 속 水素發見과 關聯해 남긴 硏究記錄은 500件이 넘죠. 튀르키예 안탈리아의 올림포스산에서 2800年 동안 꺼지지 않고 있는 神祕의 불꽃 ‘야나르타쉬’ 亦是天然水素存在의 證據입니다.

다만 아무도 水素를 찾아내려 애쓰지 않았죠. 돈이 된다고 보지 않았으니까요. 그동안은 石油나 天然가스를 찾으려고 땅을 파다가 失手로 水素를 發見하는 式이었습니다. 水素는 無色無臭잖아요. 作定하고 달려들지 않는 限埋葬地를 찾아내기란 거의 不可能했는데요.

이제 狀況이 달라졌습니다. 이미 美國·濠洲·캐나다·스페인에 本社를 둔 스타트業들이 實際로 水素試錐를 始作했습니다. ‘水素 우물’을 파고 있는 곳은 美國 네브래스카州와 캔자스주, 아프리카 말리의 부라케부구, 濠洲南部民라톤 近處, 스페인 피레네 山脈 기슭 等 이죠. 이밖에 브라질, 콜롬비아, 오만에서도 天然水素가 發見됐고요. 프랑스 硏究者들은 알자스-로렌 炭鑛地域을 有力埋葬地로 보고 探査中입니다.

호주기업 하이테라가 미국 네브래스카주에서 시추 중인 천연수소 우물. 하이테라 — 濠洲企業 하이테라가 美國 네브래스카州에서 試錐中인 天然水素 우물. 하이테라

이 ‘水素 사냥꾼’ 企業에 期待를 거는 投資者들도 相當합니다. 濠洲의 하이테라(HyTerra)나 골드하이드로젠(Gold Hydrogen)은 企業公開(IPO)를 통해 이미 數百萬 달러를 誘致했고요. 美國 스타트업 콜로마(Koloma)는 無慮 2億4500萬 달러를 誘致했습니다. 特히 콜로마 投資者中엔 빌 게이츠 MS 創業者가 設立한 브레이크스루 에너지가 있죠. 빌 게이츠는 이코노미스트와의 인터뷰에서 天然水素에 對해 이렇게 言及합니다. “巨大할 수도 있고 破産할 수도 있지만, 實際로 存在한다면… 와우!”

只今의 이 熱氣는 딱 ‘水素 골드러시’ 라 부를 만합니다. 大規模水素埋葬地를 남들보다 먼저 찾아내기 위한 突進이 始作된 거죠.

그中 눈에 띄는 先驅者中엔 말리 出身으로 只今은 캐나다 스타트업 하이드로마(Hydroma)를 運營中인 알리우 디알路가 있습니다. 그는 말리의 시골마을에서 1987年偶然히 發見됐다가 버려졌던(저주받았다고 여겨서) 水素우물을 2012年開發했죠. 거기서 나온 水素는 마을의 電氣供給源이 되고 있습니다. 말리에서 이미 24個의 水素우물을 試錐한 그는 이렇게 確信합니다. “水素는 人類의 게임체인저입니다.”

서아프리카 말리의 부라케부구 마을은 천연수소의 활용도를 입증해보인 사례다. 하이드로마 직원들의 모습. 하이드로마 — 西아프리카 말리의 부라케부구 마을은 天然水素의 活用度를 立證해보인 事例다. 하이드로마 職員들의 모습. 하이드로마

“全世界天然水素埋藏量 5兆t”

者, 그런데 좀 冷靜하게 따져보자고요. 아직까지 水素試錐는 꽤 리스크가 커 보이는 事業입니다. 一旦水素가 어디에 얼마나 많이 묻혀있는지, 情報가 많지 않습니다. 特히 얼마나 땅을 깊이 파야 하느냐에 따라 經濟性差異가 크죠. 現在試錐中인 美國 네브래스카州의 水素우물은 이미 3400m를 팠지만 더 깊이 들어가야 한다고 합니다.

試錐의 安全性은 保障되는 건지, 旣存化石燃料試錐方式을 그대로 쓸 수 있는지도 짚고 넘어가야 하고요. 旣往 뽑아낼 거라면 水素의 生成量을 自然狀態보다 확 늘릴 方法도 考案해 내야 할 겁니다.

아마 實際地下에서 天然水素를 大量으로 뽑아내서 이걸 市場에서 販賣하게 되기까진 數年이 걸리겠죠. 그래도 一旦雰圍氣는 肯定的입니다. 美國地質調査局(USGS)에서 天然水素 프로젝트를 이끄는 제프리 엘리스 博士가 17日美國科學振興協會年例會議에서 未發表硏究結果를 미리 公開했는데요. 이에 따르면 全世界地下에 最大 5兆t의 水素가 存在한다 고 합니다.

5兆t이라니, 잘 와닿지 않는데요. 그는 “이 中 몇 퍼센트만 回收하면 年間 5億t에 達하는 모든 豫想需要를 數百年 동안 供給할 수 있다” 고 말했습니다. 開發이 不可能한 埋葬地도 많지만, 全體의 2~3%만 開發해도 全世界水素需要를 충족시키기 充分할 거란 겁니다.

한便 USGS는 天然水素賣場과 關聯해 가장 有望한 地域에 對한 評價를 發表할 豫定이라고 하죠. 一種의 ‘寶物地圖’가 公開 되는 셈입니다. 그럼 天然水素開發熱氣는 더욱 달아오를지 모릅니다. 다들 찾고 싶어하는 ‘天然水素의 사우디아라비아’는 果然 어디가 될까요.

세계 곳곳에서 크고 작은 천연수소 매장량이 확인되고 있지만, 아직 어디가 가장 크고 경제성이 높은지를 알아내긴 쉽지 않다. 현재 가장 활발히 탐사와 시추가 벌어지는 곳은 호주이지만 어디가 ‘수소의 사우디아라비아’일지는 연구가 좀 더 필요하다. 그림은 스페인 천연수소 개발업체 헬리오스 아라곤이 설명하는 천연가스 시추 방식. 헬리오스 아라곤 — 世界 곳곳에서 크고 작은 天然水素埋藏量이 確認되고 있지만, 아직 어디가 가장 크고 經濟性이 높은지를 알아내긴 쉽지 않다. 現在 가장 活潑히 探査와 詩追加 벌어지는 곳은 濠洲이지만 어디가 ‘水素의 사우디아라비아’일지는 硏究가 좀 더 必要하다. 그림은 스페인 天然水素開發業體 헬리오스 아라곤이 說明하는 天然가스 試錐方式. 헬리오스 아라곤

170年前石油時代度 그렇게 열렸다

땅속에 파묻힌 寶物 같은 水素를 찾기 위한 無限競爭. 참 映畫 같은 스토리인데요. 이 이야기가 特히 흥미로운 건 過去石油時代開幕과 참 많이 닮았기 때문입니다.

‘땅에 구멍을 뚫어 埋葬된 石油를 퍼 올린다’는 槪念. 只今이야 다들 當然한 事實로 받아들이는데요. 1850年代까지도 只今의 ‘天然水素’ 開發論보다 더 미친 소리로 취급당했습니다. 그때 燃料로 쓰이던 가장 重要한 기름은 石油가 아니라 고래기름이었습니다. 美國과 유럽에선 고래의 脂肪을 끓여 녹인 기름으로 램프等을 밝혔죠(다행히 아직 自動車가 發明되기 前입니다).

1820년대에 쓰인 고래기름 램프. 뉴욕 메트로폴리탄뮤지엄 소장품. — 1820年代에 쓰인 고래기름 램프. 뉴욕 메트로폴리탄뮤지엄 所藏品.

허먼 멜빌이 ‘모비딕’을 出版한 1851年, 當時包莖은 美國에서 다섯番째로 큰 産業이었습니다. 年間 8000마리의 고래가 屠殺돼 全世界燈盞에 기름을 提供했죠. 고래기름과 捕鯨業의 地位는 매우 단단했습니다. 捕鯨業者들은 다른 기름(예-냄새나는 돼지기름)李 고래기름을 代替할 거란 新聞記事를 두고 “詐欺꾼들의 騷音”이라며 코웃음 쳤죠.

그때도 石油가 있긴 있었죠. 하지만 巖石層 틈으로 흘러나오는 걸 모으는 水準이었습니다. 땅을 드릴로 뚫으면 땅속에서 石油가 펑펑 솟아나오지 않을까. 當時로선 夢想에 가까운 이런 생각을 한 冒險家中 하나가 에드윈 드레이크였습니다. 그는 ‘미쳤다’는 소리를 들으며 펜室베이羅州 타이터스빌에서 1年 넘게 땅을 팠죠. 投資金이 바닥나기 直前, 그는 最初로 石油를 試錐하는데 成功해냅니다. 1859年近代的石油産業의 始作 입니다. 이로써 고래기름은 燈油로 代替됐고 包莖産業은 瞬息間에 衰落합니다.

고래기름에서 石油로의 轉換이 알려주는 것은? 뉴욕타임스의 16年前記事 속 表現을 빌리자면 “한 時代의 代替不可能한 에너지源이 다음 時代의 遺物이 될 수 있다” 는 겁니다. 더 새롭고 깨끗하고 적합한 에너지源이 나타나기만 한다면 얼마든지 한瞬間에 代替될 수 있는 거죠. 그럼 다음番엔 或是 그게 水素日 수도 있을까요?

想像의 나래를 펼치기 前에 하나 알아둘 點은 그 石油油田을 처음 開發한 에드윈 드레이크의 그 以後 이야기입니다. 그는 油田開發로 若干의 돈을 벌었지만 結局末年엔 無一푼으로 잊혀지고 말았죠. 結果的으로 同時代에 美國의 ‘石油王’李 된 건 石油를 뽑아내는 試錐業者가 아니라 石油를 精製하는 精油業者 록펠러 였습니다.

어쩌면 天然水素度 마찬가지 아닐까요. 只今이야 누가 더 빨리 試錐에 成功하느냐를 두고 競爭하지만 빨리 간다고 眞짜 勝利者가 된다는 保障은 없습니다. 參考로 쉘, BP, 셰브론 같은 大型 에너지 企業은 아직 水素試錐에 뛰어들지 않은 채 觀望中입니다. 莫大한 資金力을 지닌 그들이 나선다면 版圖는 또 어떻게 달라질까요. By.딥다이브

天然水素와 關聯해서는 아직 밝혀지지 않은 部分이 많습니다. 一旦現在까지 確認된 點中 하나는 發見되는 곳이 石油나 天然가스와 겹치지 않는다는 거죠. 率直히 그래서 더 우리의 關心을 끄는 게 아닌가 싶습니다. 主要內容을 要約해드리자면

-땅속 깊은 곳엔 石油 말고 水素도 묻혀있습니다. 自然的으로 發生된 天然水素가 世界 곳곳에 埋藏된 것이 確認됩니다. 生産過程에서 炭素排出이 거의 없어 親患警笛이면서도 生産費用을 크게 낮출 수 있는 水素입니다.

-天然水素試錐에 뛰어드는 스타트업이 늘어나고 있습니다. 水素 골드러시의 始作입니다. 빌 게이츠가 지난해 投資한 콜로마처럼 莫大한 投資를 誘致하는 곳이 생겨났습니다.

-美國地質調査局은 遲刻에 埋葬된 天然水素가 5條t에 達한다고 봅니다. 이 中 아주 一部만으로도 全世界의 數百年需要를 充足할 수 있는 量입니다.

-하지만 正말 經濟成果安全性이 保障될 수 있을까요. 商業化까지 가려면 數年은 더 걸릴 텐데요. 果然 고래기름을 代替했던 石油처럼, 天然水素가 새로운 에너지 時代를 열게 될 수 있을까요. 아직은 想像力으로 많은 部分을 채워야하는 段階입니다.

한애란 記者 haru@donga.com