영국·캐나다 공동연구… 17만 년 치 이용량 매장 가능성

천연수소는 암석 내 지하수에서 자연적으로 발생해 기포 형태로 관측되곤 한다. 캐나다 토론토대 안정동위원소 연구실 제공

최근 지구 지각 깊은 곳에서 수소가 자연적으로 생성돼 수백만 년에 걸쳐 머물러 있을 가능성이 있다는 연구 결과가 발표됐다. '지하 수소 레시피' 이론에 따르면 인류가 최대 17만 년간 사용할 수 있는 방대한 양의 수소가 세계 곳곳에 잠재적으로 매장돼 있는 것으로 추정된다. 이 보이지 않는 자원이 기후 시대 에너지 대안이 될 수 있을지 전 세계 이목이 쏠리고 있다. 

철과 물, 시간이 만드는 수소 레시피 

영국 더럼대와 캐나다 토론토대의 지구과학 공동연구팀은 철과 물, 방사성원소가 포함된 암석이 지하에서 상호작용하며 수소를 생성하는 메커니즘을 '네이처' 자매지 '지구환경 리뷰 저널'을 통해 발표했다. 이번 연구를 이끈 존 글루야스 더럼대 지구과학부 교수는 "헬륨 탐사 방식과 같은 지질학적 접근을 수소에도 적용할 수 있다"며 "전 세계 잠재 매장 지도를 제작한 결과 수소가 생성되고 장기간 보존될 수 있는 지질 조건이 생각보다 더 넓은 지역에 걸쳐 분포하고 있다"고 설명했다.

수소가 생성되려면 몇 가지 조건이 동시에 충족돼야 한다. 철이 풍부한 암석이나 우라늄·토륨 등 방사성원소를 포함한 암석이 지하수와 반응할 때 수소가 발생할 수 있다. 여기에 지하의 고온·고압 환경을 차단하는 봉쇄 구조(cap rock)를 갖춰야 수소가 지하에 안정적으로 축적될 수 있다.

핵심 반응은 두 가지다. 첫째는 '사문암화 작용(serpentinization)'으로, 철이 풍부한 감람석계 광물이 지하수와 만나면서 수소를 방출하는 화학반응이다. 둘째는 '방사선 분해(radiolysis)'로, 방사성원소의 자연 붕괴를 통해 방출되는 방사선이 물 분자를 분해해 수소를 생성하는 과정이다. 이 두 반응은 모두 지하 깊은 곳에서 수백만 년 이상에 걸쳐 서서히 일어나며, 특정 조건이 맞는 지역에서는 상당량의 수소가 자연스럽게 생성되고 축적될 수 있다. 

연구진은 이러한 이론을 바탕으로 약 40억~25억 년 전 형성된 시생누대 지각에서 지난 10억 년간 생성된 천연수소의 총 매장량이 현 인류의 연간 석유 소비량 기준으로 약 17만 년 치에 해당한다고 분석했다. 이는 잠재적인 수소 매장량을 에너지로 환산한 값이며, 실제로 채굴 가능한 양은 지질 조건에 따라 달라질 수 있다.

연구진이 지목한 지하 수소 매장 가능 지대 가운데 하나인 서아프리카 말리의 부라케부구(Bourakebougou)는 실제로 1987년 지하수 시추 도중 수소가 자연 분출되는 현상이 처음 관측된 곳이다. 이곳에서 98% 순도의 수소가 30년 넘게 자연 분출되고 있다는 사실이 밝혀지면서 전 세계 과학계가 천연수소의 현실성에 주목하기 시작했다. 또 다른 후보지인 프랑스 모젤(Moselle) 지역에서는 심층 시추 결과 최대 20%에 이르는 수소 농도가 검출됐다. 총 매장량은 연간 수소 소비량의 절반에 달하는 약 4600만t으로 추정된다. 

이 밖에도 캐나다, 러시아, 호주, 미국 등 여러 국가에서도 수소 매장지가 발견되고 있다. 미국지질조사국(USGS)은 최근 전 세계 지하 수소의 잠재 매장량을 최대 1경t으로 추정했으며, 이 중 1.8%만 활용해도 인류의 에너지 수요를 약 200년간 충당할 수 있다는 분석을 내놓았다. 전 세계 천연가스 매장량의 2배에 이르는 규모다.

"에너지산업 구조 자체를 바꾼다"

현재 수소에너지는 약 1350억 달러(약 184조 원) 규모의 글로벌 시장을 형성하고 있으며, 2050년까지 최대 1조 달러(약 1362조7000억 원) 규모로 성장할 것으로 전망된다. 국제에너지기구(IEA)는 2022년 약 9000만t이던 세계 수소 수요가 2050년에는 5억4000만t에 이를 것으로 예측하고 있다. 비록 수소 자동차는 대중화에 실패했으나 철강의 고온 환원 공정, 북해를 운항하는 수소 선박, 항공기 시제품, 중장거리 트럭, 데이터센터 백업 전력 등 다양한 산업 현장에서 수소가 현실적인 대체 연료로 각광받고 있다.

지금까지 수소는 주로 인공 공정을 통해 생산돼왔다. 전 세계 수소 생산량의 95%는 천연가스를 고온의 수증기와 반응시켜 수소를 얻는 추출수소 방식(그레이 수소)에 의존하고 있으며, 이 과정에서 이산화탄소 배출이 불가피하다. 한국은 지질적 특성으로 천연수소 확보가 어려워 특히 인공 생산 중심의 전략을 택하고 있다. 울산, 경남 창원, 경기 평택 등 주요 거점에는 석유화학 공정의 부산물인 부생수소와 천연가스 개질 기반의 추출수소 생산기지가 확충되고 있으며, 일부 지역에서는 태양광·풍력 등 재생에너지를 활용한 그린수소 실증 프로젝트도 추진 중이다.

재생에너지 전력을 활용해 물을 전기분해하는 그린수소는 탄소배출이 없다는 장점이 있지만, 높은 생산비용으로 대규모 상용화에 어려움이 있다. 이에 비해 지하에서 직접 수소를 채굴할 수 있는 천연수소(화이트 수소)는 수소 생산의 탄소배출 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.    

천연수소가 상업적 자원으로 자리 잡기 위해 필요한 핵심 과제로 향후 수년간 진행될 지하 매장 환경에 대한 실증 프로젝트가 꼽힌다. 수소가 안정적으로 축적되는 데 필수인 밀폐된 지질 구조에 대한 분석과 함께 채굴 이후 저장·운송·공급망 구축 등 인프라는 물론, 자원 보존을 위한 규제체계도 마련돼야 한다. 이러한 요소들은 '수소 경제'의 진정한 전환을 실현할 분기점이 될 전망이다.  

유럽 천연수소 생산업체 헬리오스 아라곤(Helios Aragon)의 이안 먼로 최고경영자는 '사이언스'를 통해 "지하 수소가 광범위하게 존재하고 안정적으로 추출될 수 있다면 생산비용과 탄소배출 여부, 에너지 효율 등 모든 측면에서 기존 수소 생산 방식을 뛰어넘는 혁신이 될 것"이라며 "이는 에너지산업의 구조 자체를 바꿀 잠재력을 지닌 자원"이라고 평가했다. 

이종림 과학전문기자

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