한종희 국가기반기술연구본부장 “韓 에너지 대량 수입국...‘신재생에너지 답”

"자원 없이 기술로 에너지 확보 가능, 꾸준한 원천기술개발 必"


최근 美 도널드 트럼프 정부의 친 화석연료 정책 발표에도 국제적으로 신재생에너지 시장의 성장세는 이어질 것이라는 전망이 우세하다. 신재생에너지에 대한 연구가 주목 받는 것은 단순히 화석연료의 고갈이나 기후변화와 같은 국제적 이슈 때문만은 아니다. 이는 신재생에너지가 편리하고 친환경적이며 장기적으로는 경제성까지 갖출 것이라는 믿음 때문이다.

 

신재생에너지는 ▲태양 에너지 ▲지열 에너지 ▲해양 에너지 ▲바이오 에너지 ▲연료전지 ▲수소 에너지 등으로 기존의 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 것을 말한다. 우리나라는 선진국에 비하면 신재생에너지 생산과 소비비율이 높지 않은 상황이다. 하지만 4차 산업혁명과 기존의 화석연료사용에 따른 기후변화 등의 문제가 에너지정책과 맞물려 있는 만큼 궁극적으로 신재생에너지 비율이 확대될 것으로 예상된다.

 

KIST에서 신재생에너지 연구를 이끌고 있는 국가기반기술연구본부 한종희 본부장은 "자원이 부족한 우리나라에서 궁극적인 에너지정책방향은 신재생에너지로 갈 수 밖에 없을 것"이면서 "신재생에너지는 자원이 아닌 기술이 있으면 충분히 얻을 수 있는 분야다. 원천기술과 미래기술 개발을 위한 지원 및 산업체들과 연구자간 밀접한 교류를 통해 에너지문제를 풀 수 있을 것"이라고 말했다.


우리나라의 신재생에너지 원천연구는 20년 전으로 거슬러 올라간다. 기존 석탄에너지 등에 비해 효율성은 낮지만 자원이 부족한 우리나라에서 꼭 필요하다는 합의하에 연구개발이 진행된 것. 그 중심에 KIST가 있다.

 

KIST 국가기반기술연구본부에 소속되어있는 연료전지연구센터는 1987년 5월 설립. 연료전지 상용화에 연구역량을 집중하고 있다. 이후 KIST는 ▲청정에너지연구센터 ▲센서시스템연구센터 ▲광전하이브리드연구센터를 설치해 신재생에너지, 탄소의 순환, 기후변화 대응 원천기술을 개발하고 있다. 현재 4개 센터는 국가기반기술연구본부 산하에 소속돼 에너지와 센서 관련 연구자들이 각 분야에 포진되어 원천기술을 개발하고 있다.

 

특히 신재생에너지는 본부의 핵심연구 분야 중 하나다. 유·무기 태양전지와 발전용·수송용 연료전지, 바이오매스를 이용해 에너지를 만드는 연구가 진행 중이며, 기후변화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소를 분리→처리→재순환하는 원천기술연구에도 몰입하고 있다. 더불어 대기 중 오염물질을 감지하거나 조류독감, 암 진단 등 건강·안전·재난 관련 센서연구가 한창이다.



 

"오랫동안 매진해온 분야"...정부 관계없이 해왔던 연구 묵묵히 도전

 

"IoT, 드론 등 전자기기 발달에 따라 작지만 강한 '작은 전원'이 주목받고 있다. 작은 전원 개발과 함께 에너지들을 스마트하게 활용할 수 있는 센서기술을 융합하는 방향으로 연구를 추진하겠다."

 

한종희 본부장은 연료전지센터의 책임연구원과 센터장을 역임하고 지난 3월 국가기반기술연구본부장 보직을 맡게 됐다. 연료전지분야를 오랫동안 연구한 그는 용융탄산염연료전지(MCFC) 시스템 개발과 복숭아 등에 함유된 개미산의 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 방식으로 노트북 컴퓨터용 연료전지를 개발하는 등 다양한 성과도 냈다. 보직을 하면서도 용융탄산염연료전지(MCFC)의 구성요소 국산화 연구와 연료전지의 연료로 들어가는 수소를 경제성 있게 생산하고 정제하는 방법을 연구개발 중이다.




본부장을 지낸지 5개월. 그는 연구자들과 함께 본부의 향후 연구방향으로 ▲작은 전원 ▲e-케미컬 ▲에너지 융합 IoT 기반 센서 기술 등 미션을 기획했다.

 

작은 전원은 소형전자기기 발전 및 보급에 따른 최근 에너지계 연구추세이기도 하다. 그는 "전자기기의 발달과 기능이 높아짐에 따라 작으면서도 오래 사용할 수 있는 작은 전원이 유리해졌다"면서 "해당 분야에 연료전지가 유리한 측면이 있다고 판단했다. 더 작으면서 가볍고 오래 쓸 수 있는 연료전지 개발에 역량을 집중할 계획"이라고 밝혔다.



기존의 에너지 다소비 화학공정에서 전기화학공정으로 전환해 페트병, 기저귀, 전자제품, 비료 등을 얻어내는 'e-케미컬'기술도 추진할 계획이다. 화석연료로 얻었던 제품생산을 태양에너지와 공기, 물을 통한 전기화학적 방법으로 확보하는 것이 이 기술의 핵심이다. 한 본부장은 "미래 에너지가 ‘화석연료에서 신재생에너지’로 전환 될 것을 대비한 전기화학공정 연구"라고 설명했다.

 

이 외에도 그는 "IoT기술의 발달 등으로 연결사회가 도래하고 있다. 에너지를 융합할 수 있는 IoT기반 센싱기술과 스마트 에너지를 위한 센서 등을 위한 연구개발에 대한 아이디어를 모아 연구개발에 매진할 것"이라고 덧붙였다.

 

마지막으로 그는 "에너지를 기반으로 움직이는 사회에 살고 있지만 우리는 자원이 부족해 98%의 에너지를 대량으로 수입해 쓰고 있다. 우리나라가 점진적으로 가야할 길은 신재생에너지"라면서 "정부가 강조하고 있지만 우리가 오랫동안 꾸준히 추진해온 연구분야가 아닌가. 우리가 해온 영역의 원천기술개발을 통해 에너지문제, 기후변화해결, 새로운 먹을거리 창출 등 세계일류 연구그룹이 되도록 노력할 것"이라고 역설했다.




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[과학산책]e-케미컬 제조기술 확보로 미래 성장동력 창출

 

민병권 박사

최근 미국 도널드 트럼프 정부의 친 화석연료 정책 발표에도 신재생에너지 시장의 성장세는 이어질 것이라는 전망이 우세하다. 세계 최대 온실가스 배출국이라는 오명을 듣고 있는 중국은 2020년까지 재생에너지 분야에 3600억달러를 투자하겠다는 계획을 발표했다. 산업혁명 이후 많은 나라가 300년 이상 화석연료를 사용해 왔다. 현재 인류는 세 가지 가운데 하나를 택해야 하는 기로에 놓여 있다. 기존 에너지 사용의 근간인 화석연료를 앞으로도 계속 사용하는 것, 태양·바람·물 등 자연에서 생산되는 신재생에너지로 에너지 패러다임을 완전히 전환하는 것, 이 두 가지 에너지원을 모두 사용하는 것이다.

  오래 전부터 가까운 미래에 우리가 필요로 하는 에너지가 모두 신재생에너지로 충당될 것이라고 믿어 왔다. 단순히 석탄·석유 같은 화석연료 고갈이나 최근 국제적 이슈로 떠오른 기후 변화 우려 때문만은 아니다. 신재생에너지가 화석연료보다 편리하고 친환경적이며, 장기적으로는 화석연료의 경제성을 넘어설 것이기 때문이다. 외국에도 나와 유사한 생각을 하고 있는 전문가가 많다. 미국 스탠퍼드대의 저명한 미래학자 토니 세바 교수는 '에너지혁명 2030'이란 저서에서 2030년이 되면 에너지 100%를 태양광 에너지만으로 충당 가능한 시대가 올 것이라고 예측했다. 일선에서 태양광 기술 연구를 하고 있는 나는 13년밖에 남지 않은 가까운 미래에 과연 그것이 가능할까 하는 의구심이 들기도 한다. 그러나 세바 교수가 언급한 과거의 몇몇 사례를 보면 가능성은 충분하다. 1900년대 미국 운송 수단이 마차에서 자동차로 완전히 바뀌는 데 걸린 시간은 13년, 2007년 애플의 아이폰 출시 이후 휴대폰 시장 구조가 스마트폰 중심으로 바뀌는 데 5년이면 충분했다. 에너지 패러다임의 변화도 생각보다 짧은 시간에 이뤄질 수 있다는 생각이 든다. 굳이 2030년으로 특정하지 않더라도 적어도 우리 다음 세대에는 화석연료 대신 신재생에너지가 일반화된 에너지 형태가 될 것이라고 예상할 수 있다. 실제 세계 각국의 에너지 로드맵 추세를 보면 이러한 대체 현상이 점점 구체화되고 있다. 독일은 2050년까지 전체 에너지에서 신재생에너지가 차지하는 비율을 80%, 중국은 2050년까지 80%, 덴마크는 2035년까지 100%까지 각각 끌어올리는 로드맵을 제시하고 이에 필요한 구체적 정책들을 내놓고 있다.

  화석연료가 사라진 미래의 신재생에너지 기반 사회는 깨끗하고 안전한 에너지에 대한 밝은 미래를 약속하는 듯 보인다. 그러나 우리가 고려해야 할 또 다른 중요한 문제가 있다. 신재생에너지의 발전으로 모든 에너지를 충당할 수 있다 하더라도 그동안 석탄·석유를 시원료로 사용해 생산해 오던 플라스틱과 같은 화학제품은 어떻게 생산할 수 있을까. 한 예로 우리는 지금까지 섭씨 1000도 이상의 온도에서 석탄 가스화 반응을 통해 합성가스를 만들고, 이 가스를 이용해 에틸렌·메탄올 등 화학원료를 생산한다. 이를 기반으로 페트, 우레탄 등 플라스틱 화학제품을 만든다. 진정한 신재생에너지 기반 사회가 구현되기 위해서는 지금까지 석탄·석유를 시원료로 해 열화학 반응으로 만들어지는 화합물(화학원료, 화학제품 등)을 대체할 신재생에너지 기반의 화합물 제조 방식이 요구된다. 이런 전기화학 반응으로 생산된 실제 화학제품 생산에 적용 가능한 고부가 가치 화합물을 'e-케미컬'이라고 한다. 이산화탄소, 질소, 산소, 물을 시원료로 만들기 때문에 완전한 탈 화석연료 화학제품이라 할 수 있다. e-케미컬 기술을 적용하면 기존의 열화학 반응보다 훨씬 높은 에너지 효율성과 반응 단계의 단순화로 공정비용 감축 효과를 볼 수 있다. 정교한 반응 조절로 원하는 물질을 선택적으로 만들 수 있는 장점도 있다. e-케미컬 기술의 대표적인 예로 에틸렌글리콜이 있다. 자동차 부동액으로 많이 사용되는 에틸렌글리콜은 현재 석유나 석탄을 시원료로 하여 총 3단계의 고온·고압 반응을 거쳐 생산되고 있다. 그러나 이를 e-케미컬 기술을 적용해 제조하면 상온에서 이산화탄소와 물을 사용, 총 2단계 반응을 거쳐 생산이 가능하게 된다. 현재 e-케미컬 기술 개발은 세계적으로 매우 초보적인 단계다. 그럼에도 신재생에너지 발전으로 전기 보급과 관련 기술 개발에 대한 관심, 연구개발(R&D) 투자는 비약적으로 증가하고 있다. 국제적 추세를 고려한다면 우리나라도 미래의 새로운 성장 동력 창출과 기후 변화 대응을 선도하기 위해 e-케미컬 기술에 국가적 관심과 투자를 확대해야 할 것이다.

 

[전자신문 기고 보기]

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화석연료 NO! 자연으로부터 고부가가치 제품 생산기반 준비

민병권 센터장 “고위험 고수익 연구...국가대표 연구팀 구성해 도전할 것”



페트병, 기저귀, 페인트, 전자제품, 건축재, 비료 등 우리는 많은 제품을 화석연료로부터 얻는다. 가령 우리가 자주 쓰는 페트병은 석탄가스화→에틸렌 옥사이드(ethylene oxide)→에틸렌글리콜(ethylene glycol)이라는 과정을 거치는데, 이를 위해 화석연료를 통한 열 화학반응이 중요하다.

 

비료를 대량생산하는 것도 마찬가지다. 농업혁명을 가져온 질소비료 합성의 핵심인 암모니아를 대량 제조하는 방법(하버-보슈법)도 500℃의 온도와 300bar에 해당하는 압력을 만들기 위해 화석연료를 사용한다. 하버-보슈법이 만들어진지 100년이 지났지만 지금도 이 방법을 계속 쓰고 있다.

 

화석연료는 인류에게 가장 큰 선물이지만 동전의 양면처럼 쓸수록 지구를 병들게 만든다. 화석연료 기반 에너지소비에서 배출되는 온실가스가 환경오염의 주범으로 꼽히고 있기 때문이다. 또 언제 고갈될지 모르기 때문에 대체에너지가 시급하다. 많은 선진국이 화석연료 사용을 줄이기 위해 미래 에너지개발에 박차를 가는 이유이기도 하다.

 

굴뚝의 이산화탄소+물+전기반응으로 ‘페트병’ 만든다

 

화석연료가 축소화, 혹은 고갈되면 인류의 일상 생활제품은 어떻게 만들어야할까. 자연으로부터 무한대로 얻을 수 있는 태양에너지·공기·물을 통해 화학제품의 원료를 얻고, 전기화학반응으로 화학연료 제품을 만들 계획을 밝힌 과학자가 있다. 민병권 KIST 청정에너지연구센터 센터장이다. 그는 이 기술에 'e-케미컬'이라는 이름을 붙였다. e는 전자(일렉트론, electron)의 약자다.

 

화석연료 대신 공기와 물, 태양에너지 등을 통해 전기화학적 방법으로 고부가가치 화학원료 및 화학제품을 만드는 기술은 얼핏 연금술을 연상케 하지만 허무맹랑하지 않다.


e-케미컬 연구가 이뤄질 연구실 및 연구성과들.

극소량이지만 질소비료 합성의 핵심인 질소화합물도 충분히 자연에서 얻을 수 있기 때문이다. 번개가 칠 때 그 에너지에 의해 질소분자가 깨지면서 질소화합물이 생성되는 것이 한 예다. 이런 자연현상을 태양광에서 얻은 에너지를 이용한 전기화학반응을 통해 인위적으로 구현함으로써 화석연료 없이 화학제품원료를 만들어낼 수 있다는 것이 기본 아이디어다. 그는 “공기나 물 등 자연의 원료는 가장 안정하다. 이런 것을 불안정하게 깨주는 것이 핵심”이라고 설명했다.

 

완제품 생산은 아니지만 페트병을 만드는 중간 단계인 에틸렌글리콜을 만드는 것은 전기화학반응을 통해 가능한 것으로 이미 알려진 기술이다. 민 센터장에 따르면 질소 분자를 깨서 암모니아를 만드는 것처럼, 페트병도 굴뚝에서 나오는 이산화탄소를 가져다가 물과 전기의 반응으로 만들 수 있을 것으로 기대된다.

 

그는 "화석연료로 고온 환경을 만들지 않아도 이러한 반응으로 페트병 전 단계인 에틸렌글리콜을 추가 단계 없이 만들 수 있어 개발 스텝을 줄일 수 있는 장점이 있다며 "실온에서도 반응이 가능하기 때문에 에너지 소비가 적다는 장점이 있다"고 설명했다.

 

민 센터장이 e-케미컬을 강조하는 이유는 지난 연구와도 관계가 있다. 그는 그동안 연구를 통해 태양빛과 물, 이산화탄소를 통해 자연의 광합성을 모방한 인공광합성 디바이스 기술을 개발하여 이산화탄소로부터 고부가가치 화학원료를 생산하거나, 선택적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환해 고효율 촉매를 만드는 기술을 개발하는 등 e-케미컬의 가능성을 엿봤다.


민 센터장은 "알데하이드까지는 아니지만 이산화탄소를 가지고 알데하이드와 유사한 C1을 만드는 촉매 연구 등은 오랫동안 해왔다. 지금까지 자연으로부터 얻은 재료로 완제품을 만든다는 개념이 없었을 뿐"이라며 "우리는 자연을 원료로 에너지를 만들고 이를 통해 최종 화학제품의 핵심원료를 만드는 것을 목표로 연구를 구상 중"이라고 설명했다.


e-케미컬 연구를 함께 할 연료전지팀 연구실 모습.

민병권 센터장은 화학원료를 대량 생산하는 인공광합성 시스템을 개발하는 등 e-케미컬 연구의 가능성을 오랜 연구를 통해 엿봤다. 사진은 일체형 자가구동 인공광합성 디바이스 시스템.

 

‘6년 프로젝트‘ 가동 “국가대표 연구팀과 함께 연구 추진”

 

민 센터장은 'e-케미컬' 아이디어를 10여년 전부터 구상하고 실현하기 위한 기반을 쌓았다. KIST가 내부 연구자들을 대상으로 융합연구 아이디어를 선정해 포상하는 오디션 이벤트 'KIST 파이오니어쉽'에서도 해당 아이디어를 제시해 내부 연구자들의 공감대를 형성했다.

 

또 실용적인 촉매 개발과 반응기 시스템 구현과 더불어 촉매 현상 및 반응 메커니즘을 연구하는 기초과학분야도 함께 추진하는 만큼 해당 연구주제를 잘 이해하고 있는 내외부 연구자들과의 활발한 커뮤니케이션을 하기 위해 '인공광합성연구회'도 조직해 운영 중이다. 올 봄에 KIST에서 열린 첫 심포지엄에는 관계자 100여명이 참가하는 등 성황을 이뤘다. 


 

본격적인 연구프로젝트로 구현하기 위한 기반도 대략 마련된 상황이다. 내년 연구과제 추진이 확정되면 이를 기반으로 6년 프로젝트 연구를 시작할 계획이다.

 

그는 해당기술을 통해 노트북과 같은 전자제품 케이스와 건축물 재료로 많이 사용하는 플라스틱물질과 비료를 만드는 새로운 공정 등 다양한 연구가 가능할 것으로 기대했다.

 

그는 "지금까지 우리는 화석연료를 통해 살아왔지만 언제 없어질지 모른다. 결국 자연으로부터 오는 에너지와 원료를 활용해야 한다는 것"이라며 "별도 저장하지 않고도 태양에너지를 그대로 받아 쓸 수 있도록 하는 것이 우리의 생각이다. 해당기술이 개발되면 우리나라의 제2화학 산업 등 새로운 성장동력을 가질 수 있을 것"이라고 말했다.

 

이어 민 센터장은 "신재생에너지 정책은 우리나라뿐 아니라 전 세계적으로 제시하고 있는 방향이다. 변화에 발맞춰 화학제품원료를 만드는 새로운 방법은 꼭 필요할 것"이라며 "하이리스크 하이리턴 연구인만큼 다양한 백그라운드의 연구자가 모여 있는 KIST가 꼭 해야 하는 일이라고 생각한다. 촉매개발 뿐 아니라 반응기연구도 중요한 만큼 KIST의 연료전지팀과 원내외 전문가들과 함께 국가대표 연구팀을 만들어 연구를 추진할 것"이라고 강조했다.







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