<사진. 수소의 지리학적 저장을 위한 저비용 방안을 제공할 수 있는 염 동공. 색상은 깊이를 나타내고, 파란 부분은 동공의 깊은 부분을 붉은 색은 얕은 부분을 나타낸다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

수송과 에너지 안보를 촉진하는 수소의 지하 지질학적 저장

수송 연료와 그리드 규모의 에너지 응용을 위한 대규모 지하 지질학적 수소 저장(underground geologic storage of hydrogen)이 변화하는 계절적 수요 또는 공급에서 발생할 수 있는 가능한 혼란을 충족시키는 완충 용량뿐 아니라, 상당한 저장 비용을 절감할 수 있는 방안이라고 미국 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories) 소속의 연구진이 수행한 새로운 연구는 밝혔다. 이 연구는 미국 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 연료 전지 기술 사무소(Fuel Cell Technologies Office)가 지원했다.

수소 기체(hydrogen gas)의 지질학적 저장은 성장하고 있는 연료 전지 자동차 시장에 다량의 수소 연료를 생성하고, 분배하는 것을 경제적으로 가능하게 해준다. International Journal of Hydrogen Energy에 발표된 경제 분석의 중요한 발견은 도시 수요보다는 지질학적 한계가 한 도시와 다음 도시의 비용 사이에 더 큰 차이를 유발한다는 것을 보여 주었다.

이 연구의 주 조사관인 샌디아 국립 연구소 소속의 Anna Snider Lord는 이 연구가 환경 문제의 조사, 기체를 보유할 수 있는 주요 대도시 지역에서 지질학적 형성(geologic formations) 등과 같은 추가적인 연구 및 논증 활동을 위한 로드맵을 제공할 수 있다고 밝혔다. 이후 과학자들은 찌꺼기 기체 또는 오일과 혼합되어 있는 수소 기체가 환경 우려를 야기하거나 주변 암석에 보유되어 있는 광물과 반응할 것인지 여부를 결정할 수 있다.

연료 전기 자동차의 도입에 따라 수소 연료에 대한 시장 수요가 증가하고 있기 때문에, 미국은 천연가스, 태양 발전 및 풍력 발전 등과 같은 국내 에너지 공급원으로부터 비용 효율적인 수소를 다량으로 생산 및 저장할 필요가 있을 것이라고 샌디아 수소 프로그램 책임자인 Daniel Dedrick은 밝혔다.

자동차 제조사가 수소 연료 전지 전기 자동차를 판매 또는 대여 및 개발하는 계획을 앞두고 있기 때문에, 대규모 수소 연료의 실용적인 저장이 수소를 동력으로 사용하는 수송 사회기반 시설을 확대하는데 필수적이다. 이러한 저장 선택사항은 수송을 위한 수소의 완전한 가능성을 구현하는 데 필요하다고 Dedrick은 밝혔다.

부가적으로 재생 에너지, 그리드 서비스 및 에너지 저장 등을 통합하는 동력을 기체로 전환하는 응용을 위한 전기적 그리드에 대한 전해조 시스템(electrolyzer systems)의 설치가 대용량 및 비용 효율적인 수소 저장에 요구될 것이다.

지상 위 저장은 탱크를 필요로 하고 지질학적 저장보다 3~5배 이상의 비용이 소요된다고 Lord는 밝혔다. 지하 수소 기체 저장은 비용 절감 이외에 부피에서 장점을 제공한다. 지질학적 특성에 저장되는 다량의 수소는 수소 연료 시장에 공급하기 위하여 고압 기체 또는 액체로 나중에 분배될 수 있다.

지질학적 저장이 실용 가능한 선택 사항을 제공하는 반면, 다양한 지질학적 형성의 투과성(permeability)을 포함한 몇 가지 문제가 조사될 필요가 있다고 Lord는 밝혔다.

Lord와 그녀의 동료 연구진은 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 수소 공급 시나리오 분석 모델(Hydrogen Delivery Scenario Analysis Model)의 지질학적 저장 모듈을 분석 및 재검토했다. 모델을 개선하기 위하여, Lord는 로스앤젤레스, 휴스턴, 피츠버그 및 디트로이트 등 4개 도시를 위한 여름철 최고 주행 수요를 충족시키는 암염 공동(salt caverns)에 저장된 수소를 연구했다.

그녀는 120일 동안 평균 일일 수요의 10%를 상회하는 수소를 저장하기로 결정했다. 이후 그녀는 각 도시가 만약 수소가 필요한 주행 연료(driving fuels)의 105, 25% 및 100%를 충족한다면, 얼마나 많은 수소가 필요할 것인가를 모형화했다.

로스앤젤레스는 디트로이트 인구의 3배를 보유하고 있으며, 피츠버그보다는 6.5배 이상의 인구를 보유하고 있었다. 그러나 가장 가까운 인근의 염 형성은 애리조나 주에 있었다. 따라서 Lord는 애리조나에서 로스앤젤레스까지 저장된 수소를 접근하는 비용을 포함시켰다.

그렇지만 로스앤젤레스의 모형화된 비용은 디트로이트와 피츠버그에서 모형화된 비용보다 상당히 더 적었다. 애리조나에서 염 형성(salt formations)이 더 크고 더 적은 공동을 보유하여 깊은 염 형성을 나타낸 디트로이트와 피츠버그에 대한 염 형성보다 더 얇았기 때문이다.

지질학적 수소 저장 비용을 조사하기 위하여, Lord는 현재 천연가스를 저장하는 지질학적 형성을 선정하는 것에서 출발했다. 샌디아 연구소 소속의 경제학자인 Peter Kobos와 협력을 통하여, Lord는 고갈된 오일 및 가스 저장소, 대수층, 염 공동(salt caverns) 및 단단한 암석 동굴 등에 수소 기체를 저장하는 비용을 분석했다.

다른 연료는 이미 지질학적으로 저장되어 있었다. 예를 들면, 전략적인 석유 저장(Strategic Petroleum Reserve)으로부터 유래한 오일은 멕시코 만을 따라 분포된 거대한 인공 동공에 보유되어 있었다. 천연가스는 겨울철 난방 수요를 충족하기 위하여 400곳 이상의 지질학적 위치에 저장되어 있었다.

Lord는 1년 내내 생성된 여분의 수소가 지질학적 저장 위치로 보내져, 주행 연료에 대한 수요가 최대에 이르는 여름철 동안 도시로 관을 통해 분배될 수 있는 것을 상상하고 있다.

비록 고갈된 오일 및 가스정과 대수층이 처음에는 가장 경제적으로 매력적인 선택 사항처럼 보인다고 하더라도, 수소 기체는 메탄보다 더 작은 분자이기 때문에 저장하는 데 상당한 어려움이 있다. 고갈된 오일 및 가스정과 대수층은 수소가 누출될 수 있으며, 사용하기 위하여 수소를 끌어다 저장 위치를 채우고 다시 비우는 순환은 암석 형성의 온전성을 보존하기 위하여 1년에 1회 또는 두 번 이상 수행될 수 없다.

염 공동 또는 단단한 암석 동굴은 두과성 문제가 없다. 단단한 암석 동굴을 상대적으로 입증되지 않았다. 유일하게 한 곳의 장소가 천연가스를 보유하고 있다. 그러나 염 동공은 염을 용해시키기 위하여 포화된 물을 펌프로 주입하여 염 형성에서 유정을 시추함으로써 지하 1,000~6,000 피트 아래 생성된다. 이후 결과적으로 얻어진 염수는 밖으로 퍼 올려 훨씬 더 광범위하게 사용되고, 제한된 규모에서 수소를 이미 저장하고 있다고 Lord는 밝혔다.

Lord는 그녀의 연구가 지하 수소 저장의 실행 가능성을 더욱 강화하기 위한 프로젝트의 증명으로 이어졌다고 밝혔다. 염 동공은 수소를 보유하는 능력이 입증됐기 때문에, 시범 프로젝트를 위한 타당한 선택이라고 그녀는 밝혔다. 또 오염과 같은 환경적 우려가 추가로 분석될 수 있었다.

그러나 염 형성은 제한적이다. 태평양 연안 북서부에는 멕시코 해안 지역을 제외한 동부 해안과 남부만큼 염 형성이 존재하지 않는다. 다른 선택 사항은 국가적 차원의 수소 저장 시스템의 개발을 필요로 한다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr