땅속에서 솟아나는 수소, 에너지 판도를 바꿀까

프랑스 북동부의 한 시추 현장에서 드릴이 땅을 파고들어간다. 목표는 석유도 가스도 아닌 수소다. 그것도 자연이 수백만 년에 걸쳐 만들어낸 '천연 수소'를 찾기 위해서다.

색깔로 구분하는 수소의 세계

수소 업계는 생산 방식에 따라 수소를 색깔로 구분한다. 그레이 수소와 블루 수소는 화석연료를 태워 만든다. 블루 수소는 여기에 탄소포집 기술을 더해 배출량을 줄인 버전이다. 그린 수소는 재생에너지로 물을 분해해 얻는다. 그리고 이제 화이트 수소 또는 골드 수소라 불리는 천연 수소가 새로운 옵션으로 떠오르고 있다.

천연 수소의 가장 큰 장점은 이미 만들어져 있다는 점이다. 인공적으로 생산할 필요가 없어 제조 비용이 들지 않고, 이산화탄소도 배출하지 않는다. 문제는 찾아서 뽑아내는 일이다.

지구가 만드는 수소 공장

자연 수소는 주로 두 가지 방식으로 만들어진다. 첫 번째는 '사문석화' 반응이다. 물이 철분이 풍부한 초염기성 암석과 만나면서 수소 가스를 방출하는 과정이다. 이 반응은 바다 밑 해령부터 북미의 중대륙 열곡대까지 전 세계 곳곳에서 일어난다.

두 번째는 깊은 퇴적 분지에서 일어나는 열분해 반응이다. 유기물이 섭씨 250~500도의 고온에서 분해되면서 메탄이나 질소와 함께 수소를 만들어낸다.

이런 과정들이 수백만 년에 걸쳐 진행되기 때문에, 천연 수소는 전기분해 같은 인공 생산법보다 훨씬 적은 에너지를 소비한다. 전기분해로 수소 1kg을 만들려면 50kWh의 전력이 필요한데, 이는 일반 가정의 하루 전력 사용량과 맞먹는다.

어디서 찾을 것인가

연구자들은 석유·가스 탐사와 비슷한 방법으로 수소 매장지를 찾고 있다. 세 가지 유형의 지질 구조에 주목한다.

첫째는 균열을 통해 수소가 자연스럽게 새어나오는 '집중 침출' 지역이다. 하지만 수소가 표면에 도달하면 빠르게 확산돼 대규모 포집이 어렵다.

둘째는 석탄층에 수소가 결합된 형태다. 밀도는 높지만 석탄에서 수소를 분리하고 단단한 암석층을 통과시켜 추출하는 게 까다롭다.

셋째는 천연가스를 가두는 것과 비슷한 '저장층-덫-밀봉층' 시스템이다. 상업적 생산에 가장 유망하다고 여겨지지만, 실제로는 아직 검증되지 않았다.

5조톤의 잠재력, 하지만

미국 지질조사소는 전 세계 지하에 5조톤 이상의 천연 수소가 매장돼 있을 것으로 추정한다고 발표했다. 이 중 기술적·경제적으로 회수 가능한 양은 일부에 불과하지만, 전체의 2%만 뽑아낸다고 해도 전 세계 천연가스 확인매장량보다 많고 향후 200년간 수요를 충족할 수 있는 양이다.

하지만 현실은 다르다. 지구가 매년 자연적으로 생산하는 수소는 1500만~3100만톤으로, 2050년 예상 수요의 1%에도 못 미친다. 게다가 이 중 효율적으로 포집할 수 있는 양은 더욱 제한적이다.

한 마을의 성공 사례

현재 상업적으로 천연 수소를 생산하는 곳은 말리의 부라케부구 마을이 유일하다. 연간 수십 톤의 수소로 마을 전체의 전력을 공급한다. 작은 규모지만 가능성을 보여주는 사례다.

천연 수소 탐사 기업 수는 2020년 10개에서 2023년 말 40개로 급증했다. 미국, 호주, 캐나다, 유럽 여러 국가에서 탐사가 활발하다.

미국 캔자스주의 하이테라 네마하 프로젝트는 지하에서 90% 이상의 수소 농도를 확인했다. 농도가 높을수록 회수 효율성과 비용 효과성이 좋아진다.

넘어야 할 산들

천연 수소를 상업적 에너지원으로 만들기까지는 여러 기술적 장벽이 있다. 수소 분자가 워낙 작고 다른 원소와 반응성이 높아 지하에서 탐지하고 측정하기가 어렵다.

또한 수소 농도가 낮고 다른 가스와 섞여 있으면 분리·정제 비용이 많이 든다. 때로는 경제성이 없을 정도로 비쌀 수 있다.

경제성의 약속과 현실

천연 수소의 경제적 매력은 단순함에 있다. 자연이 이미 생산해놓았기 때문에 추출 비용이 기존 수소 생산 기술의 10분의 1 수준이 될 수 있다는 초기 추정이 나온다.

하지만 이런 수치는 지금까지 발견된 소량의 수소를 바탕으로 한 것이다. 상업적 수요를 충족하려면 대규모의 고품질 매장층을 발견해야 한다.