09월호 신진연구자 “톡”

친환경 수소,
더 깨끗하게 생산하고 저장할 수 없을까?

한국에너지기술연구원 미세먼지연구실 박주형 박사

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에너지와 기후 문제의 해법으로 떠오른 수소가 화석연료 시대를 넘어 수소경제를 이끌 친환경에너지원으로 주목받고 있습니다. 하지만 수소를 생산하는 방법과 저장, 운반 과정까지 모두 친환경이 되려면 아직 풀어야 할 숙제가 많습니다. 한국에너지기술연구원 박주형 박사는 수소경제 활성화를 위해 친환경 수소를 더 깨끗하게 생산하고 효율적으로 저장할 방법을 찾아 나선 신진연구자입니다. 지속가능한 원료인 바이오매스를 이용해 고농도/고수율의 포름산 제조 기술을 개발하여 수소 활용의 걸림돌로 지목된 저장성을 높이고 친환경 생산 방법 이슈를 동시에 개선한다는 포부입니다.

part1. 연구자의 길

만나서 반갑습니다. 친환경에너지 수소를 더욱 깨끗하게 생산하는 방법을 연구 중이시죠?
웹진 독자들께 박사님을 소개해주세요.

수소의 친환경 생산과 저장성 향상, 두 가지 문제를 동시 해결하기 위해 액체 유기물 수소저장체 중 하나인 포름산 생산 원천 기술 개발에 나선 박주형입니다. 수소는 미래 수소경제를 이끌 청정에너지원이지만 화석연료인 천연가스, 석유(부생수소), 석탄 등이 고온/고압 조건에서 가스화, 수증기 개질 반응을 거치며 생산되기 때문에 이산화탄소 발생에서 자유롭지 못합니다. 최근 이 같은 문제를 개선하기 위해 수전해 공정 등 다양한 청정 생산기법이 개발되고 있지만 아직까지 기존 방법을 대체할 만큼 효율성을 확보하지 못했습니다. 또한 여전히 ‘수소’가 폭발 위험이 높은 물질이라고 생각하는 일반인들의 인식 개선도 필요한 상황입니다. 그 외에 포름산 상온 탈수소 촉매 개발과 바이오매스 고품위화 연료 기술 개발, 그리고 대기오염의 주범인 미세먼지, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 동시 저감 기술 개발에 참여하고 있습니다. 특히 올해 3월 연구재단의 세종과학펠로우십 지원을 받아 본격적인 연구에 착수했는데요. 앞으로 수소가 미래 청정에너지 시대를 이끄는 진정한 자원으로 자리매김하는데 기여하고 싶습니다.

대학 졸업 후 회사원의 삶을 택했다 연구자의 꿈을 위해 다시 길을 돌아오셨다고 들었습니다.
다시 꿈을 찾는 과정이 어렵진 않았나요?

어린 시절 꿈은 막연하게 과학자였어요. 관찰하고 만드는 것이 재미있고 좋았거든요. 하지만 막연함만으로는 꿈을 이루지 못했어요. 중고등학교를 졸업하고 적당히 대학에 진학했고, 군 제대 후에는 성적과 현실에 타협해 취업했지요. 하지만 회사에서 정해진 틀에 맞춘 삶을 살다 보니 제가 꿈을 이루기 위해 치열하게 노력하지 않았다는 사실이 너무 아쉽고 후회됐어요. 못 가본 길에 대한 갈증이 더 컸고요. 그러던 중 정부출연연구기관인 한국에너지기술연구원에서 운영하는 학연과정 모집 공고를 보았습니다. 일과 공부를 동시에 할 수 있는 좋은 기회라 생각하고 2013년 석사과정을 시작해 지난해 박사과정을 마쳤습니다. 학연과정의 장점은 학교에서 기초연구 중심의 수업을, 연구소에서는 기술성숙도(실증 단계)가 높은 연구를 병행하며 수행할 수 있다는 점입니다.

part2. 내가 하는 연구는?
수소저장체인 ‘포름산’ 생산 원천 기술 개발

‘바이오매스를 활용해 수소저장체인 포름산 생산 기술 개발’ 연구를 수행 중이신데요. 연구를 시작하게 된 배경과 연구의 주요 내용을 소개해주세요.

수소경제 시대를 맞으려면 수소의 친환경 생산방법 개발과 함께 수소의 낮은 에너지 밀도를 개선해 저장성과 수송성을 향상하는 것이 관건입니다. 현재 사용되는 수소 저장 방법은 물리적으로 많은 에너지가 필요한 고압 저장(300~700bar)과 수소 액화(-253oC) 방식입니다. 또 이러한 저장방법은 저장된 수소가 손실되어 장기간 보관이 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 세계적으로 액상 유기물 수소저장체(LOHC) 연구가 진행 중입니다. LOHC의 하나인 포름산은 기존에 구축되어있는 원유 기반의 인프라를 활용할 수 있을 뿐만 아니라 높은 저장 밀도, 상온 탈수소화, 낮은 위험성 등의 장점이 있어 상용화가 가능한 수소저장체로 주목받고 있죠. 하지만 지금의 포름산 생산 공정 역시 메탄올, 나프타 등 화석연료에 기반해요. 따라서 청정 수소에너지의 활용을 촉진하기 위해 화석연료 기반의 수소 생산 공정에서 지속가능한 신재생에너지원 기반의 수소 생산 공정으로 전환하는 동시에 수소 저장성을 향상하는 것이 무엇보다 중요하다고 판단했습니다. 저의 연구는 탄소중립 자원인 바이오매스를 이용해 포름산을 생산하고, 수소 활용의 걸림돌인 저장성 향상과 친환경 생산 방법 이슈를 동시에 개선하는 것이 목표입니다.

바이오매스로 포름산을 생산하는 아이디어는 대학원 시절 참여한 화력발전소 연료전환연구에서 착안하셨다고요?

우리나라는 화력발전소에 사용되는 석탄을 대부분 수입에 의존하고 있고, 가격적인 측면에서 호주의 고급석탄과 인도네시아의 저급석탄을 혼합하여 사용하고 있습니다. 저급석탄은 미세기공에 함유한 수분이 많고 발열량이 낮아 동일 전력생산을 위해 고급석탄에 비해 더 많은 양을 사용하게 됩니다. 석탄 사용량이 증가한다는 것은 화력발전소의 이산화탄소와 미세먼지 발생이 증가한다는 의미와 같습니다. 제가 대학원에 진학하였던 약 10년 전에는 많은 연구자들이 이러한 화력발전소의 저급석탄 사용으로 인한 이산화탄소 발생을 줄이기 위해 노력했는데요. 당시 제가 속해 있던 에너지연 청정연료연구실은 저급석탄 기공에 있는 수분을 당밀, 사탕수수, 글리세롤과 같은 액상 바이오매스로 대체하고 건조/탄화 시켜 고급석탄 수준으로 고품위화하는 연구를 수행해왔습니다. 저급석탄을 고품위화한 ‘하이브리드석탄’을 사용한다면 석탄사용량 감소로 발전소의 비용은 물론, 이산화탄소 및 미세먼지 배출을 줄일 수 있습니다. 그런데 고품위화 석탄의 탄소전구체로 사용되는 액상 바이오매스 생산 실험 도중, 바이오매스 열수반응을 통해 수소저장체로 활용 가능한 포름산이 낮은 농도로 생성되는 것을 발견하였습니다. 포름산 농도와 수율을 높여 수소저장체로 활용한다면 수소경제의 문제로 지적되고 있는 화석연료기반 공정과 물리적 수소 저장 방법을 개선할 수 있다고 생각했습니다.

다양한 수소저장체 중 포름산에 주목한 이유가 있나요?

포름산은 흔히 개미산으로 알려진 물질입니다. 독성이 거의 없고 높은 수소 저장 밀도, 상온 탈수소화 특성이 있어 유망한 수소저장체로 꼽힙니다. 또한 포름산을 사용하면 기존의 원유 인프라를 그대로 사용할 수 있습니다. 이번 연구를 통해 지속가능한 원료인 농업 부산물과 나무 계통의 바이오매스로부터 고농도/고수율의 포름산을 제조하는 기술을 개발하고자 합니다. 이는 수소경제 시대의 기반기술이 될 수 있을 것입니다.

국내외에서 수소저장체 개발을 위한 다양한 연구가 진행 중입니다. 박사님의 연구가 기존의 연구와 차별화되는 점은 무엇인가요?

기존에 연구된 수소저장체는 P2G(power to gas)기반의 매우 복잡한 프로세스(수소생산-수소 저장-수소저장체 생산(수소화)-수소저장체 저장 및 운송-탈수소화-수소 사용)를 거쳐 생산합니다. 또한 가혹한 조건의 수소화, 탈수소화 공정, 위험성이 높은 유기성 물질(톨루엔, 디벤질톨루엔, 나프탈렌 등)을 사용하는 등 에너지 효율이 떨어지고 누출 시 환경과 인체에 부정적인 영향이 야기될 것으로 예상됩니다. 반면 저의 연구의 차별성은 기존의 P2G 기반의 복잡한 수소저장체 공정에서 벗어나 프로세스를 단순화(바이오매스 기반 수소저장체 생산-수소저장체 저장 및 운송-탈수소화-수소 사용) 시켰고, 정제되지 않은 원재료 상태의 친환경 원료인 바이오매스를 활용하여 수소저장체를 생산한다는데 있습니다. 또한 바이오매스는 지속가능하고 이산화탄소를 이용해 성장(광합성)하기 때문에 바이오매스를 활용한 수소 저장/생산 방법은 탄소배출을 감소시킬 수 있습니다. 기존의 공정과 비교하여 에너지 효율과 환경적인 측면을 개선할 수 있을 것으로 보입니다. 제가 몸담고 있는 에너지연은 기후위기 극복과 탄소중립을 실현하기 위해 수소경제사회 선도를 기관의 비전으로 삼고 있는 만큼 수소 저장 안정성 확보, 친환경 수소 생산 연구에 시너지가 기대됩니다.
바이오매스 기반 친환경 수소 저장/생산 공정

바이오매스를 활용한 방법이 실제 상용화되려면 경제성 확보가 중요한데요. 그동안 연구를 진행하며 가장 큰 어려움이 있다면 무엇이고, 어떻게 해결하셨는지요?

연구의 1차 관문은 바이오매스 구성 성분으로부터 포름산으로 전환하는 수율을 높여 경제성을 확보하는 것입니다. 포름산 전환율이 높다는 건 발생하는 수소량이 많아, 그만큼 경제성이 높아진다는 의미입니다. 처음 실험에서는 수율이 10%대로 예상보다 낮았습니다. 고농도의 포름산 전환을 위해서는 바이오매스 중합체 구조를 비교적 균일한 단량체 구조로 전환하여 촉매의 활성, 반응 속도, 선택성을 높여주는 것이 매우 중요합니다. 이를 위해 관련 논문도 다양하게 찾아보고 다른 분야의 기술도 많이 참고했습니다. 현재는 산-산화제 균일 촉매를 사용하고, 바이오매스 성분의 분자량을 감소시켜 포름산 전환 수율을 50%까지 달성했습니다. 앞으로 세계 최고의 경쟁력을 갖추기 위해 새로운 전처리 방법을 도입하여 전환율을 70%까지 높이는 게 목표입니다.

이번 연구에 약 4년의 시간이 남았는데요. 앞으로의 구체적인 연구 계획도 들려주세요.

포름산 효율을 높이기 위해 국내·외 다양한 목질계/초본계 바이오매스로부터 고농도/고수율의 포름산 생산 기술을 개발할 예정입니다. 1~3차년도는 국내외 바이오매스를 적용하여 랩규모에 최적화된 포름산 생산 기술을 개발하고, 3차년도에는 고농도/고순도 포름산 용액 생산을 위한 전처리 기술 적용 및 다양한 정제 기술을 적용하고 평가할 예정입니다. 4~5년 차에는 공정 부산물을 활용하여 연계 공정을 개발하고, 제안 공정의 경제성 및 이산화탄소 저감 효과를 분석할 계획입니다. 또 이 같은 공정을 이용해 수소를 생산할 때 이산화탄소가 얼마나 저감되는지도 확인하고자 합니다.

우리나라는 수소경제로의 패러다임 전환을 앞두고 있습니다. 박사님의 연구결과가 우리 사회에 어떤 영향을 미치길 기대하시나요?

제가 제안한 방법이 상용화 되면 기존 수소 생산 방법보다 에너지 효율을 높여 수소를 생산할 수 있습니다. 수송 및 저장에서도 원유 기반 인프라를 활용하여, 신규 수소 저장 및 운송 인프라를 확대할 필요도 없습니다. 정부가 ‘수소경제 활성화 로드맵’에서 제시한 바와 같이 2040년 연간 43조원의 부가가치화 및 42만개의 새로운 일자리 창출에 기여하고 혁신성장의 원동력이 될 것으로 기대합니다. 그리고 무엇보다 우리나라의 온실가스, 미세먼지 감축 목표 달성 및 에너지 관련 정책 대응에 작은 밑거름이 되길 희망합니다.

part3. 나의 원동력, 나의 경쟁력

신진연구자로서 박사님의 연구 경쟁력은 무엇인가요?

화학공학은 눈으로 볼 수 없는 나노 단위의 아주 작은 물질을 연구합니다. 실제 물질이 반응하는 메커니즘을 확인하기 어렵기 때문에 평소 호기심을 갖고 상상력을 발휘해야 하는데요. 연구를 상상하고 즐기는 것! 그게 저의 경쟁력이라 생각합니다. 대학원 시절 매주 이틀은 서울에서, 삼일은 대전에서 보내느라 시간적, 육체적으로 힘들었지만 단 한 번도 힘들다고 느낀 적이 없어요. 공부도 연구도 너무 재미있었거든요. 재미있다는 것은 새로운 것을 발견하는데 즐거움을 느낀다는 의미이기도 합니다. 배움을 통해 제가 생각한 개념이나 컨셉이 실험으로 증명되면 너무 재미있어요. 연구를 직접 수행하지 않는 시간에도 다양한 논문을 찾아보거나 적용방법 등 다양한 생각을 이어가곤 합니다. 처음에는 잘 안 풀리던 문제도 계속 고민하고 생각하는 과정에서 새로운 아이디어를 찾게 됩니다.

앞으로 도전하고 싶은 연구 목표는 무엇인가요?

미세먼지와 이산화탄소는 우리 사회를 움직이는 산업은 물론 사람들의 삶 속에서도 끊임없이 배출됩니다. 큰 틀에서는 지구가 직면한 온실가스 문제 및 기후변화에 대응하는 연구를 지속하여 지구에 긍정적인 영향을 주고 싶습니다. 또 연구자는 논문으로 자신의 연구를 보여준다고 생각합니다. 사회에 기여하는 연구를 수행하며, 그 내용을 네이처와 사이언스 같은 논문에 게재해 동료 연구자들과 나누고 싶은 개인적인 꿈도 있습니다.

신진연구자로서 연구재단에 이야기하고 싶은 당부의 말씀도 들려주세요.

제가 연구를 포기하지 않고 지속할 기회를 주셔서 감사합니다. 주변에는 저보다 더 중요한 연구를 수행하는 박사후연구자들도 많습니다. 그런 분들에게도 많은 혜택이 돌아가 끊임없이 좋은 연구가 발굴되고, 신진연구자들의 가능성이 보다 더 커지길 희망합니다.

epilogue

프랑스의 작가 장 지오노의 동화 <나무를 심은 사람>에는 일생을 묵묵히 나무를 심어 황무지를 풍요로운 숲으로 가꾼 한 노인이 등장합니다. 화석연료 고갈과 기후변화라는 전지구적 문제에 직면한 인류는 이제 한 사람 한 사람이 <나무를 심은 사람>이 되어 지구를 가꾸어야 합니다. 온 국민이 깨끗한 에너지를 가격 부담 없이 사용할 수 있는 내일을 위해, 오늘의 어려움을 극복하는 박주형 박사의 연구열정을 연구재단이 함께 응원합니다.

이렇게 걸어왔습니다

2019.12~현재

한국에너지기술연구원
박사후연구원

2015.9~2020.2

고려대학교 화공생명공학과
박사 졸업

2013.9~2015.8

광운대학교 화학공학과
석사 졸업

2006.3~2012.2

한남대학교 나노생명화학공학과
학사 졸업

연구모음zip
  • 바이오매스 기반 액체 유기물 수소저장체(LOHC)인 포름산 생산 공정 개발
  • 포름산 상온 탈수소 촉매 개발
  • 바이오매스 고품위화 연료 기술 개발
  • 미세먼지, SOx, NOx 동시 저감 기술 개발

내 인생의 책

연구자라는 꿈을 키우고, 그 길을 걷게 해준 칼 세이건의 <코스모스>를 후배들에게 추천합니다. 이 책은 천문학을 주제로 하지만 인류 과학의 역사를 쉽고 세련되게 설명하고 있습니다. 인류 존재의 이유와 더불어 우리 인간이 앞으로 어떻게 살아가야 하는지 끊임없이 생각하게 만듭니다. “우리가 우리의 세상을 지금 어떻게 하느냐가, 그 영향이 앞으로 수백 년의 세월에 걸쳐 전파되어 결국 우리 후손들의 운명을 좌우하게 된다.” 이 구절은 온실가스와 미세먼지 그리고 그 밖의 환경오염 문제 해결을 위한 연구자로서, 현 시대를 살아가는 인류로서의 자세와 책임감을 갖게 해줍니다.

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