태양전지와 수소 — 에너지는 만들어지지 않는다

전기를 얻는 방법은 거의 하나뿐이었다

자석 옆에서 코일을 움직이면 전기가 생깁니다. 지금 우리가 쓰는 전기의 거의 전부가 이 방법으로 만들어집니다.

그러니 문제는 무엇으로 돌리느냐로 바뀝니다. 물을 끓여 증기로 밀거나, 바람으로 밀거나, 떨어지는 물로 밉니다. 연료가 무엇이든 마지막 단계는 똑같이 돌리는 일입니다.

태양전지는 돌리지 않는다

태양전지에는 움직이는 부품이 하나도 없습니다. 빛이 닿으면 그냥 전기가 나옵니다.

빛이 반도체에 부딪히면 그 안에 붙어 있던 전자를 떼어 냅니다. 떼어진 전자가 한쪽으로 몰리도록 판을 만들어 두면, 그 쏠림이 곧 전기가 됩니다.

여기부터 조금 더

진짜 문제는 때가 안 맞는다는 것

해는 낮에 가장 세게 비칩니다. 그런데 사람들이 전기를 가장 많이 쓰는 때는 해가 진 뒤 저녁입니다.

전기는 쌓아 두기가 어렵습니다. 만들어진 순간 써야 합니다. 그래서 햇빛이 아무리 공짜여도 남는 낮의 전기를 저녁까지 옮겨 놓지 못하면 소용이 없습니다. 태양전지를 더 싸게 만드는 것보다 이 옮기는 문제가 지금은 더 큰 숙제입니다.

수소는 연료가 아니라 그릇이다

여기서 수소가 나옵니다. 그런데 수소를 석유처럼 생각하면 안 됩니다.

석유는 땅에서 캡니다. 수소는 못 캡니다. 지구에 수소는 많지만 거의 전부 물이나 다른 것에 붙어 있습니다. 떼어 내야 하고, 떼어 내려면 힘이 듭니다. 물에 전기를 흘려 쪼개는 방법이 대표적입니다(전기분해).

수소를 연료라고 부르지만 정확히는 그릇입니다. 안에 든 것은 애초에 어디선가 만든 에너지입니다. 그래서 수소가 깨끗한지 아닌지는 수소 자체가 아니라 그 전기를 어디서 얻었느냐에 달려 있습니다. 석탄으로 만든 전기로 쪼갠 수소는 깨끗하지 않습니다.

손해는 왜 반드시 생기나

에너지는 만들어지지도 없어지지도 않습니다. 모양만 바뀝니다(보존법칙).

그런데 모양을 바꿀 때마다 일부가 열로 흩어집니다. 그리고 한번 흩어진 열은 다시 모아 쓸 수가 없습니다(열역학 제2법칙). 전기를 수소로 바꾸고 수소를 다시 전기로 바꾸면 두 번 흩어집니다.

그래서 에너지 연구는 없는 것을 만들어 내는 일이 아닙니다. 바꿀 때마다 새는 몫을 조금씩 줄이는 일입니다. 몇 퍼센트를 놓고 몇십 년을 다투는 이유가 여기 있습니다.

내놓은 것을 도로 잡기

이 연구원의 또 다른 축은 이산화탄소입니다. 굴뚝에서 나가기 전에 붙잡아 두는 기술입니다.

어떤 액체는 이산화탄소만 골라 품습니다. 굴뚝 가스를 그 액체에 통과시켜 이산화탄소를 붙잡은 다음, 액체를 데워 다시 뱉게 하고 액체는 돌려 씁니다. 촉매를 써서 붙잡은 이산화탄소를 아예 다른 물질로 바꾸는 연구도 함께 갑니다.

여기서도 같은 벽에 부딪힙니다. 붙잡는 데도 에너지가 듭니다. 그 에너지를 또 어디서 얻을 것인가. 그리고 붙잡은 것을 어디에 둘 것인가. 기술만으로는 안 끝나는 자리입니다.

이 일을 하는 사람이 되려면

에너지는 한 분야가 아니라 여러 분야가 만나는 자리입니다.

1. 빛을 더 잘 받아내는 판을 만드는 사람 — 반도체와 재료 쪽입니다.
2. 물을 쪼개고 수소로 전기를 만드는 장치를 다루는 사람 — 전기화학 쪽입니다.
3. 그 반응을 공장 크기로 키우는 사람 — 화학공학 쪽입니다.
4. 열이 어디로 새는지 따지는 사람 — 기계공학의 열유체 쪽입니다.
5. 들쭉날쭉한 전기를 전력망에 어떻게 끼워 넣을지 푸는 사람 — 전기공학 쪽입니다.
6. 지붕과 들판에 실제로 올리고 연결하는 사람 — 시공과 설비 현장입니다.

마지막 줄이 이 분야에서 특히 큽니다. 태양광이든 수소든 결국 누군가 현장에 나가 달고 잇고 고쳐야 합니다. 연구실에서 몇 퍼센트를 올리는 일과, 그것을 전국의 지붕에 올리는 일은 다른 일이고 사람도 다릅니다.

이 일을 하는 곳이 대전 유성구의 한국에너지기술연구원입니다.

남은 질문에너지가 만들어지지 않고 모양만 바뀌는 것이라면 — 우리가 쓴다고 말하는 동안 실제로 없어지는 것은 무엇일까요?