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1H 수소 水素 | Hydrogen / Protium* |
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| 분류 | 이원자 비금속 | 상태 | 기체 |
| 원자량 | 1.0079 | 밀도 | 0.08988 g/L |
| 녹는점 | -259.16 °C | 끓는점 | -252.879 °C |
| 용융열 | 0.117 kJ/mol (H2) | 증발열 | 0.904 kJ/mol (H2) |
| 원자가 | 1 | 이온화에너지 | 1312 kJ/mol |
| 전기음성도 | 2.2 | 전자친화도 | 72.8 kJ/mol |
| 발견 | H. Cavendish (1766) | ||
| CAS 등록번호 | 1333-74-0 | ||
| 이전 원소 | 다음 원소 | 헬륨(He) | |
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* : Proton(양성자) + -ium
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1. 개요
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| 대기의 대부분이 수소로 이루어져 있는 태양의 모습 |
2. 역사와 어원
이전까지 연소/ 산화란 플로지스톤이라는 물질이 빠져나오는 것이라고 생각되었다. 1766년, 영국의 화학자 헨리 캐번디시는 이 학설에 의심을 품고, 반대로 연소/산화는 어떠한 물질이 달라붙는 것으로 생각하였다. 그리고 산으로 철을 녹였을 때 '불타는 기체(수소)'가 발생한다는 실험을 선보였다. 하지만 캐번디시가 사교성이 낮은 은둔형 폐인이기도 해서 수소가 원소라는 이 새 학설은 인정받지 못 했다.1783년, 프랑스의 화학자 앙투안 라부아지에가 수학자 피에르시몽 라플라스와의 협업하여 수소를 연소시키면 물이 만들어진다는 실험을 선보이고, 이 물질에 hydrogène이라는 이름을 붙이고 처음 원소로 취급한다. hydrogène는 그리스어 ὕδωρ-γεννεν[2]에서 유래된 단어로 물의 근원이라는 의미이다. 자기 학설을 못 퍼뜨린 캐번디시와 달리, 당시 앙투안 라부아지에는 파리 과학 아카데미 이사였기 때문에 새 학설이 과학계에 크게 논쟁을 일으킨다. 영국의 조지프 프리스틀리는 이러한 프랑스에서의 움직임을 '탈 플로지스톤 공기가 곧 수소'라고 요약해 영국 왕립학회에 발표하였다. 영어로도 물의 근원이라는 뜻을 담아, hydrogen[3]으로 번역되었다.
1784년, 영국과 프랑스가 경쟁적으로 기존 학설을 뒤집는 이 새로운 학설을 실험한다. 영국의 헨리 캐번디시는 앙투안 라부아지에가 했던 실험인 물이 화학적으로 산소와 수소의 결합이라는 실험을 선보인다. 프랑스의 앙투안 라부아지에도 캐번디시가 했던 실험인 산화납을 납으로 환원하면서 나오는 기체가 산소라는 실험을 선보인다. 1789년, 앙투안 라부아지에는 '화학 원론'을 발간하여, 연소, 산화, 호흡, 발효가 모두 같은 것이며, 산과 염기, 그리고 실험에 대하여 종합하였다.
이후 수소는 독일에서 "wasser"stoff, 러시아에서 "водо"род, 그리고 네덜란드에서 "water"stof로 번역된 것을 일본에서 "水"素라고 번역하였다. 수소는 한자 그대로 '물의 근원'이라는 의미를 가지고 있다.[4] 한국 역시 이 수소라는 표현을 그대로 들여와 사용한다.
중국은 水素가 아닌 氫(수소 경, 간체자는 氢)이라는 표현을 쓰고 있으며 물의 근원이라는 의미도 없다. 상온에서 기체이므로 气(기운 기) 부수를 쓰고, 가벼운 원소라는 뜻에서 輕(가벼울 경) 자의 성부를 따왔다. 양성자가 1개인 수소만을 나타낼 때는 따로 氕라는 글자를 쓴다.
3. 화학적 성질
3.1. 구성
양성자 1개에 중성자가 0~6개로 구성된 핵과 전자 1개로 되어 있다. 자연 상태의 수소 대부분(성분비 99.9885%)은 중성자가 없는 경수소이며, 중성자를 1개 포함하는 중수소, 중성자를 2개 포함하는 미량의 삼중수소가 나머지를 차지한다. 인공적으로 중성자 3개 이상을 포함하는 수소를 만들 수 있고, 무려 7중 수소(양성자1+중성자6)까지 있으나 모두 반감기가 10-21초 미만으로 짧아 빠른 시간 안에 붕괴를 통해 다른 원소가 되어 버린다. 삼중수소도 방사성 동위원소이나 반감기가 10년 이상이라 자연 상태에서도 존재할 수 있다.| 핵종 | 스핀패리티 | 반감기 | 붕괴 형태,존재비 | 핵자 당 결합에너지(keV) | 질량(u) |
| 1H | 1/2+ | 안정 | 99.9855(78)% | 0 | 1.007 825 031 90(1) |
| 2H | 1+ | 안정 | 0.0145(78)% | 1112.2831(2) | 2.014 101 777 84(2) |
| 3H | 1/2+ | 12.32(2)y | [math(xrightarrow{18.6,{rm keV}} {}^3{rm He} + {rm e}^- + overlinenu_{rm e})] | 2827.2654(3) | 3.016 049 281 32(8) |
| 4H | 2- | 1.39(10) 10-22s | [math(\longrightarrow {}^3{\rm H} + {\rm n})] | 1720(25) | 4.026 43(11) |
| 5H | (1/2+) | 8.6(6) 10-23s | [math(\longrightarrow {}^3{\rm H} + 2{\rm n})] | 1336(18) | 5.035 31(10) |
| 6H | 2- | 2.94(67) 10-22s | [math(\begin{aligned}&\longrightarrow {}^5{\rm H} + {\rm n}\, ? \\&\longrightarrow {}^3{\rm H} + 3{\rm n}\,?\end{aligned})][미실증] | 960(40) | 6.044 96(27) |
| 7H | 1/2+ | 6.52(5.58) 10-22s | [math(\longrightarrow {}^5{\rm H} + 2{\rm n}\,?)][미실증] | 940(140) | 7.052 75(108) |
참고로 중수소(deuterium)와 삼중수소(tritium)는 동위원소이지만 핵융합 반응식이나 방사성 동위원소의 연구에 자주 쓰이는 만큼, [math({}^2\rm H)], [math({}^3\rm H)]처럼 첨자를 일일이 붙여 쓰는 게 번거롭기 때문에 각각 독자적인 명칭에서 유래한 표기 [math(\rm D)], [math(\rm T)]가 확립되어있고 IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)에서도 허용하고 있다. 원래 방사능 연구 초기엔 다른 원소 또한 우후죽순처럼 생겼으나 현재 용인되는 건 이 둘뿐이다. 이 둘과 구분하기 위해 질량수가 1인 수소는 경수소(protium)라고 하며 같은 이유로 각 동위원소의 이온 역시 별개의 명칭이 붙어있다.[8]
| 일반명칭 | 기호 | 설명 |
| 하이드론(Hydron) | [math(\rm H^+)] | 수소의 양이온 전체를 가리키는 명칭. 즉 아래 나오는 셋 다 하이드론이라 부를 수 있다.[9] |
| 프로톤(Proton) | [math({}_1^1\rm H^+)] |
프로튬의 양이온.
양성자라는 의미도 있는데, 실제로 얘가 양성자이기 때문이다. 무슨 소리인지 모르겠으면 양성자 문서 참고. |
| 듀터론(Deuteron) | [math({}_1^2\rm H^+)], [math(\rm D^+)] | 중수소의 양이온이다. |
| 트라이톤(Triton) | [math({}_1^3\rm H^+)], [math(\rm T^+)] | 삼중수소의 양이온이다. |
전자가 2개까지 들어갈 수 있는 주기율표의 1주기에서 전자 1개를 가지고 있기 때문에, 똑같이 원자가 전자가 1개인 알칼리 금속( 나트륨, 칼륨 등) 또는 가장 바깥 궤도를 채우는 데 필요한 전자가 1개인 할로겐( 플루오린, 염소, 아이오딘 등)과 비슷한 화학적 성질을 보인다. 이렇게 전혀 성질이 다른 두 종류의 원소들과 성질이 비슷하기 때문에 일단 주기율표상에는 1족에 넣는 경우도 있고, 17족에 넣는 경우도 있고, 두 족에 모두 넣는 경우도 있다. 탄소가 있는 14족(이것은 전자 궤도가 절반만 차 있다는 이유)에 집어넣는 경우도 있는 모양이지만 주기율표상에서 이 위치에 넣는 경우는 드물다. 대부분은 수소를 1족에 넣지만 특별취급하고, 아예 수소는 따로 빼놓는 주기율표도 적지 않다(심지어 수소만 대문짝만하게 빼놓고 범례 대용으로 쓰는 주기율표도 있다). 주기율표 실루엣만 그린 그림에서 왼쪽 위 또는 빈 부분에 네모 칸이 혼자 따로 떨어져 나와 있으면 대부분 수소를 위한 칸이다.
화학적 성질은 이온 화합물에서는 알칼리 금속과 비슷하며, 공유 결합의 경우는 할로젠족과 비슷하다. 그래서 유기화합물의 탄소-수소결합은 탄소-할로젠 결합으로 치환할 수 있다. (이렇게 해서 만들어지는 물질 중 대표적으로 프레온 가스가 있다.)
또 맨 위에는 수소를 비금속으로 썼지만 이건 저압력에서 수소가 2원자 분자로 공유결합을 하기 때문으로, 목성형 행성의 핵 같은 초고압의 환경에서는 수소 원자가 깨져서 양성자와 전자 따로 돌아다니는 상태가 되는데, 이때를 금속의 자유전자 바다 상태와 같다고 해서 금속 수소라고 부른다.[10] 이것이 자전하여 목성의 자기장을 생성한다. 일상에서 볼 수 있는 금속의 특성(금속 광택, 전성/연성, 열전도율 등)을 금속 수소가 만족시킬 것으로 예측했는데, 미국 하버드 대학에서 영하 267도 정도의 극저온에서 465만∼495만 기압을 가해[11] 실험실 내에서 처음으로 금속 수소를 만드는 데 성공했다고 보고했다. 기사에 따르면 초고압으로 압축된 수소에서 금속 광택이 나는 것을 보고 금속 수소가 만들어진 것을 알아챘다고 한다. 그러나 실험 특성상 극히 짧은 순간에만 존재할 수 있는 존재였기 때문에 제대로 된 검증을 하기도 전에 금속 수소 샘플이 소실되면서 이들이 정말 금속 수소 생성에 성공한 것인지는 불분명해졌다. 금속 수소는 고압 환경에서 생성되는 다른 동소체인 다이아몬드와 같이 압력을 풀어도 그 성질을 유지할 것으로 예측된다.
3.2. 특징
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| 수소 원자 모형 |
수소의 특징은 보통 세 가지로 대표할 수 있다. 매우 많다와 매우 가볍다, 매우 격렬하게 반응한다.
전 우주에 존재하는 원소의 대부분은 이 수소다.[12] 대부분의 별들은 이 수소를 원료로 한 핵융합으로 열과 빛을 낸다. 별의 중심부에선 수소폭탄이 초당 몇백만 개씩 터지고 있다고 보면 될 듯. 너무 흔하고 또 온갖 화합물에 들어가 있기 때문에, 보통 분자식을 쓸 때 수소가 연결된 부분은 아주 중요한 부분만 아니면 그냥 생략한다.[13] 또 빛깔과 냄새와 맛이 없다.
자연계에 다량 존재하며 화합물 형태로 존재한다. 행성이 형성되는 과정에서 수소가 물을 형성했기 때문으로, 만일 물로 화합되지 않았더라면 수소는 지구 중력을 이기고 우주 공간으로 탈출했을 것이다.[14]
항성이 아닌, 행성 중에도 수소 대기를 가지는 경우가 많지만( 목성, 토성 등) 지구는 수소를 잡아둘 만한 중력이 부족해 대기 중 구성 비율이 매우 적다. 때문에 "우주에서 가장 풍부한 원소인 수소를 이용한 에너지" 운운하면 일단 의심하는 것이 좋다. 우주에는 풍부하지만 지구에서는 쉽게 얻을 수 없는 것이 수소다.[15] 게다가 수소는 관리와 보관이 극도로 어렵기 때문에 연료로 쓰이기 힘들다. 특히 금속 내부에 침투하여 구조적 변화를 일으키는 특성도 있기 때문에 금속 파이프 등에 수소 기체를 오랫동안 통과시킬 경우 파이프가 파괴될 위험도 있다.
항성이라고 칭할 수 있는 천체의 전제조건이 경수소 핵융합을 유지할 수 있어야 한다. 따라서 항성의 마지노선은 적색왜성이 되고, 주계열 영년에 돌입했을 때 질량이 모자라 경수소 핵융합을 지속하지 못한 갈색왜성이나 준갈색 왜성이 항성 취급을 못 받는 이유가 이 때문이기도 하다.
수소화 또는 수소 결합, 즉 다른 한 가지 원소와 수소의 화합물에는 -ane이라는 접미사가 붙는다. Bor"ane"(BH3), Meth"ane"(CH4), Az"ane"(NH3), Oxid"ane"(H2O), Fluor"ane"(HF) 등. 하지만 흔히 보는 화합물에는 IUPAC name을 잘 쓰지 않는다.
폴링의 전기 음성도 척도에서 기준이 되는 원소로, 수소의 전기 음성도를 2.2로 하고 타 원소들과의 결합의 이온성을 따져 전기 음성도의 차이를 알아내어 특정 원소의 전기 음성도를 결정한다.[16]
4. 산업적 이용
수소경제 - 원리/기술/용어와 관련해선 이 '수소' 문서에 정리하고, 정치/정책/경제 관련해선 '수소경제'에 정리하도록 한다.
4.1. 생산
- 부/주 생산 여부
- 부생 (By-product) - 본래의 목적인 제품에 부수적으로(덤으로, 딸려서) 수소가 생산된다는 뜻이다.
- 주생[17] (Dedicated product) - 본래의 목적이 수소인 생산공장에서 인위적으로 생산한다는 뜻이다.
- 생산 과정의 탄소 배출 여부
- 그레이 수소 (회색, Gray) - 탄소를 배출하며 만든 수소.[18]
- 화이트 수소 (백색, White) - 정유, 화학 공정의 부생 수소. 직접 수소를 채굴한 경우도 에너지가 들어서 여기 해당.
- 브라운 수소 (갈색, Brown) - 석탄(갈탄)을 이용해 만든 수소.
- 블루 수소 (청색, Blue) - 탄소 포집을 하며 만든 수소.[19]
- 터퀴즈 수소 (청록, Turquoise) - 탄소 포집으로 유용한 고체 탄소(C)나 메탄올 등을 만들며 만든 수소.
- 아쿠아 수소 (물빛, Aqua) - 오일샌드에 수압파쇄법을 이용해 이산화탄소는 지하에 둔 채 수소만 지상 추출한 것.
- 그린 수소 (녹색, Green) - 탄소를 배출하지 않으며 만든 수소. 또는 재생에너지 전기로 만든 수소.
- 옐로 수소 (황색, Yellow) - 상용 전력으로 전기분해로 만든 수소.
- 핑크 수소 (분홍, Pink) - 원자력 전기분해로 만든 수소.
- 퍼플 수소 (자색, Purple) - 원자력 고온+전기로 만든 수소.
- 레드 수소 (홍색, Red) - 원자력 고온분해로 만든 수소.
- 오렌지 수소 (주황색, Orange) - 수소전(지하 수소 매장지)에 이산화탄소를 밀어넣어, 탄소도 매장하고 수소도 생산하는 것.[20]
2024년 3월, 국제에너지기구(IEA)가 전세계 수소생산 플랜트를 지도로 정리했다. 지도
4.1.1. 고온
부생 (By-product)- 석유화학 공장에서 수소가 나오긴 한다. 하지만 해당 공단에서 수소를 수요로 바로 사용하기도 하고, 남는 양이 해당 공단에서 수소버스 몇 대를 운영하기에도 턱없이 적은 양이다. 또한 석유화학업계는 주로 고탄소 배출 업종이므로, 본 제품 생산이 감소하면서 부생수소 양도 감소할 수 있다. 한국은 나프타 생산 과정의 부생 수소를 이용해 암모니아, 요소, 요소수를 만들어왔다. 롯데정밀화학, 2021년 요소수 대란 문서 참고.
개질 (Reforming)[21] - 800도 미만의 온도를 이용하는 경우다. 수증기개질, 부분산화, 건식 개질 등.
- 석탄, 코크스 - 세계적으로 가장 저렴한 수소 생산방식은 석탄을 태워 일산화탄소를 만들고, 이를 물과 반응시켜 이산화 탄소와 수소로 만드는 방법이다 ([math(\rm CO+H_2O \rightarrow CO_2+H_2)]). 또다른 방법으로는 코크스를 고온으로 가열한 뒤, 여기에 수증기를 쐬어 일산화 탄소와 수소의 혼합 기체를 생성시키는 것도 있다. ([math(\rm C+H_2O \rightarrow CO+H_2)]) 세계 석탄의 절반을 생산하는 중국의 석탄 기반 수소가 가장 저렴하며, 2019년 기준 중국 내 수소 생산의 85%가 석탄 및 코크스 수소, 14%가 천연가스 수소다. # 2021년 요소수 대란의 발생으로 중국 석탄 수소에 전 세계가 의존해 왔던 것에 반성이 일어난다.
- 천연가스 - 석탄 다음으로 저렴한 방식은 메탄이 주성분인 천연가스에 수증기를 섞어 고온에서 반응시켜 일산화 탄소와 수소로 만들어 내어 분리하는 것이다 ([math(\rm CH_4+H_2O \rightarrow CO+3H_2)]). 수소의 운반이 어려운 데 반해 천연가스의 운반은 도시가스라 하여 파이프 인프라가 잘 깔려 있으므로, 도시가스로부터 수소 수요지에서 개질해 수소를 만들자는 접근이 있다. # 최근에는 유전/가스전의 유증기(플레어 가스, Flare gas)가 남는다고 태워버리지 않고, 포집하여 활용(recovery)하는 방안도 유럽을 중심으로 연구되고 있다.
- 유류 가스화 - 석유를 가스화하고, 이를 천연가스처럼 활용할 수도 있다. 물론 석유를 사용하는 것은 경제성이 없어 하지 않고, 쓰레기 소각장 (SRF 고체 폐기물 열병합 발전이라고도 부른다)의 부산물인 열분해유 등을 이용한 방식.
- 바이오매스 - 하수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 축사 등으로부터 나오는 메탄가스 및 가연성 폐자원을 이용한 방식.
- 합성연료 (메탄올, DME)
열 분해 (Thermal deposition) - 800도 이상에서는 수증기나 탄화수소( 화석연료, 메테인 가스, 플라스틱 쓰레기 소각 등)가 직접 수소와 산소로 분해된다. 탄화수소를 사용해도 탄소 배출이 없으므로 그린 수소다. 탄화수소를 사용할 경우 하단의 기술들을 '원자력 개질', '태양열 개질', '플라즈마 개질'이라고도 한다. 열화학 사이클, 레독스 사이클 등.
- 원자력 - 초고온 가스로(VHTR, Very High Temperature Reactor), 페블베드 원자로 같은 경우 섭씨 830도 이상을 만들 수 있다. 황산과 요오드산이 결합, 분해를 반복하는 분젠 반응에 물과 섭씨 900~1,000도의 고열을 지속해서 공급한다거나, 주로 지르코늄인 원자로 연료봉 피복 관이 고온 환경에서 수증기와 접촉하면 반응하여 수소 기체가 발생하기도 한다. 일본의 후쿠시마 원자력 발전소가 폭발한 이유도 이렇게 발생된 수소 때문이다.
- 태양로 - 돋보기나 거울로 햇빛을 모으면 종이에 불이 붙는 초등학교 실험과 같은 원리로, 최대 2,200도를 만들 수 있다. 오래된 기술이지만 여태 수소 수요가 적었기에 이 열로 여타 발전소처럼 물을 끓이는 터빈 발전에만 써왔으나, 언제든 수소 생산 설비로 바꿀 수 있다. #
- 플라즈마 - 플라즈마는 3,000도에 이르므로, 수증기나 탄화수소를 분해할 수 있다. 전자레인지처럼 수증기를 전자파로 가열하면 수소와 산소로 분리되는데, 탄소 성분을 투입하면 산소는 결합하여 가라앉고 수소는 상단으로 포집할 수 있는 원리다. 원자로나 태양로에 비해 소형이고, 수요지에 바로 설치해 운송비를 줄일 수 있는 장점이 있다. 한국은 2015년 이후 상업화되었고 소각장들에 전면 도입이 논의된다. # #
4.1.2. 전기
그냥 물에 넣어놓고 빛만 쏘이면 되는 광촉매를 통한 전기화학적 접근도 존재한다.
4.1.3. 미생물
2010년 8월, 한국해양과학기술원은 파푸아뉴기니에서 수소를 만드는 심해 미생물 'NA1'을 발견해, 네이처에 발표해 학계를 놀라게 했다. 해당 미생물은 63~90도의 특수한 환경에서 서식하며, 물과 일산화 탄소를 수소와 이산화탄소로 바꾼다. ([math(\rm H_2O + CO \rightarrow H_2 + CO_2)]) 해양과기원은 2011~2014 연구원 내 설비를 갖추고 해당 미생물을 개량해 12 kg/(kL·day)로 수소 생산량을 늘렸다. 2017년 당진제철소에 5 kg/일 규모의 플랜트를 설치했고, 2019년 태안발전소에 1 ton/일 규모의 플랜트를 설치했다. #4.1.4. 방사선
원자로 주변에 밀폐용기를 놔두면 내부가 저절로 수소가스로 채워진다! 원자로 가동시 쏟아져 나오는 중성자선이[22] 용기 내부를 지나며 베타붕괴를 일으키면[23] 수소 원자가 되고, 최종적으로는 이들이 서로 결합하여 수소 분자가 된다. 이렇게 생성된 수소 분자가 아무리 잘 샌다고 해도, 중성자처럼 벽을 뚫고 나가지는 못하니 점점 내부에 쌓이는 것이다. 실제로 이렇게 대량으로 만들자는 주장이 있다. 2011년 후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후 원자력 안전에 대한 관심이 높아져서 이 주장이 묻혔다. 하지만 2020년 이후 안전성이 높아진 SMR(소형 모듈형 원전)이 나오자, 다시 이 주장이 탄력을 받는다.4.1.5. 채굴
석유의 '유전'처럼 수소도 천연의 '수소전'이 존재한다. 2022년 10월 미국 지질조사국이 미국지질학회에서 "지구 지각에는 수조톤의 수소가 있을 수 있으며 그 중 10%만 사용해도 현재 소비량을 전제로 수천년치"라고 공식적으로 밝히며 논의가 촉발되었다. 2023년 7월 빌 게이츠는 '콜로마'에게 9100만달러를 투자했고, 9월 미국 에너지고등연구계획국(ARPA-E)은 2천만달러(270억원) 예산을 지질조사국+ 콜로라도 대학교+ BP plc+ 쉐브론 컨소시엄에게 투자했다. #4.2. 저장과 운반
Hydrogen Stroage (영문 위키)수소의 수요지 가격(충전소 판매가격)에서 제조원가는 1~4 $/kg인데, 운송과정에서 비용이 4~5 $/kg 추가된다.[24] 한국은 울산/여수 정유시설 부생수소가 현지에선 2~3 $/kg 정도인데 서울로 운반하면 7~8 $/kg가 훌쩍 넘어간다. 미국 캘리포니아에선 14~18 $/kg까지도 간다.
2019년 1월, 일본 가와사키중공업과 호주 포테스큐가 여러 형태의 해상운송을 시험하였으며, 아래 블룸버그 자료에 종합되었다. 포테스큐는 호주석탄 대기업인데, 석탄이 세계적으로 금지되려 하자 전해조 기술을 세계 최고수준으로 개발하고 수소 기업으로 넘어가려 하였는데, 일본이 이에 손잡은 것.[25]
2020년 3월, 블룸버그가 용량별-거리별 최적의 수소의 저장-운반 매체를 정리하였다. 소용량단거리는 압축기체, 소용량장거리는 액상유기수소운반체(LOHC), 대용량은 파이프, 해상은 암모니아로의 변환이 가장 저렴하다고 밝혔다. PDF파일 이 결론은 2021년 8월 수정된다.
2021년 1월, 유럽연합은 2020년에 호주/칠레/사우디로부터 액화수소/암모니아를 해상운송한 비용을 비교한 결과를 정리했다. 수소생산비용은 칠레수력(1.73 $/kg) < 사우디태양광(3.91 $/kg) < 호주석탄(4.39 $/kg), 변환비용은 암모니아(2.46 $/kg) < 액화수소(2.98 $/kg), 운송비용은 암모니아(0.68 $/kg) < 액화수소(2.29 $/kg)이었다. 즉 기존에 99%를 중국석탄에 기대던 수소생산방식은 이제 신재생에너지가 더 저렴해졌으며, 해상운송은 암모니아가 가장 저렴함을 다시 보였다. #
2021년 4월, 유럽연합의 31개 가스회사가 참여하는 European Hydrogen Backbone의 연구에 따르면 해상운송은 LOHC가 (액화수소 및 암모니아보다) 가장 저렴하고, 3500km 이하의 육상운송은 48-inch 파이프가 가장 저렴하다고 결론내렸다. #
2021년 8월, 한국의 KTB투자증권의 보고서에 따르면 액화수소 트럭은 1회 운송량이 기체수소에 비해 많아서 (기체수소트럭=250~500kg, 액체수소트럭=1~3ton) 육상운송비를 70%까지 절감할 것이 예측된다. #
4.2.1. 기체 압축
가스통을 통한 운반- 수소자동차의 탱크는 700 bar로, 트레일러( 트럭)을 통한 탱크 운반시엔 200~350 bar로 압축하여 운반한다. 문제는 1회 운반 양이 매우 적다. 수소 트럭 1대 250~500 kg 운반, 수소자동차 1대 5~7 kg 충전, 수소자동차 50대 분량. 휘발유 트럭 1대 25000 kg(30 kL) 운반, 휘발유차 500대 분량.
- 2022년 3월, 토요타는 승용차에 5.6kg, 화물차에 36kg을 모듈화해 싣겠다고 했다. # 이 외는 수소자동차 문서 참고.
파이프를 통한 운반
- 수소 전용 배관 - 다른 가스배관과 달리 수소 분자가 파이프 금속 사이사이 침투-누적되어 말 그대로 금속을 찢어버리는 '수소 취성' 효과가 발생하기 때문에 설치비가 비싸지만, 운영비는 낮고 수명은 40-80년으로 길다. 1938년 독일의 배관이 2021년에도 운영되는 중. # 탄소 중립을 위해서 글로벌 2만 km가 요구되는데, 2021년까지 글로벌 5천 km가 착공되었고, 2030년까지 유럽에만 2.8만 km가 착공될 예정을 2022년 4월에 발표했다. # 그 모든 이해관계자들이 모인 첫 미팅이 6월에 열렸다. #
- 도시가스 배관에 섞기(혼소) - 2018년 네덜란드가 최초이며, 2021년 영국, 대한민국, 호주도 도시가스관에 수소를 최대 20% 혼소하기로 한다. # 2021년 국제에너지기구(IEA)에 따르면 기존 가스배관망을 수소 운송에 쓰도록 개조하는 비용은 전용배관 건설비용의 21~33%에 불과하다. 2021년 한국가스공사에 따르면 발전-산업용은 30~100 km 이내, 수송용은 10 km 이내일 경우 경제성이 확보될 것으로 추정한다.
안전 문제 - 수소 분자가 작아서 용기를 이루는 원자의 틈 사이로 엄청 잘 샌다. (어디까지나 일상 용어로 빗댄 설명이다) 게다가 폭발의 위험이 폭발한계 4~76 vol%일 정도로 높다.[26] 착화에 필요한 에너지는 혼합비에 따라 다르지만 담뱃불이나 정전기는 당연하고 심지어 배관 내에서 가스가 이동하면서 생기는 마찰열로도 폭발할 수 있다. 따라서 공업적으로 수소를 사용할 경우, 설비의 설치 후 사용 전이나 유지보수 전후 질소나 비활성 가스로 내부를 플러싱하는 귀찮은 절차를 거쳐야 하며, 수소 감지기를 덕지덕지 붙여야 하고, 폐가스 처리 시 남은 수소를 흡수하거나 태우는 설비를 반드시 설치해야 한다. 죽기 싫으면 말이다.
4.2.2. 수소 액화
수소의 끓는점은 -253°C로, 이보다 낮출 경우 액체가 되어 같은 부피에 많은 양을 운반할 수 있다. 영국의 린데(Linde), 미국의 차트(Chart), 일본의 가와사키중공업 등이 액화수소 기술에 앞서 있다.우주 분야의 연료 - 액체수소 활용의 시초는 1957년 시작된 우주 경쟁의, 소련의 R-7와 미국의 새턴 프로젝트다. 로켓에서 액체수소는 연료, 액체산소는 산화제다. 이 두 극저온 액체는 채우는 순간부터 급격히 기화되므로, 채워놓고 보관하는게 아니라 발사 직전에 충전한다. 또한 로켓의 무게를 가볍게 하고자 단열을 거의 고려하지 않고 연료통의 두께를 2 mm에 불과하게 만들었고, 액체수소는 이 두께 정도면 줄줄 샌다. 따라서 로켓 부피의 몇 배를 발사 직전까지 충전해야 하고, 점화 순간에는 로켓 하단부를 다 그을려 버릴 정도로 주변에 새 있다. (2018년 델타 로켓의 이런 점을 지적한 영상 #) 이런 문제들 때문에 연료로 등유(케로신)이나 메테인 등을 더 선호하기도 한다. 2020년대 아르테미스 계획의 로켓들은 탄소배출량을 고려해 액체수소를 쓰기로 한다.
액체수소의 생산 - 다단계의 히트펌프를 통한 냉각으로 크고 복잡한 설비가 필요하며, 상당한 전력이 사용된다.[27] 2022년 기준 대한민국은 SK E&S는 인천과 서산에서 연 28만 t으로 국내 최대, 효성중공업이 린데와 손잡고 울산에서 연 1만3천 t, GS칼텍스-지역난방공사-한국가스공사 등 16개 기관 컨소시엄은 평택에서 연 1만 t, 하이리움산업은 삼척에서 일 100 t, 두산중공업이 창원에서 일 5 t 생산계획을 발표했다. 이외에도 SK가스, 롯데케미칼-롯데정밀화학 등이 계획을 발표했다.
액체수소의 저장
- 보온병이나 냉장고처럼 스테인리스강 통에 다층단열재와 진공층 등을 감싼다. 초저온과 상온을 오가는 피로로 수명이 짧아질 수 있다.[28]
- 수소엔진이 너무 고온인데, 연료로 액화수소를 쓰면 그 자체가 냉각이 돼서 궁합이 좋다. 2006년 독일 BMW의 수소엔진 자동차 '하이드로젠7', 2015년 한국항공우주연구원의 수소엔진 드론, 2020년 미국~유럽의 수소엔진 수소선박- 수소비행기 구상 등의 접근이 있다.
- 2021년 1월, 한국철도기술연구원이 세계 최초 액화수소 열차 연구를 시작한다. #
- 2021년 10월, 한국전기연구원이 " 보온병 말고 냉장고면 계속 보관되지 않느냐?"는 접근으로 액화수소 40일 연속 보관에 성공한다. #
- 2022년 1월, 선박해양플랜트연구소, 하이리움, 한국조선해양, POSCO가 공동으로 액화수소 보관탱크를 제작해 선보였다. #
- 2022년 8월, 인도 INOXCVA가 두산에 283㎥ 액화수소 탱크를 납품했다. #
- 2022년 12월, 국가기술표준원이 액화수소 탱크의 국제표준화를 추진한다. #
냉동압축해 저장
- sLH2(subcooled, 과냉) 또는 CcH(Cryo-Compressed 또는 Cold-Compressed) 기술이라고 한다. 고압이면서 동시에 저온인 350~700bar+40K의 기체 상태는, 700bar압축기체(~40g/L), 20K액화수소(~70g/L)보다 더 높은 80~90g/L이 달성된다. 독일 BMW이 300bar짜리 탱크를 만들고 미국 LLNL에 납품해 2017~2018 동안 연구한 결과, 액화수소 탱크보다 부피는 절반이면서도, 액화수소의 최대 단점인 보관손실이 7일이 지나도 85%까지 지켜질 수 있었다. 미국 DOE가 2018년부터 온도와 압력의 조합을 늘려 후속연구를 진행한다.
- 2020년, 독일 다임러가 초임계상태로 액화수소를 보관하면 안정적인 보관기간을 1주일 이상 비약적으로 늘릴 수 있다는 연구방향을 발표하며, 차량 컨셉 디자인을 공개했다. #
- 2021년, 다임러가 프랑스 에어리퀴드와도 협업하기로 하고, 본 연구를 진행할 '다임러 트럭'을 자회사로 분사시켰다. #
- 2022년, 다임러가 자회사 메르세데스-벤츠 모델 기반 GenH2 트럭 실물과 충전시험을 선보였다. #
- 2023년, 다임러가 1회 충전으로 1,047km 주행 기록을 선보였다. #
- 2024년, 다임러가 영국 린데와 함께 본인들의 저장기술을 오픈소스 논문으로 공개했다. #
- 2024년, 베른(Verne)이 미국 육군이 주최한 압축액화수소 저장탱크 공모전에서 수상했다. #
액체수소의 운반
- 펌프를 통한 운반 - 후술하는 트럭이든 선박이든 수소충전소든 충전단자와 밀어줄 펌프는 필요하다. '액체수소펌프' 분야에 있어서 미국 크라이오스타가 앞서 있고, 유럽 린데/크라이오모티브, 일본 미츠비시/니키소, 한국의 디앨/광신 등이 있다.
- 트럭을 통한 운반 - (기체수소 압축 탱크로리가 1회 250~500 kg을 나르는 데 반해), 액체수소 탱크로리는 1회 3 t을 나를 것이 예상된다. # 2021년 5월, 하이리움-한국특장차가 협약을 맺어 국내 최초를 만들 것으로 기대되었다. # 2021년 11월, 디앨이 국내최초 1t(16kL) 운송용 탱크로리를 선보인다. #
- 선박을 통한 운반 - 2019년, 일본 가와사키중공업은 해상운송 시 암모니아가 액화수소보다 압도적으로 경제적이라는 결과를 냈다. 2022년 2월, 일본 가와사키중공업이 호주 헤이스팅스 항에서 액화수소 1250 m3을 실어 일본에 운송하는 시험을 또 한다. # 이후 2022년 4월, 유럽연합은 암모니아보다 LOHC가 해상운송에 더 적합하다고 결론낸다.
4.2.3. LOHC로 변환
액상유기수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier)는 유기화합물에 수소를 화학적 결합을 통해 저장하고, 운송하는 기술이다. 즉 평상시에는 일반 식용유 같은 액체로 존재하다가, 특정 온도 및 촉매 존재 하에서만 수소를 방출한다. 따라서 수소의 운송 측면에서 기존 석유화학 시설을 그대로 사용할 수 있으며, 다른 수소 저장/운송 방법에 비해 안전하고, 유출되더라도 매우 낮은 독성을 가지고, 별도의 시설 없이 굉장히 오랫동안 수소를 안전하게 저장할 수 있는 큰 장점을 가진다.높은 탈수소화 반응 온도가 보틀넥이라고 알려져 있지만, 사실 탈수소화 반응 온도는 암모니아 분해 온도(350도)와 유사하며 200도 이하에서도 수소를 방출할 수 있는 LOHC 개발이 이루어지고 있다. 또한 탈수소화 반응 시스템 효율 개선 연구 역시 활발히 진행중이다. 일본 치요다에서 이미 톨루엔을 활용하여, 호주나 브루나이에서 수소를 해상운송하는 실증사업을 하고 있다. 또한 독일 Hydrogenious사는 상용 열매체유인 dibenzyltoluene(Marlothemr SH)를 활용해, 유럽의 Blue Danube라는 프로젝트 하에 하루 5톤 규모의 수소를 저장하는 상용 설비를 구축하고 있다.
4.2.4. 암모니아로 변환
생산 - 수소와 질소를 '하버-보쉬 반응'으로 반응시키면 생산된다. 고온과 많은 전기에너지가 들어간다는 지적이 있었다.저장 - 아무래도 기체보다 액체의 형태가 선호되는데, 10기압 또는 영하 33도면 된다. 수소는 물론이고 LNG보다도 간편하다. 원래 대형 냉동창고 등의 냉매로 쓰일 정도로 증발열이 크므로 열차단과 약간의 냉각만 유지하면 잘 증발하지 않는다. 즉 전략석유 비축기지처럼 장기간 대량으로 초대형 지하저장탱크 등에 비축하기도 쉽다.
운반 - 암모니아 운반 선박은 이전부터 실용화된 화학운반선의 일종이므로 기술이 확보되어 있어서 실용성이 높다. 액화암모니아의 무게/부피당 에너지 운송효율은 대략 LNG 보다 약간 낮은 정도이다. 2019년 일본, 2020년 유럽이 '전기값이 저렴한 해외 개도국'에서 수소를 만들고, 이를 해상으로 자국에 들여오는 실증을 해서, 수소의 해상운송 시 암모니아 형태가 가장 경제적이라는 결론을 냈다. 하지만 2022년 4월 수소의 해상운송 시 LOHC가 가장 저렴하다고 결론이 바뀌었다.
사용 - 수소로 환원해 사용할 수도 있지만, 그냥 암모니아 자체를 연소 또는 내연기관 발전을 할 수도 있다. 어느 경우든 배출가스가 질소 뿐이므로 그린 수소라 할 수 있다. 아무래도 유독가스이므로 가정용이나 모빌리티용(자동차, 열차, 비행기)엔 어렵고, 발전소, 제철소, 화학공장, 선박연료 등 산업용에 적합하다. 그래도 산업계에서 100여 년 이상 냉동용이나 화학산업용으로 값싸게 대량으로 생산하고 안전하게 다루고 이용해 왔던만큼 안전기술이 확립되어 있다.
4.2.5. 가루로 변환
2021년부터 호주 커틴대학교 C.E. Buckley 연구팀이 수소를 수소화붕소나트륨으로 만들어 '가루 형태로 해상 무역'하는 방안을 연구한다. 수소화붕소나트륨은 암모니아보다도 20% 밀도가 높고, 물만 부으면 수소가 환원된다. 다만 수소화붕소나트륨을 만드는 전해과정이 비싼데, 이 전해조를 기존보다 20배 저렴하게 만들기 위한 연구인 것이다. #4.2.6. 고체 저장
'수소저장합금'이 대표적으로 알려졌고, 경제성-안전성 측면이 아직 미래기술이다. 액체수소가 70 g/L인데 고체수소는([math(\rm LaNi_5)] 기준) 90 g/L로 더 저장밀도가 높다는 장점이 있다. 고체와 수소를 같은 공간에 두고 압력을 높이거나 온도를 낮추어 수소를 저장하며 이 과정에 열이 발생한다. 반대로 수소를 꺼내고 싶으면 열을 투입한다. 따라서 이 발열/흡열도 활용하기 위해 모빌리티(차량)보단 건물에 사용될 것이 예상된다.기술연구는 크게 재료와 용해법에 집중되고 있다. 대표적인 종류로는 마그네슘계, 리튬계([math(\rm LiB_2)]), 티타늄계([math(\rm TiFe)]), 희토류계(미시(misch)계라고도 한다. 대표적으로 1968년 발견된 [math(\rm LaNi_5)]) 등이 있다. 금속계 외에도 착체계, 탄소계, 다공질 재료 등도 연구되고 있다. 또한 수소를 가압하는 기계(압축기)는 거의 차이가 없으니, 수소를 꺼내는 용해기술들이 연구되고 있다. 스컬멜팅(Skull melting), 가스애토마이징(Gas atomizing), 유도용해(Induction melting) 등.
2021년 독일 프라운호퍼연구소(IFAM) 마커스 보거트 박사 팀은 수소화 마그네슘을 끈적한 풀에 담은 '파워페이스트'를 선보였다. 물을 붓기만 하면 수소가 생산되며, 평상시엔 안전하다. 리튬이온 배터리(200~300Wh/kg) 대비 10배, 기체수소(1000~1300Wh/kg)보다도 높은 에너지밀도(1600Wh/kg)를 선보였다. 하지만 무게가 있어서 소형 전동기 분야에서 배터리를 대체할 것이 기대된다.
4.3. 활용
4.3.1. 화학
수소 그 자체가 반응물질인 경우다. 식품의 화학적 특성 변화, 텅스텐과 몰리브덴의 순수화, 반도체 결정층-폴리실리콘 석출 등에 쓴다.다른 기체를 제거하는 분위기 기체로 사용하기도 한다. 산소를 없애서 제강 제련에 쓰거나, 탄소를 없애서 분말야금제조에 쓴다.
4.3.2. 방사선
핵융합수소폭탄 - 흔히 수소 하면 떠올리는 수소폭탄이 이 핵융합 반응을 이용하며, 핵융합 반응의 재료가 수소여서 수소폭탄이라고 불리는 것이다. 현재 강대국들의 현역 핵무기의 형태는 모두 이 수소폭탄이라 세부 설계까진 공개되지 않으며, 원자폭탄은 현재 거의 퇴출된 상태다.
야광 - 수소의 동위원소인 삼중수소는 약하지만 방사성을 띠고 있어 야광 재료로 쓰이기도 한다. 대표적인 것이 K2소총의 가늠쇠에 있는 야간전투트리튬. 형광 물질과 섞어 희미하게 푸른 빛을 내도록 구성한다. (삼중수소 자체가 발광하지는 않는다.) 방사성 물질이라 피폭의 우려가 있다지만 양이 워낙 미량이고 방사선 자체도 투과력이 비교적 약한 편( 베타선)이라 걱정 안 해도 된다.
4.3.3. 연소
수소를 산소와 잘 섞은 다음 불을 붙이면 폭발하면서 물이 된다. 이때 수소는 연료, 산소는 산화제, 폭발은 급격한 연소과정이다. 수소의 연소 범위는 농도 4~75%로 대단히 높다. 이 정도로 높은건 아세틸렌 2.5~81% 정도이다. 위험도는 17.75로 굉장히 높으며 폭굉이라고 하여 음속의 3배가 넘는 속도로 폭발한다.[29]4.3.3.1. 로켓
대기권 밖에 산소가 없으므로 산소도 싣는다. 적은 부피에 많은 양을 싣기 위해 수소와 산소 둘 다 극저온의 액체 상태로 투입한다.[30]
4.3.3.2. 제트 엔진
대기권 내에서 산소를 외부 조달할 수 있는 비행기에 쓰이는
램제트 엔진 등에도, 수소가 연료로 고려되고 있다. 당연히 기존 화석연료 사용에 비해 탄소배출을 줄이기 위해서. 하지만 수소자동차의 경우처럼
수소비행기는 연료전지 방식이 유럽
에어버스와 미국
보잉 등 주류에서 더 검토되고 있다.
4.3.3.3. 터빈
기존의 화력 발전소는 주로 석탄/가스를 태워서 그 열로 물을 끓여 증기로 터빈을 돌리는 원리이다. 화석연료인 석탄/가스의 사용이 점차 금지되면서, 여기에 수소/ 암모니아를 점점 섞어서(혼소), 나중엔 수소/암모니아만 태우는 방식으로 변경하려 한다. 상대적으로 차가운 수소가 혼입되면서 터빈의 작동중 마찰열-전열을 제거하는 냉각효과를 보기도 한다.- 2021년 9월, 한국남부발전은 행정중심복합도시에 LNG에 수소를 혼소하여 630MW의 전력을 생산하는 신세종빛드림발전소를 착공했다. #
- 2022년 2월, 일본 가와사키중공업의 터빈 설계 기술을 삼천리그룹이 배워오고 있음을 밝혔다. #
- 2022년 5월, 두산중공업과 한국전력공사가 독자 연구하여 2024년까지 실험, 2027년 발전소 도입 목표를 밝혔다. #
- 2022년 7월, 일본 미쓰비시 중공업이 미국 가스화력발전소에서 20% 혼입을 성공했고, 탄소배출을 7% 줄였다. #
- 2024년 4월 1일, 일본 발전회사 제라(JERA)와 중공업회사 IHI가 헤키난발전소에서 석탄+암모니아 혼소를 시작했다. #
- 2024년 5월 9일, 효성중공업은 2024년 5월 100% 수소만을 연소하는 발전기를 상용화했다. 아직은 1MW 규모의 소형이지만 개발사 측의 설명에 따르면 석탄 발전에 비해 연 7,000톤의 이산화탄소를 저감하는 효과가 있다고 한다. #
- 2024년 5월 12일, 한국중부발전은 보령화력발전소에 위치한 LNG를 사용하는 복합화력발전기에 수소 30% 혼소를 추진하며 이를 통해 온실가스 배출량을 10.6% 줄일 수 있다고 설명했다. #
- 2024년 5월 14일, 핀란드 환경단체 CERA와 한국 환경단체 기후솔루션은 공동으로 "암모니아 혼소발전은 탄소감축 효과는 적고, 미세먼지 발생만 늘어난다"는 연구결과를 발표했다. #
4.3.3.4. 엔진[31]
지상의 교통수단에도, 석유 내연기관과 비슷한 시기에 '수소 내연기관' 역시 검토되었지만, 반응이 너무 폭발적이어서 제어가 어려웠다. 1979년 BMW가 '하이드로젠' 모델을 내놓으며 수소 내연기관 자동차 역시 안정적 제어가 가능함을 선보인다. 하지만 2006년 '하이드로젠 7' 모델을 끝으로, BMW 역시 수소 내연기관 자동차를 포기하고 수소 연료전지 자동차 쪽으로 선회한다.[32] 2021년 이후 토요타가 기술을 부활시키려는 모습을 보인다. 수소자동차 문서 참고. 이외에도 가스 연료의 효율을 나타내는 메탄가의 기준 물질로도 쓰인다.[33]4.3.3.5. 도시가스
심지어 2020년부터 영국에선 도시가스 배관에 수소를 20%까지 섞어서 가정의 보일러와 가스레인지에 사용하는 데에 아무 문제가 발생하지 않음을 발견한다. 도시가스에 수소를 섞자는 이유는 당연히 기존에 LNG( 도시가스)만 연소하는 것에 비해 탄소배출을 줄일 수 있기 때문. 2021년부터 한국도 #, 호주도 # 섞는다. 이는 수백만 톤의 수소 수요를 낳아, 생산업체들에게 생산과잉이 되어도 값이 폭락하지 않으리란 믿음을 준다고.4.3.4. 연료전지
수소와 산소를 격렬한 반응인 연소가 아니라, 전해질과 촉매 하에서 느리게 반응할 경우 전자의 흐름인 전기도 생산이 가능하며, 이러한 장치를 연료전지(Fuel Cell)라고 한다. 발전량과 비슷한 양만큼 열도 생산되므로, 이 열을 공기 중에 버리지 않고 온수-난방에 활용하는 등의 연구가 이뤄지고 있다.
4.3.5. 부력
비행선, 열기구 - 1783년 6월 프랑스에서 몽골피에 형제가 수소를 이용하여 열기구를 6천명 앞에서 선보인다. 소문이 퍼지자 루이 16세도 이에 흥미를 가져 베르사유 궁전에 이들을 8월에 초청하고, 열기구는 40만 군중 앞에서 대성공을 이룬다. 이후 수소 열기구-비행선은 도버 해협 횡단, 전쟁 시의 공군, 대서양 횡단 등으로 150여년간 점차 쓰임새가 늘어났다. 하지만 안전문제 우려로 수소보다 10배 비싸고 4배 무거운 헬륨이 쓰이기 시작한다. 그러다 1937년 독일에서 LZ 129 힌덴부르크호가 헬륨용으로 제작되었음에도 수소를 무리하게 넣어서, 정전기 스파크에 의해 폭발하는 참사가 벌어졌다.[34] 이 무렵 수송용량도 많고 속도도 빠른 비행기 산업도 성장하였기에, 현재는 관광목적의 비행선-열기구만 남게 된다. 다만 무인 비행선에는 여전히 수소를 사용하기도 한다.풍선 - 헬륨에 비해 가격이 매우 저렴한 탓에 풍선에도 주입되는 경우가 있다. 당연히 작은 스파크로도 폭발할 수 있는 만큼 안전사고가 끊이지 않았으나,[35] 2000년대 중반까지만 해도 처벌규정이 없었던 탓에 대형 테마파크가 아닌 중소형 놀이공원이나 일부 파티용품점에서는 수소가스를 풍선에 주입해 판매하던 경우가 적지 않았다.[36] 결국 2008년 고압가스안전관리법 개정[37]으로 풍선 및 애드벌룬에 수소를 주입할 시 처벌받게 되어 현재 한국에서는 풍선 충전에 수소가 더이상 사용되지 않는다. 하지만 해외에서는 아직도 수소 풍선 폭발 사례가 간간히 보도되기에[38] 해외에서 헬륨풍선을 구매한다면 주의할 필요가 있다.
음성 변조 - 수소나 헬륨은 흡입했을 시 목소리가 얇게 바뀌는 효과가 있다. 수소든 헬륨이든 조금만 흡입하는 정도면 건강에 딱히 문제가 없지만, 산소 보충 없이 연속해서 흡입할 경우 산소부족증으로 문제가 생길 수 있으니 주의해야 한다. 그리고 수소 특유의 반응성 때문에 화기는 필수적으로 멀리한 상태에서 하자.
5. 여담
5.1. 사건사고
전해 축전기(커패시터)가 수명이 다 되면 부풀어 오르는데 이를 임신이라 하며, 불룩한 부분에 구멍이 나면 전해액과 함께 전기분해 된 수소 기체가 흘러나오는데 어떤 방식이든 반응을 일으켜 불이 붙게 되면 폭발한다. 파워서플라이가 주로 이런 식으로 터지며, 품질이 나쁜 파워서플라이를 묻지마 파워라고 부른다.2019년 5월 23일, 강릉 과학단지 수소탱크 폭발 사건이 발생했다. 이는 대한민국의 수소법 제정에까지 영향을 준다.
2021년 12월 28일, 서산에서 압축 기체수소 트레일러 330kg을 대전으로 운반하던 트럭이 고속도로에서 화재가 났다. 뒷바퀴의 브레이크(라이닝)가 과열된 '타이어 화재'였고, 수소탱크는 열리며 위쪽을 향해 수소를 뿜었고, 불에 수소가 닿아 연소되며 20m의 불기둥이 생겼다. 유출물이 아래로 깔려서 운전자와 주변이 피해를 입는 가스-석유차량에 비해 오히려 수소 용기의 안전성을 알렸다는 평가가 나왔다. #
2022년까지 10년간 대한민국의 사고 건수는 23건에 달했다. #
5.2. 박물관
수소안전뮤지엄 - 2022년 12월, 한국가스안전공사가 충북혁신도시에 개소했다. 수소안전뮤지엄 홈페이지2019년 3월, 국립중앙박물관이 2개월간 수소를 주제로 팝업 전시회를 진행했다. # 이후 해당 전시물들을 타 박물관들에 임대해주곤 한다.
2020년 6월, 김기덕 서울시의원이 마포구 상암동 '서울에너지드림센터' 옆에 '수소체험박물관' 건립을 제안했다. # 하지만 해당 의원이 2023년 4월 해당 위치에 '난지도 문학관'을 대신 짓자며 제안을 철회했다. #
5.3. 유사과학
수소수 - 일본발 유사과학으로, 2019년에 본격적으로 사기꾼들이 대한민국에 유행시키려 하자 식품의약품안전처 및 전문가들이 대중에게 주의를 알렸다.수소방 - 일본발 유사과학인 음이온과 수소수 타령의 파생이다. 수소가 전자를 하나 더 가진 음이온 상태의 활성수소가, 신체의 활성산소와 만나면 항산화 효과가 있지 않겠냐는 것. 전문가들은 활성수소가 신체 구석구석 전달되지도 않거니와, 섭취는커녕 접촉 자체가 위험한 독약이라고 일침했다. #
5.4. 기타
캐나다에서는 수력발전(Hydroelectric power)회사 Hydro를 전기의 대명사로 삼는다. 호치케스, 포스트잇 같은 경우.1997년, 미국의 한 중학생이 물을 일산화이수소라 하여 위험한 물질인 것처럼 묘사하며 금지하라고 주장한 탄원이 성공하여, 이공계의 대표적인 농담으로 자리매김한다.
2006년 1월 7일, 위기탈출 넘버원 24회에서는 수소풍선의 위험성을 방영했다.
2014년 9월 7일, 한국의 모 학교 교실에서 헬륨과 수소의 폭발력을 학교 교실에서 직접 실험한 비범한 영상이 화제가 되었다. #
2016년 1월 16일, 북한의 4차 핵실험과 함께 북한이 수소폭탄을 만들었다고 주장한다. 이에 한국에서 "수소폭탄 2개에 산소폭탄 1개 터뜨리면 물폭탄이 되는 거냐, 수소폭탄이 날아오면 암소폭탄으로 받아치면 되냐" 등의 농담이 유행했다.
2016년 2월 20일, 한 결혼식의 주례를 선 교수가 축사로 '산소와 수소가 만나 물이 되듯'이라 하자, 이과 하객들이 ' 수소는 둘 필요한 것 아니냐'며 수근댔다고 한다. #
알루미늄부터 아르곤까지의 원자 번호를 가지는 원소처럼 원자번호와 족 수가 같은 원소이며, 유일하게 원자 번호와 주기 수가 같은 원소이다.
6. 둘러보기
| 수소의 동위원소 | ||
| 경수소 | 중수소 | 삼중수소 |
[1]
‘하늘색’을 쓰기도 하지만, 이는 주로 H2O 설명 모형에 한정하고, 유기화학에서는 질소(파란색)과 구분하기 위해 대부분 흰색을 쓴다.
[2]
현대 그리스어로는 υδρογόνο
[3]
아니면
앵글리시나 다른 게르만어 계열처럼 아예
waterstuff로 순수한 게르만계 영어로 바꿔서 쓰는 경우도 있다.
[4]
물을 이루는 다른 원소인 산소(酸素)는 '산을 이루는 원소'라는 뜻을 가지고 있다. 하지만
염산같이 산소가 포함되지 않은 산들이 발견되면서 산소와 수소의 이름이 서로 뒤바뀌어 있다는 사실이 밝혀졌다. 실제로 산의 성질은 산소가 아닌 수소 이온이 물에 녹으면서 발생한다. 확장된 정의인
루이스 산염기나 용매계 개념에서는 꼭 수소 이온이 있을 필요는 없다.
[미실증]
이론상 가능하나 실험적으로 입증되지 않음.
[미실증]
[7]
AME2020,Nubase2020
[8]
단, 경수소의 이온은
인([math(rm P)])의 존재 때문에 [math(\rm P^+)]가 아닌 그냥 [math(\rm H^+)]으로 표기한다.
[9]
단, 생물학 분야에서는 [math(\rm H^+)]라고 써도 hydron이라 읽지 않고 [math({}^1\rm H^+)]를 의미하는 proton이라고만 읽는다. 동위원소의 존재량이 자연계에서 무시할 수 있을 만큼 적은 것도 있고 중수소만 하더라도
수소결합 등의 결합 에너지가 달라 각종 생체 내 반응에서 프로톤과 비교했을 때 화학적으로 유의미한 차이가 나타나기 때문이다.
[10]
당장 주기율표에서 수소 아래에
무엇이 있는지를 생각해보면, 꽤나 의미심장한 부분이다.
[11]
이는 지구의 내부 기압보다도 1.4배 정도 높은 수치다. 초고압 환경을 만들기 위해 금강석 모룻간(Diamond Anvil Cell)이라는 장치를 이용한다.
[12]
사실 이건 좀 애매한데, 현재 인류가 중력에 의한 빛의 굴절현상인
중력렌즈 이 외의 방법으로 관찰할 수 있는 물질은 전체의 16% 정도밖에 안 된다.(관찰 불가능한 84%를
암흑물질이라고 부른다.) 그 16% 중에서 75% 정도는 수소이고, 나머지 25%는 헬륨이다. 그보다 무거운 원자들은 우주 전체로 보았을 때 워낙 극소수라서 숫자로 나타내기도 민망할 정도이다.
[13]
예를 들어
방향족 탄화수소 문서에서 분자구조를 그려 놓은 이미지를 보면 탄소 사이의 연결은 선으로 표시하지만 각 꼭지점에 수소가 연결된 것은 별도로 표시하지 않는다.
[14]
중력은
질량에 비례한다. 지구의 중력으로 수소를 잡아두기엔 수소는 너무 가볍다. 우주에 그렇게 풍부한 수소가 지구 대기권에는 0.00001%도 존재하지 않는다.
[15]
이를 지적하면 대개 "전기를 이용하면 물에서 쉽게 얻을 수 있다"고 둘러대는데, 이 역시 거짓이다. 물을 전기분해하는 데 들어가는 전기가 이를 통해 얻는 수소로 발생시킬 수 있는 에너지보다 훨씬 크며, 지구상에는 친환경적 즉, 유독물질이 나오지 않게 전기분해하여 사용할 수 있는 담수가 매우 부족(지구상에 존재하는 물의 대부분은 염수, 즉 바닷물이며 이를 전기분해하면 - 극에서 수소 기체가 나오기는 하지만 독가스인
염소 기체도 + 극을 통해 함께 발생한다. 그 이유는 바닷물에 염화나트륨 등 염화물이 녹아있기 때문인데, 염화물이 바로 염화 이온이 결합되어 있는 화합물이므로 이를 전기분해하면 + 극에서 염화 이온이 끌려와 전자를 내어놓고 염소 기체가 되어 빠져 나오게 된다. 물론 이때 수산화 이온도 같이 + 극에 끌려오기는 하지만, 염화 이온이 수산화 이온보다 전자를 내놓는 경향이 더 크기 때문에 염화 이온이 모두 염소 기체로 빠져 나올 때까지 수산화 이온은 그대로 바닷물 속에 남는다.)하기 때문에, 수소는 거의 전부 천연가스 및 석유 부산물에서 추출한다. 전기차와 수소연료전지차의 대립에서 수소연료전지차가 항상 지적받는 부분이기도 하다. 전기분해는 화학실험에서나 이용하는 방법.
[16]
과거에는 수소의 전기 음성도를 2.1로 정의했으며, 이후 2.2로 재정의되었다. 화학 교육과정 상에서
플루오린의 전기 음성도가 4.0이므로 이를 기준으로 삼았다고 적혀 있는데, 그 값이 틀린 것은 아니나 기준이 되는 것은 아니므로 거짓이다. 플루오린의 전기 음성도는 3.98이다. 하지만 보통 전기 음성도를 소수 첫째 자리까지 표기하기 때문에 편의상
반올림 하여 4.0으로 표기한다.
[17]
아직 마땅한 한국어 용어가 없다. 같은 한자권인 일본의 경우 '부생수소'의 반댓말을 '목적생산(目的生産)'이란 전혀 다른 용어를 쓴다. 본 문서는 한국어의 주산물-부산물 관계에 착안해 임의로 '주생'이라는 용어를 사용했다.
[18]
2021년 시점까지도 수소 생산의 99%가 이래서 문제가 제기되었다.
[19]
공정 전체가 탄소를 배출하느냐 여부가 논쟁적이다. 긍정 측에서는 그린 수소와 같이 보아야 한다고 주장한다. 부정 측에서는 2021년 블루 수소의 탄소 배출량도 그레이 수소의 88~91%에 달한다는 연구를 발표하기도 했다.
#
[20]
따라서 이 방법은 그린수소(탄소배출 0)도 넘어서, 탄소배출이 마이너스다!
[21]
한국의 일부 정치인들은 '개질'의 어감이 안 좋은지, '추출'이라는 용어를
따로 쓰기도 했다.
[22]
참고로 중성자선의 투과력은
감마선과 견줄만 한 수준이다.
[23]
원자핵을 이루지 못하고 따로 노는 중성자의 평균 수명은 15분 가량이다.
[24]
2021년 요소수 대란이 보여주었듯, 전세계에서 가장 수소생산이 저렴한 중국 산시성 석탄산지에서 수소를 세계로 수출한게 아니라, 바로 요소/요소수를 만들어 판 것이 가장 저렴했던 것.
[25]
한국도
포스코 등을 통해 뒤늦게 포테스큐와 협력사업을 펴고,
수소선박 추진단을 꾸린다.
[26]
수소가 공기 중에 부피비로 4~76% 내의 비율로 존재하면 폭발이 가능하다는 얘기다.
[27]
열공학, 저온공학 전공서적에 나오는 이 다단냉각 사이클은 무려 '린데'의 이름이 붙어있다.
에어컨의 발명자 '캐리어'씨의 이름 회사가 남아 있듯.
[28]
엿이나
달고나가 차가우면 잘 깨지듯, 금속도 이 정도로 차가워지면 잘 깨진다! 그리고 270도 이상 온도변화가 자주 있으면 팽창-수축으로 인해 용접부 등이 깨질 수 있다.
[29]
착각하는 사람이 의외로 많지만 상술한 수소폭발과는 완전히 다르다.
[30]
2021년 10월, 북한은 '
이중잣대' 논리를 펼치며, "남측도
누리호를 쏘고, 북측도
광명성을 쏘는데 왜 우리만
경제제재냐"라고 주장한다. 하지만 북한의 로켓은 탑재물(위성) 보호장치가 없어 탄두를 싣는 군사용임이 명백하다. 또한 하이드라진을 연료로, 적연질산을 산화제로 사용하는데, 둘이 독극물이라서 군사용임이 명백하다.
# 극저온 산화제인 액체산소를 사용하지 않고 상온 액체를 사용해 발사시간이 신속한 것은 비난할 수 없는 게, 이미 미국-러시아 등에선 즉각발사 가능한 고체연료 로켓도 일반적이고, 한국(
포방부) 또한 고체연료 로켓을 2024년까지 발사할 계획이다.
# 자세한 정보는
대한민국의 우주개발사 문서 참고.
[31]
엔진이라는 단어가 이와 같은
내연기관 뿐만 아니라, 상단의 로켓, 제트엔진, 터빈 등
외연기관도 포괄하기도 한다.
[32]
2006년
BMW 하이드로젠7 차량 가격이 1억 3천만 원이 넘었다. 그런데 이듬해인 2007년 연료전지를 이용하여 만든 현대 투싼 가격도 이 정도 했다. 그러다 2013년 현대 투싼과 도요타 미라이가 '1천 대 양산하여 가격을 낮춰' 8500만 원을 만들었고, 이후 2018년 현대 넥쏘는 '1만 대를 양산하여 가격을 낮춰' 6800만 원선까지 내렸다.
BMW가 수소 내연기관 차량 개발 및 생산을 놓지 않았다면 수소 연료전지 차량과 비슷하거나 더 나은 경제성을 가진 모델을 만들어 냈을지도 모른다.
[33]
'메탄'가라는 이름에서 보듯
메테인 100%가 메탄가 100이고, 수소는 메탄가 0을 나타내는 기준 물질로 쓴다.
[34]
따라서
힌덴부르크 참사를 비행선의 위험성 사례로 드는 것은, 가솔린차에 디젤을 넣었더니 고장이 났으므로 가솔린 차는 위험하다 수준의
억지 비난이다.
[35]
애드벌룬 폭발,형제 화상
어린이용 은박 놀이풍선, 수소가스 넣은 풍선 위험
[36]
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[37]
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[38]
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