Natural Hydrogen, the Ultimate Green Energy: Current Status and Prospects

Natural hydrogen is green hydrogen that is naturally produced on Earth, that is, an energy source that does not emit carbon without using additional energy for production. Since carbon is emitted from the existing gray hydrogen and blue hydrogen, green hydrogen with perfect eco-friendliness has been required. Natural hydrogen is produced through four mechanisms: serpentinization, radioactive decomposition, magma gas removal, and rock destruction and can exist in the dissolved ․ content of fluid mammals. Representative sites discovered to date include Mali, Africa, Brazil, and Australia, and each topography has different characteristics. Although reserves are estimated using geochemical and geophysical exploration technologies, the reliability is not high because the deep hydrogen flow in various geological environments is not considered. Based on this, this study drew the following conclusions. 1) Hydrogen can realize carbon neutrality with high energy content and independence, but 2) economic feasibility cannot be evaluated due to the uncertainty of the reserves and current reserves of natural hydrogen. Therefore, 3) for commercial use, leakage detection technology is required along with an understanding of the mechanism for generating natural hydrogen.

Key words: Natural Hydrogen, Green Hydrogen, Carbon Neutrality, Hydrogen Energy

요약

자연수소란 지구 내에서 자연적으로 생산되는 그린수소, 즉 생산에 부가적 에너지를 쓰지 않으면서 탄소를 배출하지 않는 에너지원을 말한다. 기존의 그레이수소와 블루수소 등에서는 탄소가 배출되기 때문에 완벽한 친환경성을 갖춘 그린수소를 필요로 해왔다. 자연수소는 사문암화 작용, 방사성 분해, 마그마 가스제거, 암석 파괴 네 가지의 기작을 통해 생성되며 자유기체･유체포유물 내 함유물･용해 상태로 존재할 수 있다. 현재까지 발견된 대표지는 아프리카 말리와 브라질, 호주 등이 있으며 각각의 지형에 따라 차별된 특성을 나타냈다. 지구화학적･지구물리학적 탐사 기술을 이용하여 부존량을 추정하고 있으나 다양한 지질환경의 심층 수소 흐름을 고려하지 않은 값이기 때문에 신뢰도가 높지 않다. 이를 토대로 본 연구에서는 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1) 수소는 높은 에너지함량과 자립성을 가지기 때문에 탄소중립 실현을 가능하게 하지만 2) 현재 자연수소의 부존량과 매장지가 불확실하기 때문에 경제성을 평가할 수 없다. 따라서 3) 상업적 사용을 위해서는 자연수소의 생성기작 파악과 더불어 누출 감지 기술이 필요하다.

주제어: 자연수소, 그린수소, 탄소중립, 수소에너지

1. 서 론

기후변화를 막기 위해서 친환경적인 재생에너지 및 탄소격리 기술이 개발되고 있으며, 사회 다각도의 측면에서 기후변화위기 극복을 위한 다양한 시도가 이뤄지고 있다[1-26]. 그 중, 수소기반사회는 기후변화대응을 위한 대안으로 제시되고 있다. 수소경제는 수소가 주 에너지원이 되는 경제 산업구조를 뜻한다. 수소는 청정에너지원이자 에너지 저장 수단으로서 가치가 충분하다[27]. 현재 국가적 차원에서 수소 수요를 만들어내기 위해 노력하고 있다. 미국의 경우, 2021년 연방교통법(Bipartisan Infrastructure Law)에서 청정 에너지 및 그리드 관련 650억 달러, 전국 전기 자동차 충전소 네트워크 구축 75억 달러 등 환경 및 기후 분야에 대규모 투자를 하겠다고 밝혔다[28].

우리나라는 2019년 ‘수소경제활성화로드맵’을 발표하여 수소차 및 연료전지를 기반으로 수소경제 선도국가를 달성하는 것을 목표로 하고 있다. 성장을 이룰 경우 수소 수요는 2030년 194만 톤, 2040년 526만 톤 이상의 수준을 만족할 것으로 예상하고 있다. 특히 2030년에는 전체의 50%를, 2040년에는 70%를 친환경 수소로 공급할 계획이다[29].

수소는 생산방식 뿐만 아니라 생산 과정에서 사용되는 원료 및 생산 기술, 친환경성 정도에 따라 색깔별로 총 7가지로 구분된다.

첫 번째로 ‘그레이수소’는 화석연료와 천연가스에서 추출하는 수소이다. 그레이수소는 현재 생산되는 수소의 95% 이상을 차지할 만큼 가장 보편적으로 사용되고 있지만, 수소 약 1 kg을 생산하는 데 이산화탄소 10 kg을 배출한다는 단점이 있다[30].

두 번째는 그레이수소의 한계를 보완한 ‘블루수소’이다. 그레이수소와 생산 방식은 같으나 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집, 활용 및 저장(CCUS) 기술로 제거하기 때문에 온실가스 배출을 최소화한다[30].

세 번째는 수소 생산과정에서 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 ‘그린수소’이다. 태양광, 풍력 등 재생에너지에서 생산된 전기로 물을 분해해 생산하므로 궁극의 청정에너지로 주목받고 있다[30].

이 외에도 메탄 열분해 기술로 만드는 ’청록수소’, 재생에너지가 아닌 기존 전력망을 통해 물을 분해하여 생산하는 ‘황색수소’, 원자력발전을 통해 생산된 전기로 물을 분해해 생산하는 ‘핑크수소’, 석탄을 개질해 수소를 생산하는 ‘블랙수소’가 있다[30].

그레이수소가 이산화탄소를 대량 배출함에도 불구하고 보편적으로 사용하는 이유는 경제성 때문이다. 그레이수소에는 부생수소와 개질수소가 있는데, 먼저 부생수소는 석유화학 제품 생산 공정에서 부가적으로 얻을 수 있기 때문에 추가설치 및 투자비용이 들지 않아 생산비용이 저렴하다. 또한 개질수소는 천연가스를 이용하고 있어 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있다[31].

반면, 친환경 수소 생산을 위해서는 많은 전력을 사용해야 한다. 블루수소 공정에서 포집된 이산화탄소는 처리비용이 높아 총 생산비용이 높다. 그린수소 공정에서는 신재생에너지로부터 전력을 얻는 것이 생산 단가가 높고, 수전해 설비는 아직까지 효율이 낮으며 마찬가지로 단가가 높기 때문에 보편화가 어렵다. 대표적인 컬러수소 3가지의 생산단가를 비교해보면 그레이수소 0.5~1.7 $/kg H₂, 블루수소 1~2 $/kg H₂, 그린수소 3~8 $/kg H₂로 이 중 가장 저렴한 것은 그레이수소임을 알 수 있다[32].

그레이수소는 경제성을 가지고 있음에도 불구하고 생산과정에서 탄소를 배출하기 때문에 탄소 중립의 측면에서 근원적인 문제를 해결하지 못하고 있다. 탄소 중립을 위해서는 태양, 바람 등과 같은 천연자원에 지나치게 의존하지 않으면서 이산화탄소를 배출하지 않는 새로운 대안이 필요하다. 그 대안으로 최근 자연수소에 대한 논의가 활발하다. 자연수소는 화합물의 형태가 아닌 수소가스의 형태로 지구의 땅속에 묻혀 있는 수소이다. 자연수소는 지질학적, 지구화학적 과정을 통해 자연적으로 발생한다[33].

자연수소는 1987년 서아프리카 말리의 바마코에서 처음 발견되었으나, 활발한 연구가 이뤄지기 시작한 것은 A. Prinzhofer, C.S.T. Cissé, A.B. Diallo의 2018년 서아프리카 말리의 부라케부구(Bourakebougou)에서 대량의 자연수소를 발견하였다는 발표 이후로 약 10년도 채 되지 않았다. 자연수소에 대한 연구가 가속화되지 않은 이유는 경로 의존성 및 탐지 시스템 설계의 문제라고 추측할 수 있다[34]. 수소는 쉽게 산화가 되기 때문에 물분자나 탄화수소와 같은 유기화합물의 분자 내에서 주로 발견된다. 자연에서 자유기체로서 수소가 존재하는 것이 드물다는 선입견은 감지 시스템과 가스 샘플 분석 방법을 개발하는 방식에 영향을 끼쳤을 수 있으며, 현재 대부분의 지구과학 탐사에 사용되는 휴대용 가스 분석기에는 H₂ 센서가 포함되어 있지 않다. 또한, 20세기 산업혁명 이후 화석 연료의 수요는 급격하게 증가하였고, 탄화수소 매장량에 관해 주로 연구하였다. 이 과정에서 H₂의 흐름은 간과하였을 수 있다[34]. 따라서 아직 자연수소는 연구 초기 단계에 있어 어떻게, 얼마나 생성되고 이동하며 축적되는지 등 탐사, 개발에 관한 연구가 많이 이루어지지 않았다.

현재까지 이루어진 선행연구에 대해 살펴보면, 2014년 ‘Abiotic Gas: A typical, but not rare(Giuseppe Etiope, Martin Schoell, 2014)’의 논문을 통해 화산 및 지열 유체에서 형성되어 발견된 비생물적 가스의 존재를 알게 되었다. 추후 2018년, 비생물적 가스 중에 수소가스도 포함 되어 있으며 ‘Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou, Mali(Alain Prinzhofer, Cheick Sidy Tahara Cissé, Aliou Boubacar Diallo, 2018)’을 통해 서아프리카 말리에서 자연수소의 대량 축적을 발견하면서 자연수소는 세상에 알려지게 되었다.

2020년, 자연수소에 대한 리뷰가 이루어진 논문 ‘The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review(Viacheslav Zgonnik, 2020)’이 발행되어 자연수소의 발견 현황, 위치, 잠재성 등 자연수소에 대한 많은 정보를 제공하며 사람들의 관심을 얻게 되었다.

이후 한국에서는 ‘대륙 암석권에서 무기 자연 수소의 성인과 부존 형태’(김형수(고려대학교), 한국광물학회, 2022), ‘미래 에너지원으로서 자연 수소의 발생, 기작과 분포에 대한 고찰’(차지혜(강원대학교), 이진용(강원대학교), 대한지질학회, 2023) 등 자연수소에 대한 논문이 차례대로 발행되면서 선행 연구가 차츰 이루어져 가고 있음을 알 수 있다.

본 연구는 자연수소에 대한 최신 연구들을 종합하여 이에 대한 이해를 심화하고, 나아가 현 단계에서의 개선점을 찾아 자연수소가 미래 에너지원으로서 가지는 중요성을 탐구하고자 한다.

2. 자연수소의 정의 및 특징

수소는 주기율표의 가장 첫 번째 화학 원소로, 원소 기호는 H이다. 수소는 우주 질량의 75%, 원자 개수로는 90% 이상을 차지하며 지구에서는 탄소, 질소 다음으로 풍부한 원소이다. 수소는 현재까지 발견된 원소들 중 가장 간단한 구조를 가지며, 저장이 가능하기에 다양한 용도로 활용이 가능하다[35]. 수소와 메탄의 고위발열량을 비교했을 때, 수소는 142 MJ/kg (13 MJ/m3), 메탄은 53 MJ/kg (39 MJ/m3)으로 수소가 단위질량당 더 많은 에너지를 함유하는 걸 알 수 있다[36].

수소는 연료로 사용될 때 유해물질을 배출하지 않아 청정에너지원으로써 각광받고 있다. 자연수소는 화이트 수소 또는 골드 수소라고 불리며 흔히 알고 있는 화석연료에서 수소를 추출하는 그레이수소나 재생에너지를 이용하는 그린수소와는 구별된다. 자연수소는 지구 내부 에너지에 의한 반응으로 지각이나 맨틀 내에서 무기적으로 생성되는 수소로 정의된다. 지금까지 수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 석유나 천연가스의 열분해나 물의 전기분해를 통하는 등 화합물의 형태에서 수소를 분리해야 했다. 하지만 자연수소는 수소 가스의 형태로 지하에 저장되어 있기 때문에 포집만 가능하다면 수소를 분리하는 과정이 필요하지 않다. 또한 지속적으로 생성되기 때문에 재생 가능하고, 무공해이며, 기존 수소연료에 비해 낮은 비용으로 이용이 가능한 친환경 에너지원이다[37].

자연수소가 지닌 특징을 5가지로 분류하였다.

1) 온실가스 배출 저감 : 자연수소를 이용하는 것의 환경적 이점 중 하나는 온실가스 배출 저감이 가능하다는 것이다. 자연수소는 천연가스와 달리 탄소를 포함하지 않는다. 게다가 수소는 연료로 사용될 때 연소하며 부산물로 수증기만을 배출하기 때문에 탄소 배출이 없어 환경친화적이라고 할 수 있다. 또한, 자연수소는 탄소 집약도(CI, Carbon Intensity)를 낮추는 방식으로 생산될 수 있다. 전 과정 평가(LCA, Life Cycle Assessment)를 통해 자연수소의 생산으로 발생할 수 있는 CI값의 범위를 추정하였을 때, 일반적인 자연수소 생산 공정 중 특정 가정하에 낮은 CI를 가진 자연수소를 추출하는 것이 가능하다. 게다가 자연수소 추출 시 수소 비율이 높은 매장지의 경우 온실가스 집약도가 낮다[38].

2) 재생가능한 에너지원 : 자연수소는 지질학적, 지구과학적 과정을 통해 지속적인 생산이 가능하기 때문에 유한한 화석연료에 대한 의존을 줄일 수 있다[33]. 현재 매장되어 있는 유기 퇴적물이 석유와 가스로 변하는 데는 수백만 년이 걸리지만, 자연수소는 다양한 생성 기작을 통해 지속적으로 생성된다. 또한, 기존의 수소 생산 방식은 물에서 가수분해 과정을 통한 방식이므로 에너지가 소요되어 경제적으로 비효율적이다. 반면 자연수소는 지구 시스템 내에 축적되어 있어 수소 생산 과정이 필요 없기에 더욱 효율적인 이용이 가능하다는 점이 특징이다.

3) 기존 에너지 시설 통합 : 자연수소는 기존 인프라에서 최소한의 수정으로 통합될 수 있다. 기존에 사용하던 천연가스 파이프라인 및 유통 시스템을 활용하면 더욱 광범위한 적용이 가능하다. 자연수소에 대한 큰 시설 변경이 없기에 비용을 절감할 수 있으며, 기존 화석연료 기반 시스템에서 자연수소로의 청정 에너지 전환이 가능하다. 자연수소는 미래 에너지로의 확장성과 기존 에너지 시스템에 대한 호환성을 가지고 있다[33].

4) 높은 에너지 함량 : 자연수소는 질량에 따른 높은 에너지 함량을 가지고 있기 때문에 연소될 때 수소는 높은 에너지 밀도와 함께 많은 에너지를 방출한다. 이러한 에너지는 다양한 산업 공정을 포함한 응용 분야에 활용이 가능하다. 따라서 자연수소는 연소 엔진, 터빈 및 기타 에너지 변환 장치 등 넓은 범위의 산업의 전력 공급원이 될 수 있다[39].

3. 자연수소의 특성

3.1. 생성 기작

자연수소는 다양한 기작을 통해 발생할 수 있으며 여러 지각 환경에서 발견되고 있다. 자연수소의 생성 및 축적에 기여하고 있다고 보는 생성 기작은 크게 4가지로 사문암화 작용(Serpentinization), 자연 방사선에 의한 물의 분해(Radiolysis), 마그마로부터의 수소 생성(Magma Degassing), 암석의 파쇄 과정(Rock Fracturing)에서의 생성이 있다(Fig. 1) [33].

사문암화 작용은 감람석과 휘석 광물이 풍부한 초염기성 암석이 물과 반응하여 사문석을 함유한 암석으로 변성될 때 발생하며 이 반응의 중요한 부산물로 수소가스가 생성된다. 여기서 초염기성 암석은 SiO₂의 함유량이 중량 백분율로 45% 이하인 암석이며, 대표적으로 감람암과 피크라이트가 있다[41]. 마그네슘과 철 성분을 다량 함유하는 암석을 초고철질암이라 하는데, 규산염 성분을 기준으로 했을 때, 초염기성 암석과 초고철질암은 동일한 의미로 사용된다. 주로 규산염광물 중에서도 감람석이 풍부한 초고철질암[42]의 제1 철(Fe²⁺)이 산화되어 제2 철(Fe³⁺)이 생성되며 H₂가 유리된다. 결론적으로 사문암화 작용에서 Fe²⁺는 물에 의해 산화되고 물은 환원되어 H₂를 생성할 수 있다. 일반적으로 지구 맨틀의 주요 구성 암석은 초염기성 암석이라고 알려져 있다. 맨틀 암석은 주로 감람석 광물로 구성된 페리도타이트로 물과 반응할 수 있기 때문에 주목받는다[39]. 이런 과정을 통해 대규모의 자연수소를 생성할 수 있으며, 연간 약 10¹² mole의 수소가스를 방출한다고 추정한다[43]. 이 작용은 상당한 양의 수소가스를 생성할 수 있으므로 자연수소 광상의 분포에 큰 영향을 줄 수 있다[33].

사문암화 작용에서 수소 가스 생성 반응식은 다음과 같다.

(Eq. 1)

3Fe2SiO4+2H2O→2Fe3O4+3SiO2+2H2

우라늄(238U 및 235U), 토륨(232Th) 및 칼륨(40K)과 같은 방사성 원소를 포함하는 해양 암석에서 방사성 원소가 붕괴하여 방출되는 방사선은 물을 이온화 하여 자유 라디칼을 만들 수 있다. 즉, 물속의 H-O 결합이 분해되면서 수소와 하이드록실 라디칼이 생성된 후, 두 개의 수소 라디칼이 반응하여 수소 가스가 발생한다. 이 기작은 고에너지 방사선이 존재하는 깊은 지하에서 사용된다[40].

수소는 탄소-산소-수소(COH) 마그마 시스템에도 존재한다. 고압상태 지하의 마그마에 용해되어있던 가스 성분들은 화산 활동으로 인해 압력이 감소하면 마그마에서 분리되어 가스 상태로 분출된다. 여기에는 수소가스, 다량의 수증기, 메탄, 황화수소 등이 포함된다. 마그마의 온도(~1,200°C)에서는 물과 메탄이 만나 수소와 탄소를 생성하는 방향으로 화학균형이 강하게 작용하여 자연수소가 생성될 수 있다. 또한 황화수소(H₂S)의 분해가 마그마 시스템에서 수소 공급원의 일부가 될 수 있다. 황화수소는 물과 만나 수소 가스를 방출한다. 마그마가 올라와 새롭게 만들어지는 해저지형인 중앙해령에서는 고농도의 수소 가스가 방출되는데 이 기작과 관련이 있다고 추정한다[40].

마그마 시스템에서 수소 가스 생성 반응식은 다음과 같다.

(Eq. 2)

H2S+2H2O→SO2+3H2

암석 파쇄는 화학적 결합을 파괴하고 물과 반응하여 수소를 형성하는 자유 라디칼을 생성한다. 기계적 힘은 규산염 광물에서 Si-O 공유 결합을 해리하여 자유 라디칼을 생성한다. 그들은 재결합하여 실록산 결합(Si-O-Si)을 형성하거나 물과 반응하며, 부산물로 수소를 방출한다. 자연수소는 이 기작을 통해 조산대, 섭입대, 변환단층대, 대륙 열곡 등에서 고농도를 보인다[40].

암석 파쇄 과정에서 수소가스 생성 반응식은 다음과 같다.

(Eq. 3)

2Si+2H2O→2SiOH+H2

이외에도 자연수소의 생성과정에 대한 다양한 가설이 존재한다. 지각 풍화에 의해 수소가 생성될 수 있다. 해수가 냉각되고 노화함에 따라 지각은 변하며, 250°C이하의 온도에서 자연수소가 생성된다. 또한 고온의 현무암 변질 과정, 용암과 해수의 반응 등 다양한 수소 생성 기작이 알려져 있다. 이렇듯 다양한 수소 생성 방안들은 자연수소 광상의 형성에 중요한 역할을 한다. 자연수소의 분포 특성과 에너지원으로서 잠재성을 탐구하기 위해 생성 기작을 이해하는 것은 필수적이다[40].

3.2. 부존 유형

대륙지각에서의 자연수소 부존 유형은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 자유기체로서 자연수소, 유체함유물 내 자연수소, 용해된 상태의 자연수소이다. 다양한 환경에서 수소가 10vol% 이상의 농도로 검출된 지역을 확인하였을 때, 약 51%는 자유 기체의 형태이며, 유체포유물 내 자연수소는 29%, 용해된 상태의 자연수소는 20%로 나타났다[39].

3.2.1. 자유기체로서 자연수소

자유기체로서 자연수소는 기공이나 균열을 통해 자유롭게 이동하는 수소기체를 의미하며, 이는 대륙지각의 다양한 지질학적 환경에서 발견되었다. 가장 발견 빈도가 높은 지역은 자연수소의 주된 생성 기작인 사문암화 작용과 철 광화작용을 경험한 오피올라이트 지역으로 전체의 약 31%를 차지한다. 그리고 화성암 및 화산지대, 퇴적암 지역이 각각 17%, 15%로 분포되어 있다[39].

자유기체인 수소는 축적되어 자연수소 저장고를 형성한다. 바마코 북쪽에 시추된 우물에서는 타우덴니 대분지 남서쪽에 있는 탐바오라 분지에서 98%의 순수한 수소가 발견되었다. 화산, 지열온천, 깊은 단층은 수소 저장고의 역할을 할 수 있다[40].

자유기체 형태의 자연수소 농도는 시간에 따라 변화한다. 예를 들어, 일본에서 정기적으로 활동 단층에 대한 수소 모니터링을 수행한 결과 H₂ 농도가 공간적, 시간적으로 변동한다는 것을 알 수 있다[44]. 미국 캘리포니아주 산안드레아스(San Andreas) 단층과 킬라베라스(Calaveras) 단층을 따라 수소 농도를 지속적으로 측정하였을 때, H₂의 일/계절 변화가 나타났으며 지각변동 발생 시 급격한 증가가 관측되었다. 이러한 변화가 나타나는 이유는 수소가 이동성이 매우 높은 가스이므로 조수와 같은 약한 힘에 민감하기 때문으로 추정된다[39]. 토양에서 수소 농도를 모니터링할 때 다양한 인자 중, 토양의 습도는 수소 농도에 영향을 끼친다. 토양 습도가 증가하면 수소 농도도 증가하며, 이는 토양 투과성이 감소하기 때문이다. 예시로, 겨울철에는 토양이 얼어붙기에 가장 높은 수소 농도가 보고되었다[39].

3.2.2. 유체포유물 내 자연수소

자연수소는 다양한 암석의 내부에 포유물 또는 흡착 생성물로서 존재할 수 있다. 수소를 함유한 유체포유물은 초염기성암, 선캄브리아기의 암석, 화성암, 화산암, 광석, 석탄분지, 퇴적암, 변성암 또는 암염 퇴적물에서 채취된 시료에서 발견되었다[40]. 각 유형의 암석은 특징적인 구성을 갖는 가스를 방출한다. 그러나 동일한 퇴적환경에서 유래된 암석의 함유물에서 샘플을 분석하였을 때 수소 농도는 0.2%에서 100%로, 일관되지 않은 결과를 산출했다[39].

철, 우라늄, 금 및 다양한 광산의 광물 함유물에서 수소가 발견되었으며, 금과 텅스텐 광석 매장지의 석영 함유물 내 H₂ 농도는 깊이에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 퇴적암이나 변성암에서 수소가 발견된 사례는 극히 드물며, 퇴적암은 다공성과 투과성이 높아 수소가 암석 밖으로 확산되기 쉽기 때문일 것으로 추측된다[39]. 유체포유물 내에 있는 자연수소는 자유 기체로서 수소보다 발견되는 빈도는 낮으나, 발견되는 자연수소의 평균 농도는 약 61%의 높은 농도를 보인다[45].

3.2.3. 용해된 상태의 자연수소

자연수소가 지하수에 용해된 가스로 존재하는 경우 자연수소는 대부분 초고철질-고철질 암석 내에 위치해 있는 대수층에서 발견되었으며, 다양한 발생기작과 지하수의 상호작용을 통해 형성되었다[45]. 지하수에 용해된 수소는 매립지나 용제 및 제트 연료에 의해 오염된 얕은 대수층을 모니터링하여 측정할 수 있다. 남아프리카 공화국 우물의 부서진 암석에서 채취한 지하수에서 높은 수소 농도가 발견되었으며, 일반적으로 수소 농도는 더 깊고 염도가 높은 오래된 지하수에서 높은 농도를 보인다[46].

4. 자연수소 분포 지역

자연수소는 지질학적 과정에 의해 생성된다. 수소 방출은 여러 곳에서 관찰되었는데 오늘날 수소의 지하 축적과 시추 및 직접 추출은 친환경적이고 저렴한 수소의 풍부한 공급원으로 고려되고 있다.

4.1. 아프리카 말리[47]

자연수소의 실체가 처음 드러나게 된 곳은 1987년 서아프리카 말리의 바마코이다. 말리에서 생산된 첫 해와 여러 장소에서 우연히 축적된 유물이 발견된 후 여러 국가에서 탐사가 시작되었다. 자연수소는 세 가지의 지질 구조적 특징에서 발견되었는데, 첫 번째는 중부해령, 아이슬란드, 아프리카 열곡 등의 확장지대, 두 번째는 오만, 필리핀, 뉴칼레도니아와 같은 오피올라이트와 관련된 압축구역, 마지막으로 시생대 기저부위의 안정적인 분지에서 발견되는 특징이 있다.

아프리카 말리 바마코에서 북쪽으로 약 50 km 떨어진 부라케부구(Bourakebougou) 마을 근처에서 오래된 우물이 갑자기 막히고 우물을 파던 중 예상치 못한 가스 폭발로 인해 수소의 존재를 알게 되었다. 최초의 부라케부구 우물(Bougou-1)은 원생대 퇴적층에 시추되었으며 트라이아스기 시대의 돌러라이트(dolerite) 토상층이 층층이 쌓여 만들어졌다. 이 지층은 주로 알제리, 모리타니아, 말리에 존재하는 대규모 퇴적층인 타우데니 분지의 일부이며 분지의 고생대 및 중생대 상부(주로 알제리)는 탄화수소가 많이 잠재되어 있는 것으로 알려져 있다(Fig. 2). 반면에 하부 원생대 구역은 유기물 함량이 훨씬 낮으며(1% 미만), 이 지역에서는 지금까지 탄화수소가 발견되지 않았다.

향후 시추 유정을 탐사하기 전에 말리의 다양한 지역에서 예비 지구화학적 토양 모니터링이 수행되었다. 비탄화수소의 토양 농축 결과는 1 m 깊이 샘플링에서 놀라운 수소 농도를 보여주었다. 지도에는 전체 고리 모양으로 구조물 주위에 수소가 급증하는 것으로 표시되었다. 이는 정기적인 수소 누출로 인해 탐지되었을 가능성이 높다. 원형 구조의 중심에서도 수소 가스 유출도 기록되었다. 다양한 대륙 지역에서 실제로 관찰되는 원형 함몰부(Fig. 3)에서 수소가 새어 나오는 것은 아마도 자연수소 탐사의 첫 번째 지표일 것이다.

2018년에 탐사한 결과 우물은 반경 8 km 내에 위치하고 있으며 다양한 우물의 총 깊이는 105 m에서 1807.4 m 정도 된다.

탐사정을 시추하는 동안 지속적인 가스 감지 및 유체 기록이 이루어졌다. 그 결과 보고된 지구화학적 가스 조성은 모든 유정에서 다양한 비율의 메탄과 함께 수소 가스가 우세함을 보인다. H₂/CH₄ 비율의 범위는 10~500 사이이고, (Bougou-1 가스의 경우 비율 98) 소수의 우물에서 미량의 H₂S 및 CO(둘 다 1000 ppm 농도 이상)가 확인되었다. 수소가 발생하는 것으로 관찰된 말리 지역의 주요 암석은 사암이며 이 외의 기타 암석에도 수소가 존재하지만 탄산염이 도드라지게 나타난다.

퇴적물의 수소 축적은 그 메커니즘을 이해하는 데 기술적 과제가 되며, “수소 시스템”을 완전히 이해하기까지에는 어려움이 있다. 그러나 석유 생산에 관해서는 이미 말리에서 천연 수소 축적이 명확하게 입증되어 산업적 활용의 길을 열었다고 할 수 있다. 1 kg의 자연수소를 개발하는 데 드는 비용은 제조된 수소 비용보다 2~10배 더 적을 것으로 추정되며, 이는 미래 에너지 소비에 있어 자연수소가 수소에너지로서의 매력적인 장점이라고 할 수 있다.

아프리카 말리에서 볼 수 있는 자연수소 시스템의 특징을 6가지로 정리할 수 있다.

1) 과학적 관점에서 볼 때, 말리의 자연수소는 신원생대 퇴적물과 연관되어 있다. 이 시대의 지질은 지구의 추운 기온과 대기 중 산소 비율의 감소로 인해 퇴적암의 환원 조건이 유발되는 것이 특징이다.

2) 자연수소 축적은 부라케부구 부근에만 국한되지 않고 지역적으로 최소 8 km까지 확장될 수 있으며 표면 지구화학에 따르면 수소 누출의 발생 범위는 최대 150 km에 이른다.

3) 1987년에 처음으로 시추된 약 100 m 깊이의 Bougou-1 우물의 비교적 얕은 가스 축적 외에도, 새롭게 발견된 12개의 더 깊은 지층(1,800 m까지)에서 수소가 풍부한 4개의 추가 퇴적층이 발견되었다.

4) 수소 생성은 현재 깊이보다 더 깊은 곳에서 발생하는 것으로 보이며, 질소와 관련된 다량의 방사성 헬륨 및 아르곤 발생으로 입증된 것처럼 대부분 지하에서 생성될 가능성이 높다.

5) 탄화수소 가스 화합물은 대부분 H₂에 의한 CO₂ 환원을 통해 생성된다. 이러한 환원은 생물학적 생성을 배제할 수는 없지만 상대적으로 높은 온도에서 일어나는 화학 반응일 가능성이 높다.

6) 지하에서 화석화 될 수 없는 반응성이 높은 가스 화합물인 일산화탄소의 존재로 인해 지속 가능한 재생 수소 축적이 강조된다.

4.2. 브라질[48]

브라질 미나스 제라이스 주(Minas Gerais State)의 지표면 수소 배출은 몇 년 동안 관찰되고 있다. 연구진들은 토양의 가스 양이 시간, 구조의 위치 및 깊이에 따라 변한다는 사실을 강조했다. 이러한 변동성을 이해하기 위해 ENGIE Lab Crigen이 개발한 Parhys 영구 센서를 사용하여 장기간 모니터링을 수행한 결과, 첫 달에는 대부분의 H₂ 센서에 대해 작은 변화가 있었지만 이후 측정결과에서 훨씬 더 큰 산발적 변화가 나타났다. 현재 2년 이상을 포괄하는 전체 데이터에서 이러한 경향을 확인했고 수소의 양이 증가하는 경향의 중요성도 강조했다. 수소 토양 농도의 이러한 변화는 생물학적 활동, 대기압과 같은 외부 원인과 흡착, 탈착과 같은 토양의 보유 과정과 관련되어 있을 수 있다[49].

브라질 상프란시스코 분지(São Francisco Basin)는 여러 원생대 분지 중 하나 로 서쪽의 브라질리아 벨트(Brasilia Belt)와 동쪽의 아라수아이 벨트(Araçuai Belt) 라는 두 개의 조산 벨트로 둘러싸인 이중 분지에 해당하는 구조이다. 두 벨트 모두 원생대 말기인 브라질 조산운동 중에 생성되었다.

상프란시스코 분지의 층서학적 기둥에는 시생대 변성기저의 암석이 포함되어 있으며, 두께가 최대 7 km에 달하고 밤부이 그룹(Bambui Group)의 신원생대 트레스 마리아 층(5억 7600만 년 전)으로 끝난다. 이 지역은 BIF가 풍부하고 특히 Quadrilatero Ferrifero에서 많은 철광석 광산이 활발하게 활동하고 있다. BIF란 ‘띠 모양의 철광층’을 뜻하는 호상철광층(BIF, Banded Iron Formation)으로 해양 기원의 선캄브리아기 퇴적암이다. 광합성을 하는 남조류에 의해 산소가 방출되면서 해수에 형성되는 지층으로 산소는 바다에 용해된 철과 결합하여 불용성 산화철을 형성하고, 이는 침전되어 해저에 띠 모양 철층의 얇은 층을 형성한다. 이처럼 철이 풍부한 암석의 산화는 해양에서 자연수소를 생성하는 것으로 알려져 있다. 간략히

(Eq. 4)

2FeO+H2O→Fe2O3+H2

로 나타낼 수 있다. 여기서 Fe는 Fe²⁺형태로 이전에 바다에서 용해되었지만 침전되고, 산소를 생성하는 시아노박테리아 또는 유기체를 통해 Fe³⁺로 변환되었다고 연구되었다. 이렇듯 철 광체를 포함해서 Fe²⁺가 풍부한 선캄브리아 시대 기반암은 산화 환원 반응과 방사선 분해와 함께 다량의 자연수소를 생성할 수 있다고 전망된다[48].

4.3. 호주[48]

호주는 각각 북호주 분화구, 서호주 분화구, 남호주 분화구 등 3개의 주요 선캄브리아기 암석 단위로 나뉜다. 호주의 3개의 대륙괴(Craton)인 일간(Yilgarn), 필바라(Pilbara) 또는 골러(Gawler)와 같은 오래된 지형은 약 10억년 전 신원생대 초에 생성된 것으로 추정되는 초대륙인 로디니아(Rodinia)가 형성되는 동안 1800년에서 1100년 사이에 충돌하여 원생대 조산 지형이 형성되었다고 추정된다. 원생대 후기 동안 초대륙의 붕괴와 관련된 여러 번의 균열 주기로 인해 원생대 분지가 형성되었다. 오늘날, 지각이 경화되어 안정된 지역인 대륙괴(Craton)은 현생대(Phanerozoic age)의 가장 최근의 층에 의해 노출되거나 덮여 있는 지하를 구성하고, 여기에는 퇴적암부터 화성 관입암, 분출암까지 다양한 암석이 포함되어 있다. 이 암석은 희토류 원소, 금, 철광석을 포함한 방대한 원료 저장소를 구성한다. 원료 저장소는 주로 서호주에서 BIF인 철광석에서 채굴되므로, 호주는 세계 최초의 철광석 생산국이 되었고 이는 자연수소의 잠재성이 높다는 것을 의미한다.

퍼스(Perth) 주변 지역의 경우 데이터가 더 단편화되어 있으며 현재 해당 지역에서 자연수소가 존재한다고 판단하기 어렵다. 그러나 표면 지표의 형태는 말리, 브라질, 러시아 동일하며 지하의 철 함량은 수소원암으로 볼 수 있다. 따라서 기존 데이터를 바탕으로 이러한 모든 구조에서 수소의 존재를 확인하기 위해 유형 검출기를 사용한 표면 데이터 수집과 모니터링이 이루어진다면 수소가 잠재된 곳으로 판단할 수 있을 것이다.

브라질과 호주에서 큰 지구 온도 변화와 대기 중 O₂의 간헐적 손실 기간으로 해석되는 이러한 신원생대 형성 내에서 자연수소의 발생은 환원된 형태와 관련이 있을 수 있다. 수소 시스템과 신원생대 암석 사이의 상관관계를 확인하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하지만, 현재 암석의 환원된 형태와 더 많은 양의 철 침전이 존재하기 때문에 추가 산화를 통해 자연수소가 생성될 수 있다고 본다. 이러한 신원생대 및 호상 철광층(BIF)이 언급된 다른 장소는 나미비아, 이집트, 중국, 미국 및 캐나다이며, 시생대부터 고생대까지의 BIF는 남아프리카와 짐바브웨에서도 언급된다. 이러한 곳들은 모두 잠재된 자연수소 매장지라고 고려할 수 있다. 이렇듯 전 세계적으로 다양한 곳에 자연수소가 매장되어 있다고 판단된다. 자연수소 탐사 및 시추 방법을 개발하여 성공한다면 풍부한 수소 에너지원을 얻을 수 있을 것이라고 전망한다.

4.4. 대한민국

국내의 자연수소 개발 현황으로는, 한국석유공사가 주도하여 2022년부터 탐사를 시작하였고, 2023년에는 특허 출원된 신기술을 이용하여 있으나 아직 발표된 사례는 없다. 전국 5개 지역에서 사용되고 있는 이 기술은 수분 영향을 줄여 측정이 용이하다는 장점이 있다. 석유공사에서는 지속적인 기술 개발을 통해 중장기적 수소 탐색 사업을 실시할 것이라 밝혔다[50].

5. 자연수소의 탐사 기술 및 동향

특수한 기작으로 생성되는 자연수소를 탐색하기 위해서는 그에 맞는 방법이 요구된다. 현재까지 보편적으로 사용되는 자연수소 탐사 기술은 지구화학적･지구물리학적 기술로 분류 가능하다.

지구화학적 기술은 수소 분석을 위해 지표 방출, 샘, 우물에서 물과 가스를 수집하고, 이를 토대로 탄소 동위원소 및 수소와 다른 원소 또는 화합물 사이의 동위원소 비율 분석을 할 수 있다. 지하 가스를 이용한 토양 가스 샘플링과 지하 수소 농도 분석을 가능케 하는 토양 가스 조사가 여기에 포함된다.

지구물리학적 기술은 중력 조사, 자기 조사, 탄성파 탐사 세 가지로 나눌 수 있으며, 목적에 맞는 기술을 사용한다. 중력 조사는 고농도 수소 유체가 지하 암석의 밀도에 영향을 미쳐 발생하는 중력 이상 원리를 이용하여 지구 중력장 변화를 측정한다. 잠재적 수소의 저류암과 이동 경로를 알 수 있다[51]. 자기 조사는 수소를 포함한 유체가 일으키는 자기장의 변화를 측정하는 방법이다[52]. 탄성파 탐사는 지하 구조를 이미지화하여 수소를 포함하는 유체가 존재하는 균열과 단층 등을 파악하는 방법이다[33].

지속 가능한 청정에너지원을 개발하기 위한 경쟁에서 최근 미국은 자연수소에 주목하고 있다. 2023년 9월, 미국 에너지부(DOE) 연구기관인 에너지고등연구계획국(ARPA-E)은 자연수소 개발 연구에 2천만 달러를 지원한다고 발표했다. 이는 미국이 자연수소 개발에 처음으로 정부 자금 투자를 결정한 것이다[53,54]. 2023년 7월에는 빌게이츠가 이끄는 에너지 부문 벤처캐피털 ‘브레이크스루 에너지 벤처스(BEV)’는 자연수소 개발 기업 ‘콜로마(Koloma)’에 9100만달러의 자금을 투자했다.

국제 학술지 ‘Science’에 따르면 미국의 주요 석유 회사들 자연수소 개발을 향한 움직임이 시작됐다고 밝혔다. 미국 지질조사국(USGS)과 미국 ‘Colorado School of Mines’은 2023년 9월 중으로 비피(BP), 셰브론(Chevron) 등의 석유 기업으로부터 수백만 달러를 지원받아 자연수소 연구 컨소시엄을 출범시킬 예정이다[55].

미국 이외에도 여러 국가가 자연수소 개발에 적극적으로 나서기 시작했다. 특히나 프랑스와 스페인은 자연수소 개발에 앞장서고 있다. 2023년 5월 프랑스의 옛 탄광지대인 북동부 로렌 지역에서 대규모의 자연수소가 매장되어 있을 수 있다고 밝혀졌다. 이를 계기로 토탈에너지(TotalEnergies), 테레가(Teréga), 앙지(Engie), 45-8 에너지(45-8 Energy) 등 프랑스의 에너지 기업들과 산학 협동 중재기관인 어스2(Earth2)가 주도하여 자연수소 탐사를 추진 중이다. 스페인은 피레네산맥에서 자연수소를 추출하는 헬리오스 아라곤 프로젝트를 진행하고 있으며 자연수소 채굴에 필요한 입법 작업도 진행 중이다. 2028년에 자연수소 생산을 시작하는 것을 목표로 하며 그레이수소 생산비의 절반인 1 kg당 0.75유로의 비용으로 자연수소를 생산할 수 있을 것으로 예측한다. 또한 영국의 지하자원 탐사업체 ‘지테크(Getech)’는 최근 지질 데이터를 분석하여 자연수소 매장 여부를 예측할 수 있는 인공지능 분석 도구를 개발했다고 밝혔다[56].

현재까지 밝혀진 수소의 총 생성량은 다음과 같다. 1983년 0.027 Tg [57], 2000년 0.54 Tg [58], 2005년 6 Tg [58,59], 2015년 97.4 Tg [60], 2080년 2,750 Tg [61]으로, 수치가 지속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 활발한 연구로 인해 자연수소 생성 과정에 대한 이해도가 증가했고, 때문에 다양한 기작을 통한 자연수소 발생량을 포함할 수 있게 되었기 때문이다. 그러나 2080년 추정치는 2003년 발표된 논문의 정보이므로 과소평가 됐을 가능성이 높다. 최근에 발견된 해저의 수소 흐름과 다양한 지질환경의 심층 수소 흐름에 대한 데이터가 포함되지 않은 값이다.

2080년 총 수소 추정량 2,750 Tg을 석유환산톤(toe)으로 계산한 결과 9,339,000,000 toe 이고[62], 2020년 기준 전 세계 석유 사용량 88,746,000 Barrel/day를[63] 1년간 사용했을 때의 양을 석유환산톤으로 계산한 결과 4,419,140,518 toe 이다. 이는 총 수소 추정량이 전 세계 석유 사용량보다 2.1배 큰 것을 알 수 있다. 하지만 자연수소의 추정량이 과소평가 됐을 가능성이 크므로, 이보다 더 큰 에너지 잠재량이 있을 것이라고 추측할 수 있다. 또한 2020년 기준 전 세계 에너지 소비량인 13,670,000,000 toe [64]의 약 68%에 해당하는 수치로서, 높은 에너지 잠재량을 가지고 있다고 평가할 수 있다.

6. 토의 및 결론

자연수소는 자유기체의 형태로 가장 많이 존재하며, 대륙지각의 다양한 지질학적 환경에서 발견된다. 중부해령, 아이슬란드, 아프리카 열곡 등의 확장지대, 오만, 필리핀, 뉴칼레도니아와 같은 오피올라이트와 관련된 압축구역 뿐만 아니라 시생대 기저부 위의 안정적인 분지에서도 발견되는 특징을 가진다. 한편, 철 성분이 풍부한 감람석의 사문암화 과정과, 지각의 방사성 원소의 붕괴 과정은 자연수소의 생성과 방출에 기여한다.

자연수소는 자연에서 직접 채굴해 사용할 수 있으며 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경적인 에너지원이다. 추정량이 무궁무진하여 탄소중립의 실현을 위한 유력한 대안이다. 하지만 아직 자연수소가 상업적으로 개발될 수 있을지는 불투명하다. 국내에서는 지질학적 조사와 연구를 통해 자연수소의 발전 가능성을 확인하고 있지만, 국내 자연수소의 정확한 부존량을 파악할 수 있는 기술이 아직 충분히 개발되지 않았다. 따라서 현재로서는 부존량에 대한 정확한 데이터를 확보하지 못하고 있으며, 이로 인해 국내에서 자연수소의 경제성을 논하기는 어려운 상황이다.

자연수소의 잠재력을 완전히 이해하고 상업적 가능성을 평가하기 위해서는 자연수소의 부존량을 정확히 파악할 수 있는 조사 기술이 개발되어야 한다. 이를 위해서는 자연수소의 생성 기작부터 완전히 파악해야 할 것이며, 수소의 무색, 무취, 무독성이라는 특성상, 누출을 감지하기 어려운 문제를 해결하기 위한 탐사 기술과 운반 및 저장 기술이 향상되어야 한다. 수소 발생 및 생산에 최적인 장소로 예상되는 위치를 연구하여 수소 농도를 측정한다면 수소 부존량 파악이 가능할 것이다. 이를 바탕으로 자연수소의 생성 기작과 분포 유형을 연계하여 심층적인 연구가 이루어진다면 자연수소의 부존 잠재성을 평가할 수 있을 것이다. 이와 더불어 자연수소의 상업적 채취와 활용을 위해 탐사 및 시추 비용, 채취 기술 개발 비용, 그리고 시장 가격 등을 종합적으로 고려한 경제성 분석이 요구되는 실정이다.

자연수소 개발을 위한 다양한 노력들 뿐만 아니라 다양한 기후변화대응 기술 조합을 통해 지속가능한 사회의 기반이 곧 만들어 지기를 기대한다[65-90].

Acknowledgments

본 연구는 대한민국 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업(No. 2021R1A2C1013989), 2023년도 광주녹색환경지원센터 연구개발사업(23-03-10-16-12), 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업(2021RIS-002)의 지원을 받아 수행되었습니다.

https://youtu.be/kpYBZ-DYzJU?si=xAVoiuBlCBt-oKXm

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.

Four major natural hydrogen generation mechanisems. (a) Serpentinization. (b) Radiolysis (c) Magma Degassing (d) Rock Fracturing [39,40].

Fig. 2.

Surface geochemistry of a circular structure located east of PETROMA block 25, near the village of Gassola. Hydrogen concentration (in ppm). Coordinates of the center of the structure are 13.194605^o latitude and – 6.242527^o longitude.

Fig. 3.

Google Earth satellite image of the Bourakebougou region (Malley).

References

1. S.P. Jung, Practical implementation of microbial fuel cells for bioelectrochemical wastewater treatment, Journal of the Korean Society of Urban Environment., 13(2), 93-100(2013).

2. B.Y. Koo, S.P. Jung, Recent trends of oxygen reduction catalysts in microbial fuel cells: a review, Journal of Korean Society of Environmental Engineers., 41(11), 657-675(2019).

3. H.W. Chai, Y.H. Choi, M.W. Kim, Y.J. Kim, S.P. Jung, Trends of microbial electrochemical technologies for nitrogen removal in wastewater treatment, Journal of the Korean Society of Water and Wastewater., 34(5), 345-356(2020).

4. S.H. Son, Y.J. Kim, M.W. Kim, S.P. Jung, Recent trends and prospects of microbial fuel cell technology for energy positive wastewater treatment plants treating organic waste resources, Journal of Korean Society of Environmental Engineers., 43(10), 623-653(2021).

5. S. Park, W. Kim, M. Kim, Y. Kim, S.P. Jung, Trend of treatment and management of solar panel waste, Journal of Korea Society of Waste Management., 38(3), 200-213(2021).

6. N.R. Ha, S.H. Oh, S.H. Lee, Y.J. Jung, J.Y. Choi, S.P. Jung, Institutional management plan for hazardous chemical substances in textile products, Journal of Korean Society of Environmental Engineers., 43(5), 390-405(2021).

7. J.R. Park, H.J. Jang, S.H. Choi, R. Jung, S.P. Jung, Current and prospects of waste heat utilization and cooling technology in data centers, Journal of Korean Society of Environmental Engineers., 44(11), 493-503(2022).

8. S.H. Lee, M.G. Lee, W. Jeon, M.S. Son, S.P. Jung, Current status and perspectives of carbon capture and storage, Journal of Korean Society of Environmental Engineers., 44(12), 652-664(2022).

9. B.Y. Koo, S.P. Jung, Trends and perspectives of microbial electrolysis cell technology for ultimate green hydrogen production, Journal of Korean Society of Environmental Engineers., 44(10), 383-396(2022).

10. S.H. Son, S.P. Jung, Trends and prospects of sediment microbial fuel cells as sustainable aquatic ecosystem remediation technology, Journal of Korean Society of Environmental Engineers., 44(11), 468-492(2022).

11. D.H. Son, K.M. Seo, Y.H. Kim, J.H. Lee, S.P. Jung, Organic waste resource gasification: current status and perspectives, J Korean Soc Environ Eng., 45(2), 96-106(2023).

12. H.J. Kim, G.Y. Yang, C.R. Nam, S.H. Jeong, S.P. Jung, Solar photovoltaic industry in Korea: current status and perspectives, J Korean Soc Environ Eng., 45(2), 107-118(2023).

13. M. Lee, P. Lee, D. Jeong, M. Han, S.P. Jung, RE100 for 100% Renewable Electricity: Status and Prospects, J Korean Soc Environ Eng., 45(3), 161-169(2023).

14. J. Kim, S. Lee, H. Choi, H. Park, S.P. Jung, Global Radioactive Waste Disposal Trends and Prospects, J Korean Soc Environ Eng., 45(4), 210-224(2023).

15. J. Guk, D. Park, S. Kim, H. Lim, S.P. Jung, Current Status and Perspectives of Eco-friendly Electric Ships, J Korean Soc Environ Eng., 45(5), 256-266(2023).

16. J. Oh, C. Park, D. Ahn, J. Byun, S.P. Jung, Veganomics: Current Status and Challenges, J Korean Soc Environ Eng., 45(7), 296-310(2023).

17. J. Jung, J. Choi, H. Lee, A. Park, S.P. Jung, Recycling and Reuse of Waste Batteries from Electric Vehicles: A review, J Korean Soc Environ Eng., 45(7), 325-335(2023).

18. Y. Kim, J. Byeon, Y. Jeong, S. Choi, S.P. Jung, Effective Policies Derived from Case analysis of Environmental Factors in ESG Management, J Korean Soc Environ Eng., 45(9), 371-387(2023).

19. J. Lee, G. Jang, S. Jin, C. Hwang, S.P. Jung, Measures to Create an Eco-friendly Business Management Environment through Greenwashing Case analysis, J Korean Soc Environ Eng., 45(10), 441-457(2023).

20. J. Kim, J. Son, Y. Shin, J. Im, S.P. Jung, Measures to Promote Energy Prosumer in Photovoltaic Solar Energy, J Korean Soc Environ Eng., 45(10), 428-440(2023).

21. S. Park, H. Sim, S. Yu, H. Han, S.P. Jung, Alternative Meat as Future Food, Seeking a Sustainable Future, J Korean Soc Environ Eng., 45(11), 491-505(2023).

22. B. Kim, S. Kim, S. Yeom, S.P. Jung, Environmental Pollution by the Fast Fashion: Current Status and Prospects, J Korean Soc Environ Eng., 45(11), 506-518(2023).

23. S. Ku, T. Jeon, S.P. Jung, Proposal for Promotion of the Solar Photovoltaic Power Industry in Korea, J Korean Soc Environ Eng., 46(5), 263-277(2024).

24. J. Jang, S. Youn, J. Lee, S.P. Jung, Crude Oil Extraction Technology from Organic Waste Resources: A Review, J Korean Soc Environ Eng., 46(6), 335-347(2024).

25. D. Kim, M. Han, N. Kim, J. Kim, S.P. Jung, Waste Plastic Pyrolysis Industry: Current Status and Prospects, J Korean Soc Environ Eng., 46(7), 395-407(2024).

26. H. Seo, S. Park, D. Yun, J. Yu, S.P. Jung, Korean Offshore Wind Electrical Power Generation: Current Status and Prospects, J Korean Soc Environ Eng., 46(7), 382-394(2024).

27. Republic of Korea Policy Briefing, https://www.korea.kr/special/policyCurationView.do?newsId=148857966, (2020)

28. CNBC, https://www.cnbc.com/2021/11/15/biden-signs-infrastructure-bill-how-it-fights-climate-change.html, (2021)

29. Ministry of Trade, Industry and Energy, https://www.motie.go.kr/motie/py/td/tdtotal/bbs/bbsView.do?bbs_cd_n=72&bbs_seq_n=210222, (2019)

30. SK E&S MEDIAROOM, https://media.skens.com/1067, (2022)

31. J.-N. PARK, The evaluation of CO adsorbents used in psa process for the purification of reformed hydrogen, Transactions of the Korean hydrogen and new energy society., 27(6), 628-635(2016).

32. H. Oh, J. Kim, S. Park, M. Lee, H. Jeong, Economic Analysis of Grey and Blue Hydrogen for Carbon and Tax Credits, Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers., 60(2), 78-87(2023).

33. J.H. Cha, J.Y. Lee, A review on occurrence, mechanism and distribution of natural hydrogen as a promising energy source, The Geological Society of Korea., 59(3), 513-526(2023).

34. T. Lapi, P. Chatzimpiros, L. Raineau, A. Prinzhofer, System approach to natural versus manufactured hydrogen: An interdisciplinary perspective on a new primary energy source, International Journal of Hydrogen Energy., 47(51), 21701-21712(2022).

35. Naver Knowledge Encyclopedia, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5663136&cid=62802&categoryId=62802, (n.d.)

36. F. Tabkhi, C. Azzaro-Pantel, L. Pibouleau, S. Domenech, A mathematical framework for modelling and evaluating natural gas pipeline networks under hydrogen injection, International journal of hydrogen energy., 33(21), 6222-6231(2008).

37. J.H. Kim, D.K. Park, J.H. Kim, H.J. Kim, H.S. Kim, S.H. Kang, J.H. Ryu, Trend of CO2 Free H2 Production Technology for Carbon Neutrality, Journal of Energy & Climate Change., 16(2), 103-127(2021).

38. A.R. Brandt, Greenhouse gas intensity of natural hydrogen produced from subsurface geologic accumulations, Joule., 7(8), 1818-1831(2023).

39. V. Zgonnik, The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review, Earth-Science Reviews., 203, 103140(2020).

40. L. Wang, Z. Jin, X. Chen, Y. Su, X. Huang, The Origin and Occurrence of Natural Hydrogen, Energies., 16(5), 2400(2023).

41. Naver Knowledge Encyclopedia, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5849611&cid=65922&categoryId=65922, (2023)

42. Naver Knowledge Encyclopedia, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1056435&cid=40942&categoryId=32305, (2024)

43. F. Klein, J.D. Tarnas, W. Bach, Abiotic sources of molecular hydrogen on Earth, Elements: An International Magazine of Mineralogy, Geochemistry, and Petrology., 16(1), 19-24(2020).

44. R. Sugisaki, M. Ido, H. Takeda, Y. Isobe, Y. Hayashi, N. Nakamura, H. Satake, Y. Mizutani, Origin of hydrogen and carbon dioxide in fault gases and its relation to fault activity, The Journal of Geology., 91(3), 239-258(1983).

45. H.S. Kim, The origin and reservoir types of abiotic native hydrogen in continental lithosphere, Korean J. Mineral. Petrol., 35(3), 313-331(2022).

46. L.H. Lin, J. Hall, J. Lippmann‐Pipke, J.A. Ward, B. Sherwood Lollar, M. DeFlaun, R. Rothmel, D. Moser, T.M. Gihring, B. Mislowack, Radiolytic H2 in continental crust: nuclear power for deep subsurface microbial communities, Geochemistry, Geophysics, Geosystems., 6(7), (2005).

47. A. Prinzhofer, C.S.T. Cissé, A.B. Diallo, Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou (Mali), International Journal of Hydrogen Energy., 43(42), 19315-19326(2018).

48. U. Geymond, E. Ramanaidou, D. Lévy, A. Ouaya, I. Moretti, Can weathering of banded iron formations generate natural hydrogen? Evidence from Australia, Brazil and South Africa, Minerals., 12(2), 163(2022).

49. I. Moretti, E. Brouilly, K. Loiseau, A. Prinzhofer, E. Deville, Hydrogen emanations in intracratonic areas: new guide lines for early exploration basin screening, Geosciences., 11(3), 145(2021).

50. Korea national oil corporation, https://www.knoc.co.kr/sub11/sub11_1.jsp?page=1&num=730&mode=view&field=subject&text=??&bid=NEWS&ses=USERSESSION&psize=12, (2023)

51. C.J. Boreham, D.S. Edwards, K. Czado, N. Rollet, L. Wang, S. van der Wielen, D. Champion, R. Blewett, A. Feitz, P.A. Henson, Hydrogen in Australian natural gas: occurrences, sources and resources, The APPEA Journal., 61(1), 163-191(2021).

52. J. García-Senz, A. Pedrera, C. Ayala, A. Ruiz-Constán, A. Robador, L.R. Rodríguez-Fernández, Inversion of the north Iberian hyperextended margin: the role of exhumed mantle indentation during continental collision, Geological Society, London, Special Publications., 490(1), 177-198(2020).

53. B. Choi, News2day, https://www.news2day.co.kr/article/20230917500006, (2023)

54. E. Hand, Science, https://www.science.org/content/article/u-s-bets-it-can-drill-climate-friendly-hydrogen-just-oil, (2023)

55. N.P. Kwak, The Hankyoreh, https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/1108122.html, (2023)

56. N.P. Kwak, The Hankyoreh, https://www.hani.co.kr/arti/science/future/1107127.html, (2023)

57. A. Giardini, C.E. Melton, A scientific explanation for the origin and location of petroleum accumulations, Journal of Petroleum Geology., 6(2), 117-138(1983).

58. A. Gilat, A. Vol, an overlooked major energy source for internal terrestrial processes, HAIT Journal of Science and Engineering B., 2(1-2), 125-167(2005).

59. A.L. Gilat, Degassing of primordial hydrogen and helium as the major energy source for internal terrestrial processes, Geoscience Frontiers., 3(6), 911-921(2012).

60. J. Runte, Merchant Hydrogen: Industrial Gas and Energy Markets, (2020).

61. L. Barreto, A. Makihira, K. Riahi, The hydrogen economy in the 21st century: a sustainable development scenario, International Journal of Hydrogen Energy., 28(3), 267-284(2003).

62. Oil equivalent tonnage (toe) calculator, https://netis.kemco.or.kr/engyuserpt/ER_01/ER_01_01_140.aspx, (n.d.)

63. EG-TIPS energy greenhouse gas comprehensive information platform, https://tips.energy.or.kr/statistics/statistics_view0902.do, (2022)

64. World energy consumption statistics, https://yearbook.enerdata.co.kr/total-energy/world-consumption-statistics.html, (n.d.)

65. S. Jung, M.M. Mench, J.M. Regan, Impedance Characteristics and Polarization Behavior of a Microbial Fuel Cell in Response to Short-Term Changes in Medium pH, Environmental Science & Technology., 45(20), 9069-9074(2011).

66. S. Jung, J.M. Regan, Influence of External Resistance on Electrogenesis, Methanogenesis, and Anode Prokaryotic Communities in Microbial Fuel Cells, Applied and Environmental Microbiology., 77(2), 564-571(2011).

67. S. Jung, Impedance Analysis of Geobacter sulfurreducens PCA, Shewanella oneidensis MR-1, and their Coculture in Bioeletrochemical Systems, International Journal of Electrochemical Science., 7(11), 11091-11100(2012).

68. S. Jung, Y.-H. Ahn, S.-E. Oh, J. Lee, K.T. Cho, Y. Kim, M.W. Kim, J. Shim, M. Kang, Impedance and Thermodynamic Analysis of Bioanode, Abiotic Anode, and Riboflavin-Amended Anode in Microbial Fuel Cells, Bulletin of the Korean Chemical Society., 33(10), 3349-3354(2012).

69. S.P. Jung, Y. Cheong, G. Yim, S. Ji, H. Kang, Performance and bacterial communities of successive alkalinity-producing systems (SAPSs) in passive treatment processes treating mine drainages differing in acidity and metal levels, Environmental Science and Pollution Research., 21(5), 3722-3732(2014).

70. S.P. Jung, Y.J. Kim, H. Kang, Denitrification Rates and Their Controlling Factors in Streams of the Han River Basin with Different Land-Use Patterns, Pedosphere., 24(4), 516-528(2014).

71. S.P. Jung, M.-H. Yoon, S.-M. Lee, S.-E. Oh, H. Kang, J.-K. Yang, Power Generation and Anode Bacterial Community Compositions of Sediment Fuel Cells Differing in Anode Materials and Carbon Sources, International Journal of Electrochemical Science., 9(1), 315-326(2014).

72. H.G. Kang, E.J. Kim, S.P. Jung, Influence of flowrates to a reverse electro-dialysis (RED) stack on performance and electrochemistry of a microbial reverse electrodialysis cell (MRC), International Journal of Hydrogen Energy., 42(45), 27685-27692(2017).

73. T. Nam, S. Son, B. Koo, H.V. Hoa Tran, J.R. Kim, Y. Choi, S.P. Jung, Comparative evaluation of performance and electrochemistry of microbial fuel cells with different anode structures and materials, International Journal of Hydrogen Energy., 42(45), 27677-27684(2017).

74. H.G. Kang, J.S. Jeong, P.L. Gupta, S.P. Jung, Effects of brush-anode configurations on performance and electrochemistry of microbial fuel cells, International Journal of Hydrogen Energy., 42(45), 27693-27700(2017).

75. S.P. Jung, E.J. Kim, B.Y. Koo, Effects of wire-type and mesh-type anode current collectors on performance and electrochemistry of microbial fuel cells, Chemosphere., 209, 542-550(2018).

76. T. Nam, S. Son, E. Kim, H.V.H. Tran, B. Koo, H. Chai, J. Kim, S. Pandit, A. Gurung, S.-E. Oh, E.J. Kim, Y. Choi, S.P. Jung, Improved structures of stainless steel current collector increase power generation of microbial fuel cells by decreasing cathodic charge transfer impedance, Environmental Engineering Research., (2018).

77. S.P. Jung, S. Pandit, Chapter 3.1 - Important Factors Influencing Microbial Fuel Cell Performance, Microbial Electrochemical Technology., 377-406(2019).

78. B. Koo, S.-M. Lee, S.-E. Oh, E.J. Kim, Y. Hwang, D. Seo, J.Y. Kim, Y.H. Kahng, Y.W. Lee, S.-Y. Chung, S.-J. Kim, J.H. Park, S.P. Jung, Addition of reduced graphene oxide to an activated-carbon cathode increases electrical power generation of a microbial fuel cell by enhancing cathodic performance, Electrochimica Acta., 297, 613-622(2019).

79. T. Nam, H. Kang, S. Pandit, S.-H. Kim, S. Yoon, S. Bae, S.P. Jung, Effects of vertical and horizontal configurations of different numbers of brush anodes on performance and electrochemistry of microbial fuel cells, Journal of Cleaner Production., 277, 124125(2020).

80. N. Savla, S. Pandit, N. Khanna, A.S. Mathuriya, S.P. Jung, Microbially powered electrochemical systems coupled with membrane-based technology for sustainable desalination and efficient wastewater treatment, Journal of Korean Society of Environmental Engineers., 42(7), 360-380(2020).

81. S. Pandit, N. Savla, S.P. Jung, Recent advancements in scaling up microbial fuel cells, Integrated Microbial Fuel Cells for Wastewater Treatment., 349-368(2020).

82. S.H. Son, B.Y. Koo, H.W. Chai, H.V.H. Tran, S. Pandit, S.P. Jung, Comparison of hydrogen production and system performance in a microbial electrolysis cell containing cathodes made of non-platinum catalysts and binders, Journal of Water Process Engineering., 40, 101844(2021).

83. B.Y. Koo, S.P. Jung, Improvement of air cathode performance in microbial fuel cells by using catalysts made by binding metal-organic framework and activated carbon through ultrasonication and solution precipitation, Chemical Engineering Journal., 424, 130388(2021).

84. A. Amrut Pawar, A. Karthic, S.M. Lee, S. Pandit, S.P. Jung, Microbial electrolysis cells for electromethanogenesis: materials, configurations and operations, Environmental Engineering Research., 27(1), 200484(2022).

85. N. Savla, M. Guin, S. Pandit, H. Malik, S. Khilari, A.S. Mathuriya, P.K. Gupta, B.S. Thapa, R. Bobba, S.P. Jung, Recent advancements in the cathodic catalyst for the hydrogen evolution reaction in a microbial electrolysis cells, International Journal of Hydrogen Energy., (2022).

86. H.V.H. Tran, E.J. Kim, S.P. Jung, Anode biofilm maturation time, stable cell performance time, and time-course electrochemistry in a single-chamber microbial fuel cell with a brush-anode, Journal of Industrial and Engineering Chemistry., 106, 269-278(2022).

87. T. Naaz, A. Kumar, A. Vempaty, N. Singhal, S. Pandit, P. Gautam, S.P. Jung, Recent advances in biological approaches towards anode biofilm engineering for improvement of extracellular electron transfer in microbial fuel cells, Environmental Engineering Research., 28(5), 220666(2023).

88. S.P. Jung, S.H. Son, B.Y. Koo, Reproducible polarization test methods and fair evaluation of polarization data by using interconversion factors in a single chamber cubic microbial fuel cell with a brush anode, Journal of Cleaner Production., 390, 136157(2023).

89. H. Chai, B. Koo, S. Son, S.P. Jung, Validity and Reproducibility of Counter Electrodes for Linear Sweep Voltammetry Test in Microbial Electrolysis Cells, Energies., 17(11), 2674(2024).

90. S. Lee, J. Chae, S.P. Jung, Enhanced CO2 Removal Through the Electrolysis of Concentrated Seawater and Accelerated Mineral Carbonation, KSCE Journal of Civil Engineering., 28(8), 3109-3119(2024).