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100% 청정에너지원으로 주목받는 수소는 산소와 결합해 전기를 생산하면서 온실가스가 아닌 물을 배출한다. 특히 화석연료에서 뽑아내는 합성수소와 달리, 자연에 묻혀 있는 천연수소는 생산 과정에서도 온실가스를 배출하지 않는다. 그런 점에서 화이트수소, 또 금처럼 땅 속에서 직접 캐낸다는 점에서 골드수소라고도 부른다. 이에 따라 기후 위기에 대응한 ‘탄소 중립’ 목표를 달성하는 데 기여할 수 있는 잠재적 에너지원으로 주목받고 있다.
연금거치기간현재 전 세계의 연간 수소 소비량은 9천만톤이다. 그러나 대부분 화석연료에서 뽑아내기 대문에 연간 약 9억톤의 이산화탄소를 배출한다. 이는 전 세계 탄소 배출량의 2.4%에 해당한다. 수소 수요는 계속 늘어 2050년엔 5억4천만톤에 이를 것으로 예상한다. 이를 천연수소로 대체한다면 탄소 중립에도 적잖은 기여를 할 수 있다. 그러나 그동안 천연수소가 마이카대출 어디에서 생성됐으며, 어디에 저장됐는지에 대한 연구는 단편적이었다.
영국 옥스퍼드대와 더럼대, 캐나다 토론토대 공동연구진이 이를 종합적으로 따져 천연수소의 자원 잠재력을 추정한 연구 결과를 국제학술지 ‘네이처 리뷰 지구와 환경’(Nature Reviews Earth & Environment)에 발표했다.
이에 따르면 지 세테크 난 10억년 동안 지구 지각 깊숙한 곳에서 생성된 천연수소는 현재 전 세계 석유 소비량 기준으로 17만년분에 해당한다. 하루 석유 소비량 1억배럴을 기준으로 계산하면 약 320조톤에 해당하는 양이다. 하지만 이 가운데 얼마나 많은 양을 추출할 수 있을지는 아직 불분명하다.
연구진은 천연가스는 “유실되거나 이용 불가능한 상태의 일정량을 제외 보증인대출조건 한 나머지는 청정에너지원으로 사용할 수 있을 것으로 추정한다”며 “경제적인 천연수소 추출법을 개발한다면 지구 에너지 전환에서 중요한 역할을 할 수 있다”고 주장했다.



미국 몬태나주의 버려진 우물. 지하수에 용해된 기체를 측정해 천연수소를 발견할 수 있다. 옥스퍼드대 제공
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천연수소가 생성되는 두가지 방식
연구진은 이번 연구에서 천연수소가 생성되는 두 가지 주요 경로를 살펴봤다.
하나는 철이 풍부한 감람석이 물과 반응해 수소를 생성하는 지질학적 경로다. 지각 아래쪽 맨틀 상부에 널리 분포하는 감람석이 고온에서 물과 반응해 사문석이 되는 과정에서 천연수소가 만들어진다. 철이 물 분자로부터 산소 원자를 빼앗고 수소를 방출한다.
다른 하나는 방사성 붕괴 방식이다. 지각 암석에 있는 우라늄, 토륨, 칼륨 같은 방사성 원소가 붕괴하면서 물분자를 수소와 산소로 분해하는 것이다.
지질학적 방식은 수천~수백만년, 방사성 붕괴 방식은 수천만~수억년이 걸린다. 연구진은 지난 10억년 동안 생성된 수소 에너지만 따져도 현재 전 세계 석유 소비량의 17만년분에 해당하는 것으로 추정했다.



천연수소가 생성되는 네가지 지질 구조
연구진은 이 두가지 방식으로 천연수소가 생성돼 축적될 수 있는 지질학적 환경은 크게 4가지라고 밝혔다.
첫째는 대륙 가장자리의 오피올라이트다. 오피올라이트는 지각 충돌 시 대륙으로 밀려난 해양 지각을 말한다. 과학자들은 2024년 크롬 광산인 알바니아의 오피올라이트 지대에서 거대한 수소 저장소를 발견한 바 있다. 알바니아의 오피올라이트는 수천만년 전 아프리카판이 유럽판과 충돌할 때 밀려올라온 것이다.
둘째는 알칼리성 화강암 지층이다. 이곳엔 방사선에 의해 물이 분해되는 과정을 통해 수소를 생성할 수 있는 방사성 화강암이 있다.
셋째는 거대 화성암 지대다. 이곳에 있는 마그네슘과 철이 풍부한 철질암(mafic rock)이 물-암석 화학반응을 통해 수소를 생성할 수 있다.
넷째는 시생대(40억~25억년 전)에 형성된 그린스톤(녹색암) 지대와 토날라이트-트론제마이트-그라노디오라이트(TTG) 화강암 저반(bassolith)이다. 저반이란 마그마가 지표면 위로 분출하지 못하고 그 아래에서 응고된 암석 덩어리를 말한다. 이곳에선 수소를 만드는 물-암석 반응과 방사선 분해가 모두 일어날 수 있다.



미국 내 수소 매장 가능성이 높은 지역(파란색)을 보여주는 지도. 미국 지질조사국


미국 30개주에 천연수소 매장 추정
연구진은 “중요한 것은 이런 지질 구조가 모든 대륙에 널리 분포해 있다는 점”이라고 강조했다. 이는 천연수소가 석유처럼 특정지역에 집중돼 있지 않고 전 세계에서 추출해 쓸 수 있다는 걸 시사한다.
앞서 미국 지질조사국은 올해 초 질량 보존 법칙에 기반한 질량 균형 모델 방정식을 적용해 계산한 결과, 땅속의 천연수소 총량은 수소 10억~1경톤 범위이며 가장 가능성 있는 값은 5조6천억톤으로 추정됐다고 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표했다. 지질조사국은 이어 미시간, 캔자스 등 미국 30개주에 천연수소 매장지가 있을 가능성이 높은 것으로 보고, 이를 지도로 작성해 공개했다.
그러나 천연수소를 자원으로 추출해 쓰려면 생성된 수소를 가둬놓을 수 있는 밀폐된 공간과 안전한 이동 경로, 그리고 미생물 대사나 화학 반응에 의한 소멸을 막아주는 환경이 추가로 필요하다.
연구진은 그러나 “수소 분자는 작고 가벼워 잘 빠져가나는데다 미생물의 먹이로 잘 쓰이기 때문에 장구한 세월을 온전히 견뎌내기는 어렵다”며 “이것이 지구 지질 역사에서 엄청난 양의 수소가 생성됐음에도 오늘날 그 일부만 회수할 수 있는 이유”라고 설명했다.
연구진은 앞서 2023년 초전도체 냉각재로 쓰이는 헬륨 지하 저장소를 찾는 방법을 연구하는 논문을 네이처에 발표한 바 있다. 이에 따르면 헬륨은 고농도의 질소 가스와 함께 존재한다. 연구진은 올해 초 미국의 옐로스톤국립공원 주변 지역과 탄자니아와 인도의 다른 두 곳을 헬륨 추출의 잠재적 후보지로 꼽았다.
2023년 스노우폭스 디스커버리(Snowfox Discovery)라는 이름의 회사를 공동 설립한 옥스퍼드대와 더럼대 연구진은 현재 땅속의 수소와 헬륨 저장소를 찾고 있다 .
*논문 정보
Natural hydrogen resource accumulation in the continental crust. Nat Rev Earth Environ(2025).
https://doi.org/10.1038/s43017-025-00670-1
곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr