네이처(Nature)에 발표된 이 연구는 지구 수소 순환에 대한 가장 포괄적인 분석으로, 가스가 대기, 육지, 해양 사이에서 어떻게 흐르는지 보여줍니다.
수소는 오랫동안 화석 연료의 대안이자 녹색 에너지 전환의 핵심 요소로 인식되어 왔습니다.
그러나 수소는 온실 가스는 아니지만 온도 상승은 메탄의 온도를 “증가”시킨다고 저자는 말합니다.
대기 중 수소의 증가는 0.02 “간접” 온난화를 일으켰습니다.°연구에 따르면 지난 10년 동안 C.
저자들은 석유와 천연가스에 대한 보다 깨끗한 연소 대안으로서 수소로부터 이점을 얻으려면 미래의 수소 연료 누출을 줄이고 메탄 배출을 신속하게 줄이는 것이 필요할 것이라고 말합니다.
연구를 수행하는 국제 과학 단체는 지난달 20차 판을 발표한 연례 ‘글로벌 탄소 예산’도 작성한다.
‘과급’ 메탄
수소는 우주에서 가장 가볍고 가장 풍부한 원소이다. 화석연료보다 단위 중량당 에너지가 더 많은 폭발성 가스이기도 하다.
이 가스는 연소될 때만 물을 방출하기 때문에 오랫동안 기름을 정화하는 방법으로 알려져 왔습니다.
수소를 생산하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 그들은 종종 화석 연료에 의존하는 높은 탄소 배출로 인해 생산됩니다. 그러나 재생에너지를 사용하면 배출량이 거의 0에 가까운 ‘녹색수소’를 생산할 수 있습니다.
수소는 다른 가스와의 반응을 통해 대기를 “간접적으로” 가열합니다. 이러한 온난화는 주로 인간이 초래한 지구 온난화의 두 번째 원인인 CO2에 이어 두 번째로 큰 온실가스인 수소와 메탄 사이의 상호작용에 기인합니다.
이 상호 작용에는 하이드록실 라디칼이라고 불리는 대기 중의 분자가 포함됩니다. 이러한 자연 발생 분자는 메탄과 같은 다른 지구 온난화 가스와 싸워 지구 온난화가 아닌 화합물로 전환시키기 때문에 대기 “청정제”로 알려져 있습니다.
Rob Jackson 교수는 스탠포드 대학의 과학자이자 연구의 저자입니다. 그는 수소가 수산기 라디칼과도 반응하여 이러한 제거제를 “소모”하고 메탄과 반응할 수 있는 양을 적게 남긴다고 설명합니다.
이는 대기 중 메탄의 “수명을 연장”하여 온도가 점점 더 높아진다고 Jackson은 Carbon Brief에 말했습니다.
비슷한 효과가 있는데, 대기 중 메탄이 많아지면 더 많은 수소가 발생합니다. 이는 메탄이 “산화”라는 과정에서 대기 중의 산소와 반응하여 수소를 생성하기 때문에 발생합니다.
Jackson은 Carbon Brief에 수소와 메탄 사이의 상호 작용이 “기후에서 과소평가되어 왔다”고 덧붙였습니다.
“사람들은 세계의 주요 수소 공급원이 대기 중의 메탄이라는 사실을 모르는 것 같습니다.”
전체적으로, 연구에서는 대기 중 수소의 증가가 지구 온난화에 0.02만큼 기여한 것으로 추정합니다.°2010-20년. 이러한 기후 영향은 “간과”되었다고 연구원들은 보도 자료에서 밝혔습니다.
Jackson은 Carbon Brief에 이러한 온난화가 “작은 것처럼 보이지만” 프랑스와 같은 다른 국가의 배출로 인한 온난화와 “비슷하다”고 말합니다.
수소주기
글로벌 수소 예산은 데이터와 관찰된 모델을 수집하여 수소 가스의 공급원과 대기에서 가스를 흡수하는 “흡수원”을 계산합니다.
저자들은 대기 중 수소 수준이 1992년 523ppb에서 2020년 543ppb로 증가했다는 사실을 발견했습니다.
아래 그래프는 2010-20년 동안 수소의 주요 공급원(위쪽 화살표)과 흡수원(아래쪽 화살표)을 보여줍니다.
2010~2020년 수소 공급원 및 흡수원. 출처: Ouyang et al(2025).
이 차트에서 알 수 있듯이 2010~20년 수소 배출량 증가의 가장 큰 원인 중 하나는 인공 메탄 배출에서 비롯됩니다. 화석 연료, 가축, 폐기물 등 인간 활동으로 인해 메탄 배출량이 증가하고 있습니다.
연구에 따르면, 2010년부터 2020년까지 대기 중 수소의 56%는 대기와 반응하여 수소를 생성하는 메탄 및 비메탄 휘발성 유기 화합물(NMVOC)의 산화로 인한 것입니다.
(NMVOC는 식물에서 자연적으로 방출되며 산불 발생 시 매우 빠르게 방출되는 화학 물질입니다. 연구에 따르면 휘발유나 자동차 배기관 등에서 인위적으로 NMVOC가 배출되는 경우도 증가하고 있습니다.)
이 연구는 또한 대기 중 수소 증가의 또 다른 원인으로 수소 생산 공장의 누출을 지적합니다.
Jackson은 Carbon Brief에 “생산이 악화되고 있기 때문이 아니라 석탄과 가스에서 더 많은 수소를 생산하고 있기 때문에” 수소 누출이 증가하고 있다고 말했습니다.
수소는 화석 연료 연소의 부산물로도 생산될 수 있습니다. 연구 결과, 수소 배출량이 감소하고 있는 것으로 나타났습니다.
동시에 천연 수소 가스 공급원은 시간이 지나도 증가하거나 감소하지 않는다고 저자는 말합니다.
가장 큰 천연 수소 공급원 중 하나는 “질소 고정”을 통한 것입니다. 이는 질소가 암모니아로 변환되어 부산물로 수소를 방출하는 화학적 과정입니다. 이는 식물과 조류가 자라는 토양과 바다에 질소를 가두어 줍니다.
한편, 지난 30년 동안 대기 중 수소의 증가로 인해 수소 농도가 증가했다고 연구는 밝혔습니다.
전 세계 수소 흡수원의 약 4분의 3은 토양에 갇혀 있는 수소에서 나옵니다. 예를 들어, 수소를 에너지로 사용하는 미생물이나 토양에 스며들어 확산되는 수소에 의해 발생합니다.
Zutao Ouyang 박사는 Auburn University의 조교수이자 이번 연구의 주요 저자입니다. 그는 Carbon Brief에 토지 격리가 “대기에서 수소를 제거하는 주요 방법”이라고 말했지만, 수소 예산의 이 부분에 대한 “장기적 데이터가 많지 않기 때문에” “불확실성도 크다”고 덧붙였습니다.
지도
관측 측정 및 배출 요인을 포함한 데이터를 바탕으로 저자는 수소의 공급원과 흡수원 및 그 잠재력을 매핑합니다.
아래 지도는 1990년부터 2020년까지의 배출원(상단)과 흡수원(하단)을 보여주며, 어두운 색은 배출원 또는 흡수원을 나타냅니다.
1990~2020년 수소 공급원(상단)과 흡수원(하단). 출처: Ouyang et al(2025).
연구에 따르면 수소 배출이 가장 많이 발생하는 곳은 ‘동남아시아와 동아시아’이다. 보다 광범위하게는 “열대 지방”이 전체 수소 가스의 약 60%를 생산한다고 말합니다.
저자는 이 “핫스팟”이 메탄과 NMVOC(대기에서 발생하고 화학물질로 수소를 생성하는 과정)의 산화가 고온에서 매우 빠르게 발생하기 때문에 발생한다고 설명합니다.
그들은 또한 이들 지역에 더 많은 초목이 있어 더 많은 NMVOC 배출이 발생한다는 사실을 발견했습니다.
인간 활동과 관련된 배출 측면에서 동아시아와 북미는 ‘화석 연료의 높은 소비’로 인해 ‘화석 연료 연소로 인한 수소 배출에 크게 기여’했다고 연구는 밝혔습니다.
식물이 질소를 흡수하고 부산물로 수소를 방출하는 질소 고정으로 인한 수소 생산량은 남아메리카에서 높습니다. 보고서는 이러한 배출을 대두와 땅콩과 같은 작물의 “집약적 재배”와 연관시킵니다.
Maria Sand 박사는 CICERO의 주요 조사관이며 이 연구에는 참여하지 않았습니다. 그는 Carbon Brief에 이 논문이 “글로벌 수소 예산에 대한 중요하고 비판적인 평가를 제공한다”고 말했습니다. 그는 이렇게 덧붙입니다.
“이 연구는 수소의 출처와 변형을 효과적으로 좁힘으로써 기후 불확실성을 줄이는 데 도움이 됩니다. [of hydrogen].”
Nicola Warwick 박사는 국립 대기 과학 센터의 연구원이자 캠브리지 대학교의 부교수입니다. 그는 Carbon Brief에 이번 연구가 “수소 공급원과 흡수원을 효과적으로 제한함으로써 대기 수소 수지를 이해하는 데 중요한 정보를 제공한다”고 말했습니다.
그는 “기후에 따른 토양 수분 및 온도 변화”에 어떻게 반응하는지를 포함하여 토양의 수소 흡수에 대한 더 나은 이해가 “수소 전환으로 인한 미래 기후 변화를 안정적으로 평가하는 데 필수적”이라고 덧붙였습니다.
연구 저자인 Jackson은 Carbon Brief에 이 연구가 “사람들이 새로운 방식과 장소에서 배출과 배출원 및 흡수원의 일부를 분석하는 데 도움이 되기를 바란다”고 말했습니다.
수소경제
넷제로(Net-Zero)를 추구하면서 수소는 글로벌 에너지 시스템에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.
수소가스를 만드는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 현재 대부분의 수소는 화석 연료와 증기를 결합하여 수소와 천연 부산물인 CO2를 생산하는 증기 개질이라는 과정을 통해 생산됩니다.
연구에 따르면 오늘날 생산되는 수소의 90%는 “탄소 집약적” 공정을 사용합니다.
그러나 전기분해라는 과정을 통해 전기를 사용하여 물을 수소와 산소 원자로 분리할 수 있습니다. 재생에너지를 사용하면 탄소 배출이 거의 0에 가깝게 수소를 생산하고 소비할 수 있습니다.
수소는 파이프라인, 트럭 또는 선박을 통해 저장, 배출 및 운송될 수 있습니다. 그것은 비료를 만들고, 자동차에 연료를 공급하고, 주택 난방을 하고, 전기를 생산하고, 부유한 회사를 운영하는 데 사용될 수 있습니다.
이 수소 “경제”는 아래 다이어그램에 나와 있습니다. 1부터 3까지의 숫자가 표시된 다이어그램은 수소가 어떻게 생산, 운송 및 사용되는지 보여줍니다.
Carbon Brief의 보고서에 있는 아래 이미지는 무엇이 수소 경제가 될 수 있는지 보여줍니다.
출처: 탄소 요약(2020).
Jackson은 Carbon Brief에 자신의 의견으로는 철강과 같은 산업 현장에서 화석 연료를 대체하는 데 수소가 “현명한” 선택이라고 말했습니다. 하지만 그는 “전 세계 수백만 명의 사용자에게 수소를 분배하는 수소경제”에 대해 “걱정된다”고 말한다. 가스가 대부분 고갈될 가능성이 있기 때문이다.
그는 이렇게 덧붙입니다.
“우리는 메탄 누출이 나쁘다는 것을 알고 있습니다. 수소는 메탄보다 분자가 작습니다. 따라서 메탄과 수소가 함께 있는 곳이라면 어디든 메탄이 나오면 수소가 많이 누출될 수 있습니다.”
저자는 향후 몇 년 동안의 미래 온난화에 대한 여러 시나리오에서 수소 배출을 모델링합니다.
그들은 “수소가 가장 많이 사용되는 매우 더운 환경”에서는 메탄 농도가 낮아서 메탄의 산화를 통해 수소가 형성되는 것을 방지한다는 사실을 발견했습니다. 이 경우 대기 중 수소가스의 변화는 누출에 크게 의존합니다.
한편, 더 뜨거운 조건에서 저자들은 수소의 사용이 “감소”되지만 메탄 가스는 “변하지 않은” 상태로 유지된다는 사실을 발견했습니다. 이 경우, 그들은 메탄의 산화를 통해 생성된 추가 수소가 누출을 통해 방출된 수소를 초과할 수 있음을 발견했습니다.
전반적으로, 저자들은 수소가 0.01-0.05의 추가 온난화를 일으킬 수 있다고 제안합니다.°Zutao 연구원은 Carbon Brief에 이러한 추가 온난화는 기후 변화에 관한 정부 간 패널의 최종 평가 보고서에 포함되지 않았다고 말했습니다.
이 기사는 Carbon Brief의 허가를 받아 게시되었습니다.
