수소 경제, 한국에서 그린 수소 생산은 가능한가?

수소에너지 중에서도 미래의 궁극적인 청정 에너지원으로 주목하고 있는 것은 그린 수소다. 그린 수소는 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없어 ‘궁극적인 친환경 수소’라 불린다.
하지만, 전통적인 방식대로 물을 전기분해하여 수소를 생산할 때, 사용하는 전기량이 얻어진 수소로 생산할 수 있는 전기량과 엇비슷하기 때문에 그린수소는 경제성이 없다는 평가를 받았다.

호주를 비롯한 에너지 강국들은 신재생에너지로 전기를 생산하고 그 전기로 그린 수소를 만들어 수출을 시작하고 있다. 그러나, 이 방식은 한국 입장에서는 그림의 떡이다. 그렇다면, 한국에서 사용 가능한 그린 수소 생산 방법은 무엇이 있을까? 최근 각광 받고 있는 블 루수소는 한국에서 경제성을 확보할 수 있을까?

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수소 경제, 한국에서 그린 수소 생산은 가능한가?

안녕하세요, 빈씨 아재입니다.

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대한민국 정부가

• 2018년 8월 수소경제를 3대 혁신성장전략투자 분야로 선정 (데이터·블록체인·공유경제, AI, 수소경제)로 선정하고,
• 지난 3월 2일 대기업들이 2030년까지 43조 원을 투자하겠다고 화답하면서
• 일부 국민들은 수소경제가, 이미 상용화되고 있는 블록체인이나 AI처럼, 금세 실생활에서 체감할 수 있는 첨단 청정 에너지원인 것처럼 생각하는 경우가 많습니다.

과연 그럴까요? 아쉽게도 수소경제는 전세계적으로도 그 출발점인 수소의 생산, 엄밀히 말해서 친환경 청정 그린 수소 생산단계에서 지난 10여 년 동안 그다지 발전하지 못하고 있습니다.

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수소의 특징

• 수소는 우주 질량의 75%를 차지하고, 지구 표면의 70%를 덮고 있는 물에도 수소가 들어 있습니다. 이토록 흔하디 흔한 원소이기 때문에 주기율표 상에서 당당하게 1번 자리를 차지하고 있는 것입니다.
• 또한 에너지원으로 활용할 경우, 액체나 고압, 기체로 저장이 가능하고 운송이 쉽다는 이점도 있으며,
• 자연 환경에 의존해야 하는 재생에너지의 불확실성, 화석연료의 자원고갈, 자원 분쟁이 일어날 우려도 없습니다.

이토록 단점이 별로 보이지 않는 수소를 에너지원으로 삼아 수소 생태계 구축을 위해서는 풀어야 할 문제점이 크게 2가지가 있습니다. "친환경 그린 수소의 생산과 그린 수소의 경제성 확보"입니다.

수소 경제 흐름(출처 : 대한민국 정부 정책브리핑)

 

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수소 경제 - 수소의 생산

이번 포스팅에서는 수소경제의 "생산, 저장/운송, 수소 활용"의 3단계 중 주로 "생산"에 대해서 이야기 해 보고자 합니다. 수소경제에 대해서는 저장/운송, 수소 활용에 대해서도 추후 포스팅하겠습니다.

1. "그레이/브라운 수소, 그린 수소, 블루 수소, "란 무엇인가?

- 그레이 수소 : 현재 생산되는 수소의 약 96%는 화석연료로부터 생산되는데, 천연가스에서 탄화수소(주로 메탄)를 개질(Reforming)하여 추출하는 것이 ‘그레이 수소’입니다. 그레이 수소는 천연가스의 주성분인 메탄(CH₄)을 고온·고압의 수증기로 분해해 생산하거나, 석유화학·철강 생산 과정에서 부산물로 추출됩니다. 그런데, 천연가스를 개질 하여 수소를 생산할 때 전기를 많이 사용하고, 천연가스의 주성분인 메탄을, 고온의 수증기를 촉매로 화학반응을 일으킬 때 수소와 함께 이산화탄소가 많이 추출되는 치명적인 단점이 있습니다. 약 1kg의 수소를 생산하는 데 이산화탄소 10kg을 배출합니다.

브라운 수소는 석탄이나 갈탄에서 생산한 수소를 말하는데, 수소 생산비용은 가장 저렴하지만 이산화탄소를 가장 많이 배출하는 단점이 있습니다. 하지만, 호주와 일본을 중심으로 이산화탄소 배출을 줄여 블루 수소로 편입되기 위한 노력을 하고 있습니다.

- 블루 수소 : 그레이 수소와 생산 방식은 동일하지만, 생산 과정 중 발생하는 이산화탄소를 대기로 방출하지 않고, 포집 및 저장 기술인 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술을 이용해 이산화탄소를 따로 저장하여 탄소 배출을 줄인 것이 블루 수소입니다. 그레이 수소보다는 이산화탄소 배출이 적어 친환경적이고, 이산화탄소 포집 및 저장 기술 또한 높은 성숙도와 경쟁력이 확보되고 있어 현재로서는 가장 현실적인 대안으로 주목받고 있습니다. 하지만, 수소 생산 시 포집한 이산화탄소를 대부분 그냥 땅에 다시 묻어버리기 때문에, 관련 업계에서는 친환경이라고 우기고 있으나, 통상적으로 친환경 수소라고 인정받지 못하고 있습니다.
미국 코넬 대학과 스탠포드 대학 연구팀은 지난해 국제학술지 '에너지 사이언스 & 엔지니어링(Energy Science & Engineering)'에 기고한 논문에서 "블루 수소는 생성과정에서 발생하는 이산화탄소 총배출량이 그레이 수소보다 9~12% 적지만, 누출되는 메탄 배출량이 그레이 수소보다 크다. 특히 온실가스 배출량(Carbon footprint)은 천연가스나 석탄 연소보다 20% 많고 디젤 연소보다도 60% 큰 것으로 나타났다."라고 지적하며 블루 수소 사용보다는 천연가스를 그냥 사용하는 것이 친환경적인 에너지 사용이라는 의견을 밝혔습니다.

- 그린 수소 : 수소에너지 중에서도 미래의 궁극적인 청정 에너지원으로 주목하고 있는 것은 그린수소입니다. 그린 수소는 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 지금으로서는 태양광 또는 풍력 같은 신재생에너지를 통해 얻은 전기에너지를 물에 가해 수소와 산소를 추출합니다. 따라서 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없어 ‘궁극적인 친환경 수소’라 부를 수 있는 유일한 수소입니다.

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2. 현시점에서 가장 현실적으로 수소 생산이 가능한 것은 "그레이 수소"

◆ 중국의 수소 생산

국제 수소 시장에서 현재 가장 많은 수소를 생산하고 있는 나라는 "중국"입니다. 중국은 2010년부터 수소 생산에 투자하여 수소 연간 생산량은 이미 1,000만 t을 넘기며 세계 1위 수소 생산국이 됐습니다. 또한 수소 생산 방식도 천연가스를 개질 하는 방식뿐만 아니라, 물을 광분해하는 방식까지 자체 개발하여 높은 수준의 기술력을 확보하고 있습니다.

출처 : CHN Energy(China Hydrogen Alliance)

게다가, 중국은 러시아와 에너지 동맹을 맺고 가스프롬의 동부노선인 ‘파워 오브 시베리아(Power of Siberia)’ 파이프라인과 해상 운송을 통해 액화천연가스(LNG)를 수입하고 있으며, 러시아의 천연가스를 개질 하여 그레이 수소를 생산, 일부는 수출하고 있습니다. 또한, 중국은 러시아와 올해 초 천연가스 수입 계약을 갱신하여 향후 30년간 러시아의 천연가스를 안정적으로 수입할 예정입니다.

◆ 그린 수소 생산을 독려하는 국가들

세계 각 국은 그린수소 생산과 사용을 장려하기 위해 여러 제도를 구축하고 있습니다.

• 유럽연합(EU)은 블루 수소, 그린 수소에 대한 인증 기준을 마련하였고, 수소의 친환경성을 인증하는 ‘수소 원산지 보증제도’ 시스템을 2016년부터 구축했습니다.
• 한국 역시 2021년 2월에 세계 최소로 수소법을 제정하여 시행 중입니다.

◆ 대한민국 그레이 수소 사용 비중 예상

하지만 앞서 언급했듯이 그린 수소는 생산하는 수전해 설비의 효율이 낮아 수소 생산을 위해 많은 전력을 사용한다는 점 등의 경제적, 기술적 한계로 현재는 그레이 수소를 주로 사용할 수밖에 없습니다. 대한민국 정부의 예측에 따르면,

• 국내 수소 수요가 200만 톤에 근접할 것으로 예측되는 2030년에도 그레이 수소 비중은 50%를 기록하고,
• 2040년에도 30% 비중을 차지할 것으로 보입니다.

부생 수소까지 합하면 화석연료 기반인 그레이 수소 비중은 향후 20년 이후에도 절대적인 수준이 될 수밖에 없는 상황입니다.

◆ 단기적인 대안으로

1. 한국 뿐만 아니라, 다른 나라들도 그레이 수소보다 좀 더 친환경적인 블루 수소에 대한 투자를 대대적으로 진행하고 있으며,
2. 블루 수소 생산 과정에서 포집한 이산화탄소를 재활용하여 화학비료, 의약품 등의 원료로 쓰이는 탄산염을 생산하는 등의 노력을 지속하고 있습니다.
3. 한국의 경우, 업계는 블루 수소의 시장 확대를 위하여 이산화탄소 포집 및 저장기술 고도화와 현재 매우 고가인 포집 장비의 가격을 낮추기 위한 연구개발을 활발히 진행하고 있으며,
4. 정부는 청정 수소 인증제를 도입, ‘청정 수소’를, ‘재생에너지를 활용하거나, 탄소 포집·활용·저장 기술을 활용해 생산한 수소 중 탄소 배출량이 일정 기준 이하로 현저하게 낮은 수소’로 정의하여 블루 수소를 포함한 청정 수소 활용을 극대화하고, 블루 수소의 에너지 시장 진입을 쉽게 할 수 있도록 ‘청정수소발전의무화제도(Clean Hydrogen Energy Portfolio Standards, 이하 CHPS)’를 도입하겠다는 계획도 수립하고 있습니다.

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3. 그린 수소 생산을 선도하고 있는 "신재생에너지를 활용한 수소 생산"

그린 수소

 

◆ 수전해 및 신재생에너지를 이용한 수소 생산 연구

세계 각 국은 경제성 있는 그린수소 생산 기술 혹은 생산 방식을 개발하기 위하여 수전해 및 신재생에너지를 이용한 그린 수소 생산 노력을 지속하고 있습니다.
특히 재생에너지가 풍부한 북아메리카나 유럽 일부 지역에서는 그린 수소 생산을 위한 대용량 수전해 실증 사업을 진행하고 있으며,
호주는 남서부 해안의 풍력발전단지에서 전기 생산 과정 중 발생하는 잉여 전기를 활용하여 수소 생산을 병행, 수소 생산 단가를 기존의 10분의 1 수준으로 떨어뜨렸다고 하고,
천연가스 생산 및 수출 1위 국가인 러시아조차도 태평양에서 가장 조수간만의 차이가 큰 펜진스카야만(Penzenskaya Bay)에 조력발전소를 세워 수소 생산단지를 건설하겠다고 발표하였습니다.

 

특히 호주는 2028~2034년이면, 신재생에너지를 활용한 그린 수소 생산 비용이 그레이수소와 같아지는 분기점(breakeven)에 도달할 수 있으며, 2050년까지 그린 수소의 가격이 kg당 2달러에 도달할 수 있을 것이라고 발표한 바 있습니다.

◆ 대한민국은 경제성을 갖춘 신재생에너지가 없어

문제는 우리 나라는 대규모로 경제성 있는 신재생에너지 생산이 아직 가능하지 않다는 점입니다. ㅠㅠ
현재 국내 상황에서 신재생에너지를 이용한 전기 생산 단가가 워낙 높기 때문에 그 전기를 소모하여 그린 수소를 만들기보다는 호주 등지에서 수소를 수입하는 것이 훨씬 쌉니다. 이러한 난관을 극복하기 위해 정부는 물에서 수소를 생산하는 수전해 기술의 획기적인 도약을 위해 수전해 촉매제 개발에 많은 세금을 쏟아붓고 있지만, 상용화 가능한 경제성을 확보하는 것은 아주 먼 훗날에나 가능하다는 것이 중론입니다.

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4. 한국에서 주목하고 있는 수소 생산 기술은 ‘암모니아 분해 수소 생산’ 방식과 "폐기물, 바이오메스 가스화 공정을 통한 수소 생산 방식"입니다.

◆ 암모니아 분해 수소 생산 방식

2020년 8월, 한국과학기술연구원(KIST) 연구팀이 "암모니아에서 수소연료전지에 직접 사용할 수 있을 정도의 고순도 수소를 대용량으로 추출하는 기술을 개발했다"라고 발표하여 주목을 끈 암모니아 분해 수소 생산 방식은 포스코가 함께 참여하여 상용화 기술을 개발하고 있습니다. 또한, 정부가 지난해 결성한 "그린 암모니아 협의체"에는 한국에너지기술연구원, 한국화학연구원 등 5개 기관과 삼성엔지니어링, 포스코, 현대자동차, 현대중공업 등 13개 기업이 참여하고 있습니다.

1. 암모니아 분해 수소 생산 방식 장점

• 수용액 상태의 암모니아를 자발적 전기화학반응으로 분해해 최소한의 에너지 투입으로 수소 생산이 가능
• 별도의 수소 분리 공정 없이 고순도 수소 생산이 가능하다는 점에서 기존 생산방식보다 친환경적
• 현대차 그룹의 설명에 따르면, 1개 컨테이너 규모의 ‘암모니아 분해를 통한 수소 생산 시스템에서 하루에 수소차 넥쏘 약 50대를 충전할 수 있는 양인 수소 300kg를 생산할 수 있어 입지 제약이 적고 기존 수소 생산방식에 비해 가격 경쟁력이 높다는 점이 강점으로 꼽힌다고 합니다.

2. 암모니아 분해 수소 생산 방식의 문제점

• 암모니아 생산 단계에서 에너지를 너무 많이 소비한다는 점입니다. 전 세계의 암모니아는 1세기 전에 독일 화학자인 프리츠 하버(Fritz Haber)가 발견한 수소와 질소 가스로부터 암모니아를 생성하는 방법을 이용합니다. 그러나 하버-보슈 법(Haber-Bosch process)이라고 부르는 이 방법은 300 bar의 높은 기압에서 최대 500 ℃까지 가열해야 하기 때문에 엄청난 에너지를 소비합니다. 현재 전 세계에서 매년 거의 5억 톤의 암모니아를 생산하는데, 이를 위해 전 세계 1년 에너지 소비량의 1%가 소비된다고 합니다.
• 암모니아는 50ppm 수준의 농도까지는 악취만 발생하지만, 300ppm이상에서는 눈에 이상을 일으키고 3000ppm 이상에서는 사망에 이를 수 있는 위험 물질이라 누출 방지 및 위험도 저감 방재시스템을 함께 투자해야 해서 설비 투자 비용도 많이 들어갑니다.

물론 이런 문제를 해결하기 위한 연구개발도 활발하게 진행 중입니다.

• 일본의 경우, 암모니아를 액화천연가스(LNG) 혹은 석탄과 섞어 화력 발전에 이용하는 독보적인 기술을 가지고 있고, 호주 등지에서 생산한 수소를 공기 중의 질소와 결합하여 암모니아를 만든 후 액화시켜 본국 각지의 수소충전소까지 운반하여 수소충전소에서 다시 수소로 변환시키는 프로젝트를 추진 중입니다. 더욱이 일본은 2019년에 상온, 상압에서 암모니아를 만들어 내는 기초 기술을 개발하여 상용화 기술을 서두르고 있습니다.

일본에는 뒤졌지만, 독일과 한국, 호주도 상온, 상압에서 암모니아를 만들어 내는 기초 기술을 개발하여 발표한 바 있습니다. (호주는 암모니아 생산 역시 신재생에너지를 사용하는 방식으로 그린 암모니아 생산 기술 상용화를 가장 먼저 성공시킬 수 있다고 자신하고 있습니다.)

◆ 폐플라스틱, 바이오매스 가스화 공정을 통한 수소 생산 방식

 

현대엔지니어링 블루 수소 신사업

1. 폐플라스틱에 열을 가해 가스를 추출한 후 가스에서 수소를 생산하는 방식은 이미 전 세계적으로 90년대 중반부터 연구가 시작되어 이미 상용화가 진행되고 있습니다.
국내에서는 현대엔지니어링과 두산중공업 등이 실증 사업을 통해 사업화를 서두르고 있고, 현대차 그룹인 현대엔지니어링은 암모니아 분해 수소 생산 방식도 함께 추진 중입니다.
다만, 이 방식은 폐플라스틱에 열을 가할 때 소모되는 에너지가 많다는 점과 가스에서 수소를 생산할 때 많은 이산화탄소가 발생하기 때문에 이를 포집하여 폐기해야 한다는 점에서, 업체들은 "청정 수소 생산 사업"이라고 홍보하고 있지만, 아직까지는 청정 수소라고 분류할 수 없습니다.

2. 바이오매스(Biomass)란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체·균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체를 통칭하는 용어입니다. 바이오메스 가스화 공정을 통한 수소 생산은 주로 목재로 만든 칩을, 천연가스의 개질 과정과 마찬가지로, 고온의 수증기로 분해한 후 불순물을 정제하여 가스를 생산하고 다시 가스에서 수소를 추출하는 방식으로 상당히 친환경적이고 산림 자원이 풍부한 한국에 적합한 면이 있습니다.
하지만 천연가스는 수소를 25% 가량 포함하고 있는데 비해, 바이오매스 가스는 수소의 비중이 6% 정도에 지나지 않아 생산 비용 대비 산출물이 너무 적다는 아쉬움이 있습니다. 유럽에서는 이미 오스트리아나 독일에서 상용 플랜트를 운영하고 있지만, 국내에서는 폐플라스틱 가스화 공정에 밀려 걸음마 단계에 머물러 있습니다.

이상과 같이, 그린 수소를 향한 전세계적인 노력과 한계, 현실적으로 상용화 가능한 블루 수소를 최대한 친환경적으로 생산하기 위한 기술 현황 등을 알아보았습니다. 불행히도 현재 그린 수소를 선도하고 있는 나라들은 신재생에너지 강국들이며, 신재생에너지로 전기를 생산할 때 발생하는 잉여 전기를 활용하는 방식만이 유효한 그린 수소 생산 방법입니다. 물론 현대 사회는 기술의 발전이 말 그대로 눈이 부시도록 빠른 만큼 언제 획기적인 신기술이 나올지 전문가들조차 알 수가 없습니다. 우리나라에서도 그린 수소를 생산할 수 있는 획기적인 기술이 탄생하기를 기원하면서 이번 포스팅을 마치겠습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다~