▶ 재생에너지에서 생산된 그린 수소에너지
유럽에서 작년 12월 ‘유럽 그린 딜’을 발표하면서 신재생에너지를 통하여 기후 변화와 환경 문제에 대응하고 자원 효율적이며 경쟁력 있는 경제 패러다임으로 변모하기 위한 성장 전략으로 삼고 있습니다. 한국도 작년 1월 정부에서 ‘수소 경제 활성화 로드맵’을 발표하고 올해 5월 ‘한국 그린 뉴딜’ 정책을 발표하면서 신재생에너지 산업에 대한 기대와 그 중심에 있는 수소 기반 에너지에 관한 관심이 높아지고 있습니다.
1766년 수소가 처음 발견된 이후 1783년에는 기구를 띄우기 위해 수소가스가 사용되었고 그 뒤로 1972년 첫 번째 수소연료 자동차가 발표되었으나 상대적으로 저렴한 다른 에너지원에 밀려서 사용이 제한되게 됩니다. 수소는 다른 석유나 석탄, 천연가스 같은 에너지원과 달리 자연계에 분자결합 형태로 존재하기 때문에 순수한 수소를 얻기 위해서는 에너지를 투입하여야 하므로 채굴해서 얻을 수 있는 석유 같은 1차 에너지원이라기보다는 에너지 캐리어(Energy Carrier) 즉, 전기와 같이 에너지를 저장, 운반 이용할 수 있는 2차 에너지원이라고 할 수 있습니다.
흔히들 수소는 대기 중으로 방출될 때 산소와 결합하여 물이 되므로 수소에너지는 청정에너지라고 생각합니다. 하지만 생산될 때 석유나 석탄 같은 화석연료를 사용한다면 완전한 청정에너지라고 할 수 없을 것입니다. 태양광발전이나 수력, 풍력 같은 재생에너지를 사용하여 수소를 생산해야만 청정에너지라고 할 것입니다.
수소를 얻는 방법은 다양하게 존재하는데, 일반적으로 부생 수소, 수전해 수소, 추출(개질) 수소로 구분합니다. 부생 수소는 석유화학 공정 및 제철공정에서 얻을 수 있는 수소로서 일찍부터 석유화학 정제용, 반도체 세정용 등에 산업적으로 이용되고 있습니다. 수전해 수소는 전기를 이용하여 물에서 수소를 얻는 방법으로 높은 생산단가로 인하여 경제성이 떨어지는 현실입니다. 추출 수소는 석탄이나 천연가스 등 화석연료에서 생산되는 수소로서 현재 천연가스 추출 수소가 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다.
부생 수소는 석유화학 공정 및 제철공정에서 부차적으로 생산되는 만큼 공급에 한계가 있고 수전해 수소는 경제성이 떨어지므로 현재는 추출 수소가 가장 저렴하게 대량으로 수소를 생산하는 방법이라 할 수 있습니다. 추출 수소에서 얻는 수소에너지는 화석연료로 얻어지므로 완전한 청정에너지는 아니지만, 연료전지로 사용될 때 화석연료보다 온실가스 배출이 적으므로 저탄소 에너지라고 할 수 있습니다.
일반적으로 생산과정에 따라 이산화탄소를 배출하면 그레이 수소, 이때 이산화탄소를 포집 저장하면 블루 수소, 수전해 기술 수소나 해외수입 수소는 그린 수소로 분류하고 있습니다. 유럽 연합은 2016년부터 그린 수소 인증제도(CertifHy Guarantee of Origin)를 통해 수소의 친환경성을 인증하고 있으며, 세계 에너지기구(IEA), 세계재생에너지기구(IRENA)에서는 화석연료 사용 수소를 블랙(석탄)/그레이(가스)/브라운(갈탄)으로 더 세분화하여 구분하고 있습니다.
이 중에 그린 수소(Green Hydrogen)는 가장 탄소를 발생시키지 않는 수소에너지로서 P2G(Power to Gas) 기술에 활용되는데 이는 재생에너지에서 생산된 전기로 물을 전기분해하여 수소로 저장하는 것입니다. 이렇게 저장된 수소는 필요한 곳에 운반되어 연료전지로 활용되어 에너지원으로 사용됩니다.
▶ 세계 주요 국가의 수소 경제 현황
McKinsey 컨설팅 회사에서는 2050년까지 세계 수소 시장이 2조 5천억 달러 이상의 수익을 창출하고 약 3천만 개의 일자리를 창출하는 자립형 시장이 될 것으로 예측하고, IHS Markit 자료에 따르면 세계 그린 수소 투자 규모는 작년 3천만 달러에서 2023년 7억 달러 이상으로 증가하리라 전망합니다.
이렇듯 유망한 그린 수소 시장의 가장 큰 문제점인 생산 비용문제는 크게 두 가지 방법으로 해결할 수 있을 것입니다. 첫째로는 대량 생산에 의한 규모의 경제로 해결할 수 있겠고, 둘째로는 수전해 기술 이외의 경제성 높은 신기술로 수소를 생산하는 것입니다.
자료 | Hydrogen Council, 미래에셋대우 리서치센터
2050년 세계 수소에너지 수요는 2015년 8EJ에서 약 9.8배 증가한 78EJ로 예상되며 전체 에너지 수요의 18%를 차지할 것으로 전망됩니다.
*1EJ(엑시줄)은 하루 전세계가 필요로 하는 에너지(수소가스 700만톤, 석유 약 1억7,000만 배럴)
미국은 민간기업과 정부 기관이 함께 수소 에너지 보급을 늘리고 있는데 Wall Street Journal에 따르면 미국 지방정부 중 최대 규모의 발전소 운영주체인 로스앤젤레스 수력발전부(The Los Angeles Department of Water and Power)가 유타주 소재 석탄화력 발전소를 천연가스와 풍력·태양광으로 생산된 수소를 활용하는 발전소로 전환하기 위해 19억 달러를 투자 중이고, 2025년 완공되면 초기에는 수소발전비중을 30%로 운영하다가 추후 20년 이내에 100% 수소발전으로 가동할 계획이며, 이는 2045년까지 캘리포니아 전력 공급에서 탄소 배출을 제로(carbon-free)로 만들고자 하는 캘리포니아주 정책에 따른 것입니다. 또한, 미국 내 최대 규모의 풍력·태양광을 소유하고 있는 NextEra 회사는 6천5백만 달러를 투자하여 잉여 태양광으로 수소를 생산하여 플로리다 발전소에서 사용하겠다는 계획을 올해 초에 발표하였습니다.
풍력발전으로 생산한 수소를 천연가스 수송관을 활용해 공급하는 ‘Wind2H2’ 프로젝트도 진행 중인데 이는 신재생에너지로 생산한 전기에너지를 그린 수소생산에 이용하고 이를 기존 가스수송관 인프라를 활용함으로써 경제성과 친환경을 동시에 추구하는 방법으로 삼고 있습니다. 미국 내 20개 주에 전력 및 천연가스를 공급하는 Dominion Energy 회사는 내년 초 가스 공급망에 수소를 5% 혼합하는 프로젝트를 시도할 계획입니다.
유럽 연합은 2050년까지의 수소 전략을 발표했는데 1단계에는 2024년까지 수전해 수소 생산 설비를 6GW 급으로 구축하여 연간 그린 수소 생산량을 100만 톤까지 늘리고, 2단계에는 2030년까지 수전해 수소 생산 설비를 40GW 급으로 증축하여 연간 그린 수소 생산량을 1,000만 톤까지 늘리고, 3단계에서는 2050년까지 모든 재생에너지 분야에 그린 수소를 보급하는 것입니다. 유럽 연합은 이를 위하여 ‘유럽 청정수소 연맹(European Clean Hydrogen Alliance)’을 출범시켰습니다.
독일은 2030년까지 신재생에너지 보급 목표를 50%로 설정하고 태양광과 풍력 에너지를 이용해서 그린 수소를 생산하고 있으며 수소 경제 전략을 발표하면서 그린 수소 연구개발에 90억 유로(약 12조 원)를 투입하겠다고 했습니다. 또한, 2018년에는 세계 최초로 수소 전기 열차를 소개하였고 2030년까지 수소차 180만 대를 보급하고 수소충전소 1,000개소를 설치한다는 계획을 세웠습니다.
일본은 2014년 ‘수소 연료전지 전략 로드맵’을 발표하고 2017년에는 수소 기본 전략을 수립해 부처별 규제 개혁과 기술 개발 및 인프라 정비 등의 정책을 통합 수행 중입니다. 현재 일본은 수소충전소가 140여 개로 세계에서 가장 많은데 도요타 자동차회사와 혼다 자동차회사에서 수소 전기차 양산에 성공하였고, 오는 2030년까지 수소 전기차 80만 대, 수소 전기버스 1,200대를 보급하고 수소충전소 900개소를 늘릴 예정입니다. 또한, 가정용 연료전지 보급을 활발히 하고 있고 이를 위해 세계 최대 규모의 그린 수소생산 시설인 후쿠시마 수소에너지 연구단지(FH2R)를 지난 3월 완공했습니다.
중국은 지난해 3월 정부 업무보고에서 ‘수소에너지 설비 및 충전소 건설 추진’ 항목을 새롭게 포함 시키고 약 20개 수준이던 수소충전소를 2020년에는 100개, 2030년에는 1,000개로 늘리겠다는 목표를 세웠습니다. 2014년 공개한 ‘중국제조 2025’ 프로젝트에서도 수소차 확대 계획을 담고 있는데 2020년 수소차 1만 대를 보급하고 2030년까지 200만 대로 대폭 확대하는 안이 담겨 있습니다.
한국 정부는 작년 ‘수소 경제 활성화 로드맵’을 발표했는데 주요 내용을 살펴보면 첫째로 수소차와 연료전지 분야에서 세계 수준의 기술력을 확보하고 둘째로 석유화학 플랜트 산업을 기반으로 수소를 생산 공급하며 셋째로 전국 LNG 공급망에 추출기를 설치하여 수소 공급 인프라를 구축하는 것입니다. 수소차는 2022년까지 8만 대, 2040년까지 620만 대를 공급하고 가정용 연료전지는 2040년까지 2GW 이상 공급한다는 계획을 세웠습니다.
한국은 수소차와 연료전지 분야에서 상당한 수준의 기술력이 있지만 그린 수소 생산 기술인 수전해 기술은 선진국 대비 60~70% 수준에 불과하여 이 문제점을 해결해야만 그린 수소에너지를 보급할 수 있을 것입니다.
자료 | 산업통산자원부
자료 | 산업통산자원부
▶ 그린 수소에너지의 활용 분야
그린 수소 기술을 활용할 수 있는 분야로는 태양광이나 풍력발전에서 얻어진 전기를 저장하는 에너지 저장 장치(ESS, Energy Storage System) 사업이 있습니다. 현재는 리튬 배터리가 이용되고 있는데 충전 횟수가 3,000회 정도의 한계를 가지고 에너지 손실률이 높으며 화재에 취약합니다. 단위 무게당 에너지 저장량이 수소에 못 미치고 배터리 폐기물 또한 공해물질입니다. 이를 대체하여 수소 P2G 기술은 대용량의 전기를 장기적으로 손실이 적게 저장할 수 있고 LNG 공급망을 이용하여 인프라를 구축할 수 있으며 친환경으로 공해가 적습니다.
다른 분야로는 데이터센터를 예로 들 수 있는데 전체 운영비용에서 30~50%를 에너지 비용이 차지하는 고에너지 산업으로 그린 수소에너지가 사용된다면 친환경 에너지 효과는 물론 저장된 액화 수소가 에너지로 사용되기 전에 서버 냉각제로도 사용될 수 있으므로 활용가치가 높다고 하겠습니다.
그린 수소에너지 활용과는 별개로 현재 수전해 기술의 비용적 문제를 해결하기 위해서 다양한 대량 생산 방법도 연구되고 있는데 광합성 및 혐기성 발효에 의한 수소생산 등 생물학적 방식과 수분해 광촉매 이용 기술 등 광화학적 방식, 원자력 기반 수소 생산방식, 암모니아 및 액상유기수소화합물(LOHC) 등 수소 결합 화합물의 분해를 통한 수소 생산방식 등이 국내외에서 활발히 연구되고 있습니다. 그린 수소의 생산 비용 감소에 따라서 시장도 같이 활성화될 것입니다.
전 세계적으로 신재생에너지와 그린 수소 시장이 빠른 속도로 성장하고 있고 신재생에너지의 중심에 그린 수소 에너지가 있는 만큼 한화큐셀 역시 그린 수소에너지 사업에도 적극적으로 진출하여 토털에너지 솔루션 선두 기업으로 자리매김한다면 세계 친환경 에너지 발전을 리딩 해나갈 것입니다.
1. 수전해 : 전기에너지를 이용해 물을 분해, 수소와 산소를 생산하는 방식
2. 개질 : 열이나 촉매의 작용에 의하여 탄화수소의 구조를 변화시켜 가솔린의 품질을 높이는 조작
