무(無)탄소 전원 ‘수소’ 탄소중립 중요 수단

수소경제법 개정안…청정수소 생태계 구축에 초점

그린수소사회 구현 제1차 정책세미나
수소경제법(이하 수소법) 개정안이 국회에 상정된 지 1년여 만에 지난 5월 4일 산자위 법안소위를 통과했다. 이 개정안은 2050 탄소중립 실현을 위해 청정수소 중심의 생산-유통-활용 전주기에 걸친 생태계 구축에 초점을 맞췄다.

청정수소에 대한 정의를 구체화해 무탄소수소, 저탄소수소 및 저탄소수소화합물 등으로 구분하되 인증기준은 하위 법령에서 정하는 것으로 했다. 청정수소 명문화, 수소관련 기업 및 발전 사업자의 의무규정 등이 명시된 수소법 개정안은 조만간 국회 법사위와 본회의 상정을 앞두고 있다.

이와 관련, 정태호 국회의원실과 그린수소사회연구회는 지난 5월 12일 ‘합리적인 그린수소사회 구현을 위한 제1차 정책세미나’를 국회의원회관 제1세미나실에서 공동 주최했다.

▲ 정태호 국회의원
▲ 정태호 국회의원

정태호 국회의원(더불어민주당)은 축사에서 “주요국간 탄소중립 사회로 전환하기 위한 주도권 경쟁이 치열해지는 가운데 탄소중립의 주요 수단이 될 수 있는 새로운 에너지원인 ‘수소’가 주목받고 있다”며, 수소경제 활성화 및 그린수소사회를 조속히 시작할 수 있는 해법을 찾을 것을 주문했다.

2021년 1월 1일, 더욱 강력히 온실가스 배출을 규제하는 파리기후협약이 발효됐다. EU가 탄소중립 정책을 선도하는 가운데 미국 역시 바이든 대통령 취임일에 파리협정에 재가입해 지속적인 탄소중립 방안에 대해 논의하고 있다.

세계 최대 탄소배출국인 중국도 2060년 탄소중립을 선언하면서 전 세계적으로 기후변화와 온실가스 감축 이슈에 관심이 집중되고 있다. 대한민국은 2030년 국가 온실가스 감축목표(NDC)를 상향해 2018년 대비 40% 이상 온실가스 감축목표를 세우고, 2050년 탄소중립을 선언했다.

그린수소, 탄소중립 달성에 필수적 역할

수소는 무탄소 전원으로서 탄소중립을 위한 중요 수단이며, 발전·수송·산업 부문에서 연료로 사용될 수 있다. 아울러 수소는 새로운 산업구조 혁신을 유발하는 에너지원으로서 다양한 신산업을 창출하는 미래의 먹거리이다.

세계 주요국들은 수소경제 주도권 선점을 위해 적극적으로 노력하고 있다. 미국은 최근 초당적 인프라 법안 통과를 통해 대규모의 수소발전 투자를 선언했다.

유럽은 우크라이나 사태에 대응해 에너지안보 차원에서 적극적으로 수소경제를 추진하고 있으며, 중국 또한 최근 수소 전략을 제시하며 수소경제 발전을 위한 전주기 계획을 발표했다.

탄소중립계획에 따른 글로벌 수소 소비량은 2030년 1억 4000만 톤, 2050년 6억 6000만 톤에 이르러 전체 에너지 수요의 약 22%에 이를 전망이라고 한다.

미국은 2022년 1200만 톤, 2030년 1700만 톤까지 수소 생산을 증가할 것으로 전망되고 있으며, 유럽은 2030년 1400억 유로 규모의 수소경제 육성을 EU 그린딜 추진정책에 포함시켰다. 일본 역시 지난 12월 해상풍력, 수소 등 14개 주요 분야의 목표와 실행계획을 담은 그린성장 전략을 발표함과 동시에 2050년까지 수소 소비량을 2000만 톤으로 확대하는 목표를 세우고 있으며, 중국은 차량 등의 주요 수송 부분의 연료를 수소로 대체하는 목표를 마련하고 있다.

특히 그린수소는 탄소중립을 달성하는데 필수적인 역할을 담당할 수 있다. 생산과 활용 과정에서도 탄소가 배출되지 않아 탈탄소시대 차세대 친환경 에너지로 인식되기 때문이다.

이미 유럽, 미국, 호주 등 다수국가에서도 잉여전력을 활용한 수전해로 친환경 그린수소 생산 확대 정책을 추진하고 있고, 저비용·고밀도 저장 및 운송시스템 개발도 활발히 이뤄지고 있다. 또한 지속적으로 감소하는 재생에너지 생산비용, 규모의 경제, 기술 발전으로 인해 그린수소의 생산 비용이 감소해 2050년 재생에너지가 풍족한 중동, 미국, 중국, 호주 일부지역 등에서는 그린수소 생산비용을 ㎏당 1.2∼1.8달러가 될 것이라 예측하고 있다.

수소 전주기 기술

▲ 서울대학교 강상규 교수(조선해양공학과)
▲ 서울대학교 강상규 교수(조선해양공학과)

이날 서울대학교 강상규 교수(조선해양공학과)는 주제발표에서 ‘연료전지에서 그린수소와 블루수소의 경제성 비교’에 대해 발표했다.

수소의 전체 주기는 수소의 생산/분리/추출→수소의 저장→수소의 활용이다. 수소의 생산/분리/추출 기술은 부생수소(석유와 같은 탄화수소에서 수소를 추출, 그레이수소와 블루수소 생산), 수전해(신재생에너지의 잉여 전력으로 물에서 수소를 전기분해), 천연가스 개질(천연가스를 고온·고압의 수증기로 분해하는 방법, 그레이수소와 블루수소 생산) 등이다.

수소 생산 기술

세부적으로 수소 생산 기술 중 천연가스 개질 기술의 경우 화석연료(천연가스, 석탄)를 에너지원으로 사용하며, 대량생산이 가능하고 생산 단가가 저렴하고 안정된 기술이란 장점을 가진 반면 CO2 발생이 많다는 단점을 가진다.

이 기술은 기존에는 높은 천연가스 가격으로 경쟁력이 부족했으나 최근에는 미국 세일혁명 이후, 천연가스 가격 하락으로 경제성이 개선됐다.

전기분해 기술은 신재생에너지와 원자력을 에너지원으로 사용하는 것으로 나뉜다. 신재생에너지(태양광, 풍력, 조력, 파력)를 에너지원으로 사용하는 경우 친환경적이고 다양한 에너지원을 활용 가능하단 장점이 있는 반면 높은 생산단가, 지역적 제한, 낮은 에너지 효율, 대량생산 곤란 등의 단점을 가진다.

원자력을 에너지원으로 사용하는 경우는 대량생산이 가능하고 CO2가 발생하지 않는다는 장점이 있는 반면 원자력에 대한 거부감이 있고 일부 기술개발 중이란 단점을 가진다.

이 기술은 기존에 높은 신재생에너지 발전 단가로 비싼 생산 단가를 보여 왔다면, 최근에는 유럽의 경우 신재생에너지 잉여전력을 활용해 경제적으로 대량생산이 가능하다.

부생 수소 기술은 주로 화석연료를 사용하고, 폐가스를 활용할 수 있는 정점이 있는 반면 정제가 필요하고, 주위의 석유화학시설에 의존하고, 생산량에 한계가 있다는 단점이 있다.

이 기술의 경우엔 기존 정제, 제철 공장 내에서 자체적으로 생산·소비돼 왔다면 최근에는 수소 연료가 석유화학 및 제철업체 신규 수익원으로 부각되고 있다.

또한 색상코드별로는 브라운수소의 경우 갈탄에서 수소를 추출하고 CO2 및 각종 유해물질을 배출하고, 그레이수소는 천연가스 추출 수소로 정유공정 과정에서 부산물로 생산되며 1tons 생산에 10tons CO2를 배출한다. 블루수소는 그레이수소 생산 과정에서 발생하는 CO2를 포집 및 저장하고 하이브리드형 수소이며 온실가스 배출은 낮춘다.

청록수소는 추가적인 물질 없이 고온에서 열분해 반응을 통해 수소를 추출하고 중기 개질과 다르게 이산화탄소가 발생하지 않지만 고체 탄소가 발생한다.

레드수소는 원자력발전에서 배출되는 열에너지를 이용하고, 고온조건에서 열 화학반응을 통해 수소와 산소가 발생하고, 이산화탄소 배출이 없다.

보라수소는 원자력발전에서 배출되는 열에너지와 전기에너지를 이용해 열화학반응과 전기화학반응을 활용해 수소와 산소를 생산하고, 이산화탄소 배출이 없다.

핑크수소는 원자력발전에서 배출되는 열에너지와 전기에너지를 이용해 수전해와 연계하여 수소와 산소를 생산하고, 이산화탄소 배출이 없다.

그린수소는 재생에너지 발전과 수전해를 연계, 재생에너지 발전에서 생산된 전기에너지를 수전해에 공급하고, 이산화탄소 배출이 없다.

 
 

수소 생산비용 비교 분석

수소생산 공정을 종합적으로 비교하면 그레이수소는 온실가스 배출량이 많고, 블루수소는 온실가스 배출량이 낮으며, 그린수소는 온실가스 배출량이 없다.

그리고 IAE 보고서는 수소 생산비용을 비교 분석할 결과 그레이수소는 1.0∼2.2 달러/㎏ H2, 블루수소는 1.5∼3.0 달러/㎏ H2, 그린수소는 3.0∼7.2 달러/㎏ H2라고 밝혔다. 그린수소의 주요 생산비용 인자는 재생에너지 발전단가 및 수전해 설비비다.

강상규 교수는 수소 생산 기술의 종류와 관련해 “세계에서 현재 사용되는 수소는 대부분 화석연료 기반 추출 기술로 연간 약 9억 톤의 CO2를 배출되고 있고, 가격 경쟁력 확보가 조만간 예상되는 청정수소 생산 기술 중 특히 수전해 기반 기술 비중이 크게 증가할 전망”이라고 전했다.

수소 저장 기술

저장 기술은 고압가스 저장(기체 상태의 수소 상태로 약 700bar로 압축해 저장), 액체 저장(기체 상태의 수소를 -253℃로 냉각해 액화상태로 만들어 저장), 고체 수소 저장(고체의 표면에서 수소가 화합물을 만들어 저장), 화학 저장(다른 물질과 화합물을 만들어 저장) 등으로 구분된다.

활용(기술)은 가정의 경우 수소를 사용한 연료전지로부터 전기와 열을 사용하고, 산업용은 대규모 발전 및 반도체, 철강 등 수소를 사용하는 기존 산업에 활용하고, 수송용은 비행기, 배, 자동차 등의 연료전지에 활용된다.

온실가스 감축방안_천연가스 배관망 수소혼입 공급

▲ 한국가스공사 최일중 부장
▲ 한국가스공사 최일중 부장

주제발표에 나선 한국가스공사 최일중 부장(수도사업운영처 수소배관사업부)은 ‘천연가스 배관망 수소혼입 공급으로 온실가스 감축 방안’에 대해 발표했다.

이에 따르면 수소혼입(Hydrogen Blending)은 천연가스(주성분 CH4) 공급 배관에 수소(H2)를 혼입해 도시가스 수요처에 공급(가정용, 산업용, 발전용 등)하는 것이다.

수소혼입의 장점은 ▷기존 천연가스 인프라를 활용함으로써 신규 인프라 구축비용 절감(수도배관 설치비: 30∼40/㎞) ▷천연가스 수요처에 수소혼입 공급으로 수소 수요 개발 용이(20% 혼입 시 연간 약 107만 톤) ▷온실가스 조기 감축을 위한 경제적이고 효율적인 방법(천연가스 온실가스 발생: 2.71tCO2/톤) ▷재생에너지 보급 확대 시 잉여전력 활용해 국내 그린수소를 생산하여 천연가스 배관망에 혼입 가능(예: 제주) ▷수소혼입 인프라는 장기적으로 수소전용인프라로 확장 활용 가능(수소 혼입→전용) 등이다.

최일중 부장은 “수소 혼입 시 가스가격 인상요인 발생에 대한 국민부담 경감 대책과 수소 혼입 가능 시 활성화 정책 개발, 그리고 수소생산, 액화, 운송, 저장, 공급 등 혼입 인프라 구축비용이 과다하기에 국가가 주도하는 인프라 구축 추진이 필요하다. 수소 혼입 적용 가능 시 국가의 전체적인 혼소발전 로드맵도 필요하다”며, 관련 정책을 제안했다.

그린수소 생산기술 개발·도입·실증 활발 전망

이날 토론자로 나선 한국에너지공단 이한우 수소경제추진단장은 수소경제법 개정안 국회 심의에 따른 영향과 전망에 대해 전했다.

이한우 단장에 의하면 첫째, 무탄소 수소인 그린수소를 생산하기 위한 기술개발 및 선진기술 도입과 상업화를 위한 실증이 활발하게 이뤄질 것으로 보인다.

대기업은 주로 글로벌기업과의 합작 또는 지분 투자를 통해 기술을 획득하고 있으며, 국내의 대표적인 중소 기술기업들은 그간의 R&D 성과를 Scale-up하는 노력을 기울이고 있다.

둘째, 수소생산 과정에서 CO2의 발생을 최소화하거나 발생하는 CO2를 제거 또는 활용하는 CCUS 기술의 개발 및 상업화가 촉진되고 될 것으로 전망된다.

나아가 액화수소 또는 액상 유기화합물 형태로 국내로 도입하기 위한 운반선, 인수기지, 활용시설에 대한 논의와 투자가 매우 구체적으로 나타나게 될 것으로 보인다.

운송 및 저장 기간 동안 하루 1% 정도의 기화 손실이 발생하는 수소의 특성상 초기에는 액화수소 보다는 액상 유기화합물의 형태로 많이 도입될 것으로 보인다. 같은 이유로 수요처와 공급처의 안정적 연계 또한 중요한 이슈가 될 것으로 보인다.

▲ 왼쪽부터 이한우 한국에너지공단 수소경제추진단장, 문상진 두산 퓨얼셀 상무, 권혁수 에너지산업진흥원 이사장(좌장), 정대환 산업통상자원부 수소경제정책과 팀장
▲ 왼쪽부터 이한우 한국에너지공단 수소경제추진단장, 문상진 두산 퓨얼셀 상무, 권혁수 에너지산업진흥원 이사장(좌장), 정대환 산업통상자원부 수소경제정책과 팀장

청정수소 인증·활용방안 논의 활발 전망

셋째, 청정수소 인증을 위한 기술기준과 절차 및 적정 담당기관에 대한 논의가 활성화될 것으로 보인다. 청정수소 인증은 수소의 생산과정 전체에서 발생하는 CO2의 양을 전문기관이 정해진 절차와 기준에 따라 검증하고 제3자가 인증하는 시스템이다.

수소는 탄소중립의 수단으로서 발전소 등 활용처에서는 청정수소의 출처와 도입량, 사용처와 사용량을 입증해야 한다. 이는 유사업무 수행경험, 전문인력 확보상황, 유관 정책과의 연관성 등을 종합적으로 고려할 수 있는 기관이 담당하는 것이 좋을 것으로 보인다.

넷째, 그간 수소를 활용하는 대표적 에너지설비의 지위에 있던 연료전지의 역할과 활용방안에 대한 논의가 더욱 활발해질 것으로 보인다.

부생수소를 활용한 대규모 연료전지발전소는 논외로 하더라도 천연가스 개발을 통한 연료전지발전소의 가동으로 인한 환경영향에 대한 논의가 심화될 것으로 보인다.

“국내 수소 총수요의 25% 이상 국내서 생산해야”

이한우 단장은 “국내 수소 총수요의 적어도 25%는 국내에서 생산되어야 한다는 공식적 목표를 제시해 관련 기업들이 안심하고 투자할 수 있는 환경을 조성하고 비상시 공급 부족을 겪지 않도록 해야 한다”며 “나아가 급속하게 재편되고 있는 국제 정치 및 경제체제의 변화를 고려해 한·미 간 그린수소동맹 결정 등 대외적 환경 조성에도 힘써야 한다”고 제안했다.

산업통상자원부 정대환 수소경제정책과장은 “청정수소 사회 실현을 위해서는 청정수소를 경제적이고 안정적으로 공급할 수 있는 여건을 마련해야 한다”며 “지금부터 개정안에 기반을 둔 상세한 제도설계를 수행해 나갈 것이다.

이 과정에서 청정수소 관련 전문가, 이해관계자 등의 의견을 긴밀히 청취해 합리적인 제도를 설계해 나갈 계획이다”라고 밝혔다.

정부는 지난 11월 제1차 수소경제이행기본계획을 통해 국내외 수소 생산을 촉진할 계획을 제시했다. 국내에서는 저렴한 그린수소 생산을 위한 R&D와 실증을 진행할 계획이며, 최근 10MW급 대규모 그린수소 실증을 착수하며 그린수소 생산 상용화를 위한 큰 걸음을 내딛었다.

우리나라의 여건상 국내 수소 생산만으로는 수소 공급이 부족할 것으로 예상되기 때문에, 필수적으로 해외에서 생산한 청정수소를 도입해야 한다.

이에 정부는 2030년 약 50%, 2050년 약 80% 이상을 해외 청정수소로 공급할 것을 계획했다. 이 과정에서 해외 청정수소를 단순히 수입하는 것이 아니라, 우리 기술과 자본을 활용해 해외에 수소 생산기지를 구축하여 수소를 도입하는 것을 중점적으로 추진할 계획이다.

<조원상 기자>

 

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