우리 일상과 그리고 사회를 이어가기 위해 필수적인 에너지. 그러나 한국은 에너지 자급률이 매우 낮은 나라 중 하나입니다.

2018년 기준 한국의 에너지 자급률은 약 16%인데요. 노르웨이, 호주, 캐나다 등 다른 경제협력개발기구(OECD) 회원국과 비교해 낮은 수준입니다. 특히, 국내 전환(Conversion) 부문에서 보면 석탄, 중유, 천연가스 등 화석연료 상당수를 해외 수입에 의존하고 있기에 우리나라의 에너지안보는 매우 취약한 편에 속합니다.

 

© 수소를 운반 중인 차량 컨셉_iStock

2050년 탄소중립 시나리오에 의하면, 발전부문이 포함된 국내 전환부문에서 전기화로 인해 오는 2050년 전력공급이 2018년 대비 약 230% 증가한 1,214 TWh(테라와트시)로 예상됩니다. 그에 비해 재생에너지 등 발전량 비중은 같은기간 약 100% 증가가 예상됩니다. 이에 향후 늘어난 에너지 수요와 에너지안보 취약 문제를 해결할 차세대 에너지원으로 최근 수소가 주목받고 있습니다.

 

© OECD 주요국 1차 에너지 자급률 비교_IEA 제공, greenium 편집

넘처나는 수소, 다양한 곳에서 추출할 수 있어! 💨

차세대 에너지원으로 주목받는 수소. 이 수소의 가장 큰 장점은 다양한 곳에서 구할 수 있단 점입니다. 수소는 지구상 가장 가볍고 가장 많이 존재하는 원자로써, 물을 전기분해(수전해)하거나 석탄, LNG 등 화석연료에서도 수소를 추출할 수 있습니다. 또한 메탄올, 에탄올, 폐플라스틱 등에도 대거 포함돼 있는데요. 뿐만 아니라, 제철소와 화학공정에서 발생하는 부생가스에서도 수소가 다량 함유돼 있습니다.

이처럼 수소는 우리 주변에 여러 자원으로부터 만들 수 있어 에너지 자립률을 높일 수 있는데요. 탄소중립을 가속화할 수 있단 점에서 암모니아와 함께 국내외에서 수소를 주목하고 있습니다.

 

© 주기율표

하지만 현재 수소 대부분은 천연가스 개질을 통해 생산됩니다. 천연가스 개질*은 수소를 추출하는 방법 중 하나인데요. 천연가스를 구성하는 메탄(CH4)에서 수소를 생산하는 것으로 상대적으로 낮은 비용으로 수소를 대량생산이 가능하다는 장점이 있습니다. 수소의 90% 이상은 대규모 플랜트(생산시설)에서 천연가스 개질을 통해 만들어집니다.

수소생산이 늘어날 수록, 화석연료의 생산도 늘어나 상당한 온실가스 배출이 증가하고 있습니다. 그래서 태양에너지, 바이오매스, 부생가스를 통해 친환경적으로 수소를 생산하려는 기술을 개발하고 있는데요.

  • 태양에너지 ☀️: 크게 4개로 구분할 수 있는데요.
  1. 물분해공정에 태양열을 이용한 고온상태(약 2,000°C)를 만들어 화학반응을 유도해 수소를 추출.
  2. 물분해공정에 태양광과 반도체를 기술을 적용해 물분자를 수소와 산소를 분리해 수소를 추출.
  3. 재생에너지에서 생산된 전기를 활용해 양극(+), 음극(-) 전해조에 전기분해해 수소를 추출.
  4. 미세조류 등에서 태양광을 활용해 물을 산소와 수소 이온으로 분해하는데요. 다만, 수소 생산이 느리단 단점이 있습니다.
  • 바이오매스☁️: 바이오매스 가스화, 미생물의 바이오매스 전환 등을 통해 수소 추출.
  • 부생가스🏭: 정유 및 화학 공정 등에서 발생된 부생가스에서 수소를 추출.

 

*천연가스 개질 중 수증기 개질 방법: CH4+ H2O = CO + 3H2

 

© iStock

에너지원으로 이용해도 CO2가 배출되지 않아! 💭

수소는 연소과정에서 수소와 산소를 결합해 다량의 에너지를 방출하는데요. 이때 화석연료와 달리 연소과정에서 온실가스를 전혀 배출하지 않습니다. 이 덕분에 수소는 암모니아와 함께 무탄소 전원으로 불리고 있는데요. 수소는 탄소배출이 없는 에너지원으로 궁극적으로 파리협정 1.5°C 시나리오에 부합한다고 볼 수 있습니다.

앞서 말한 것 처럼 문제는 오늘날 생산되는 수소 상당수는 천연가스 같은 화석연료에서 생산돼 온실가스 배출을 유발하고 있단 점입니다. 이에 국내외에서 주목하고 있는 것이 재생에너지를 활용한 수소생산인 그린수소(Green Hydrogen)입니다.

말 그대로 재생에너지에서 생산된 전기를 수소생산에 활용하는 것인데요. 최근 발전단가가 낮아진 재생에너지와 재생에너지의 잉여전기를 활용하는 방안이 적극 검토되고 있습니다. 이를 통해 에너지안보 문제와 발전원의 다양성을 추구할 수 있습니다.

 

산업에만 쓰이는 수소, 향후 발전‧운송‧건물부문 활용 기대돼! 🌇

현재 수소는 다양한 산업 공정에 쓰이고 있습니다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2020년 전 세계 수소 수요는 9,000만 톤. 이중 7,000만 톤이 메탄올‧암모니아‧정유‧철강제품 생산 등 산업에서 널리 사용되는데요.

향후 수소의 생산단가가 낮아지고 대량생산체계 구축, 파이프라인 및 수소충전소 등 사회기반시설(인프라)가 건설되는 등 수소사회가 도래하면, 가장 각광받는 잠재적 수요처로 ▲발전, ▲ 운송, ▲건물이 꼽힙니다. 이를 각각 알아본다면.

  • 발전 🔋: 무탄소전원인 수소발전 상용화를 위해 수전해기술, 가스터빈 기술 개발 등 국내외 기업 상당수가 투자 및 연구 중인데요. 국내에서도 수소터빈 실증사업 및 그린수소 생산 실증사업 추진이 준비 중입니다.
  • 운송 🚢: 수소연료전지(Fuel Cell Electric Vehicle)를 예로 들 수 있습니다. 현재 현대자동차의 넥쏘(Nexo)와 토요타의 미라이(Mirai)가 대표적인 수소차로 시장에 출시됐는데요. 이들 차량은 차량용 수소연료전지가 탑재돼 수소를 활용해 전기를 만들고, 생산된 전기가 주동력원입니다. 더불어 가와사키 중공업 등에서는 오는 2024년까지 선박용 수소엔진개발을 추진 중입니다.
  • 건물 🏘️: 건물 또한 수소연료전지를 활용해 온수 등 난방과 전기를 공급할 수 있는데요. 국내에서도 관련 실증작업이 진행 중입니다. 한전에서 3kW급 가정용 시스템과 20kW급 건물용 발전시스템을 개발해 계통연계 실증에 성공했고 3kW급은 에이치앤파워에 기술이전 및 KS 인증까지 완료하였습니다.

 

© 가정용주택 차고에 설치된 수소 충전기 상상도_iStock

주요 6개국과 비교해 국내 수소 특허 기술 등록 높아 🇰🇷

중국, 미국, 유럽연합(EU), 한국, 독일 등 주요 6개국에서 수소 관련 기술 특허 수는 2014년 이후 연평균 13.9%씩 증가하는 추세입니다. 2014년부터 2020년까지 누적된 수소 특허 수로만 보면 한국은 세계 5위로 높은 편인데요. 수소 전환은 또한 중공업이 강점인 한국의 산업경쟁력 강화에도 도움이 됩니다.

 

© ‘수소경제 생태계 현황과 정책방향’에 나온 국별 특허 수 비교_전국경제인연합회 제공

앞으로 파리협정 1.5°C 시나리오 목표 및 2050년 탄소중립을 위해서라도 에너지원으로써의 수소 비중은 높아질 것입니다. 이를 위해선 해결돼야할 여러 개선점이 있습니다.

제조 부문에서는 수소 대량생산 및 조달, 운송 부문에서는 수소 저장 및 수송 기술, 활용 부문에서는 수소발전 기술 및 수소연료전지 성능향상 등 기술개발을 통해 기술상용화와 비용을 낮추는 것이 급선무입니다. 또한, 수소충전소와 같이 기반시설 확충 및 규제 완화도 동반돼야 합니다.

한편, 전국경제인연합회은 지난해 12월 수소 생태계 육성을 위한 5대 정책방향을 제시했습니다. 전경련은 구체적으로 ▲수소정책 연속성, ▲수소거래소 설립, ▲글로벌 파트너십, ▲지원확대, ▲기반시설 확충 등을 내놓았는데요. 향후 수소시장을 선도하기 위해서는 모두가 관심을 기울어야 할 것입니다.