▲국내 생산수소 대부분은 석유화학단지에서 추출되는 부생수소가 차지하고 있다. 수소 산유국으로 도약은 갈길이 멀다. 사진은 야간의 석유정제시설 전경이다.
‘2030년 수소 산유국으로의 도약.’
정부가 수소경제 로드맵에서 밝힌 구상이다. 로드맵을 보면 우리나라는 2030년 부생수소·추출수소·수전해 수소 50%와 해외생산 수소를 활용해 연간 194만톤의 수소를 공급한다는 계획이다. 연간 공급규모는 10년 뒤 526만톤까지 확대될 예정이다.
국내에는 울산, 여수, 대산 등 석유화학단지를 중심으로 부생수소가 생산되고 있다. 이 물량은 대부분 자체 소비된다. 2017년 국내 부생수소 생산량은 약 164톤 규모다. 이중 141만톤이 자체 소비됐고 23만톤 정도가 산업체 등 외부에서 활용됐다.
지난해 국내 수소 공급물량 약 13만톤의 중 부생수소가 차지하는 비중은 1%에 불과하다. 나머지는 수소충전소 등에서 천연가스 개질 방식 등을 이용해 생산한 추출 수소다. 수소경제 이행을 위한 대량 공급기반과는 거리가 멀다. 수소융합얼라이언스추진단과 수소지식그룹이 공동으로 조사한 세계 각국의 수소생산 현황을 보면 우리에게 던져주는 시사점이 크다.
◇ 일본, 수소생산 다양화 통해 생산비용 감소 노력
일본의 수소 생산능력은 2015년 이후부터 연간 약 359억2050만N㎥를 꾸준히 유지하고 있다. 이중 재생에너지나 소형 전기분해 방식을 이용한 그린수소는 139만N㎥에 불과하다. 나머지 359억1911만N㎥는 그레이 수소다. 그레이 수소의 대부분은 자가 소비로 사용되거나 품질이 낮아 수소연료로 사용에 제약이 따른다. 환경오염물질 배출도 크다. 전기분해 장치를 대형화해 그린수소 생산에 활용하는 방안이 매우 중요시 되는 이유다.
일본은 현재 패키지형 수소생산 장치를 중심으로 10N㎥/h 이하의 용량에서 판매하고 있다. 앞으로 비용절감을 통해 2020년 이후 그 이상의 용량설비 판매가 가능할 것이란 예상이다. 인공 광합성, 열분해, 가스화 등 2040년 이후 적용될 수소생산기술을 미리 탐구하고 이에 따른 국가 프로젝트를 진행 중이어서 수소생산의 다양성을 통한 생산비용 감소를 기대하고 있다.
◇ 미국, 일일 수소생산량 7500톤…10% 활용할 때 수소전기차 137만대 공급 가능
미국은 신재생에너지와 천연가스를 이용한 수소공급 가치사슬을 구축 중이다. 1990년대부터 신재생에너지를 이용해 수소를 생산·공급하기 위한 연구개발을 추진해 왔으며 지속적으로 신재생에너지 확대 정책을 추진 중이다.
미국은 재생에너지를 통한 수소 생산의 비중이 높아짐에 따라 에너지부(DOE) 주관으로 풍력단지에서 생산된 전력을 활용, 수소를 생산하고 천연가스 망을 통해 공급하는 ‘윈드 2H2’ 프로젝트를 진행 중이다. 미국 정부는 2015년 발표한 청정전력계획(Clean Power Plan)에서 2030년까지 풍력·태양광을 중심으로 신재생에너지 비중을 2%에서 28%로 높인다. 최근에는 셰일혁명으로 가격경쟁력이 향상된 천연가스를 개질해 수소를 생산·공급하기 위한 인프라 확대에 나서고 있다.
현재 미국 내 수소생산 과제는 가격경쟁력 있는 생산기술의 확보에 있다. 이를 위해 단계별 수소생산 방식 로드맵을 정하고 기술개발을 추진해 나아가고 있다. 미국의 주요 수소생산 지역은 캘리포니아, 루이지애나, 텍사스 등이다. 대부분의 수소를 석유정제, 금속처리, 비료생산, 음식물처리 등의 과정에서 생산한다. 그 중 석유정제가 큰 부분을 차지한다.
일일 생산량 약 7500톤의 10%만 수소연료로 활용해도 한 해 137만대 이상의 수소전기차량에 연료를 공급할 수 있는 양이다. 초기 수소산업 수요를 충분히 감당할 수 있을 것이라고 예측했던 것과 달리 지난해 8월 수소공급 부족사태가 벌어지면서 미국은 수소생산 인프라 확충에 나서고 있다.
◇ 유럽, 재생에너지 이용한 전기분해 생산기술 활용 앞서
유럽도 아직까지는 화석원료 재가공을 통한 수소생산이 주를 이루고 있다. 최근에는 풍부한 재생에너지 설비시설을 바탕으로 전기분해 수소생산에 대한 실증이 활발히 이뤄지고 있다. 수소생산에 대해서는 개별국가 측면이 아닌 유럽 전체 측면에서 비용합리적인 생산부지와 방식 선정이 연구되고 있다. 유럽에서는 준중앙집중형, 식용유 산업(경공업), 정제산업(중공업) 방식에 따른 수소생산 모두 2025년에는 수익을 창출할 수 있는 구조로 보고되고 있다.
유럽이 수소생산에 있어 가장 중요하게 여기는 기술 중 하나가 전기분해 기술이다. 이는 이미 유럽 전체 전력 공급의 약 20% 이상을 차지하는 재생에너지와의 연계를 통해 더 적은 비용으로 빠르게 성장시킬 수 있는 산업으로 보고 있다.
주목할 점은 유럽은 수소산업을 각 국가별 이익사업으로 보지 않고 전 유럽에 걸친 탈 국가적 집단 에너지 전환으로 인식하고 있다는 점이다. 일반적 사업 측면이 아닌 반드시 나아가야 할 방향으로써 수소생산과 관련 산업에 대해 접근하고 있다. 유럽은 재생에너지 전력이 풍부해 전기분해 수소생산이 활발할 수 있다. 우리나라는 전기분해에 사용할 정도로 신재생에너지 전력이 풍부하지 않다. 기존 전력을 이용한 전기분해는 생산비용과 탄소배출량에 부담이 있다. 신재생에너지를 사용한 전기분해가 가능한 시점까지는 전기분해 수소생산은 매우 제한적으로 사용될 것이라는 분석이다.
◇ 중국, 세계 최대 수소생산국…수요 증가해 부생수소 적극 활용 계획
중국은 세계 최대의 수소생산국가다. 2015년 기준 2200만톤의 수소가 생산됐다. 전 세계 6500만톤 수소생산의 약 34%를 차지하고 있다. 총 생산량 중 96%는 화석에너지로부터 생산된 수소이며 나머지 4%는 물의 전기분해에 의한 수소생산이다.
중국은 2010년부터 세계 최대 수소생산국이 됐는데 수소 수요량 또한 급격히 증가해 부생수소 활용을 적극적으로 추진하는 계획을 세우고 있다. 중국이 지역별 부생수소의 잠재량을 주시하는 것 또한 같은 이유이다.
◇ 우리나라, 기술적·전략적 측면 미흡…생산단가 분석·제도적 보완방안 필요
우리나라 수소생산 전략은 이제 막 로드맵을 통해 발표됐다. 그동안은 기술적, 전략적 측면에서의 접근이 미흡했다는 게 전문가들의 견해다.
국내는 미국처럼 바이오매스의 혐기성 소화 또는 가스화를 통한 장기적 수소생산은 바이오매스 자원 확보에 어려움이 있어 적합하지 않다. 태양광을 이용한 수소생산, 미생물을 이용한 수소생산 기술들은 대량생산 설비 구축에 많은 어려움이 따른다. 이는 기초기술 연구 수준에서 지원하는 것이 적절하다는 분석이다.
앞으로는 수소생산 방식에 따른 생산단가의 정확한 분석과 미래 재생에너지 설비 확충에 따른 가격변동 추이 등의 연구가 필요하다는 지적이다. 장기적으로 전기분해 기술을 발전시키고 그레이 수소와 유사한 가격으로 수소공급이 가능하도록 수소반응, 발렌싱 서비스(Balancing service) 비용 지불, 재생전력 연계 생산수소에 대한 신재생에너지 공급인증서(REC) 부여 등 각종 제도적 보안방안에 대한 연구가 함께 이뤄져야 한다는 목소리가 높다.
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[에너지경제신문 김연숙 기자]
