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그린 수소 추진 현황 ‘긴급 점검’ ① 그린 수소 활성화 로드맵 필요하다

그린 수소에 대한 명확한 범위 설정 필요성 제기
유럽, 추출수소+CCS 등도 그린 수소 범주에 포함
“수전해 수소 오해 해소와 관련 산업도 육성해야”
해외생산 수소 수입 인프라 및 기술개발 로드맵 필요



[월간수소경제 이종수 기자] 정부가 지난해 1월 ‘수소전기차’와 ‘연료전지’를 양대 축으로 한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표한 이후 수소에너지에 대한 관심이 커지고 있다. 


정부는 수소경제 활성화 로드맵 발표 이후 수소경제 표준화 전략 로드맵, 수소 인프라 및 충전소 구축방안, 수소 기술개발 로드맵 등 분야별 후속 대책 6건을 수립했다. 올해 1월에는  세계 최초로 ‘수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률’까지 제정하며 수소경제 활성화 정책을 추진하고 있다. 


수소는 우주 질량의 약 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소이지만 그 자체로는 에너지가 될 수 없다. 석유·석탄·천연가스 등의 화석연료와 물 등 수소가 포함되어 있는 에너지·자원으로부터 별도로 수소를 생산하는 과정을 거쳐야 한다.    


석유나 천연가스를 그대로 쓰면 되는데 왜 복잡하게 다시 생산과정을 거쳐 수소 에너지를 사용하려고 하는지 의문을 제기하곤 한다. 이는 기후변화에 따른 환경 보전이 세계적인 이슈가 된 지 오래고, 국가 차원의 에너지 안보와 차세대 성장동력을 확보하기 위해서다.  

 



수소가 다 같은 수소가 아니다

수소의 종류도 생산방식에 따라 다양하다. 현재 국내에서 수소 생산방식은 크게 ‘부생수소’, ‘추출수소’, ‘수전해 수소’로 구분된다. 부생수소는 석유화학 및 제철 공정 등에서 나오는 수소로, 이미 수십 년 전부터 석유화학 정제용, 반도체 세정용 등 산업용으로 활용되어 왔다. 현재 국내 수소전기차에서 사용되고 있는 수소연료는 부생수소이다. 


그러나 생산되는 부생수소는 석유화학 및 제철 공정에서 다시 자체적으로 활용되고 남은 물량이 외부로 공급되는 만큼 수소 수요가 증가할 경우 부생수소로는 한계가 있다.  


추출수소는 석탄이나 천연가스 등 화석연료에서 생산된 수소로, 현재 전 세계적으로 천연가스 추출수소가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 부생수소를 제외한 수소 생산방식 중 가장 저렴하면서도 대량으로 수소를 생산할 수 있기 때문이다.   


다음은 재생에너지 전기를 이용해 물에서 수소를 생산하는 방식으로, 이렇게 생산된 수소는 흔히 수전해 수소로 불리며, 생산단계부터 온실가스가 전혀 배출되지 않는 장점이 있다. 하지만 아직은 높은 생산단가 때문에 경제성이 떨어지는 단점을 가지고 있다.


사실 수소 에너지가 친환경적인 에너지로 불리지만 엄밀히 따져보면 추출수소의 경우 화석연료를 원료로 사용하기 때문에 수전해 수소와는 달리 생산과정에서 이산화탄소가 발생해 완전한 친환경 CO₂-free(무탄소) 수소는 아니다. 천연가스 추출수소가 환경론자들이나 수소 에너지에 부정적인 전문가들에게서 공격을 받는 이유다.  


다만 추출수소는 생산부터 이용까지 전 과정에서 화석연료보다 온실가스 배출량이 적어 화석연료보다는 저탄소라는 장점이 부각된다. 


김창희 한국에너지기술연구원 수소연구단장은 “추출수소가 화석연료 사용으로 CO₂가 배출되기는 하지만 수소전기차 운행까지 전 과정에서의 온실가스 발생량을 비교해보면 가솔린 자동차 대비 약 60% 수준까지 줄어들게 된다”라며 “또 수소 생산과정 중 발생한 CO₂도 기존 화석연료 연소 공정보다도 훨씬 적은 에너지와 비용으로 분리·포집이 가능하다는 장점이 있어 친환경에너지원으로 평가받고 있으며, 수소경제 기반 구축과 활성화를 위한 필수 기술”이라고 밝혔다. 


김 단장은 이어 “완전한 CO₂-free의 수전해 수소는 아직은 경제성이 부족해 국내뿐만 아니라 해외 기술 선도국들도 가격 저감을 위한 수전해 수소 생산 기술개발에 많은 노력을 기울이고 있다”고 말했다.  


김 단장에 따르면 현재 수전해 기술은 유럽과 미국이 선도하고 있고, 국내는 우수한 기술을 가지고 있는 기업이 있지만 아직은 해외 기업과의 기술 격차가 크고 주요 핵심 소재들도 모두 해외에 의존하고 있다.




한편 국내에서는 흔히 부생수소와 추출수소를 그레이(Gray) 수소, 재생에너지 기반 수전해 수소를 그린(Green) 수소라고 부른다. 최근 전력업계에선 천연가스와 이산화탄소 포집 설비를 이용하는 블루(Blue) 수소, 석탄을 원료로 이용하는 브라운(Brown) 수소, 이산화탄소 포집 설비 없이 천연가스만으로 만드는 그레이(Gray) 수소, 재생에너지만을 이용한 그린(Green) 수소로 세분하기도 한다.  


대표적인 수소생산 방식인 추출수소와 수전해 수소 외에도 광합성 및 혐기성 발효에 의한 수소생산 등 생물학적 방식, 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 있다.         

최근 전문가들 사이에서 완전한 친환경 CO₂-free 수전해 수소 시대가 오기 전까지는 친환경 수소(그린 수소)의 개념과 세부기준을 정립해 다양한 친환경 수소 생산·공급을 육성하면서 재생에너지 기반 수전해 수소 시대를 준비해야 한다는 의견이 나오고 있다. 수전해 기술개발에 대한 지속적인 지원으로 수전해 산업 육성에도 본격 나서야 한다는 것이다. 

 

“그린 수소 범위 명확한 설정 필요”

정부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 ‘수소전기차·연료전지 세계시장 점유율 1위 달성’과 ‘화석연료 자원 빈국에서 그린 수소 산유국으로 진입’이라는 수소경제 국가비전을 선포하고, 그 이행 전략과 추진방안을 제시했다.  


생산 부분에서는 그레이(Gray) 수소에서 그린(Green) 수소로 생산 패러다임을 전환한다는 전략이다. 그레이 수소는 부생수소 활용과 대규모 추출수소 생산, 그린 수소는 재생에너지 수전해를 통한 대량 생산과 해외 CO₂-free 수소의 도입으로 각각 공급하겠다는 계획이다.


로드맵상 수소 공급량(수요량)은 2022년 연간 47만 톤, 2030년 연간 194만 톤, 2040년 연간 526만 톤 이상으로 제시됐다. 이에 따른 공급방식으로 2022년 부생수소, 추출수소, 수전해 수소로 공급한 후 2030년에는 부생수소+수전해+해외생산 50%와 추출수소 50%, 2040년에는 부생수소+수전해+해외생산 70%와 추출수소 30%로 공급한다는 계획이다.


정부가 중장기적으로 친환경 그린 수소로 전환한다는 의지를 보인 것은 분명하다. 그러나 수소공급 방식의 목표가 두루뭉술하고, 그린 수소 생산방식도 재생에너지 수전해 수소와 해외생산 수소로만 단편적으로 간주하고 있다는 지적이 제기된다. 유럽이 천연가스 추출수소 생산시설에 이산화탄소 포집·저장 설비를 추가하면 그린수소 범주에 포함하는 것처럼 국내에서도 그린수소에 대한 명확한 개념 정리가 필요하다는 의견이 나오고 있다.   




김재경 에너지경제연구원 연구위원은 “정부가 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’은 경제성에 중점을 뒀고, 수소전기차와 연료전지 산업을 혁신산업으로 키워 세계시장을 선점하는 게 테마”라며 “이렇다 보니 수소 수요를 구체적으로 어떻게 충족할 것인지, 그린 수소를 어떻게 정의할 것인지 등의 세부사항은 뒤로 미뤄져 있는 상태”라고 밝혔다.   


김 연구위원은 지난해 3월 발간한 ‘친환경 CO₂-free 수소 생산 활성화를 위한 정책연구’ 보고서에서 유럽연합(EU)이 추진하고 있는 ‘그린수소 인증제도’를 국내 실정에 맞게 도입할 필요가 있다고 제안했다. 


이 보고서에 따르면 EU의 그린수소 인증제를 위해 개발된 ‘EU CertifHy 프리미엄 수소 인증기준’은 수소 생산의 전 과정에서 발생하는 온실가스 배출계수 등에 따라 마련됐다. 프리미엄 수소 인증은 수소 생산에 투입된 에너지가 전적으로 재생에너지인 ‘그린 수소 인증’과 재생에너지 이외의 원자력, 탄소 포집·저장장치를 설치해 사용하는 화석연료 등의 저탄소 에너지로 생산되는 ‘저탄소 수소 인증’으로 구분된다. 


현재 EU 그린 수소 인증제 적용을 위한 인증 시범 프로젝트가 프랑스, 네덜란드, 벨기에, 독일 등 4개의 수소생산시설을 대상으로 진행 중이다.  


김 연구위원은 “수소 생산의 전 과정에서 온실가스가 전혀 배출되지 않는 완전한 CO₂-free 수소 생산방식은 광화학적 생산방식과 같이 아직 연구단계에 머물러 있는 방식을 제외할 경우 현재까지는 재생에너지 전기를 활용한 수전해 수소가 유일하다”라며 “하지만 EU가 그린 수소 인증제도에서 활용하고 있는 ‘EU CertifHy 프리미엄 수소 인증기준’을 보면 원자력 기반 수소 생산방식이나 탄소 포집·저장(CCS) 설비가 추가된 천연가스 추출수소 등 현실적으로 활용이 가능한 저탄소 수소 생산방식의 중요성도 인식해 이를 확대하는 정책 방향에 대해서도 인정하고 있다”고 밝혔다.  


김 연구위원은 보고서에서 친환경 CO2-free 수소 인증제와 연계해 경제적 측면에서 재생에너지 연계 수소 생산 확대를 위한 인센티브 방안이 필요하다는 의견도 제시했다. 앞으로 수소 수요는 상당 부분 발전용 연료전지에서 나올 것으로 전망된다. 


이에 따라 정부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’에서 연료전지 경제성 확보 차원에서 중장기적으로 그린 수소(재생에너지 수전해 수소, 해외수입 등 온실가스 미배출 수소)를 활용한 경우 신재생에너지공급인증서(REC)를 우대할 것을 밝힌 바 있다.  


김 연구위원은 그린 수소 인증제와 연계하는 경우 예를 들어 투입되는 원료를 천연가스, 일반 수소, 저탄소 인증 수소, 그린 인증 수소로 구분하고, 가중치를 천연가스는 ‘1’, 일반 수소는 ‘1.5’, 저탄소 인증 수소는 ‘2’, 그린 인증 수소는 ‘3’ 등으로 차등 적용하는 방안을 중장기적으로 도입할 것을 제안했다. 


유영돈 고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터장도 “우선 국내에서도 그린 수소에 대한 명확한 개념 정리가 필요하다. 이를 위한 방법으로 유럽의 그린 수소 인증제도와 일본의 사례를 참고할 수 있다”라며 “일본의 경우 유럽과는 달리 일종의 등급제다. 천연가스 추출 수소 등을 기준으로 삼아 단계적으로 별표를 1~4개를 주는 방식의 인증을 준비하고 있고, 나중에 이 인증기준으로 규제하거나 인센티브를 줄 수도 있을 것”이라고 설명했다.


유 센터장은 이어 “국내는 전력 분야에 신재생에너지공급의무화(RPS) 제도를 시행하고 있다. 의무 이행량이 부족하면 원별 가중치를 둔 신재생에너지공급인증서(REC)를 구매토록 해 의무량을 달성하게끔 하고 있는데 유럽의 EU CertifHy 프리미엄 수소 인증과 유사하다”라며 “우리나라 실정에 맞게 그린 수소 인증제 도입을 검토할 필요가 있다”고 밝혔다.


특히 유 센터장은 “현재 국내는 천연가스 추출수소 기반 그레이 수소와 재생에너지 기반 그린 수소로만 정의되어 있는데, 그레이 수소가 그린 수소보다 싸니까 그레이 수소만 쓰려고 할 것이다. 또 그레이 수소는 이산화탄소 발생 문제, 수전해 수소는 경제성 문제가 있다. 유럽의 경우 천연가스 추출수소 생산과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집한 블루 수소를 그린 수소 범주에 포함시켜 육성하고 있다”라며 “우리나라도 그레이 수소와 수전해 수소의 과도기 기술로 블루 수소에 대한 관심과 지원이 필요하다. 이미 블루 수소는 기술적으로 가능하고, 이산화탄소를 제거하면서 대량으로 수소를 생산할 수 있는 데다가 국내 풍부한 천연가스 인프라도 활용할 수 있는 가장 현실적인 수소생산 방식”이라고 강조했다.  



 “수전해 인식 제고·기술개발 중요하다”

국내 수전해 분야 대표적인 전문가인 김창희 한국에너지기술연구원 수소연구단장도 수전해 기술개발을 지속하는 한편 그린 수소에 대한 명확한 개념 및 범위 설정과 함께 국내 실정에 맞는 그린 수소 인증제 도입이 필요하다는 의견을 제시했다.       


김 단장은 “우선 국내에서 수전해 기술에 대한 오해와 부정적 의견이 많은 것 같아 안타깝다. 수전해 기술이 영원히 경제성이 없는 것으로 보는 경향이 많은데 기술개발에 따라 경제성을 확보해 나가는 중이다. 수전해 기술에 대한 인식 제고가 필요하다고 본다”라며 “또 국내에서는 아직 수전해 관련 기업들이 많지 않은데, 재생에너지와 연계 수전해 기술개발 및 실증 등 실질적인 연구개발 사업이 지속적으로 이뤄져야 수전해 산업 육성과 함께 진정한 수소경제 사회를 맞이할 수 있을 것”이라고 말했다.   


김 단장은 “한국에너지기술연구원의 경제성 분석 결과 재생에너지 연계 수전해 장치의 수소생산단가는 운전시간에 따라 어느 정도 차이가 있겠으나 그린수소 생산의 경제성을 향상시키기 위해서는 장치가격의 저감뿐만 아니라 전기를 적게 사용하도록 전력소모량을 감소시키는 기술개발에 중점을 둬야 할 것이라는 분석 결과를 얻었다”고 말했다.


정부는 지난해부터 MW급 재생에너지 연계 수전해 기술개발 및 실증사업에 착수했다. 이와 관련해 김창희 단장이 이끄는 알카라인 수전해 핵심기술개발 연구단이 전력소모량 51kWh/kg-H2, 운전전류밀도 0.6A/㎠의 세계 최고 수준의 단위 전지를 개발했고, 올해 대면적 스택을 실증할 계획이다. 오는 2022년에는 주요 핵심기술을 국산화하고, 2025년에는 기술추격형에서 기술선도형 전환을 목표로 중장기 계획을 수립하고 있다.  


김 단장은 “정부가 ‘수소경제 활성화 로드맵’에 장기적으로 수전해 수소로 전환키로 방향성을 제시한 만큼 수전해 산업 육성을 위한 관심과 지원이 필요하다”고 말했다. 



 

해외생산 수입 준비할 때다

해외생산 CO₂-free 수소를 수입하기 위한 인프라 구축 및 관련 기술개발의 세부계획을 마련하기 위한 논의와 연구도 지금부터 시작해야 한다는 지적이 제기된다. 


정부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 2030년 해외생산 수소를 본격 도입할 계획이라고 밝혔다. 오는 2022년부터 수소 액화·액상기술, 수소운반선박, 액화 플랜트 등 관련 인프라·기술개발 등을 통해 해외생산 수소 인수기지를 건설하는 한편 오는 2030년까지 ‘재생에너지+수소 생산’ 거점도 구축한다는 계획이다.


김재경 에너지경제연구원 연구위원은 “우리나라도 로드맵에 제시된 바와 같이 2030년부터 해외 수소 도입을 추진하고자 한다면 수소운반선박 개발만 해서는 안 되며, 수소 해운이송 관련 전체 밸류체인별 특화 기술을 함께 개발하는 종합적인 수소 운송 프로젝트가 필요할 것”이라며 “이를 위해 현재 수소운반선박, 특히 액화수소 운반 기술개발에 초점이 맞추어진 로드맵에서 한 발 더 나아가 수소 운송상 밸류체인별로 특화 기술을 개발할 수 있는 추가적인 기술개발 로드맵 마련이 필요하고, 일본처럼 수소 수출의향이 있는 국가와 직접 연계한 프로젝트 기획이 요구된다”고 말했다. 


김 연구위원은 “2030년부터 수소 해운이송을 통해 국내로 도입하기 위해서는 수소 인수기지 준비도 지금부터 시작해야 한다”라며 “보통 인수기지 등 항만개발과 연계된 중·대 규모 인프라 사업은 기획 단계부터 실제 건설, 운영에 이르기까지 대략 10년 이상의 시간이 소요된다. 만일 2030년부터 수소 해운이송과 도입을 목표로 한다면 지금부터 수소 인수기지 기획이 필요하며, 첫 단계로서 인수기지 부지 선정 작업에 대한 논의를 시작해야 한다”고 밝혔다. 




그린 수소 수입을 위한 해외 협력체계 구축도 중요한 부분이다.   


한국가스공사와 호주 에너지 기업인 우드사이드(Woodside)는 지난해 9월 신재생에너지를 활용한 친환경 수소 생산·저장·운송·유통 등 전 주기에 걸친 기술·경제적 타당성을 검토하기 위한 ‘그린 수소 프로젝트 공동연구 협약’을 체결한 바 있으며, 이와 관련한 공동연구 용역이 올 하반기까지 진행될 예정이다. 


정부는 지난달 수소생산 해외거점 구축과 국내 수소도입을 중심으로 한 ‘수소경제 국제협력 공동사업’ 타당성 조사를 위한 킥오프 회의를 개최한 것으로 알려졌다.





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