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재생에너지 수전해 그린수소 바람 거세다 

독일・EU, ‘국가 수소 전략’서 수전해 수소 ‘최우선’
아・태 지역 수전해 설비 용량 향후 10년간 10GW 전망
국내 수전해 실증 ‘걸음마’…올해 3MW급 실증연구 착수
2030년까지 10~100MW급 수전해 시스템 기술개발 추진

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[월간수소경제 이종수 기자] 최근 세계적으로 재생에너지 연계 수전해 수소생산·공급을 위한 움직임이 빨라지고 있다. 


현재 가장 많이 이용되는 수소생산 방식은 천연가스 개질 방식이다. 국제에너지기구(IEA)가 지난해 6월 처음 공개한 <수소의 미래> 보고서에 따르면 전 세계적으로 연간 약 7,000만 톤의 수소가 생산되는데, 이 중 4분의 3이 천연가스에서 추출된다. 전 세계 천연가스 사용량의 6%에 해당하는 수치다. 


그러나 화석연료인 천연가스에서 수소를 생산하는 과정에서 이산화탄소가 발생하는 문제가 있다. 반면 수전해 수소는 재생에너지 전기를 이용해 물(H2O)에서 수소를 생산하는 기술로, 생산단계부터 온실가스가 전혀 배출되지 않는 장점이 있다. 하지만 아직은 높은 생산단가 때문에 경제성이 떨어지는 게 단점이다.  


최근 온실가스(CO2)에 의한 기후변화 문제가 심각해지고 있을 뿐만 아니라 코로나19로 인한 경제 불황을 극복하기 위해 그린딜에 대한 관심이 부쩍 커졌고, 수전해 수소 시대를 조금이라도 앞당기기 위한 글로벌 차원의 노력이 본격화하고 있다.     


앞으로 재생에너지 수소생산비용이 빠르게 하락할 것이라는 전망도 긍정적인 요인으로 분석된다. 


국내에서도 수전해 수소 기술개발 및 실증 프로젝트가 속속 착수되고, 기업들의 움직임도 빨라지고 있다.

 

독일・EU發 수전해 수소 ‘열풍’

이러한 흐름의 기폭제가 된 것은 독일과 EU가 최근 발표한 수소전략이었다. 이번 수소전략에서 재생에너지 그린수소를 최종 지향점으로 확실히 못 박았다. 이미 유럽에서는 40여 개의 재생에너지 연계 수전해 그린수소(P2G) 시스템의 실증 프로젝트가 진행 중이다. 


독일 연방 경제에너지부가 지난 6월 발표한 ‘독일 국가수소전략’에 따르면 수소를 2050년 탄소 중립국 실현을 위한 핵심 요소로 판단하고, 독일 수소 시장 확대를 위해 70억 유로, 수소 확보를 위한 글로벌 파트너십 구축에 20억 유로를 투자할 계획이다.   


독일 정부는 오는 2030년까지 수소 수요를 90~110TWh로 예상하고, 이를 충족시키기 위해 2030년까지 해상·육상 풍력발전을 중심으로 최대 5GW의 수전해 수소생산설비 구축을 추진할 계획이다. 이는 최대 14TWh의 그린수소 생산이 가능하다.  




독일 정부는 그린수소 수요량을 지속적으로 모니터링해 2035년, 늦어도 2040년까지 5GW의 생산설비를 추가 설치할 예정이다. 


그러나 독일 내 자체 생산만으로는 필요한 그린수소량 확보가 어려워 재생에너지 자원이 풍부한 유럽연합과의 협력을 통해 수입도 병행할 계획이다. 유럽 중에서도 북부 및 발트해 지역 국가와의 협력 채널을 구축해 해상 풍력발전을 통한 그린수소 생산 기반을 확보할 계획이다. 


독일 정부는 지난 9월 호주 정부와 재생에너지로 생산된 수전해 수소의 무역과 투자에 대한 공동 타당성 조사를 위한 협약을 체결하면서 그린수소 확보를 위한 국제협력에 본격 나섰다. 


특히 독일 정부는 산업용 원료를 재생에너지 그린수소로 전환하는 데 집중할 계획이다. 독일 산업(철강, 화학 등)의 중요한 원료인 수소의 현재 총 수요량은 약 55TWh에 달하며, 주로 화석연료를 통해 생성된다. 탄소 중립 생산 방식으로 전환 시 철강은 2050년까지 총 80TWh, 정유공장 등은 총 22TWh의 그린수소가 필요할 것으로 전망했다. 


EU 집행위원회는 지난 7월 ‘2050년까지 유럽의 기후 중립을 위한 수소전략’을 발표했다. 


현재 유럽에서 소비되고 있는 수소의 96%는 화석연료로부터 생산되고 있다. 이로 인해 연간 1억 톤의 이산화탄소가 배출되고 있다.  


2050년까지 전체 에너지 소비량에서 수소에너지의 비중을 12~14%로 높이기 위해 1단계로 올해부터 2024년까지 최소 6GW의 수전해 수소생산설비를 설치해 최대 100만 톤의 그린수소를 생산한다는 목표다. 현재 EU에는 약 1GW의 수전해 설비가 설치되어 있다.


2단계(2024~2030년)로는 40GW 이상을 설치해 2030년까지 최대 1,000만 톤의 수전해 그린수소를 생산할 계획이다. 


마지막 3단계(2030~2050년)는 수전해 수소기술의 완성도를 높여 화학・철강 등 탈탄소화가 어려웠던 모든 부문에 대규모로 그린수소를 공급한다는 계획이다.   


EU 집행위원회는 이를 위해 2050년까지 약 1,800억~4,700억 유로 규모의 투자가 필요하고, 이를 통해 약 100만 개의 일자리가 생길 것으로 전망했다.    


EU 집행위는 유럽청정수소연맹(European Clean Hydrogen Alliance)을 결성했다. 2024년까지 50~90억 유로, 2030년까지 260~440억 유로 규모의 수전해 설비 투자기금을 조성할 예정이다. 현재 500개사가 참여한 청정수소연맹은 2024년까지 1,000개사, 2050년까지 2,000개사 참여를 목표로 하고 있다.


또한 EU 집행위는 재생에너지 수전해 수소생산 비용이 빠르게 하락할 것으로 전망했다. 


현재 EU의 화석 기반 수소생산 비용은 kg당 1.5유로로, 천연가스 가격에 대한 의존도가 높다. 이산화탄소 포집・저장이 가능한 화석 기반 수소생산 추정 비용은 약 2유로/kg이다. 수전해 수소는 2.5~5.5유로/kg로, 화석 기반 수소보다 비싸다.


EU 집행위는 지난 10년간 수전해 수소 비용이 60% 감소했고, 2030년에는 현재와 비교해 절반으로 줄어들어 화석 기반 수소와 경쟁할 수 있을 것으로 예상했다. 또 규모의 경제를 갖추어 재생에너지 전력이 싼 지역에선 수전해 수소 비용이 더 떨어질 것으로 전망했다.  


블룸버그BNF도 지난 4월 발표한 ‘수소경제 전망’에서 재생에너지의 발전비용과 수전해 설비 생산비용이 갈수록 저렴해져 2050년에는 재생에너지 그린 수소의 생산단가가 1kg당 0.8∼1.6달러 선으로 떨어질 것으로 전망했다. 


국내 최고 수전해 수소 전문가인 김창희 한국에너지기술연구원 수소연구단장에 따르면 현재 수전해 기술은 유럽과 미국이 선도하고 있다. 대표적인 기업으로는 넬(NEL·노르웨이), 텔레다인(미국), 맥피(프랑스), ETOGAS(덴마크), 하이드로제닉스(캐나다), 그린하이드로젠(덴마크), 인앱터(독일) 등이 있다. 




이처럼 수전해 기업들이 유럽에 집중되어 있어 이번 유럽의 수소전략의 이행 가능성을 높일 것으로 보인다.  


글로벌 산업용 가스 기업들의 수전해 기업에 대한 투자도 확대되는 추세다. 


독일의 산업용 가스 전문기업 린데는 영국의 수전해 전문기업 ITM 파워의 지분 20%를 인수해 합작 벤처기업 ‘ITM 린데’를 올해 1월 공식 출범하고, 그린수소 사업에 본격 나섰다. 프랑스의 산업용 가스 전문기업 에어리퀴드도 지난해 1월 캐나다의 수전해・연료전지 기업 하이드로제닉스의 지분 18.6%를 인수함으로써 그린수소 사업에 진출했다. 




한편 독일과 EU는 한국과 마찬가지로 수전해 수소기술이 성숙단계에 이르기까지 시간이 걸림에 따라 단기간 내 수소생산량 증대를 위해 기존의 화석연료를 이용한 수소생산의 불가피성을 인정했다. 가능한 한 과도기 단계에서 일시적으로 화석연료 추출 수소를 사용하겠다는 것이다. 대신 이산화탄소 포집・저장(CCS) 기술을 이용해 생산과정에서 발생하는 탄소배출량을 최소화할 계획이다.


유럽뿐만 아니라 세계 최대 산유국 사우디아라비아도 석유 의존도를 낮추고, 신재생에너지 등 다양한 신사업을 키우는 국가개혁 프로젝트 ‘비전 2030’의 일환으로 수전해 그린수소 생산에 뛰어들었다.


사우디는 지난 7월 미국 산업용 가스회사 에어프로덕츠와 홍해에 인접한 도시 네옴(NEOM)에 대규모 그린수소·암모니아 생산공장을 짓기로 했다. 이번 사업에는 총 50억 달러(약 5조9,000억 원)가 투입된다. 


사우디는 태양광·풍력 에너지를 활용한 세계 최대 4GW급 수전해 그린수소(하루 650톤)를 2025년부터 생산해 액상 형태로 암모니아에 저장해 필요한 장소로 운송하거나 수출할 계획이다. 


UAE는 ‘2050 에너지 전략’의 일환으로 오는 2030년까지 두바이에 5GW 규모의 태양광 발전소를 구축해 수전해 수소를 생산할 계획이다.  

 

아태지역 수전해 설비 용량 확대 전망 

아시아 태평양지역의 수전해 설비 용량이 향후 10년간 10GW에 이를 것이라는 전망도 눈에 띈다. 


지난 8월 27일 ASIANPOWER가 ‘Fitch Solutions’의 아시아 태평양지역 수소 전망을 보도한 바 있다, 이에 따르면 아태지역에서 수소가 에너지 운반체로서 광범위하고 더 많은 산업 분야에 사용될 수 있고, 재생에너지 확산으로 인해 급속하게 떨어지는 전력 비용이 수전해 수소생산 비용을 떨어뜨리고 수전해 기술 채택을 촉진할 것으로 전망했다. 


또 2030년까지 수전해 비용이 절반으로 줄어들어 화석연료 기반 수소와 시장에서 동등하게 경쟁할 것으로 내다봤다.  이 지역의 그린수소 성장은 호주와 일본이 주도할 것으로 예상된다.


재생에너지가 풍부한 호주는 지난해 11월 발표한 ‘호주 국가수소전략’을 통해 2030년까지 수소를 주요 에너지 수출 자원으로 전환하겠다는 계획을 밝혔다. 자국 내 최대의 그린수소 생산 프로젝트인 ‘애로우스미스(Arrowsmith) 수소 프로젝트’(3억 호불 규모, 한화 약 2,380억 원)를 올해 착수하는 등 다수의 그린수소 프로젝트를 진행하고 있으며, 한국 등 아시아를 중심으로 수소 수출을 위한 국제협력을 강화하고 있다.   


일본에서는 NEDO(신에너지·산업기술종합개발기구)의 수소 기술개발 프로젝트의 일환으로 지난 4월 ‘후쿠시마 수소에너지 연구 분야(FH2R)’ 부지에 설치된 세계 최대 규모의 10MW 알칼리 수전해 시스템이 가동되기 시작했다. 


일본은 재생에너지가 풍부한 지자체들을 중심으로 5개 이상의 P2G 실증 프로젝트를 진행 중이다. 

 



韓, 재생에너지 수전해 기술 실증 본격화

국내에서도 최근 수전해 수소에 대한 관심이 더욱 커지고 있다. 정부도 수전해 기술개발 지원 속도를 높이고 있다. 국내 수전해 기술은 이제야 1~3MW급 개발 단계에 진입해 유럽 등 수전해 선진국과 비교하면 걸음마 수준이다. 


정부는 오는 2022년까지 MW급 재생에너지 연계 수전해 기술을 개발하고, 2030년까지 범부처와 연계해 10MW~100MW급 수전해 시스템 기술개발 사업을 추진할 계획이다. 


제주도 풍력발전과 연계한 500kW 수전해 시스템의 실증을 올해 마무리하는 한편, 올해부터 오는 2022년까지 제주 출력제한 풍력 에너지와 연계한 3MW 수전해 시스템의 실증연구를 진행할 예정이다. 3MW 수전해 실증연구는 수전해 시스템에서 생산된 그린수소를 수소전기버스에 충전하는 것을 실증하는 사업이다.        


또한 수전해 수소의 대용량 장기 저장기술 개발(MWh 이상급)과 수전해 효율 향상(55% →70%) 및 경제성 확보를 위한 기술개발을 추진하고 있다.   


이의 일환으로 지난해 ‘MW급 재생에너지 장주기 저장・전환을 위한 P2G 기술개발・실증 과제’가 착수됐다. 이 과제를 통해 재생에너지 미활용 전력의 이용 극대화를 위한 2MW급 하이브리드 수전해 그린수소 생산・저장기술을 개발한다. 고분자전해질(PEM) 및 알칼라인 수전해 기술의 우수한 특성들을 하이브리드 형태로 연계해 통합 운영하는 시스템을 구축하는 사업이다. 강원도 동해와 전남에서 각 1개씩 총 2개 사이트에서 실증이 이뤄질 예정이다. 




국내에서는 전북 부안군 새만금이 그린수소 거점지역으로 육성될 예정이다. 정부는 국내 최대 재생에너지 발전단지인 새만금에 신재생에너지를 주요 에너지원으로 활용하는 그린산단(RE100)을 조성할 계획이다. 


그린수소를 포함한 신재생에너지 생산·이용 기술을 대규모로 실증하는 단지를 먼저 조성해 실증성과를 바탕으로 새만금 산단 중 일부(4㎢ 내외)를 스마트그린 국가시범산단으로 추진한다는 것이다. 실증 단계에서는 재생에너지를 활용해 연간 1만4,000톤의 그린수소 생산을 목표로 하는 ‘그린수소 생산 클러스터’ 실증사업을 추진할 예정이다. 




정부는 또 2022년까지 12기, 2030년까지 100기의 블루・그린 수소충전소를 구축한다는 목표를 세웠다. 제주・새만금・안산 등 재생에너지 특화 지역에 수전해 그린 수소충전소를 확충한다는 계획이다. 환경부는 내년부터 1기의 수전해 수소충전소 시범사업을 추진한다.   


안산시는 수소 시범도시 사업을 통해 연간 552.7GWh의 전력에너지를 생산하는 시화호조력발전소의 잉여전력을 활용, 수전해 방식으로 수소를 생산하는 기술을 실증할 계획이다. 이를 위해 수전해 설비 3기와 수소연료전지발전소 건립을 검토해 기본계획 수립에 포함할 방침이다.


울산시와 울산과학기술원(UNIST)은 과학기술정보통신부의 기후변화 대응기술 개발사업 과제인 ‘친환경 모빌리티용 태양광 수소온사이트 생산시스템 개발 실증사업’을 통해 UNIST 인근 국도에 태양광발전을 활용한 수전해 수소충전소를 구축해 실증할 예정이다. 


특히 정부는 산업용 수소 활용 방안으로 그린수소 인증제 도입 및 의무사용 추진, 그린수소 REC 가중치 상향 조정을 내년부터 검토할 예정이다.  


향후 수소 수요 확대 전망에 따라 해외에서 그린수소를 도입하는 계획도 추진된다. 산업통상자원부는 지난 6월 30개 기업·기관으로 구성된 ‘그린수소 해외사업단’을 발족했다. 


국내 연간 수송용 수소 수요량은 2020년 4,000톤에서 2030년 약 37만 톤, 2040년 약 100만 톤까지 확대될 것으로 예상된다. 철강·화학 등 산업계의 수소 활용도 확대될 전망이다. 


그러나 국내 부생수소의 공급 잠재력, 추출 수소의 온실가스 배출 문제, 국내 그린수소 생산능력 한계 등을 고려할 때 2030년 이후 국내 수소 수요의 10~50%(그린수소)를 해외로부터 조달해야 한다는 것이 정부의 설명이다.           


2030년까지 재생에너지 수전해 수소 등 해외 그린수소를 도입하고, 2050년까지 40개의 해외 수소공급망을 구축한다는 계획이다. 이를 위한 타당성 조사가 지난 9월 착수됐다. 


수전해 수소 실증사업 등이 본격화하면서 수전해 기업들의 움직임도 빨라질 전망이다. 국내에는 이엠솔루션, 수소에너젠, 엘켐텍 등이 대표적 수전해 기업으로 손꼽힌다. 이들 기업은 수전해 기술의 완성도를 높이기 위해 정부 R&D 사업 참여 등 연구개발에 집중하고 있다. 


지필로스는 최근 글로벌 화학기업 바스프의 100% 자회사인 BASF New Business와 국내외  재생에너지 연계 수전해 수소(P2G) 프로젝트에 협력하는 내용의 양해각서를 체결했다. 



한국중부발전과 함께 제주도 상명풍력발전단지에서 국내 최초의 재생에너지 연계 수전해 시스템(500kW)을 실증 운영 중인 지필로스는 이번에 바스프와의 협력체계를 구축함으로써 그린수소 사업화에 본격적으로 매진할 수 있게 됐다.    


특히 국내 대기업인 현대차와 한화그룹의 움직임이 크게 주목된다. 


현대자동차는 지난 9월 호주연방과학산업연구기구(CSIRO), 세계 4위의 철광석 생산업체 포테스큐(FMG)와 그린수소 생산 기술 개발을 위한 MOU를 체결했다.


CSIRO가 개발한 금속 분리막을 이용해 암모니아로부터 고순도 수소를 경제적으로 생산하는 기술을 공동 개발할 예정이다. 이 기술이 상용화되면 호주의 재생에너지를 기반으로 생산된 수소를 암모니아 형태로 바꿔 글로벌 시장에 안전하게 운송하는 것이 가능해진다. 이와 관련한 수소 인프라 신사업도 발굴한다는 계획이다.  


미국 수소 트럭 업체인 니콜라에 총 1억 달러를 투자한 한화그룹은 미국에서의 수전해 수소생산 및 충전소 운영 등 수소 시장에 진출하는 방안을 검토 중이다. 한화솔루션 케미칼 부문은 수전해 기술을 자체 개발 중이다.  




한편 국내 수전해 수소생산비용도 2030년까지 절반 수준으로 내려갈 것이라는 전망이 나와 관심을 끌었다. 


우드맥킨지는 지난 8월 언론 브리핑에서 “한국에서 재생에너지 비용의 하락, 수전해 설비 생산 산업의 활성화와 효율성 향상 등으로 2030년까지 그린수소 생산비용이 최대 50%까지 감소할 것”이라고 전망했다.  


김창희 알칼라인 수전해 핵심기술개발 연구단장(한국에너지기술연구원 수소연구단장)은 “국내 재생에너지의 보급이 확대되면서 재생에너지 연계 수전해 수소생산 기술이 경제성을 확보하게 될 것이고, 장기적으로는 해외 재생에너지를 활용해 그린수소 산유국으로 도약할 수 있을 것”이라며 “‘재생에너지 3020’ 정책의 효과적인 달성, 기존 국가 전력망의 안정성 확보, 수소경제 선도국 진입이라는 국가 과제를 해결하는 데 적극적으로 기여하겠다”고 밝혔다.





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