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이산화탄소 제거한 블루수소 뜬다

SK 등 주요 기업, 그린수소 상용화 전 블루수소 공급
정부, 온사이트 수소충전소에 CCUS 시설 설치 추진
수소제조용 천연가스 개별요금제 도입 등 추출수소 경쟁력 확보
“CCUS 기술에 인센티브 제공 등 정책적 지원 필요”

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[월간수소경제 이종수 기자] 정부는 지난 2019년 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 대량 수소공급원으로 추출수소 공급계획을 밝혔다. 국내 풍부한 천연가스 배관망을 활용해 천연가스에서 수소를 추출해 공급한다는 것이다. 이에 따라 수소생산기지 구축사업이 진행 중이다.  


수소경제 초기인 현재는 석유화학・제철 등의 공정에서 발생하는 부산물 중 수소가 많이 포함되어 있는 혼합가스를 PSA 등으로 정제해 순도를 높인 부생수소가 공급되고 있지만 중장기적으로 부생수소 공급에 한계가 있고, 완전한 CO2-Free 수소인 재생에너지 연계 수전해 그린수소가 경제성을 갖추고 상용화되려면 시간이 걸려 그 가교역할로 추출수소가 필요하다.   


추출수소 생산 방식에는 수증기 메탄 추출방식(SMR), 부분 산화 추출방식(POR: Partial Oxidation Reforming), 자열 추출방식(AR: Autothermal Reforming) 등이 있는데, 메탄(천연가스)과 물을 연료로 700℃ 이상의 고온에서 촉매 반응시켜 수소를 추출하는 수증기 메탄 추출방식이 가장 보편적으로 활용되고 있다. 단위 메탄당 생산되는 수소의 양이 가장 많고, 고순도 수소(75% 이상) 제조가 가능하다는 장점 때문이다. 

 

블루수소 급부상

그러나 천연가스, LPG 등과 같은 화석연료에서 생산되는 추출수소는 생산과정에서 이산화탄소가 발생해 ‘그레이 수소’라고 불린다. 추출수소 1톤을 생산하는 데 10톤 정도의 CO2가 배출되는 것으로 알려져 있다. 배출된 이산화탄소는 별도 처리 과정이 없으면 대기 중으로 방출된다. ‘그레이 수소’는 수소경제가 가장 큰 비판을 받는 부분이다. 


그레이 수소 생산과정에서 나오는 이산화탄소를 제거한 수소인 ‘블루수소’가 부상한 배경이다.


정부는 지난해 7월 1일 ‘제1차 수소경제위원회’에서 심의・의결된 ‘수소차・수소충전소 추진성과 및 향후 계획’에서 블루・그린 수소충전소 구축계획을 처음 언급하면서 블루수소 공급에 대한 의지를 보였다. 


특히 정부가 지난해 12월 ‘2050 탄소중립’ 이행을 공식 선언함으로써 블루수소 공급은 현안 과제가 되었다. 



SK 등 주요 기업들은 그린수소 도입 전까지 블루수소를 생산하는 데 적극 투자할 계획이다. 


정부는 이러한 민간투자를 지원하기 위해 청정수소(그린수소, 블루수소) 인증제를 도입해 단계적으로 의무화를 추진할 계획이다. 올해 청정수소 인증제 도입을 위한 연구용역을 개시하고, 수소법 개정을 통해 청정수소의 개념과 지원 근거를 명시할 예정이다. 


이와 함께 RPS(신재생에너지공급의무화제도)에서 연료전지를 분리해 발전용 연료전지 의무공급시장을 조성함으로써 안정적인 보급체계를 마련하기 위한 청정수소발전의무화제도 입법도 올해 추진할 예정이다. 

 

기업들, 블루수소 도입 추진

지난해 12월 수소 사업 진출을 공표한 SK는 국내에서 2025년까지 총 28만 톤 규모의 수소 생산능력을 갖춘다는 계획이다.  


SK의 자회사인 SK E&S를 중심으로 2023년부터 연간 3만 톤 규모의 액화수소를 생산하는 한편 대량 확보한 천연가스를 활용해 2025년부터 25만 톤 규모의 ‘블루수소’를 추가로 생산할 계획이다. 


SK E&S는 한국중부발전과 협력해 2025년까지 약 5조3,000억 원을 투자해 보령LNG터미널 인근 중부발전 보령발전본부 유휴부지 약 59만4,000㎡(18만평)에 연간 25만 톤(수송용 5만 톤, 발전용 20만 톤)을 생산하는 규모로 추출수소 생산설비, 액화플랜트, 탄소포집 설비, 수소연료전지 등의 생산·유통·활용 설비를 포함하는 세계 최대 청정수소 생산기지를 완공해 블루수소를 공급할 계획이다. 


이곳에서 생산된 블루수소 25만 톤 중 20만 톤은 기체 파이프라인을 통해 이송해 인근 연료전지 발전사업(400MW)에 활용한다. 나머지 블루수소 5만 톤은 액화플랜트에서 액화 과정을 거쳐 액체수소 상태로 전국으로 운송해 공급할 계획이다. 


SK는 이미 CCUS 기술을 확보한 상태다. 지난 2013년 SK이노베이션은 아주대학교와 공동연구를 통해 이산화탄소를 포집해 고분자 촉매를 활용, 플라스틱의 원재료인 폴리머 제품으로 전환하는 기술개발에 성공한 바 있다. 


지난 3월에는 SK머티리얼즈가 한국에너지기술연구원 온실가스연구실 윤여일 박사 연구진이 개발한 ‘CO2 포집 기술’을 이전받는 계약을 체결했다. 




윤여일 박사 팀이 개발한 CO2 포집기술 ‘키어솔(KIERSOL)’은 7개국에 특허 등록된 CO2 포집용 액상 흡수제와 이를 활용한 공정기술이다. 특히 이 기술은 부생수소 생산 공정 중에 발생하는 CO2도 포집할 수 있어 향후 블루수소 생산의 핵심 역할을 할 것으로 기대된다. 


포스코는 지난해 12월 2050년까지 수소 생산 500만 톤 체계를 구축해 수소 사업에서 매출 30조 원을 달성하겠다는 미래 청사진을 제시했다.


2025년까지 부생수소 생산능력을 7만 톤으로 늘리고, 2030년까지 글로벌 기업과 손잡고 블루수소를 50만 톤까지 생산한다는 계획이다. 동시에 그린수소는 2040년까지 200만 톤 생산체계를 구축하는 등 2050년까지 수소 500만 톤 생산체계를 완성한다는 전략이다.


현대중공업그룹 지주사인 현대중공업지주는 지난 3월 3일 사우디 아람코와 수소 및 암모니아 관련 업무협약(MOU)을 체결했다. 


이번 협약에 따라 계열사인 현대오일뱅크는 사우디 아람코로부터 LPG를 수입해 수소생산설비를 통해 블루수소를 생산, 탈황설비에 활용하거나 차량, 발전용 연료로 판매할 계획이다. 공정 과정에서 발생한 이산화탄소는 사우디 아람코에 공급한다.


LNG공급사인 SK가스는 오는 2024년 완공 예정인 울산LNG터미널을 활용해 수소충전소에 공급할 액화수소 생산을 추진할 계획이다. SK가스는 한국석유공사의 자회사인 코리아에너지터미널(KET)에 출자해 울산 신항에 LNG터미널을 건설 중이다. 




한국가스공사는 지난 2019년 4월 발표한 ‘중장기 수소산업 추진 로드맵’을 통해 전국 천연가스 배관망과 공급관리소 403개소를 활용해 2030년까지 거점형 수소생산기지 25개를 구축할 계획이라고 밝혔다.  


가스공사는 우선 수소생산시설 실증 사업으로 부산경남지역본부(김해) 부지에 제조식 수소충전소를 구축 중이다. 수소제조·출하 설비를 함께 설치해 올해 8월부터 운영에 들어간다는 계획이다. 완공되면 자체 충전소와 인근 수소충전소에 수소를 공급할 계획이다.


또한 가스공사는 창원과 광주에 오는 2022년 완공을 목표로 거점형 수소생산기지 구축사업을 추진 중이다. 


창원국가산업단지 부지에 수소생산시설을 구축해 하루 5톤 가량의 수소를 배관을 통해 충전소 등으로 공급할 계획이다. 광주광역시 평동산업단지 3차 부지에 수소 추출설비와 출하시설 등을 갖춘 하루 4톤 이상 규모의 수소생산기지를 구축해 광주·전남을 포함한 반경 70km 내 수소공급 거점으로 활용할 계획이다.  




가스공사 이외의 사업자들도 삼척, 평택, 창원, 대전 등에서 분산형 수소생산기지를 구축 중이다. 대전의 경우 CCS 연구개발 전문기관인 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터가 천연가스 개질 과정에서 나오는 이산화탄소의 포집・처리(CCS)를 담당한다.   


정부는 지난해 7월 1일 ‘제1차 수소경제위원회’에서 심의・의결된 ‘수소차・수소충전소 추진성과 및 향후 계획’을 통해 2030년까지 총 660기 중 100기를 블루・그린 수소충전소로 구축할 계획임을 밝혔다.


이를 위해 이미 설치된 온사이트(On-site) 수소충전소에서 발생하는 이산화탄소를 포집・활용할 수 있도록 올해부터 CCUS 시설 설치를 추진할 계획이다. 




올해 창원시에서는 수소충전소 CO2 회수 시범사업이 진행된다.  


창원시가 구축 중인 ‘수소에너지 순환시스템’ 실증 단지의 수소생산기지 후단에 환경부 국비 2억5,000만 원을 포함해 총 20억 원의 예산으로 CCUS 설비를 설치할 예정이다. 이번 사업을 통해 CCUS 시설을 국산화하는 한편 회수한 이산화탄소를 상업적으로 활용하는 사업모델도 개발할 계획이다.  

 

블루수소 활성화 과제

정부는 그린수소 확산 이전 단계에 안정적이고 경제적으로 추출수소를 공급하기 위해 추출수소의 원료인 ‘천연가스’의 공급 및 요금체계를 개편해 수소 사업의 경제성을 확보하고 민간사업자의 자발적 참여를 유도할 계획이다. 


이를 위해 정부는 지난해 10월 15일 ‘제2차 수소경제위원회’에서 ‘추출수소 경쟁력 확보방안’을 심의・의결했다.


먼저 수소 제조사업자 중심의 천연가스 공급체계를 허용키로 했다. 도시가스사업법상 ‘대량수요자’에 대규모 수소제조시설을 포함해 기존 도시가스사 공급에서 도시가스사 또는 가스공사 직공급을 모두 허용한다는 것이다. 수소 사업자가 수소제조시설의 경제성 분석에 따라 도시가스사 공급 또는 가스공사 직공급 중 선택하면 된다.  


아울러 수소제조용 도시가스 공급 시에도 고압 배관을 허용했다. 도시가스사 배관설비기준을 개정해 수소제조용 천연가스 고압배관 설치를 허용(도시가스사 배관설비기준 1MPa 이하 → 안전관리 조치 확보 후 4MPa 이하 허용)해 설치비(승압설비 불필요)와 운영비 절감이 가능토록 한다는 것이다. 수소 사업자가 중・저압 또는 고압배관 중 효율적인 방법을 선택하면 된다. 




또한 정부는 수소제조용 천연가스 개별요금제를 도입한다. 수송용 등 수소제조용 천연가스에 개별요금제를 적용해 최근 하락한 가스 가격으로 도입해 원료비를 절감할 수 있도록 위해서다. 2020년 10월 기준 가스공사의 천연가스 도입 평균가격은 MJ당 약 9원대로, 개별요금제를 통해 현재 시장가로 도입할 경우 약 30% 수준의 절감이 가능하다.


차량충전 목적의 수소제조용 천연가스 제세 공과금의 한시감면도 검토할 계획이다. 수입부과금(2만4,242원/톤), 안전관리부담금(3.9원/Nm3)의 전부 또는 일부 감면을 검토한다는 것이다. 수입부과금, 안전관리부담금 전부 면제 시 원료비의 약 4~5% 절감이 예상된다.


정부는 직공급 및 도시가스배관 고압 허용, 개별요금제 개정·시행 및 제세공과금 관련 법령·규정 개정을 추진 중이다. 


김재경 에너지경제연구원 연구위원은 지난해 12월 말에 내놓은 ‘시장주도형 수소경제 조기 정착을 위한 전략 연구’ 보고서를 통해 “수소차나 발전용・자가용 수소연료전지 등 수소 활용 상품의 보급 확대를 위해서는 적어도 대체 관계에 있는 상품들의 연료비용보다는 충분히 낮은 수준이 되도록 수소 소매가격의 인하가 필요하다. 이를 위해서는 수소 생산비용과 이송비용 모두를 낮추는 전략이 필요한데, 일차적으로 천연가스 추출방식으로 생산되는 수소의 생산원가를 낮추기 위한 대책이 마련되어야 한다”라며 “천연가스 추출방식의 생산원가에서 가장 큰 비중을 차지하는 요소는 단연 원료가 되는 천연가스 가격이기에 수소생산용 천연가스에 부과되는 제세공과금에 대한 한시적 인하가 필요하다”고 밝혔다.


김 연구위원은 “현재 개별소비세법 제18조 제1항 제13호에 따라 산업용과 집단에너지사업이나 석탄을 액화·가스화한 에너지를 사용하여 생산한 전기를 공급하는 발전사업에 투입되는 유연탄의 경우 조건부 면세 혜택을 받고 있는 것처럼 개별소비세법 개정을 통해 수소생산용 천연가스, 특히 수소차 충전용 수소 생산에 투입되는 천연가스에 대해서도 조건부 면세 혜택을 줄 수 있을 것”이라며 “이와 함께 천연가스 수입통관 절차에서 부과되는 수입부과금 인하 또는 면제 등도 고려할 수 있다”고 밝혔다.




블루수소 활성화를 위해선 중대 규모 이상 수소생산시설의 경우 CCUS 설비 설치를 의무화해야 한다는 의견도 있다.


김재경 에너지경제연구원 연구위원의 ‘시장주도형 수소경제 조기 정착을 위한 전략 연구’ 보고서에 따르면 국내 천연가스 추출방식의 전국 평균 균등화 수소 원가는 추출시설의 규모에 따른 차이로 인해 2020년에는 1,841~4,409원/kg의 범위를 보인 반면 수송용 도시가스 요금 상승에 힙입어 2030년에는 2,132~4,723원/kg, 2040년에는 2,210~4,807원/kg으로 소폭 상승할 것으로 전망됐다. 여기서 수소 생산 규모가 큰 순서대로 수소 원가가 낮게 나타났다. 


수소업계의 한 관계자는 ”천연가스 추출방식 수소생산시설에 CCUS 장치를 설치하면 비용이 증가하겠지만 이산화탄소 발생량이 많은 중대 규모의 경우 소규모보다는 수소 생산원가가 낮은 점을 고려해 CCUS 장치 설치를 의무화하는 방안을 검토할 필요가 있다“고 말했다. 


또 다른 관계자는 “블루수소가 확산되기 위해서는 정부가 수소추출기나 CCUS 설비에 대해 보조금을 지원하는 방안도 필요하다”고 밝혔다.   


정부는 지난 2019년 10월에 발표한 ‘수소 인프라 및 충전소 구축방안’에서 온사이트 충전소 보급을 위해 CCUS 부착 시 추출기 구축비 지원도 올해부터 검토한다는 방침을 언급한 바 있다.  


추출수소에서 포집한 이산화탄소의 재활용 확대를 위한 법령 정비도 필요한 상황이다. 현재 포집한 이산화탄소는 폐기물관리법 시행규칙상 화학제품 제조용으로만 재활용이 가능하다. 정부도 이를 인식하고 추출수소 포집 이산화탄소의 재활용 확대 가능성을 검토하고, 규제개선을 추진한다는 방침이다. 


포집된 이산화탄소는 작물 수확량 향상(온실, 해조류, 요소・비료), 용제 활용(석유 회수 증진, 카페인 제거, 드라이클리닝), 냉방・냉장을 위한 열전달 유체, 식음료 생산, 용접, 의료용 등으로 직접 사용될 수 있을 뿐만 아니라 메탄, 메탄올, 가솔린, 디젤, 항공유 등의 연료와 플라스틱, 섬유, 합성 고무 등의 화학제품, 건축자재(골재, 시멘트, 콘크리트) 등의 제조에도 활용될 수 있다. 


수소추출기 국산화 개발 노력도 수반되어야 할 것으로 보인다. 현재 국내 수소추출기는 소형급은 이미 국산화 제품이 있지만 중대형 규모는 해외 기술에 의존하고 있는 상황이다. 




정부는 고효율·대규모 추출기술을 확보하고, 수소추출기 국산화를 통해 수소생산기지 구축비용을 절감한다는 방침으로 기술개발을 지원할 계획이다. 


CCUS 기술에 대한 인센티브 또는 배출 위약금 등의 정책적 지원과 규제 마련이 필요하다는 의견도 있다. 


김신희 KDB미래전략연구소 산업기술리서치센터 전임연구원은 지난해 10월 이슈 분석 ‘수소 생산기술 동향 및 시장선점을 위한 기술개발 전략’을 통해 “개질수소 방식은 원료인 천연가스의 가격이 비싸고, 생산과정에서 CO2가 발생한다는 단점이 있지만 CCUS 등의 기술을 활용하면 친환경적인 수소 생산 방식으로, 탄소 배출이 제로인 그린수소 생산이 양산화될 때까지 확산될 전망”이라며 “인센티브나 배출 위약금 등의 정책적 지원과 규제가 없는 경우 사업자들이 CCUS 시스템 설치의 필요성을 느끼기 어려울 것”이라고 지적했다.


김 전임연구원은 “CCUS 기술이 자리 잡기 위해서는 높은 인프라 설치비용, 시스템 설치 및 확장과 관련된 기술적 이슈(포집된 CO2를 활용해 산업적으로 유용한 물질로 전환하기 위해서는 외부에서 추가적인 에너지 공급이 필요하고, 이에 따른 화석연료의 사용 가능성 발생으로 종래보다 더 많은 CO2 발생 가능성 존재), 자금 및 경제성 확보, 지역 주민들의 반대 문제 등이 해결되어야 한다”고 밝혔다.





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