에너지 저장 수단으로 수소 부각
탈탄소를 위해 태양광, 풍력 발전 보급 확대는 발전 시간 제약, 특정 시간의 출력집중이라는 재생에너지의 특성으로 인해 그리드 시스템의 안정성 문제를 야기했다. 결국 재생에너지의 보급 확대를 위해서는 에너지 저장이 필수적이며, ESS(에너지저장장치) 외에도 수소가 새로운 에너지 저장 수단으로 등장했다.
향후 수소 생산 및 유통에 정책 집중 전망
수소는 (1) 생산, (2) 유통, (3) 활용이라는 3가지 밸류체인으로 구분된다. 기존 수소사회 형성에서 활용(수소 연료전지를 이용한 수소 발전 및 모빌리티)에 관련한 정책이 집중되었으나, 최근 수소 생산 및 유통 관련 지원 정책이 강화되고 관련된 투자가 빠르게 증가하고 있다.
수소 수요는 2050년까지 현재의 7배 이상까지 증가할 전망
2020년 기준, 글로벌 수소 생산량은 약 9,000만톤으로 대부분 산업용(정유, 화학등)으로 사용하기 위해 생산되었다. 수소위원회(Hydrogen Council) 자료에 따르면, 2050년까지 수소 생산량은 현재의 약 7배 정도 증가한 6.6억톤으로 전망하며, 기존 산업용 외에도 모빌리티, 발전 외에도 신규 산업용 수요(철강) 및 난방 등에서 사용량이 증가할 전망이다. 기존 수소 생산은 대부분은 정유, 화학 공정의 부산물로 생성되었으나, 향후 수소 수요를 충족하기 위해서는 직접 수소를 생산하는 플랜트가 필요하다. 천연가스 개질, 신재생 연계 외에도 원자력 등 다양한 발전원 및Feedstock을 기반으로 수소 생산 방식이 시도될 전망이다. 중장기적으로 그린수소(재생에너지 연계를 통한 수전해 수소)가 전체 수소 생산량의 65~70%를 차지할 전망이다.
국가별로 수소 산업 지원 정책 발표
글로벌 주요 국가들은 수소 산업 진흥을 위한 지원책을 발표하였다. 한국은 수소법 개정안을 통해 수소 산업 육성 의지를 재확인했으며, 미국, 유럽, 일본도 수소 산업확대를 위한 정책과 중장기 목표를 발표하였다. 특히 기존 상대적으로 수소 관련정책이 지지부진했던 중국도 2022년 들어 수소에너지기술 중점 산업 지침, 그린저탄소 순환발전 경제체계 등의 수소 정책을 발표했다. 중국 기업들도 잇따라 수소관련 투자 계획을 발표하면서, 중국에서도 본격적인 수소 투자가 진행될 예정이다.
수소법 개정안 의의
국내 수소법 개정안도 2022년 6월 본회의를 통과하였다, 이번 수소법 개정안은 청정수소 정의가 특정 에너지원에 얽매이지 않아, 다양한 수소 생산 기술 연구가 가능해졌으며, 청정수소 판매 및 사용 의무제도를 통해 수소 경제 방향성을 제시했다는 점에서 의의가 있다. 또한 수소 발전 구매, 공급의무화 제도(CHPS)를 통해 수소경제 활성화 및 생태계 구축이 가능해졌다는 점도 중요한 변화이다.
수소 생태계 구축을 위한 국가간 협력도 시작
국가 간의 수소 생태계 구축을 위한 협력도 본격화되고 있다. 기술력이 뛰어난 국가와 재생에너지 자원이 풍부한 국가 간의 협력을 통해 수소를 생산하여 이송하는프로젝트가 실증 단계에 접어들었다.
유럽 중심으로 수전해 설비 투자 확대
유럽 내 수소 생산 확대 필요성이 커지면서, 유럽 내 주요 에너지 및 유틸리티 기업들이 수소 생산 투자를 확대하고 있다. 또한 유럽 내 철강, 화학 기업에 대해 탈탄소 요구가 높아지면서, 에너지 기업 외에도 Arcelormittal, Yara International 등의 철강, 화학 기업들도 그린 수소 플랜트 투자를 발표하였다. EU는 2030년까지 40GW 규모의 수전해 설비를 건설하여, 그린수소 500만톤, 블루수소 500만톤으로총 1,000만톤의 수소를 EU 역내에서 생산할 계획이다.
수전해 신규 기술 등장
수소 생태계 구축을 위해서는 수소 생산 단가를 낮추는 것이 무엇보다도 중요하다. 특히 그린 수소 생산에 필요한 수전해 기술에서 규모의 경제 미달성, 기술 미성숙으로 인해 인해 수소 생산 단가가 여전히 높다. 하지만 최근 수소 생산 기술이 다양화되고 기존 기술의 단점을 보완하는 신규 기술들이 나타나 주목을 받고 있다.
고체산화물 수전해 기존 기술 대비 에너지 사용량 15~45% 절감 가능
미국의 고체산화물 연료전지 기업인 블룸에너지와 SK에코플랜트는 국내에서 처음으로 고체산화물 방식의 수전해를 통한 수소 생산 프로젝트를 시작했다. 고체산화물 방식의 수전해는 기존 알카라인 및 고분자전해질 방식과 달리 고온 수전해 방식이며, 경쟁 기술 대비 상대적으로 에너지 사용량이 적다는 장점이 있다. 즉 에너지 사용량을 줄여, 수소 생산단가를 효과적으로 낮출 수 있다. 외부 열원이 확보될 경우, 기존 기술 대비 최대 45% 에너지 사용량을 축소할 수 있다. 다만 고온 방식이므로 운영 과정상 내구성 관련 불안 요소가 있었으나, 이번 수소 생산 실증 성공으로 경쟁력있는 단가의 친환경 수소 생산을 향한 기술적 진보가 이뤄졌다.
4세대 수전해 기술인 음이온교환막 기술도 본격 등장
음이온 교환막 수전해 기술은 기존의 수전해 기술인 알카라인과 고분자전해질(PEM) 수전해 방식의 장점을 결합한 방식으로 저가의 금속 촉매를 이용하여 제조비용을 절감할 수 있으며, 스택 방식으로 대량 수소 생산이 가능하고 고순도 수소를 바로 생산할 수 있어, 알카라인 방식의 단점인 순도 측면에서의 단점을 보완할수 있는 방식이다. 최근 독일의 Enapter는 대규모 수소 양산이 가능한 신규 전해조제품 EL 4.0을 출시하였다. 아미 400건이 넘는 신규 주문을 받았으며, 2023년부터본격 양산에 돌입할 예정이다.
액화수소 대량 수송 성공
수소 유통 과정에서도 새로운 변화가 나타나고 있다. 수소 유통 방식은 크게 (1) 고압 기체, (2) 액화수소, (3) 화합물 변환으로 나누어진다. 특히 대량 수송을 위해서는 선박으로 액화수소를 수송할 수 있어야 한다. 일본 가와사키중공업이 건조한 Suiso Frontier를 통해 난제로 여겨졌던 선박을 통한 액화수소의 대량 수송이 가능해졌다.
액화수소 대량 수송 성공으로 중장기 수소 거래 시장 형성의 토대 형성
일본과 호주가 공동으로 진행하는 갈탄 수소화 프로젝트(HESC, AGL Energy, 스미토모, 가와사키중공업, J-Power, 이와타니 등이 참여)에서 생성한 액화수소를 선박으로 수송하는 실증 사업이 성공하였다. 기존 선박을 통한 대량의 액화수소 수송과 관련해서는 액화 상태 유지 여부 등 성능 관련 우려가 존재하였다. 이번 가와사키중공업이 건조한 Suiso Frontier는 이중 진공 방식의 단열 탱크를 이용하여, 극저온(섭씨 -253도)를 유지하는 가운데 장거리 해상 운송에 성공함으로써 장기적으로 원유처럼 수소의 국가 간 수입 및 거래 시장이 형성될 수 있는 기술적 토대가마련되었다. 여전히 경제성 측면에서는 확인되지 않은 부분이 있으나, 기술적 장벽을 해소했다는 데에 의의가 있다.
갈탄을 이용한 수소 생산
같탄은 석탄의 한 종류이나, 수분 함유량이 많고 탄화도가 낮아 발전용으로 사용하기는 다소 어려운 석탄이다. 이를 수소를 생산하는데 활용함으로써 자원의 활용성을 높였다. 석탄을 고압, 고온 상태에서 산소와 수증기와 반응시키면 수소(브라운수소)가 생성된다. 다만 수소 생산 과정에서 온실가스가 생성되므로 이를 탄소 중립화하기 위해 탄소배출권을 구매하였으며, 장기적으로 2030년까지는 탄소 포집·저장(CCS)기술을 통해 친환경 수소(블루수소화)생산으로 전환할 계획이다.
