그린수소로 이끄는 수소 밸류체인 대전환
- 편집팀
- 2월 16일
- 5분 분량
대체에너지의 필요성
화석연료의 사용은 지구온난화와 기후변화를 초래하고 있습니다. 이로 인해 해수면 상승, 이상기후 현상, 생태계 교란 등 다양한 환경 문제가 발생하고 있으며, 인류의 건강과 생존을 위협하고 있습니다. 기후변화로 인한 자연재해, 식량 부족, 물 부족 등은 사회경제적 문제로도 이어질 수 있습니다.
또한 화석연료는 고갈 문제에 직면해 있습니다. 화석연료는 유한한 자원으로, 현재와 같은 속도로 사용한다면 머지않아 고갈될 것으로 예상됩니다. 이는 에너지 안보 문제와 경제적 불안정을 초래할 수 있습니다. 따라서 지속가능한 발전을 위해서는 화석연료를 대체할 수 있는 친환경적이고 재생 가능한 에너지원의 개발과 보급이 시급합니다. 대체에너지 확대는 온실가스 배출 감축을 통해 기후변화에 대응하고, 에너지 자립도를 높여 에너지 안보를 강화하며, 새로운 산업과 일자리 창출을 통해 경제 발전에도 기여할 수 있을 것입니다.
현재 전 세계적으로 활용되고 있는 대체에너지에는 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오매스 등 다양한 종류가 있습니다.1) 이들 에너지원은 재생 가능하며 환경 친화적이라는 장점이 있습니다. 태양광 에너지는 환경 친화적이며 유지보수 비용이 적다는 장점이 있지만, 간헐성과 넓은 부지 필요성이 단점입니다. 풍력 에너지는 대규모 발전이 가능하고 토지 사용 효율이 높지만, 간헐성, 소음, 경관 훼손 등의 단점이 있습니다. 수력 에너지는 안정적이고 효율적이지만 입지 제약과 환경 문제가 단점입니다. 지열 에너지는 날씨 영향이 없고 연중 사용 가능하지만 높은 초기 비용과 입지 제약이 단점입니다. 바이오매스 에너지는 폐기물 처리가 가능하지만 대규모 재배 및 운송 비용, 식량 문제 등이 제기될 수 있습니다.
현재 가장 널리 사용되는 대체에너지는 수력으로, 기술적 성숙도, 대규모 발전 가능성, 높은 에너지 밀도로 효율성과 경제성이 높습니다. 반면 태양광과 풍력은 간헐성, 지열과 바이오매스는 높은 초기 비용과 입지 제약으로 인해 널리 사용되기 어려운 실정입니다. 그러나 기술 개발과 정부 지원을 통해 이러한 한계점들을 극복하고 대체에너지의 보급을 확대해 나가야 할 것입니다.
대체에너지로서 수소의 중요성과 가치
수소는 대체에너지로서 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 수소는 연소 시 물만 배출하고 이산화탄소를 발생시키지 않아 환경 친화적인 에너지원이며, 에너지 밀도가 높고 다양한 형태로 저장 및 운송이 가능하여 활용도가 높습니다. 우리가 오해하는 부분이 하나 있는데, 수소가 가지고 있는 에너지를 바로 사용하는 것이 아니라 연료전지를 통해 전기와 열을 생산하는 방식으로 활용합니다. 수소 연료전지는 발전용, 가정·건물용, 수송용 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 특히 수소전기차는 배출가스가 없고 충전 시간이 짧아 차세대 친환경 자동차로 주목받고 있습니다.
수소는 생산 방식에 따라 그레이 수소, 블루 수소, 그린 수소로 분류됩니다. 그레이 수소는 화석연료 개질을 통해 생산되며 이산화탄소를 배출하고, 블루 수소는 이산화탄소 포집 및 저장 기술을 결합하여 탄소 배출을 줄입니다. 그린 수소는 재생에너지를 활용한 물 전기분해로 생산되며 생산 전 과정에서 탄소를 배출하지 않아 가장 친환경적입니다.
수소경제로의 이행을 위해서는 그린 수소 생산 비중을 높여나가는 것이 중요합니다. 재생에너지와 연계한 그린 수소 생산은 에너지 부문의 탈탄소화에 기여할 수 있으며, 수소를 활용한 에너지 저장은 재생에너지의 간헐성 문제 해결과 전력계통 안정화에 도움을 줄 수 있습니다. 수소는 대체에너지로서 에너지 전환을 가속화하고 기후변화에 대응하는 데 중추적인 역할을 할 것입니다.
그린수소는 재생에너지로 생산한 전력을 이용해 물을 전기분해하여 얻는 방식입니다. 전기분해 과정에서 물이 수소와 산소로 분해되며, 생성된 수소를 포집하여 저장 및 활용할 수 있습니다. 그린수소 생산에는 태양광, 풍력, 수력 등의 재생에너지가 사용되며, 잉여전력을 활용한 수소 생산은 에너지 저장 수단으로도 쓰일 수 있습니다.
그린수소 생산에는 알칼라인 수전해(AEL), 양이온 교환막 수전해(PEMEL), 고체산화물 수전해(SOEL) 등 다양한 물 전기분해 기술이 사용됩니다.2) AEL은 기술적으로 성숙하고 저렴한 촉매를 사용할 수 있지만, 낮은 전류밀도, 큰 부피, 수소 순도 유지의 어려움 등이 단점입니다. PEMEL은 높은 전류밀도, 컴팩트한 디자인, 높은 수소 순도의 장점이 있지만 고가의 귀금속 촉매가 필요하고 막 수명이 제한적입니다. SOEL은 높은 효율과 저렴한 전극 재료 사용이 가능하지만, 고온 작동으로 인한 재료 안정성 문제와 장기 내구성 검증이 필요한 상황입니다.
그린수소 생산 기술은 아직 상용화 초기 단계로, 경쟁력 확보를 위해서는 재생에너지 발전 비용 감소, 설비 가동률 향상, 전해조 효율 향상, 저가 촉매 및 내구성 소재 개발, 수소 저장·운송 인프라 구축 등이 필요합니다. 현재 그린수소 생산 비용은 그레이 수소에 비해 높은 수준이지만, 기술 혁신과 재생에너지 보급 확대를 통해 장기적으로 경제성을 확보해 나갈 수 있을 것으로 전망됩니다. 이를 위해서는 정부 정책과 민간 투자를 통한 지속적인 연구개발 노력이 뒷받침되어야 할 것입니다.
수소 밸류체인의 혁신과 우리나라의 도전
대체에너지를 만들기 위해 기름을 써야 한다는 아이러니를 빨리 벗어나는 것이 우선이지요. 그린수소의 생산이 가속화하면 우리는 점진적으로 화석연료 경제에서 수소경제로 이행할 수 있습니다. 수소경제는 수소를 주요 에너지 운반체로 활용하는 경제 시스템으로, 수소의 생산, 저장, 운송, 활용에 이르는 수소 밸류체인 전반의 혁신과 투자를 필요로 합니다. 수소 밸류체인의 첫 단계는 수소 생산입니다. 앞서 살펴본 바와 같이, 현재 대부분의 수소는 천연가스 개질, 석탄 가스화 등을 통해 생산되는 그레이 수소이며, 이산화탄소 포집 및 저장 기술을 결합한 블루 수소, 재생에너지 기반 물 전기분해로 생산되는 그린 수소 등으로 나뉩니다. 탄소중립 목표 달성을 위해서는 그린수소 비중을 지속적으로 높여 나가야 합니다. 이렇게 생산한 수소는 파이프라인, 튜브트레일러, 선박 등을 통해 운송되며, 고압가스, 액화수소, 액상유기수소운반체(LOHC) 등 다양한 형태로 저장될 수 있습니다. 효율적인 수소 운송과 대량 저장을 위한 기술 개발이 필요한 상황입니다.
수소 밸류체인이라는 말을 자주 들어봤을 겁니다. 수소를 이용하여 발전할 수 있는 모든 산업을 통틀어 수소 밸류체인이라고 부릅니다. 수소는 수송, 발전, 산업, 가정·건물 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. 수소전기차, 연료전지 발전, 수소환원제철 등은 화석연료를 대체함으로써 탄소중립에 기여할 수 있습니다. 수소 활용 확대를 위해서는 관련 인프라 구축과 기술 고도화가 필요합니다.
그런데, 수소 밸류체인으로의 이행이 그리 쉬운 것만은 아닙니다. 이미 우리는 최소 100년 이상 화석연료와 함께 살았고, 우리 주변의 상당히 많은 인프라가 화석연료 친화적입니다. 그래서 화석연료 기반 경제에서 수소경제로의 전환에는 막대한 투자와 기술 혁신이 요구되며, 특히 수소 생산 비용 절감과 안정적 공급망 확보가 시급한 과제입니다. 정부와 기업은 그린수소 기술개발, 재생에너지 연계 인프라 구축, 수소 운송·저장 고도화, 수소모빌리티·연료전지 보급 확대 등에 적극 나서야 합니다. 또한 국제 협력을 통한 수소 교역망 구축, 기술 표준화 등도 추진해야 할 것입니다. 이와 같은 수소 밸류체인 전반의 체계적 혁신을 통해 우리는 화석연료 경제에서 수소경제로 나아갈 수 있을 것입니다. 에너지 안보 강화, 기후변화 대응, 신산업 창출 등 수소경제의 사회경제적 편익을 고려할 때 관련 투자와 도전은 반드시 필요한 일이 될 것입니다.
우리나라 정부는 2019년 수소경제 활성화 로드맵을 발표하고, 2040년까지 수소차 620만대, 수소충전소 1,200개 구축 등의 목표를 제시했습니다. 이를 위해 정부는 수소 기술개발, 인프라 구축, 제도 개선 등 다양한 지원정책을 추진하고 있습니다. 민간기업들도 수소사업에 적극적으로 투자하며 기술개발에 박차를 가하고 있습니다. 현대자동차는 세계 최초로 수소전기차를 양산하며 수소모빌리티 시장을 선도하고 있으며, SK, 포스코, 한화 등 대기업들도 수소 생산 및 활용 사업을 확대하고 있습니다. 특히, 산업통상자원부는 올해 초 국내 주요 수소기업 대표 등과 간담회를 열어, 2024년을 청정수소 원년으로 삼고 지속적으로 그린수소의 개발 기술 선점 연구역량과 수소 밸류체인 확대를 위한 노력을 다할 것을 다짐하였습니다.
마치면서...
우리는 지금 에너지 전환과 기후변화 대응이라는 시대적 과제 앞에 서 있습니다. 화석연료 중심의 경제는 지속가능하지 않으며 전환은 불가피합니다. 수소는 이러한 전환의 핵심 동력이 될 것입니다. 기술, 경제성, 안전, 인프라 등 넘어야 할 산이 많지만 노력한다면 분명 극복할 수 있을 것입니다. 중요한 것은 도전을 멈추지 않는 것입니다. 정부와 기업이 앞장서고, 국민이 동참하는 수소경제는 분명 우리에게 더 나은 미래를 가져다 줄 것입니다. 에너지 불안에서 벗어난 사회, 기후재앙의 공포가 사라진 사회, 모두가 깨끗한 공기를 마시는 사회. 수소는 이러한 지속가능한 사회로 우리를 인도할 것입니다. 수소경제의 미래는 곧 우리 모두의 미래입니다. 이제 수소경제를 향한 힘찬 발걸음을 내딛어야 할 때입니다. 어려움이 있더라도 우리는 결국 해낼 것입니다. 수소로 만드는 밝고 깨끗한 미래, 우리 모두 함께 만들어 갑시다. 대한민국의 수소 드림이 세계를 바꿀 것입니다. 대한민국 수소경제 파이팅!
참고자료
[1] Olabi, A.G., Abdelkareem, M.A., Renewable energy and climate change. Renew Sustain Energy Rev 158, 112111 (2022). https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112111.
[2] Hassan, Q., Tabar, V.S., Sameen, A.Z., Salman, H.M., Jaszczur, M., A review of green hydrogen production based on solar energy; techniques and methods. Energy Harvest Sys 11(1), 20220134 (2024). https://doi.org/10.1515/ehs-2022-0134.
[3] 산업통상자원부 수소경제정책과 보도자료, 2024년을 청정수소 원년으로! (https://www.motie.go.kr/).
첨부한 이미지 출처
[1] Image created by Midjourney®
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