[수소경제 편견깨기-2] 수소 생산과정은 더티? 아니 클린!

지역적 편중 없는 보편적 에너지원

전력망 문제·발전원 문제 동시해결

수소경제 성패는 기술개발에 달려

공급‧저장 기술개발 통해 효율성 강화

현대자동차 수소전기차 넥쏘가 여주휴게소에 설치된 수소충전소에서 수소를 공급받고 있다.(자료사진)ⓒ현대자동차

친환경 미래에너지로 각광받는 수소에너지가 산업계의 큰 화두로 등장했다. 정부는 수소에너지를 우리 경제의 성장동력으로 육성하기 위해 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표했고, 국내 대표 자동차 기업 현대자동차그룹은 ‘FCEV 비전 2030’을 내놓으며 보조를 맞췄다. 하지만 수소 수급 문제, 수소차 개발로 인한 전기차 개발여력 분산, 안전문제 등 수소산업과 관련된 비관론도 제기되고 있다. 정부와 업계가 이같은 우려를 불식시키고 수소경제 ‘퍼스트 무버’의 꿈을 이룰 수 있을지 살펴본다.<편집자 주>

지역적 편중 없는 보편적 에너지원
전력망 문제·발전원 문제 동시해결
수소경제 성패는 기술개발에 달려
공급‧저장 기술개발 통해 효율성 강화

‘원자번호 1번, 우주물질의 75%’
‘환경친화적(CO₂ Free) 에너지’

수소는 차세대 친환경에너지로 각광받고 있지만, 생산과 저장 과정까지 놓고 보면 그다지 친환경적이지도 않고 비효율적이라는 지적이 제기된다.

하지만 업계에서는 앞으로 지속적인 기술 개발을 통해 효율성을 높이면 탈탄소화 추세에 부응하고, 재생에너지의 간헐성(불안정한 전력생산)을 보완하는 역할을 해줄 것으로 예상하고 있다.

정부는 지난달 수소경제 활성화 로드맵을 발표, ‘수소경제’를 신(新)성장동력이자 친환경 에너지 혁명으로 명명했다. 수소에너지는 기술적 난이도는 높지만, 지역적 편중이 없는 보편적 에너지원으로 장기간‧대용량 저장이 가능하다는 평가를 받는다. 또 산소와 화학반응으로 열‧전기를 생산한 후 부산물도 물밖에 없어 환경친화적이다. 탈탄소화의 중심에 수소에너지가 서있는 것.

정부 계획에 따르면 2040년까지 수소차 620만대 이상을 누적 생산해 290만대를 국내에 공급하며, 수소충전소는 지난해 14개소에서 2022년까지 310개소를 조기 확충하고, 2040년 1200개소로 늘린다. 이에 따라 수소에너지 수요량은 지난해 13만t에서 2040년 526만t 이상으로 40배 넘게 뛰게 된다.

◆수소 공급은 어떻게? "초기 부생수소, 향후 공급원 확대"

수소차 공급이 늘면 수소 수요도 늘어난다. 이 대목에서 ‘수소는 어떻게 공급할 것인가’라는 의문이 제기된다.

현재 국내에서 생산되는 수소에너지는 석유화학 산업의 공정과정에서 부산물로 생성되는 부생수소와 천연가스에서 추출하는 추출수소로 구성된다.

부생수소는 울산, 여수, 대산 등 석유화학단지를 중심으로 생산되고 있으며, 2017년 기준 약 192만t의 수소생산능력을 보유하고 있다. 실제 생산량은 164만t으로, 이 중 141만t을 석유화학 공정에서 자체소비하고 나머지 23만t은 외부에서 활용된다. 부생수소 생산량은 석유화학 공정의 가동률과 연계되므로 큰 변동이 없을 것으로 보인다. 다만 정부는 수소차 약 25만대가 사용할 수 있는 5만t가량의 여유생산능력이 있는 것으로 판단하고 있다.

수소차가 25만대를 초과하는 시점에는 부생수소만으로는 수요를 맞추기 힘들다. 이에 대응해 정부는 액화천연가스(LNG) 등 천연가스에서 얻는 추출수소를 초기 수소경제 이행의 핵심 공급원으로 활용할 계획이다. 우선 한국가스공사 정압관리소에 수소추출기를 건설, 거점형 중‧대규모 수소생산기지를 구축하기로 했다. 올해 1기를 우선 구축하고 수소 수요를 감안해 순차적으로 확대할 방침이다.

수소경제 개념도.ⓒ산업통상자원부

◆추출수소는 화석연료 사용? "수전해 방식으로 전환"

그러나 이 과정에서 환경 문제가 제기된다. 부생수소야 석유화학공장을 돌리는 과정에서 어쩔 수 없이 발생하는 것이지만, 추출수소는 수소를 얻기 위해 화석연료를 사용해야 하고, 이는 ‘친환경성’과 정면으로 배치된다.

이 문제를 해결할 수 있는 게 바로 ‘수전해’ 방식이다. 정부는 수소경제 활성화 로드맵에서 기존의 그레이(Grey) 수소에서 그린(Green) 수소로 생산 패러다임을 전환하겠다고 밝혔다. 그린 수소의 핵심은 물을 전기분해해 수소를 얻는 방식이다.

수전해 방식에 대해서도 의문은 존재한다. 물을 분해하는 데 이용되는 전기를 화석연료로 생산한다면 이 역시 친환경적이지 못하다는 것이다. 특히 화석연료→전기생산→수전해→수소연료전지→전기생산 과정에서 이뤄지는 에너지 손실을 감안하면 수소에너지와 친환경의 간극은 더욱 멀어진다.

하지만 수전해에 사용되는 에너지가 ‘잉여전력’이라면 얘기가 다르다. 태양광이나 풍력 같은 재생에너지는 친환경적이지만 전력이 지속적으로 균등하게 생산되지 않는다는 한계, 즉 간헐성의 문제가 있다.

일조량이라 바람의 세기에 따라 간헐적으로 생산되는 전기를 안정적으로 활용하기 위해서는 효율적으로 에너지를 저장했다 꺼내 사용하는 수단이 필요하다.

◆수전해 과정 비효율? "재생에너지 간헐성 극복에 최적"

그동안 에너지 저장 방식으로는 양수발전과 에너지저장장치(ESS)가 있었지만 양수발전은 설치 지역 제한과 낮은 변환 효율, 환경 파괴 등의 문제가 있고, ESS는 주파수 조정용과 재생에너지저장용으로 대규모 보급되고 있지만 저장 용량 및 장기간 저장에 한계가 있다.

이런 한계를 극복할 수 있는 적절한 대안으로 제시되는 게 바로 수소에너지다. 재생에너지로 생산된 잉여전력을 수전해로 이용해 수소를 생산‧저장하고, 필요시 연료전지로 발전하는 방법은 에너지의 대용량, 장기저장 및 이용 등에서 합리적이라는 게 중론이다.

특히 재생에너지 발전비중이 늘어나도 전력계통의 큰 문제를 발생시키지 않으면서, 잉여전력 활용도를 높일 수 있다. 수소저장방식은 1GWh(기가와트시)~1TWh(테라와트시) 대용량 및 장기간(최대 1000시간) 저장이 가능해 재생에너지의 간헐성 극복에 유효하다. 이는 10시간 이내, 10mWh(메가와트시) 이하 소규모 저장에 적합한 ESS와 단적으로 비교된다.

정부도 재생에너지 잉여전력을 활용해 친환경 수소 생산을 확대한다는 방침이다. 아울러 해외에서 탄소포집‧저장(CCS) 등 탈탄소 방식으로 생산한 수소를 수입해 추출수소 비중을 2030년 50%, 2040년 30%까지 줄인다는 계획이다.

수전해 효율성도 점차 높아질 여지가 있다. 정부는 2022년까지 메가와트(MW)급 재생에너지 연계 수전해 기술을 개발, 100MW급 재생에너지 연계 실증을 추진한다. 또 현재 55% 수준인 수전해 효율을 70%로 끌어올릴 예정이다.

계획대로 수전해 기술을 확보하더라도 수소에너지의 경제성 확보도 넘어야 할 산이다. 수소융합얼라이언스추진단에 따르면 올 1월말 기준 수소 판매가격은 ㎏당 7000~8200원이다. 정부는 규모의 경제를 통해 2022년 6000원, 2040년 3000원까지 낮춘다는 방침이다.