[디지털비즈온 이은광 기자] 세계에서 주목을 받고 있는 것이 그린 수소다. 수소를 연료로 하는 수소연료전지는 수소와 산소가 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는데, 이때 환경오염 물질은 전혀 배출되지 않고 부산물로 오직 순수한 물만 배출한다.

수소는 생산 방식과 친환경성 정도에 따라 그레이수소, 블루수소, 그린수소로 구분된다. 일반적으로 수소는 녹색 수소 외에도 제작 방법에 따라 색으로 구분된다.

◇그레이수소(Grey Hydrogen)

그레이 수소는 예전부터 사용하고 있는 천연가스 등의 화석 연료를 사용하여 제조되는 수소를 그레이 수소라고 불린다. 색이 전달하는 이미지처럼 청정한 수소가 아니다.

현재 생산되는 수소의 약 96%는 화석연료로부터 수소를 생산하는‘그레이수소’라고 보면된다.

그레이수소는 천연가스의 주성분인 메탄과 고온의 수증기를 촉매 화학반응을 통해 수소와 이산화탄소를 만들어내는데, 약 1kg의 수소를 생산하는 데 이산화탄소 10kg을 배출한다. 화석연료로부터 수소를 제조할 때 CO2가 그대로 대기중으로 방출된다.

현재, 메탄 가스 등으로부터 수소를 제조하는 수증기 개질법이라는 방법이 공업 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 가정용 연료도 도시가스를 개질시켜 수소를 꺼내는 것으로, 공기 중의 산소와 화학 반응시켜 발전한다.

그린 수소에 비해 비용이 낮고, 현재 활용되고 있는 수소의 대부분이 그레이 수소이다.

이것은 탈탄소화로 이어지지 않는다. 문제는 현시점에서 가장 현실적으로 사용 가능한 것이 그레이 수소라는 점이다.

CCS를 적용하거나 수전해하는 방식은 여전히 기술 진화가 필요하고 생산 원가 등에서 경쟁력이 떨어진다. 앞으로는 더욱 그레이 수소로부터의 조기 전환이 요구된다.

◇그린 수소(Green Hydrogen)

수소에너지 중에서도 미래의 궁극적인 청정 에너지원으로 주목하고 있는 것은 그린수소다.

그린수소는 재생가능에너지를 사용하여 발전된 전기를 사용하여 물을 전기분해하여 얻은 수소이며, 제조시 CO2를 배출하지 않는 수소이다. 즉, 가장 친환경적인 생산방식을 거쳐 생산되는 수소이다.

그린수소 용도로는 연료전지차(FCV)와 같은 트럭이나 배, 제조공장, 제철의 환원제 등 용도는 다양하게 사용된다.

수소를 연소시켜도 CO2는 발생하지 않지만, 수소를 만드는 과정에서 CO2가 배출된다. 왜냐하면 물을 전기분해할 때 전기가 필요하며, 그 전기는 보통 화석연료를 사용하여 만들어지기 때문이다.

그리고 현재는 신재생에너지로부터 전력을 생산하는 단가가 높아, 아직까지는 그린수소를 생산하는 수전해 설비의 효율이 낮아 수소 생산을 위해 많은 전력을 사용한다는 점 등 경제적, 기술적 한계로 현재는 그레이수소를 주로 사용한다.

따라서 단기적인 방안으로 그레이수소보다 친환경적인 블루수소 확대를 위해 이산화탄소 포집 및 저장기술 고도화와 포집 비용을 낮추는 연구개발을 진행하고 있다.

그린 수소는 풍력이나 태양광 등 재에너지를 이용해 만들어진 전기를 사용한다. 이 때문에, 전기분해를 행할 때에 CO2를 부산물로서 생성하지 않고, 수소를 제조할 수 있다.

현재 세계의 녹색 수소 생산량은 수소 전체의 생산량은 미비하지만 탈탄소 사회를 향해 생산량은 증가하는 경향이 있다.

한편 2020년 10월, 대한민국 정부는 제2회 수소경제위원회가 의결한 수소발전의무화제도(HPS) 도입 계획에서 청정수소 활용을 강조한 청정수소발전의무화제도(CHPS) 도입 계획을 밝혔다.

2021년 6월, 현대엔지니어링은 포스코, 경상북도, 울진군, 포항공대, 포항산업과학연구원, 한국원자력연구원과 원자력 활용 그린수소 생산 기술개발을 위한 상호업무협약을 체결했다.

고온 수소 생산기술 개발, 고온 수전해 요소 기술 개발, 원자력 활용 고온 수전해 기술개발 및 사업화, 기타 원자력 이용 수소생산 등 협력을 통해 초소형 모듈형 원자로(MMR) 기술 경쟁력 확보와 수소경제 활성화에 기여할 계획이다.

각국에서 수소사회 구축을 위한 대처가 급속히 진행되고 세계에서 에너지시장 패권 다툼이 펼쳐지기 시작했다. 화석연료로부터의 탈각을 도모하기 위해 재에너지 확대와 함께 녹색수소의 의미는 중요성을 늘리는 각국은 에너지분야 기술 패권을 구축하고 있다.

◇블루수소(Blue hydrogen)

액화천연가스(LNG) 등의 화석연료를 개질(reforming)해 수소를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소(CO)를 CCUS(탄소포집, 활용및저장) 기술을 활용해 제거한 수소이다.

블루수소는 액화천연가스(LNG), 암모니아 등의 화석연료 개질 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집, 제거한 청정수소이다.

그레이수소와 비슷한 생산과정을 거치지만 이산화탄소를 배출하는지 여부가 가장 큰 차이가 있다. 블루수소 생산의 핵심은 이산화탄소를 포집하여 저장 또는 활용하는 CCUS 기술이 포함되어 있다.

CCS는 Carbon dioxide Capture and Storage의 약자로, CO2를 지중 깊게 저류하는 기술이다. CCS를 이용할 수 있는 경우에는 CO2를 대기 중에 방출하지 않는다는 블루 수소의 장점을 누릴 수 있다.

SK E&S 자료에 의하면, 블루수소는 청정수소의 ‘현실적인 대안’으로 꼽히지만 생산과정에서 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 그린수소가 궁극의 청정에너지로 주목받고 있다고 밝혔다.

그러나 국내에서는 물에서 수소를 추출하는 수전해 생산설비 및 재생에너지 부족 등으로 그린수소를 대량 생산하기에는 아직 경제적·기술적인 한계가 존재한다.

한편 한국중부발전은 한국전력과 협력하여 ,지난 2020년 1월부터 '차세대 블루수소 생산기술' 개발을 추진했으며, 올해 국내 최초로 기술개발에 성공했다.

중부발전은 향후 전력그룹사 및 산·학·연과 협력, 2025년까지 청정수소발전을 위한 1MW급 기술개발을 추진하고, 이를 통해 2030년까지 차세대 블루수소 생산기술을 이용한 10MW급 청정수소발전 상용화를 한다는 방침이다.

◇옐로우 수소(yellow hydrogen)

옐로우 수소 원자력 에너지 유래의 전기를 사용하여 물을 전기 분해함으로써 얻은 수소를 옐로우 수소라고 부른다.

재생에너지가 아닌 원자력과 화력발전 등 기존 에너지원을 이용한 방식으로, 사용되는 에너지원을 생산하고 이용하는 과정에서 탄소가 배출되기에 그린수소와 구분된다.

CO2는 배출되지 않지만 핵폐기물이 남아 버린다. 원자력발전이 권장되고 있는 프랑스나 러시아 등에서는 개발이 진행되고 있지만, 원자력발전을 권장하지 않는 국가도 있어, 세계적인 보급에는 어려움이 따르고 있다.

◇그린 수소의 미래 전망

한국과학기술정보연구원‘그린수소’마켓자료에 의하면, 세계 그린수소 시장규모는 2020년 기준 3억 2,900만 달러로, 향후 연평균 58% 성장으로 2026년 기준 43억 7,330만 달러 규모가 될 것으로 전망했다.

유럽연합 집행위원회(European Commission, EC)는 2024년까지 6 GW의 수전해 시설로부터 100만 톤, 2030년까지 40 GW의 수전해 시설로부터 1,000만 톤의 그린수소 생산을 목표로 하는 수소 전략을 2020년 7월에 발표했으며, 독일, 프랑스, 영국 등에서 그린수소 관련 대규모 프로젝트가 진행되고 있다.

국내에서 소량이나마 그린수소를 생산한 첫 사례는 2020년 12월 제주 상명풍력단지 내 잉여에너지를 활용하는 500 kW급 규모의 그린수소 생산단지에서 나왔다.

정부는 그린수소의 상용화를 1 MW급(울산), 2 MW급(동해), 3 MW급(제주), 10 MW급(예정) 등의 수전해 실증사업들을 통해 단계적으로 추진해 오고 있다.

이외에도 한화솔루션이 강원도 내 풍력발전을 통한그린수소 생산 프로젝트를 추진중이며, 현대중공업은 2025년까지동해 부유식 풍력단지에 100 MW급 그린수소 실증설비를 구축하는사업을 추진하는 것을 비롯해 국내 다수 기업이 그린수소 산업 분야에 뛰어들고 있다.

SK E&S는 친환경 블루수소 생산을 위해 보령 LNG 터미널 인근에 블루수소 생산공장을 세워 2025년부터 연간 25만톤의 블루수소를 생산할 계획이다.