수소경제는 수소의 생산, 저장, 이송, 수송용 활용, 발전용 활용, 산업용 활용 등 다방면의 산업과 연관되어 있으며, 지속가능한 에너지 사회를 위한 요소이다. 수소경제 활성화 로드맵이 발표된 이후로 우리나라는 수소경제와 관련하여 활발한 정책적 지원과 산업계의 적극적인 참여를 바탕으로 수소전기차 보급과 수소충전소 인프라의 구축 등에서 괄목할만한 성과를 내고 있다.
<목차>
1 . 수소경제의 뿌리, ‘수소 생산’
2. 화석연료를 통해 생산되는 수소
3. 탄소배출 없는 수소, ‘청정 수소’
4. 청정 수소 생산 최대화 필요
1 .수소경제의 뿌리, ‘수소 생산’
수소경제의 꽃을 피우는 것은 수소의 활용이지만 그 뿌리가 되는 것은 수소의 생산이다. 수소 생산의 궁극적인 목표는 청정 수소를 저가이면서 지속 가능한 방법으로 대량 생산을 하는 것이다. 수소의 생산에는 다양한 방법들이 있으며 이를 여러 가지 색으로 표현하기도 한다. 이들 수소 생산 방법들은 모두 각각의 장단점을 가지고 있으며, 지금의 시점에서는 모든 것을 만족하는 수소 생산 방법은 없는 것이 현실이다.
2.화석연료를 통해 생산되는 수소
현재 가장 널리 사용되는 것은 백색 수소(White hydrogen)이며, 이는 석유화학 산업이나 제철산업에서 발생하는 부생수소를 뜻한다. 부생수소는 가격이 매우 저렴하지만, 부생이라는 특성상 그 공급량에 한계가 있다. 또한 판매하지 않은 부생수소를 주로 연료로 활용하는데, 부생수소를 외부에 판매하게 되면 이를 천연가스와 같은 다른 연료로 대체해야 한다. 대체 연료 연소 과정에서 이산화탄소가 발생하는데, 천연가스의 수증기 개질을 통한 수소 생산에 비해 절반 정도의 이산화탄소가 배출되므로 청정 수소로 분류하기는 어렵다.
석탄을 가스화하여 생산되는 수소를 갈색 수소(Brown hydrogen)라고 하며, 주로 갈탄 등이 사용된다. 가격이 저렴한 갈탄을 사용하므로 수소 생산단가는 낮지만, 수소 생산과정에 이산화탄소 및 오염물질의 배출이 대량으로 발생한다.
현 시점에서 가장 유용한 것은 회색 수소(Grey hydrogen)이며, 이는 천연가스를 개질하여 생산할 수 있다. 천연가스를 원료로 사용하고 기술의 성숙도가 높아 저가의 수소를 대량으로 생산하는 것이 가능하다. 하지만 탄화수소를 원료로 사용하기에 수소 1kg당 약 11kg 정도의 이산화탄소가 배출된다.
3.탄소배출 없는 수소, ‘청정 수소’
회색 수소를 보완하는 것이 청색 수소(Blue hydrogen)이다. 이는 천연가스를 이용한 수소 생산과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집한 후 적절하게 이용하거나 격리하는 과정을 추가하여 탄소중립으로 생산된 수소를 뜻한다. 탄소배출 없이 대량으로 수소를 생산할 수 있으나, 수소 생산단가가 상승하게 된다. 장기적으로 탄소세가 상향될 것이 예상되는데, 이 경우 청색 수소가 회색 수소 대비 가격 경쟁력을 가질 수 있을 것이다. 청색 수소 생산에 있어서 가장 큰 장애물은 포집된 이산화탄소의 사후처리이며, 이는 해결이 매우 어려운 문제다.
메탄이 주성분인 천연가스를 이용하여 회색 또는 청색 수소의 생산이 가능하나 생산 공정에서 본질적으로 이산화탄소 배출이 발생한다. 이에 대한 해결책으로 메탄을 직접 열분해하여 수소와 탄소를 생산하는 기술이 제안되었으며, 이렇게 생산한 수소를 청록 수소(Turquoise hydrogen)라고 한다. 청록 수소는 반응 과정에서 이산화탄소 발생은 없으나 반응기의 가열에 연료를 사용하면 이산화탄소 배출이 발생한다. 실용화를 위해서는 수소와 동시에 생산되는 탄소의 회수가 원활해야 하며, 또한 부가가치가 높은 물성을 가지는 탄소를 생산하여야 한다.
미래의 수소로 가장 많이 언급되는 것이 녹색 수소(Green hydrogen)이다. 녹색 수소는 태양광이나 풍력으로 생산된 재생에너지 전력을 이용하여 물을 전기분해하는 것으로 청정 수소를 지속 가능한 방법으로 생산하는 궁극의 수소 생산기술이 될 수 있다. 하지만 재생에너지 발전의 간헐성과 높은 전력비용으로 인해 현 시점에서 상용화하기에는 수소 생산단가가 높으며 또한 대량 생산도 용이하지는 않다. IRENA에서 발표한 보고서를 보면 2050년에 재생에너지와 연계한 수전해를 이용한 수소의 생산단가를 수소 1kg당 1.6달러로 제시하고 있는데, 이는 매우 낙관적인 전망으로 달성이 쉽지는 않다.
기존 전력망에서 공급받은 전력으로 물을 전기분해하여 생산한 수소를 황색 수소(Yellow hydrogen)라고 한다. 수소 생산과정에서는 이산화탄소 배출이 없지만, 전력 생산과정에서 탄소배출이 발생하므로 사용하기 어려운 기술이다.
마지막으로 자색 수소(Purple hydrogen)가 있으며, 핑크 수소(Pink hydrogen) 또는 적색 수소(Red hydrogen)라고도 부른다. 원자력 에너지를 이용하여 생산한 수소를 뜻하며, 간단하게는 원자력 발전으로 생산한 전력을 이용하여 물을 전기분해하여 생산한 수소가 있다. 이는 현재 기술로 가능하며 청정 수소를 적절한 가격으로 대량 생산하는 것이 가능하다. 원자력을 이용한 미래의 수소 생산기술로는 4세대 원자로와 열화학사이클을 결합한 수소 생산이 있는데, 이는 보다 낮은 가격으로 수소 생산이 가능하지만, 아직 기술을 실증하는 단계이다. 원자력을 이용한 수소 생산은 에너지 자립에도 기여가 가능하므로, 지속적으로 관심을 가질 필요가 있다.
4.청정 수소 생산 최대화 필요
청정 수소(Clean hydrogen)는 정의가 명확하지는 않으나, 탄소배출이 없이 생산된 수소를 통칭하는 것으로 이해할 수 있다. 청정 수소의 범주에는 청색 수소, 청록 수소, 녹색 수소, 자색 수소 등이 해당되며, 향후 기술의 발전과 사회적 여건의 변화에 따라 여러 가지 청정 수소들이 적절한 비율로 생산될 것이다. 우리나라는 여건이 허용하는 한 국내의 청정 수소 생산을 최대화하고 부족한 수소는 해외에서 수입하는 방안을 강구해야 할 것이다.
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