수소의 에너지원 연료 및산업용 원료 활용

수소의 에너지원 연료 및 산업용 원료 활용

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최근 들어 수소라는 단어가 미디어에 자주 등장하고 있으며, 우리나라뿐만 아니라 미국·일본·유럽 등 해외 각국에서도 수소에 대한 관심이 높다. 수소는 원소기호 1번으로 가장 가벼운 원소이며, 화학 산업의 원료 또는 에너지원으로 사용이 가능하다. 2020년 기준으로 우리나라의 연간 수소 생산량은 198만 톤이며, 대부분 화학 산업의 원료로 사용되고 있다. 최근 수소경제 활성화 전략에 따라 수소의 에너지원 활용이 증가하고 있으나 아직까지는 그 비중이 매우 낮다.

현재 수소가 화학 원료로 사용되는 공정은 정유산업에서의 탈황 공정, 고도화 공정 등이 대표적이며 수소 사용량의 약 75%를 차지하고 있다. 그 외에 석유화학 산업과 반도체 산업 등에서 수소가 사용되고 있다. 자가 소비 이외에 유통되는 수소의 양은 25만 톤 정도이며, 이는 대부분 석유화학 단지에서 공장들 간에 수소 배관망을 통해 거래되고 있다. 수소 배관망이 구축되지 않은 지역은 수소 튜브트레일러를 통해 공급하는데 그 양은 연간 1만 톤 이하이다.

수소경제에서 1차적인 수소의 사용처는 수소전기차용 연료이다. 수소전기차 1대는 연간 약 160kg의 수소를 사용하며, 통상적으로 수소버스 1대는 수소전기차 50대 정도의 수소를 사용한다. 수소전기차 100만 대가 주행하려면 연간 16만 톤 정도의 수소가 필요한데 이는 많은 양은 아니다. 수소를 수소 전기차용 연료로 사용하기 위해서는 휘발유 자동차와 비교하여 연료비가 경쟁력이 있어야 하는데 수소 1kg당 1만 원 이하의 가격이라면 충분히 경쟁력이 있을 것이며, 현재 수소충전소에서는 kg당 9천 원 이하의 가격으로 판매하고 있다.

우리나라는 수소전기차 보급대수가 세계 1위이며 현재까지 1만 5천 대 이상 보급되었다. 수소버스 외의 모빌리티 용도로는 수소 지게차, 수소 트램, 수소 드론, 수소 선박 등이 있다. 국내는 가온셀에서 수소 지게차를 개발하였으며 현대로템이 수소 트램을 개발하여 울산에서 실증을 추진 중이다. 또한 두산모빌리 티이노베이션에서는 수소 드론을 개발하여 제주도에서 실증 중이며, 많은 지자체에서 수소 선박의 개발을 추진하고 있다.

그림 1  현대자동차의 넥쏘 수소전기차 넥쏘와 일렉시티 수소버스

수소의 또 다른 에너지원 용도는 연료전지 발전용 연료이다. 현재는 대부분 천연가스를 연료로 공급받으며, 개질기를 통해 이를 수소로 전환하여 연료전지에 사용하고 있다. 직접 수소를 공급받는 연료 전지 발전소로는 2020년에 대산에 구축된 부생수소로 가동하는 50MW급 인산형 연료전지 발전소가 있다. 연료전지 발전의 경제성은 연료 가격에 크게 좌우되는데, 최근 들어 낮은 REC 가격의 영향으로 인해 연료전지 발전의 수익성은 낮아지고 있다. 연료전지 발전용으로는 현재 수소전기차용으로 공급되는 수소보다는 훨씬 낮은 가격으로 수소가 공급되어야 수익성 확보가 가능하다.

 

국내의 발전용 연료전지는 현재까지 688MW가 보급되었다. 한국퓨얼셀(구 포스코에너지)의 용융탄산염 연료전지가 초기 시장을 개척하였으나 수익성 악화로 고전 중이다. 현재는 두산퓨얼셀의 인산형 연료전지와 블룸SK퓨얼셀의 고체산화물 연료전지가 시장을 양분하고 있으나, 발전효율이 높고 열을 판매할 필요가 없는 고체산화물의 시장점유율이 높아지고 있다.

 

그림 2 대산 그린에너지 연료전지 발전소(좌)와 설치된 두산퓨얼셀의 인산형 연료전지 시스템(우)

수소를 이용한 발전은 연료전지 이외에도 수소터빈 발전이 있으며, 이는 기존의 가스터빈 발전에서 천연가스를 수소로 대체한 것이다. 수소와 천연가스의 연소 특성이 달라 초기에는 천연가스와 수소를 혼소하여 사용하다가 최종적으로는 100% 수소를 사용하는 것을 목표로 하고 있다. 역시 발전용으로 수소를 사용하기 위해서는 수소전기차용 수소보다는 훨씬 낮은 가격으로 수소를 공급하여야 한다.

그림 3  일본 가와사키 중공업의 실증용 1MW급 수소터빈 발전기

연료전지는 발전 효율이 우수하지만 발전 모듈의 크기를 키우는데 한계가 있으므로 수십 MW급의 분산발전용 전원으로 적합하다. 수소터빈은 규모를 크게 할수록 경제성과 발전 효율이 좋아지므로 수백 MW급의 대용량 발전용으로 적합하다. 두 경우 모두 대량의 수소를 소비하므로 안정적으로 수소를 공급하기 위해서는 수소 배관망을 이용하는 것이 적절하다. 특히 수소터빈 발전소의 경우에는 대용량이므로 수소를 수입하는 인수기지 인근에 구축하는 것이 가장 효율적이다.

수소전기차와 같은 모빌리티 시장의 확대를 통해 초기 수소 시장의 개척이 가능하며, 발전용 수소 수요의 증대를 통해 해외 수소 수입의 경제성 확보가 가능하다. 이와 같이 대량으로 수소를 유통하는 인프라가 구축되면 수소의 생산·이송·저장 비용이 감소하게 될 것이며, 이러한 시점에 이르러서는 수소의 산업용 연료 또는 원료로서의 활용이 가능해진다.

수소를 산업용 연료로 활용하는 것으로는 석유화학 공장의 버너 또는 시멘트 공장의 가열로 등이 있다. 수소를 원료로 사용하는 것으로는 수소를 이용한 유용 화학물질의 생산 및 수소환원제철 등이 있다. 수소를 이용한 유용 화학물질의 생산 또는 수소환원제철의 경제성 확보를 위해서는 수소의 가격이 대폭적으로 저감되어야 한다. 이처럼 수소는 활용처에 따라 요구하는 가격과 물량이 달라지며, 수소의 활용을 극대화하기 위해서는 청정수소를 지속적으로 저가로 대량 생산하는 방안을 확보하는 것이 필요하다.

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저자

 

한국에너지기술평가원 청정수소 PD 박진남