‘그레이에서 그린으로’ 수소경제, 어디로 가시겠습니까

충남 서산시 대산읍에 있는 수소연료전지 발전소의 전경. 인근 한화토탈에서 나오는 부생수소로 연간 40MWh의 전기를 생산한다. / 대산그린에너지 제공

“저기 보면 기둥이 높이 올라와 있고, 중간중간 파이프가 내려와 있잖아요. 저게 개질기입니다. 밑에서 나프타를 넣고 (고온의) 수증기로 개질(열이나 촉매로 탄화수소의 구조를 변화시켜 가솔린의 품질을 높이는 공정)하면 수소가 제일 가볍기 때문에 제일 위에 오는 것들은 거의 수소겠죠. 그걸 모아서 순도를 높이는 작업을 한 후 지하 배관을 통해 우리 연료전지발전소로 보냅니다.”

지난 10월 5일 만난 김창대 대산그린에너지 운영팀 과장이 건너편 멀리 보이는 한화토탈 공장을 가리키며 설명했다. 대산그린에너지가 있는 충남 서산 대산읍 대죽리와 독곶리 일대에는 여수·울산과 함께 국내 3대 석유화학단지의 하나인 대산 석유화학단지가 있다. 대산그린에너지는 이곳 한화토탈 공장에서 나오는 부생수소를 이용해 연간 40만㎿h의 전기를 생산한다. 16만 가구가 1년간 사용할 수 있는 양이다. 2020년 6월 상업생산을 개시했는데 세계 최초의 초대형 부생수소 연료전지발전소로 화제를 모았다. 지난 3월에는 문재인 대통령이 이곳을 찾기도 했다.

물을 전기분해하면 수소와 산소로 나뉘는데 연료전지 발전은 그 과정을 거꾸로 해 수소와 산소를 결합해 전기를 발생시키는 것이다. 연료전지 셀의 한쪽 끝에는 수소가 들어오는 연료극이 있고, 수소는 여기서 촉매에 의해 전자를 잃어 수소 양이온이 된다. 가운데에는 이온만 통과시키는 전해질이 있는데 수소 양이온이 여기를 통과해 공기극으로 이동하면 산소와 만나 물이 된다. 전자는 외부 회로를 통해 이동하면서 전기를 발생시킨다. 이런 셀이 수십~수백장 쌓여 연료전지 스택이 된다.

이곳 발전소에는 핵심장비인 440㎾ 용량의 수소연료전지 114개가 발전소 2~3층, 5개 동에 나눠 설치돼 있다. 발전소는 연료전지 셀을 식히고 수증기를 밖으로 빼내는 펜이 도는 소리 외엔 들리지 않는다. 수소와 산소, 물이 오가는 배관이 복잡하게 얽혀 있어 김창대 과장은 “발전소보다 화학공장의 느낌이 더 크다”고 말했다.

■궁극적으로는 ‘그린수소’로 가야

수소는 자연상태에서 물이나 메탄, 암모니아, 불화수소 등 여러 화합물로 존재한다. 결합력이 높아 분리하는 데 많은 에너지가 필요한데 재생에너지를 이용해 물을 전기분해(수전해)해 얻은 수소를 ‘그린수소’로 부른다. 수소 생산과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없는 깨끗한 수소라는 뜻이다. 전기를 이용해 가스 형태의 수소를 만들기 때문에 수전해를 ‘P2G(Power-to-Gas)’라고 부르기도 한다.

반면 메탄이 주성분인 천연가스를 고온·고압의 수증기로 분해해 생산하는 ‘추출수소’나 석유화학, 철강 생산과정에서 부산물로 나오는 ‘부생수소’는 생산과정에서 이산화탄소가 다량 배출되기 때문에 깨끗하지 않다는 의미로 ‘그레이수소’로 부른다. 그레이수소를 만드는 과정에서 이산화탄소를 포집·저장(CCS·Carbon Capture & Storage)’하는 기술을 적용해 이산화탄소 배출을 줄인다면 상당히 깨끗해졌다는 뜻에서 ‘블루수소’라고 말한다. 현재는 그레이수소가 수소 생산의 대부분을 차지한다.

대산 연료전지발전소는 시간당 3t의 수소를 사용한다. 한화토탈이 자체 공정에서 사용하는 양을 뺀 나머지의 약 30~40% 정도이다. 부생수소는 ‘탄소 다이어트’를 한 블루수소나 그린수소로 가기 위한 가교역할을 할 수 있다. 수소발전 운영 노하우를 쌓거나 수소 저장·운송 기술을 개발하려면 수소가 필요한데 아직 그린수소를 구하긴 어렵기 때문이다.

김 과장은 “필요에 따라 연료전지를 추가할 수 있고 대형 터빈을 쓰는 화력발전과 달리 한두대 고장이 나도 수리하면서 운영할 수 있어 유연성이 좋은 편”이라면서 “투입 연료 대비 발전량도 석탄·가스 발전이 30%대 초반 정도인데 수소연료전지 발전은 약 50% 정도로 높다”고 말했다. 환경적인 측면에서도 화력발전에 비해 미세먼지 발생이 없어 좋다고 말했다. 부생수소를 사용하기 때문에 추출수소에 비해 경제적이라고 설명했다.

재생에너지는 계절과 날씨 등에 따라 발전량 변동이 커질 수 있는데 수소연료전지 발전은 이때 순발력 있게 대응할 수 있다. 재생에너지가 많이 발생할 때는 이를 활용해 수소를 만들어놓고, 전력이 부족할 때는 수소를 다시 전기로 만들면 되기 때문이다. 수소만 원활히 공급받는다면 수요지 인근에서 분산형 전원으로 활용하기도 용이하다. 장점이 많은 수소연료전지 발전이지만 석유화학 공정에 종속된 부생수소는 공급에 제한이 있다. 탄소 감축이 지상과제가 된 상황에서 그레이수소를 이용하기도 부담스럽다. 결국 장기적으로는 재생에너지를 이용한 그린수소 생산과 함께 가야 한다.

■탄소중립의 동반자, 재생에너지와 수소

블루수소는 CCS 기술이 얼마나 효과적이고 경제적인지에 따라 활용도가 좌우된다. 하지만 CCS 기술도 이산화탄소를 100% 포집할 수 없기 때문에 장기적으로는 그린수소로 대체될 것으로 보인다. 탄소중립에 의미 있는 수소라면 결국 그린수소이기 때문에 이를 경제적으로 대량생산할 수 있는 기술을 확보하는 것이 시급한 과제가 됐다. 재생에너지 보급이 확대되면서 유럽을 중심으로 미국과 일본 등에서 다양한 수전해 프로젝트가 진행되고 있는데 10㎿ 이상 프로젝트만 22개가 넘는다. 한국도 2017년부터 지난 4월까지 제주 상명풍력단지에서 잉여 풍력발전으로 수소가스를 생산하는 첫 P2G 실증사업을 진행했다. 전력 수용량은 500㎾급으로 1일 4시간 기준 2㎿의 전력을 수용해 순도 99.99%의 수소 약 35㎏을 생산했다.

박가우 지필로스 대표가 10월 5일 경기도 용인시 본사에서 경향신문과 인터뷰하고 있다. / 권도현 기자

제주상명풍력단지의 P2G 실증사업의 흐름도. 풍력단지의 잉여전력을 이용해 물을 전기분해해 수소를 생산한다. 전력이 부족할 경우 연료전지 발전으로 전력을 송전할 수 있다. 지필로스 제공.

아직 전국적으로 재생에너지 발전량은 6~7%대에 불과하지만 제주도에서는 지난해 16.2%까지 높아지면서 잉여전력 문제가 커졌다. 재생에너지 발전이 계통 수용량을 초과하면서 전력거래소가 급전지시를 요청해 발전소의 출력을 제한한 횟수도 2015년 3회에서 2020년 77회로 늘었다. 제주도에 남는 재생에너지 전력을 육지로 역전송하는 인프라도 필요하지만, 재생에너지의 잉여전력을 수소로 전환해 변동성을 완화하는 P2G 설비도 확충할 필요가 있다.

정부 계획대로 2030년까지 재생에너지 발전량을 20%로 늘릴 경우 재생에너지의 변동성은 전국적 문제가 될 수 있기 때문에 P2G 상용화를 서둘러야 한다. 제주 P2G 실증사업에 참여한 지필로스의 박가우 대표는 “유럽에선 재생에너지로 넘쳐나는 에너지를 회수할 방안으로 수소 전환에 주력하고 있다”면서 “재생에너지 전력이 많이 나올 경우 배터리 에너지저장장치(ESS)로는 한계가 있기 때문에 어떻게든 수소로 변환해 저장해야 한다”고 말했다.

지필로스는 수소연료전지에 특화된 전력변환장치(인버터) 기술력을 바탕으로 재생에너지 연계 P2G 시스템을 설계·구축하는 업체이다. 기술력을 인정받아 산업부가 지정하는 수소전문기업 1호에 선정되기도 했다. 박 대표는 “재생에너지 변동성에도 불구하고 수소를 일정하게 생산하는 제어 기술과 전환 효율이 중요하다”면서 “전력변환장치로 전력을 안정적으로 공급하는 게 우리 기술의 핵심”이라고 설명했다.

박 대표는 “인류 역사를 보면 석탄·석유·가스 순으로 탄소가 줄고, 수소가 증가하는 형태로 에너지를 사용했다”면서 “탄소중립을 하자면서 화석연료로 만든 전기로 수전해를 하는 건 말이 안 된다”고 강조했다. 그러면서 그는 “재생에너지와 그린수소는 탄소중립의 동반자”라면서 “재생에너지가 많이 깔려야 그린수소를 만들 수 있고, 그린수소를 많이 만들수록 재생에너지가 전력계통에 더 많이 들어올 수 있다”고 말했다. 제주도와 서남해를 중심으로 풍력발전이 유리한데 배터리, 풍력타워, 조선 등 제조업 강국이라는 이점을 살리면 해상풍력 기반 수소 생산으로 에너지 자립에도 상당히 기여할 것이라고 기대했다.

장종현 한국과학기술연구원 수소연료전지연구센터장은 태양광·풍력의 잉여전력을 장기간 대용량 저장할 수 있는 수소 ESS와 재생에너지가 탄소중립을 위한 핵심 기술이라고 보고 있다. 그러면서 수소 ESS가 쌀을 비축하는 것과 비슷하다고 설명했다. 그는 “배터리 ESS는 잦은 충방전과 짧은 시간에 쓰기 좋은 성격이라 재생에너지 보급량이 적은 지금은 큰 문제가 없지만 향후 재생에너지 보급이 늘면 여름에 나온 전기를 겨울에 쓰거나 심지어 올해 많이 생산될 경우 내년에 쓰는 식으로 전기를 수소 형태로 저장하는 게 핵심적인 역할을 할 것”이라고 전망했다.

한국과학기술연구원은 수소 생산·저장·활용 등 전주기 기술에 대해 원천기술을 개발하고 있다. 장종현 센터장은 과기부 고분자전해질(PEM) 수전해 핵심원천기술개발 연구단을 이끌고 있다. 수전해기술은 100년 넘는 역사를 가진 알칼리 수전해 방식과 고체전해질막을 이용한 PEM 수전해와 같은 저온 수전해기술과 고체산화물을 이용한 고온에서의 수전해기술(SOEC)이 있다. PEM 수전해는 전류밀도가 높아 에너지 효율이 높고 장치 크기도 작아 생산설비의 소형화가 가능하다. 응답속도가 빨라 재생에너지 변동성 대응에 좋고, 수소의 순도가 높다. 반면 촉매로 쓰는 백금 가격이 비싸 유지비용이 많이 드는 단점도 있다.

장 센터장은 “국내 산업을 육성하려면 차별화된 소재 기술과 가격을 줄일 수 있는 기술 개발이 필요하다”면서 “연구원은 3년 전부터 그린수소 생산 관련 기술과 수소 저장기술(액상유기수소운반체·LOHC) 과제를 수행하면서 국내 기업에 신규 기술을 공급할 수 있도록 노력하고 있다”고 소개했다.

장종현 센터장이 연구원과 함께 수전해 원천기술 개발 관련 연구를 하고 있다. 고분자 전해질(PEM) 수전해 개발소재를 적용한 숏(SHORT) 스택(오른쪽 아래). 과학기술연구원 제공

■그린수소 생산·저장·운송 기술 시급

수소는 모빌리티는 물론, 산업 분야의 열 공정과 발전 분야 등 여러 섹터를 연결시켜주는 ‘섹터 커플링’의 대표주자로 거론된다. 국제재생에너지기구(IRENA)는 올해 발표한 보고서에서 탄소중립을 위해 최종에너지 소비 구성에서 전기에너지가 2018년 21%에서 2050년 51%로 증가해야 한다고 밝혔다. 전기에너지의 90%는 재생에너지로 만든 것이라 최종적으로는 재생전기가 45% 정도이다.

수소는 12%를 차지해야 한다고 봤는데 그중 3분 2가 그린수소다. 재생전기로 만든 수소가 전체에서 9%를 차지하는 셈이다. 장 센터장은 “그린수소는 재생에너지의 변환된 형태로 봐야 한다”면서 “그린수소가 여러 산업의 원료로 쓰이고, 난방과 수송, 산업용으로 쓰는 큰 시나리오로 봐야 한다”고 말했다. 아직 그린수소는 드물고 비싸지만 재생에너지 보급 확대와 함께 가격이 하락할 것은 분명하다.

재생에너지 보급이 확대되면 그린수소 생산량은 비례해서 늘어날 것으로 보인다. 장종현 센터장은 재생에너지의 15~20%가 그린수소 생산에 쓰일 수 있을 것이라 예상했다. 장 센터장은 “IRENA의 전망에 따르면 블루수소 가격은 현재 ㎏당 2달러 수준에서 큰 변동이 없고 오히려 소폭 증가하지만 그린수소는 쭉 떨어져 베스트 케이스의 경우 2025년부터 경쟁력을 확보하는 지역이 생기고, 2035~2040년이 되면 평균 경로에서도 경쟁력을 갖는 걸로 나온다”면서 “결국 재생에너지 보급이 제일 중요하지만 그린수소가 충분히 만들어질 때까지는 수소 산업을 발전시킬 수 있도록 블루수소를 먼저 사용할 필요도 있다”고 말했다.

블루수소의 친환경성이 부족하긴 하지만 화석연료를 그대로 사용하는 것에 비해 낫다는 점도 이유로 들었다. 블루수소를 쓰는 수소차와 일반 내연기관차를 비교할 경우 일반 개별차는 연소 시 나오는 이산화탄소를 포집할 방법이 마땅히 없지만 블루수소의 경우 개념상 공장 생산 단계에서 90%까지 이산화탄소를 포집하기 때문이다.

국네에너지기구에 따르면 2030년 시점에서 가솔린 하이브리드 내연차의 경우 1㎞ 주행시 174g의 이산화탄소가 나오지만 블루수소를 쓰는 수소차의 경우 61% 줄어든 67g으로 예상된다. 블루수소의 생산·운송·저장·유통 등이 포함된 전주기 평가 결과이다. 2050년 시점에서 두 수치는 각각 169g, 40g이다. 장종현 센터장은 “내연차는 2030년과 2050년 사이에 탄소배출면에서 개선이 거의 없고, 블루수소를 쓰는 수소차는 개선이 가능하다”면서 “같은 연료를 쓰더라도 효율 역시 수소차가 더 좋다”고 설명했다. 하지만 장 센터장은 “블루수소 생산을 위한 이산화탄소 제거 기술이 어느 정도 발전할 지 불확실하고, 이 역시 기본적으로는 화석연료 기반이라 2050년 이후 미래 비전으로 보는 건 맞지 않다”면서 “지금은 긴요하게 써야 하는건 틀림 없지만 화석연료에서 탈피한다면 화석연료 기반의 수소도 같은 입장이 된다”고 말했다.

태양광과 풍력 등 재생에너지 잠재량이 풍부한 칠레나 중동, 호주, 북아프리카의 경우 국제적인 그린수소 생산기지로 부상하고 있다. 윤창원 포항공대 화학공학과 교수는 “재생에너지는 생산과 수요의 지리적 불균형이 크다”면서 “미래에 재생에너지를 널리 쓰려면 재생에너지를 저장하고 운송할 수 있는 캐리어가 필요하다”고 말했다. 이런 에너지 운반체로 수소만 한 적임자가 없다. 수소는 단위 무게당 에너지 밀도가 화석연료의 3배에 달한다.

문제는 저장과 운송이다. 수소는 기체 상태 부피가 커서 영하 253도로 액화시켜 700분의 1 수준으로 줄여 운송해야 하는데 극저온 탱크를 만들기가 쉽지 않다. 그래서 대안으로 ‘액상유기수소저장체(LOHC)’와 암모니아가 주목을 받고 있다. LOHC는 수소를 톨루엔과 같은 유기물과 반응시켜 상온에서 액상으로 만들어 원유를 싣고 오듯이 기존 인프라를 이용해 운송한 후 다시 화학반응으로 수소를 추출하는 방법이다. 해외에서 대량생산된 그린수소를 질소와 반응시켜 암모니아로 만든 뒤 이 암모니아를 가져와 국내에서 수소를 얻을 수도 있다.

LOHC는 1m³당 70㎏, 암모니아는 120㎏을 저장할 수 있어 부피를 크게 줄일 수 있고 장시간 보관이 가능하다. 윤창원 교수는 “국내 생산으로 그린수소 수요를 맞출 수 없다면 경제성을 확보한 해외 그린수소 공급망을 빨리 구축해야 한다”면서 “연료전지 쪽은 투자가 많이 된 만큼 생산·저장·운송에서의 원천기술 확보에도 주력해야 한다”고 말했다.

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