[투데이에너지 유정근 기자] 수소는 생산방식에 따라 그린·블루·그레이·브라운 4개의 수소로 나뉜다. 최근 수소가 주목을 받은 가장 큰 이유가 친환경성인 것이 더욱 강조되고 있어 국내는 물론 전세계가 그린·블루수소로 기술 개발을 집중하고 있다. 특히 청정수소의 정의와 인증제도, 청정수소 발전의무화제도(CHPS) 도입 등을 담은 수소법 일부 개정법률안이 그린·블루수소를 모두 청정수소로 규정하도록 한 것에 대한 반발에 심의를 통과하지 못하는 등 궁극의 친환경연료 그린수소로 가야한다는 주장이 꾸준히 제기되고 있다. 또한 생산방식뿐만 아니라 수소는 다른 에너지원대비 유통 비용이 상대적으로 커 액화수소·암모니아·액상수소 등 저장·운송 방식에 대한 기술개발이 이뤄지고 있다. 이렇듯 수소경 제는 여러분야에서 빠르게 성장하고 있으나 수소경제는 생산·저장·운송 방식에 따라 각각 장·단점이 존재해 이에 대한 지식이 필수적이다.
이에 친환경 연료인 수소에너지의 생산·저장·운송 등의 방식과 장·단점에 대해 보기 쉽게 정리해보고자 한다. / 편집자 주
■생산 방식별 수소 구분
△그린수소
태양광·풍력 등 재생에너지에서 생산된 전기로 물을 전기분해해 생산한 수소로 수전해 기술을 사용할 경우 수소와 산소만 생산되기 때문에 오염물질이 전혀 배출되지 않는다.
또한 전기에너지를 수소로 변환해 손쉽게 저장하기 때문에 생산량이 고르지 않은 재생에너지의 단점도 보완할 수 있다. 다만 수전해 방식으로 수소를 생산할 경우 생산 단가가 높고 전력 소모량도 상당해 상용화에 어려움을 겪고 있다.
현재 전세계가 친환경사업 발전을 위해 노력 하고 있으며 EU의 2023년 탄소국경세 도입 등 에너지업계의 해외시장 진출을 위해서는 그린수소산업은 필수적이다. 현재 우리나라는 사용 하고 있는 에너지의 약 95%를 해외에서 수입하는데 매년 약 100조원을 사용하고 있어 그린수소산업 확대는 이 비용을 절감시키는데도 큰 기여를 할 수 있다.
또한 정부는 탄소 발생이 없는 그린수소를 2030년 25만톤에서 2050년 300만톤으로 늘리 기로해 기술개발 및 지원이 꾸준히 이뤄지고 있다.
아직 지원이 없이 그린수소사업을 통해 이윤을 남기는 등 상업적인 요인으로는 제 기능을 하는 것은 매우 힘든 일이나 수소경제의 궁극적인 목표인 그린수소로의 수소산업 발전은 미래 산업을 위해 필수적이다.
△블루수소
천연가스를 통해 수소를 생산하나 이산화탄소를 포집·저장하는 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage) 기술을 적용해 그레이 수소대비 소량의 탄소를 배출한다. 그레이·브라운수소에 비해 친환경적인 생산 방법인 것은 물론 그린수소의 단점인 경제성 또한 갖추고 있어 최근 수소경제 발전에 있어 주목을 받고 있으며 정부는 블루수소 생산을 2030년 75만톤에서 2050년 200만톤으로 증가시키기로 했다.
다만 최근 청정수소의 정의와 인증제도, 청정수소발전의무화제도(CHPS) 도입 등을 담은 수소법 일부 개정법률안이 그린수소만을 청정수소로 정의해야한다는 주장에 의해 반발을 겪고 있어 블루수소산업 또한 장기적으로 보았을 때 그린수소로 가는 길목 역할을 할 것으로 보인다.
△그레이수소·브라운수소
수소 생산 과정에서 이산화탄소가 가장 많이 발생하는 수소로 브라운수소는 석탄이나 갈탄을 고온·고압에서 가스화해 수소가 주성분인 합성가스를 생산하며 그레이수소는 천연가스를 고온·고압 수증기와 반응시켜 물에 함유된 수소를 추출하는 방식이다. 이 때 천연가스의 주요 성분인 메탄(CH₄)을 이용해 고온의 반응기에서 수소를 추출하는 수증기 개질법(CH₄+2H₂O→ CO₂+4H₂)이 활용된다.
또한 석유화학이나 철강 공정 등에서 부수적으로 나오는 부생수소도 그레이수소에 포함된다. 부생수소는 나프타를 분해해 에틸렌·프로필렌 등 석유화학 제품의 기초 원료로 만드는 과정에서 발생하는데 생산량에 한계는 있으나 생산을 위한 추가설비, 투자비용 등이 없어 경제성 면에서 뛰어난 장점을 가지고 있다.
다만 최근 수소산업이 청정수소로 가야한다는 주장이 대두되고 있어 갈수록 입지가 좁아지고 있다는 문제점이 있다.
■저장·운송 방식따라 접근방식 달라
△액화수소
액화수소는 기체수소대비 1/800로 부피를 줄일 수 있어 대량 저장과 운송에 효율적이다. 이미 미국, 일본, 유럽 등 해외에서는 1~2bar 압력이하로 탱크로리로 운송하고 있으며 고압관련 규제회피가 가능해 대도시 내 수소공급에 장점이 있다.
특히 국내에서는 강원도가 지난해 5월 2030 강원형 액화수소산업 육성 로드맵을 발표해 액화수소산업 육성을 본격 추진할 것이라고 밝혔다.
강원도는 액화수소열차 및 어선 2030년 보급, 액화 수소기술 국내 표준화 마련, 액화수소 항만 기반시설 구축 등을 통해 액화수소 에너지대전환을 선도해 동북아 수소에너지 혁신 허브 강원으로 도약할 계획이다.
또한 기업으로는 지난해 6월 효성과 린데가 2023년 5월 가동을 목표로 울산 용연공장 부지에 단일 규모 세계 최대 액화수소 플랜트를 건립하겠다고 밝힌 것에 이어 최근 효성은 부산시와 액화수소산업 생태계 조성을 위한 업무협약을 체결하는 등 액화수소산업을 확대해 나가고 있다.
다만 액화수소는 대기압 기준 -253℃까지 냉각하는 액화 과정에 에너지가 많이 소비되며 밸브, 파이프 및 피팅의 이음쇄 부분에서 수소 누출의 가능성이 크다는 단점이 있다.
△암모니아
액상수소의 한 형태인 암모니아는 부피대비 수소저 장용량이 액화수소 저장밀도보다 2배 높으며 비등점이 약 -33℃로 액화에 필요한 에너지가 낮고 LPG와 유사한 상변화 특성이 있다. 이에 따라 기존 암모니아 저장 및 운송 인프라를 사용할 수 있어 잠재적으로 경제성을 활용할 수 있는 장점이 있다.
특히 지난해 5월 HMM, 롯데정밀화학, 롯데글로벌로지스, 포스코, 한국선급, 한국조선해양 등 총 6개 기관은 친환경 선박·해운시장 선도를 위한 그린암모니아 해상운송 및 벙커링 컨소시엄 업무협약을 체결하고 12월15일 그린암모니아 추진 운반선·벙커링선 2종에 대한 AIP 인증서 수여 행사를 진행했다. 총 6개 기관의 그린암모니아 해상운송 및 벙커링 컨소시엄은 한 국가 내의 글로벌 수준의 기업들이 구성한 컨소시엄이라는 의의 또한 지니고 있어 그린암모니아 국내 공급은 더욱 원활하게 진행될 것으로 기대된다.
그러나 수소를 공기 중의 질소 반응시켜 암모니아를 생산하는 과정에서의 에너지소비와 암모니아를 분해해서 수소를 생산하는 과정에서의 에너지를 감안하면 암모니아는 생산 효율면에서는 큰 장점을 나타내지 못한다는 단점이 있다.
또한 암모니아는 유독성 물질로 다루기 어려워 상업및 주거지역에서의 암모니아 수소추출은 주민수용성을 기대할 수 없다는 문제점도 가지고 있어 이와 관련된 문제를 해결하는 것은 그린암모니아산업 확대를 위해 꼭 필요한 과정으로 보인다.
△DME
DME연료는 무색, 에테르향의 독성이 없는 물질인 청정연료로 LPG와 유사한 물성을 가지고 있어 액체상 태로 운송이 가능하고 매우 안전하고 쉽게 분해해 수소를 생산할 수 있어 새로운 수소캐리어로 각광받고 있다.
또한 DME를 사용해 수소를 제조하는 개질시스템의 경우 탄화수소를 사용하는 경우에 비해 개질온도가 낮은 저온으로 가능하고 일산화탄소(CO)농도가 낮아 소형화에 기여해 수소스테이션 건설비용을 낮출 수 있다.
DME는 생산과정에서의 에너지소비와 DME를 분해해 수소를 생산하는 과정에서의 에너지소비에 큰 장점을 지니고 있지는 않으나 DME가 그 자체로 무독성 물질이기 때문에 상업 및 주거 지역에서의 주민수용성을 기대할 수 있다는 장점이 있어 차세대 수소기술 중 하나로 주목받고 있다.