[투데이에너지 박병인 기자] 성숙기에 다다른 천연가스업계는 최근 에너지전환 움직임에 따라 적극적으로 대응하며 신시장 창출을 위해 노력하고 있다. 특히 천연가스업계와 직접적으로 맞닿아 있는 수소 분야에서의 활약이 눈부신 상황이다. 현재 한국가스공사는 창원, 광주에 거점형 수소생산기지를 건설해 운영을 진행하고 있다. 한국가스기술공사의 경우에는 평택에 통합형 수소생산기지를 건립했으며 향후 CCUS 설치를 통한 블루수소 생산계획을 보유하고 있다. SK E&S는 인천에 액화수소생산단지를 건설할 계획이며 향후 액화수소생산의 ‘허브’ 역할을 수행할 것으로 기대된다. 이에 천연가스업계가 에너지전환시기를 맞아 어떠한 대응을 보이고 있는지 알아보기로 했다.
■가스公, 거점형 수소생산기지 추진 ‘적극’
한국가스공사는 창원시와 ‘거점형 수소생산 기지 구축·운영에 관한 업무협약’을 체결했다.
창원시청에서 열린 이날 행사에는 성영규 가스 공사 안전기술부사장과 허성무 창원시장 등 관계자 10여명이 참석한 가운데 양 기관은 성공적인 사업 추진을 위해 상호 적극 협력하기로 했다.
총 사업비 414억원(국비 92억원, 가스공사 322억 원)이 투입되는 이번 사업에서 창원시는 사업부지를 무상 제공하고 가스공사는 수소생산기지 구축· 운영을 담당하게 된다.
가스공사는 이번 협약 체결에 앞서 전국 17개 시·도 대상 공모를 통해 2020년 5월 창원시와 광주광역시를 대상 사업지로 최종 선정했으며 창원시와의 협의를 거쳐 지난해 11월 경남테크노파크와 부지 제공에 대한 업무협약을 체결했다.
창원시 성산구 상복동 수소·에너지 산업기술 단지 일원에 구축되는 수소생산기지는 배관망 으로 공급받은 천연가스를 활용해 일일 약 10톤의 수소를 생산하게 되며 이는 수소승용차 2만 5,000대 이상에 공급할 수 있는 규모다.
현재 창원지역 수소충전소는 성주동에 있는 소규모 생산기지에서 만든 수소를 기반으로 부족분은 울산 등지에서 부생수소를 공급받고 있 는데 거점형 수소생산기지가 완공되는 2023년 부터는 100% 자급이 가능해짐에 따라 공급 안정성과 경제성이 높아져 수소 모빌리티 및 인프라 보급 확대에도 더욱 가속도가 붙을 것으로 기대된다. 이에 앞서 가스공사는 광주광역시 광산구 평동3차 일반산업단지에서 ‘광주 거점형 수소생산기지 착공식’을 가지기도 했다.
가스공사가 추진하는 광주 거점형 수소생산 기지는 총 사업비 258억원(국비 68억원, 가스공사 190억원)이 투입되는 이번 사업은 중대형 규모로는 최초로 정부 수소생산기지 구축 보조금이 지원되는 프로젝트다.
앞서 가스공사는 전국 17개 시·도 대상 공모를 거쳐 지난해 5월 광주광역시와 경남 창원시를 대상 사업지로 최종 선정하고 같은해 9월 광주광역시와 부지 제공 및 인·허가 지원, 수소 적기 생산·공급 등 제반분야에 대한 업무협약을 체결한 바 있다.
2023년 3월 준공 예정인 광주 수소생산기지는 배관망을 통해 공급받은 천연가스를 활용해 일일 4톤, 연간 1,400톤 이상의 수소를 생산하게 되며 이는 수소승용차 기준 1만여대에 공급할수 있는 규모다.
현재 광주 관내에서 운영 중인 수소충전소는 서산· 울산 등지에서 부생수소를 공급받고 있는데 수소생산 기지가 완공되면 공급 안정성과 경제성이 높아져 수소차 및 충전소 보급 확대에도 더욱 가속도가 붙을 것으로 기대된다.
가스공사 관계자는 “광주를 시작으로 2023년 말까지 창원과 평택에 거점형 수소생산기지 구축을 완료할 계획”이라며 “생산기지와 충전소 등 인프라 구축에 역량을 집중해 수소에너지 중심의 친환경에너지 전환을 선도해 나가겠다”고 말했다.
■가스기술公, 평택 수소생산기지 생산 본격화
평택 수소생산기지가 준공되면서 천연가스를 활용한 대량 수소생산이 활성화될 것으로 기대된다.
또한 수소생산기지 구축을 계기로 인근에 유통, 소비를 아우르는 통합 밸류체인을 구축할 계획이여서 평택지역이 수소산업 중심지로 떠오를 것으로 기대된 다.
산업부는 2019년부터 대산, 울산, 여수 등 석유화학 단지에서 생산되는 차량용 수소 공급의 지역 편중을 해결하고자 수요지 인근에서 도시가스를 활용해 수소 연료를 공급하는 소규모 수소생산기지 건립을 전국 7 개 지역에서 추진하고 있다.
2020년 1월에 착공해 약 2년 6개월 간 건설이 추진된 평택 수소생산기지는 경기도경제과학진흥원이 총괄하고 평택도시공사가 토목건축을 실시했으며 가스 기술공사는 시공 및 운영을 실시했다.
생산기지는 경기도 평택시 포승읍 원정리 일대에 구축됐으며 일일 최대 7톤 수준의 수소 생산 능력을 갖췄다. 이번 기지구축에는 총 230억원(국비 48억5,000만원, 도비 30억원, 시비 70억원, 참여기관 81억5,000만원)이 투입됐다.
수소생산은 LNG에서 수소를 추출하는 방식으로 이뤄진다. 수증기를 촉매로 활용한 고순도 수소생산공법인 SMR(Steam Methane Reforming)이 적용됐다.
수소생산기지는 20톤 규모의 질소탱크와 기화기, NG압축기 등이 설치됐으며 핵심장비인 SMR은 메인 SMR이 3,000Nm³/h, 서브 SMR이 300Nm³/h의 능력을 갖췄다.
수소의 순도를 높이기 위한 수소정제기는 PSA Type(3,000Nm³/h+300Nm³/h)이며 수소 압축기는 1,000Nm³/h 3기, 300Nm³/h 1기가 설치됐고 수소저장 용기는 총 276kg 수준이다.
특히 평택기지의 일부 생산공정에는 에너지기술연 구원이 개발하고 국내기업 원일 T&I가 제품화해 지난 2020년 조달청 혁신시제품으로 지정된 국산 수소개질 기가 사용됐다. 향후 생산실적이 축적되면 동 설비의 국내 이용 확대 및 해외 진출도 기대된다. 평택기지는 시운전 등을 거쳐 수소생산을 하고 있다.
평택기지가 운영됨에 따라 수소 유통가격 인하와 국내 수소산업 기술경쟁력 강화가 이뤄졌다.
기지에서 생산된 수소는 튜브트레일러를 통해 수도권 지역 각 수소충전소로 이송된다.
수도권 소재 33개 수소충전소는 대산석유화학단지등 원격지에서 평택 생산기지로 공급처를 전환하면서 운송비의 50%가량을 절감할 수 있다.
또한 운영사인 가스기술공사는 이번 생산기지 구축에 그치지 않고 평택시에 수소 생산, 유통, 소비까지 아우르는 통합 밸류체인을 구축할 계획이다.
먼저 가스기술공사는 평택항에 수소교통 복합기지 구축을 추진할 계획이다. 평택항에 수소차 연계 운송, 환승 등 수소 친화형 교통체계를 구축하는 것이다.
이를 통해 단편적인 수소충전소를 넘어 교통체계와 수소인프라까지 아우르며 시너지를 창출할 것으로 기대된다.
특히 가스기술공사는 수소배관망을 평택수소생산 기지에서 수소교통복합기지까지 8km를 구축할 계획 이다. 운송이 필요없는 직접적인 공급을 통해 저렴하고 안정적인 수소공급이 가능할 것으로 기대된다.
한편 산업부는 탄소중립 실현을 위해 2026년까지 수전해 및 탄소포집 기능을 갖춘 청정수소 생산기지의 구축도 추가로 지원할 계획이다.
■SK E&S 액화수소기지 건설 ‘본격화’
SK E&S가 연 최대 3만톤 규모의 액화수소 생산·유 통을 본격화해 ‘대한민국 액화수소 시대’를 열어 나갈 예정이다.
SK E&S는 지난해 11월 산업통상자원부, 과학기술 정보통신부, 환경부, 국토교통부, 효성, 하이창원, 현대 자동차와 ‘액화수소 생태계 조성을 위한 업무협약 (MOU)’을 체결했다.
이번 MOU 체결식은 국무총리 및 관계 장관, 민간위원이 참여해 수소경제 관련 주요 정책을 심의·의결하는 ‘제5차 수소경제위원회’의 사전 행사로 진행됐다.
협약 당사자들은 2023년부터 국내에서 액화수소가 원활하게 생산·유통·활용될 수 있도록 수소산업 생태 계를 조성하고 수소 버스를 포함한 수소 상용차 보급 확산에 함께 나서기로 했다.
먼저 SK E&S를 비롯해 효성, 하이창원 등 액화수소 공급사들은 올해부터 경쟁력 있는 액화수소를 생산하고 안정적으로 유통시키는 데 주력할 방침이다.
정부는 액화수소의 생산·유통·활용 활성화를 위해 기술개발, 인프라 구축, 활용처 보급 확대에 대한 정책적 지원을 강화하기로 했다. 현대차는 액화수소의 활용처인 수소 상용차가 차질 없이 생산될수 있도록 노력하고 유지·보수에 적극 나선다는 계획이다.
현재 SK E&S는 인천 지역에 연간 최대 3만톤 규모의 액화수소를 생산할 수 있는 플랜트를 건설 중으로 2023년 하반기부터 생산에 본격 착수할 예정이다. 생산한 액화수소는 전국 거점 지역의 충전 소를 통해 공급된다. SK E&S는 미국 플러그파워 사와 공동 설립한 SK플러그하이버스를 통해 버스 차고지 등 수요처 인근에 액화수소 충전소 약 40 여개소를 구축 중이다.
액화수소는 상온에서 기체 형태로 존재하는 수소를 -253℃의 극저온 상태로 냉각해 액체 형태로 만든 수소다. 기체수소대비 부피가 1/800, 1회 운송량은 약 10배 수준으로 대용량 저장·운송에 유리해 운송비를 절감할 수 있다는 장점이 있다.
또한 충전 속도가 빨라 같은 시간에 기체수소 대비 약 4배 이상의 차량에 충전이 가능하며 고압 압축이 필요한 기체수소와 달리 대기압 수준에서 저장할 수 있어 폭발과 화재 위험이 낮아 높은 안정 성도 자랑한다.
지금까지 국내 수소 생태계는 기체수소를 기반 으로 성장해 왔지만 2023년부터는 수소사업에 참여를 선언한 기업들의 액화수소 생산과 충전 인프라 구축이 본격화되면서 국내 수소사업이 더욱 활기를 띨 것으로 전망된다. 이미 미국, 일본, 독일 등해외에서는 250개소 이상의 액화수소 충전소가 운영되는 등 액화수소를 중심으로 수소 생태계가 확장되고 있다.
추 사장은 “액화수소의 본격 생산을 앞둔 시점에서 정부와 액화수소 공급기업, 차량 제조기업이 함께 수소의 저장·유통 방식의 진화를 이뤄내는 초석을 다진다는 점에서 이번 MOU의 의미가 있다”며 “SK E&S는 경쟁력 있는 액화수소를 차질 없이 생산·공급해 2023년을 국내 액화수소 확산의 원년으로 만들기 위해 최선을 다하겠다”고 밝혔다.
■천연가스·수소 혼입 추진
도시가스로 인한 온실가스 배출을 감축하고 수소공급확대를 위해 민관 합동으로 ‘도시가스 수소 혼입 실증 추진단’을 구성해 2026년까지 도시가스 에 수소 20% 혼입을 목표로 실증을 추진 중에 있다.
산업부는 한국가스안전공사, 가스공사, 도시가 스사, 한국에너지기술평가원 등과 함께 ‘도시가스 수소혼입 실증 추진단’을 발족한 바 있다.
도시가스업계가 탄소중립목표(2030년 NDC 40% 감축)에 대응하고 5만km 길이의 도시가스 배관을 이용해 수소를 손쉽게 국민 생활에 공급하기 위한 방안으로 도시가스 수소혼입이 지난해 11 월 발표된 제1차 수소경제 이행 기본계획에 포함된 바 있다.
이러한 방안을 구체화하기 위해 우선 안전성 실증이 필요하기 때문에 관계기관 및 업계가 한자리에 모여 수소혼입을 위한 실증계획 및 안전상 고려사항 등을 논의했다. 산업부는 2026년 도시가스 수소 20% 혼입 상용화를 목표로 올해부터 도시가스 배관 및 사용기기의 수소 호환성 및 안전성에 대한 실증을 추진할 계획이다.
방식은 가스도매사업자인 가스공사의 정압기지, 도시가스사의 정압시설에 수소혼입시설을 설치해 배관망을 통해 ‘수소+천연가스’의 형태로 사용자에게 공급하는 것이다.
수소혼입 실증을 위해 1단계로 2023년부터 2025년까지 약 280억원을 투입해 정부 R&D 과제를 통해 도시가스 배관에 대한 수소 호환성 및 안전성을 검증하며 R&D과제 추진에 필요한 시험설 비(파일럿 설비)는 올해 2분기부터 가스공사 평택 인수기지에 구축을 시작할 예정이다.
2단계로 2024년부터는 R&D 검증결과를 바탕 으로 배관재질, 배관망 형태 및 주민수용성 등을 고려해 제한된 구역에서 실제 도시가스 배관망에 수소혼입 실증을 추진하고 2026년에 ‘도시가스 사업법’을 개정해 수소혼입을 제도화하는 것이 목표다.
이를 위해 가스안전공사는 도시가스 배관에 대 한 수소취성 평가, 수명예측 및 사용기기의 안전성 검증을 담당하고 가스공사 및 도시가스사 등은 해외 실증사례 분석, 시험설비 구축, 수소혼입 실증및 운영기술 개발을 담당하기로 했다.
■혼입, 취성문제 해결 관건
도시가스대비 크기가 작고 가벼운 수소의 특성 으로 인해 수소취성(embrittlement), 수소 누출, 도시가스와 수소의 분리 현상 등이 발생할 수 있으 므로 도시가스 배관망 및 사용기기에 대한 수소 호환성 및 안전성 검증이 반드시 필요하다.
수소취성은 수소의 분자가 철 등 금속의 분자사이에 침투해 저장되면서 금속의 연성이 약화되며 조기에 균열, 파단이 일어나는 현상을 의미한다.
이는 메탄의 분자보다 수소분자가 작기 때문에 발생하는 현상으로 배관과 배관 혹은 밸브 등의 용접 이음새에서 문제가 발생할 가능성이 높다.
관련 전문기관에 따르면 수소취성 문제는 배관 압력, 배관의 크기, 온도, 수소 혼합비율, 노출기간등 다양한 변수가 작용한다.
이를 해결하기 위한 방법으로 일부 전문가들은 고압배관의 경우 압력을 제한하거나 도시가스배관 저압기점에서의 수소혼입 및 송출, 배관에 대한 기대수명 설정과 수명 내 배관교체작업 실시 등이 필요하다고 제안했다.
결국 적절한 수소혼입 비율과 배관압력에 따른 수소취성 발생여부 등에 대한 정확한 데이터 분석이 필요하며 이번 실증연구를 진행하는 과정에서 가장 중요한 문제 중 하나가 될 것으로 보인다.
또한 수소취성 등에 대한 배관 재질 및 부속설비 들의 내구성 확인, 수소 농도 및 운영조건에 따른 새로운 건전성 평가 기법 개발, 최종 소비단에서의 천연가스, 수소 분리기술 적용, 수소혼입에 따른 온실가스 저감과 함께 황산화물, 질소산화물 등 대기오염 물질 배출저감에 따른 환경적 편익 검토가 필요할 것으로 분석된다.
■삼천리, 바이오가스 활용폭 넓힌다
삼천리는 바이오가스, 연료전지를 적극적으로 활용하며 친환경에너지 확대를 도모하고 있다.
삼천리는 시흥시와 ‘시흥시 클린에너지센터 바이오메탄가스 공급 및 수급에 관한 협약’을 체결하면서 본격적으로 바이오메탄가스 활용에 나선다.
삼천리와 시흥시가 추진하는 이번 사업은 시흥시 클린에너지센터에서 생산되는 바이오메탄가스를 삼천리가 구매해 도시가스에 혼입해 공급하는 사업이다. 이는 양기관이 친환경에너지 보급 확대를 위해 사업기획 단계서부터 바이오메탄가스의 효율적 활용에 대해 협력해 고민하고 노력한 결과로 탄소 저감에도 크게 기여할 것으로 기대하고 있다.
시흥시 클린에너지센터는 맑은물관리센터 내에 하수찌꺼기, 음식물류 폐기물, 분뇨 병합처리 시설을 설치해 폐기물을 안정적으로 처리하고 악취 저감 및 친환경 바이오가스를 생산하는 시설로 지난해 3월 착공해 2024년 3월 준공 예정인 민간 투자 사업이다.
삼천리는 클린에너지센터에서 생산한 바이오메 탄가스 약 300만㎥를 연간 수급받아 인근 산업체에 친환경 저탄소 도시가스로 공급할 계획이며 도시가스 대체를 통해 연간 석유 환산 3,000톤의 화석연료 수입 대체와 6,500톤의 온실가스 저감효과가 예상된다.
특히 환경부가 유기성폐자원의 바이오가스화에 대한 입법예고를 준비하고 있어 앞으로 바이오가스를 활용한 탄소중립사업이 확대될 것으로 기대 된다.
또한 계열사 삼천리 E/S는 파나시아와 함께 바이오가스를 활용해 수소를 생산할 계획이다.
삼천리 E/S가 실시하는 바이오가스를 개질 및정 제해 이 과정에서 생산된 수소를 발전, 수소충전소 등에 활용하는 친환경 에너지사업이다.
특히 바이오가스 활용 수소 발전은 단순 처리되 고 있는 유기성 폐기물을 천연가스의 주성분인 메탄(CH₄)이 다량 함유된 바이오가스로 전환하고 수소(H₂)를 추출해 전기에너지를 생산하는 친환경 고부가가치 사업으로 평가받고 있다. 양사는 이번 협약을 통해 △양사의 기술 및 협력 체계 구축 △ 바이오가스 기반의 수소 융복합 사업 개발 △정부 지원 사업과의 연계를 통한 경제성 확보 △바이오가스와 수소를 활용한 추가 사업 발굴 등을 추진할 예정이다.
최근까지 수소 개질 사업은 고질화된 바이오가 스(CH₄)를 활용하는 발전사업이나 수소로 전환하는 실증 검증 등 R&D 차원에서 대부분 수행돼왔으나 양사는 이번 업무협약을 통해 바이오가스 수소 개질 사업의 상업화를 목표로 하고있다.
특히 바이오가스를 수소로 개질해 수소발전설 비를 설치 및 운영할 수 있게 됨에 따라 국내 수소 활용이 대부분 차량용에 집중된 상황에서 민간차원에서 수소 활용 범위를 확대한다는 점이 큰 의미를 가질 것으로 기대하고 있다.