[투데이에너지] ■해외수소 도입을 위한 효율적인 수소운송 방식 검토 필요
향후 전 세계적으로 2050 탄소중립 목표 이행 과정에서 국제 수소거래가 확대될 전망이다. 우리 나라도 재생에너지 전력에 의한 그린수소 생산 여건이 충분하지 않고 국내 수소생산량으로는 수소 수요 목표를 충당할 수 없어 일부 다양한 형태로 수입할 것으로 전망된다.
해외에서 수소를 도입하기 위한 인프라 개발은 막대한 투자비가 필요하고 많은 시간이 소요되기 때문에 각 운송방식의 특징을 토대로 효율적인 운송 방식을 면밀히 분석하는 것이 필요하다.
또한 각 수소운반체별 전환, 운송, 재전환공정의각 공정에서 발생하는 비용이 상이함으로 이에 대한 비용 요인을 살펴볼 필요가 있다.
따라서 수소운반체로서 액화수소, 암모니아, MCH의 각 공정에 따른 비용 발생 요인과 수송 비용 전망치를 비교해 보고자 한다. 또한 수소운 반체 중 향후 수소 거래량 증가와 기술개발 등으로 액화수소의 수송비용 절감 폭이 가장 클 것으로 예상됨에 따라 이에 대해 세부적으로 살펴보 고자 한다.
■각 수소운반체 수송비용 공정별 비용 발생 요인
대용량 해외수소를 장거리 해상 운송하기 위해 서는 액화수소, 액화 암모니아, 그리고 액상유기 수소운반체(LOHC)인 메틸시클로헥산(MCH) 활용 방식이 대표적이다.
수소 수송은 적절한 형태의 수송으로의 전환, 해상 운송 및 순수한 수소로의 재전환 공정을 포함 한다.
각 수소운반체의 수송비용 구성 비중을 살펴보면 대체로 암모니아는 수소 크래킹을 위한 열 요구량이 비용 구성요소 중 가장 큰 부분을 차지하며 액화수소의 경우 극저온 조건을 위한 운반선의 특수 설계와 증발가스 손실로 인한 액화수소운반 선의 운송비용이 큰 비중을 차지하는 것으로 분석 된다. MCH는 운송과 수소로 재전환 될 때 대부분의 비용이 발생한다.
수소운반체별 수송비용 중 전환비용의 경우 암모니아는 고온·고압 공정의 필요로 인해 MCH 대비 높은 CAPEX 비용을 보이고 액화수소는 액화를 위한 높은 에너지 소모와 극저온 조건에 따른 설비비가 높기 때문에 다른 운반체에 비해 가장 높은 전환비용을 보인다.
운송비용은 수소 저장밀도의 차이로 MCH가 암모니아에 비해 더 높다. 한편 액화수소는 액화수소 운반선의 높은 설비비와 증발가스 손실 등으로 인해 높은 운송비용이 예상된다.
재전환 공정의 경우 액화수소의 재전환비용이 가장 낮은 반면 MCH의 재전환비용은 암모니아 크래킹에 비해 MCH의 탈수소반응에 필요한 투입 열량이 높아 유틸리티 비용이 높기 때문에 가장 높은 수준을 보인다.
■수소운반체별 수송비용 전망
국제재생에너지기구(IRENA)는 수소운반체에 의한 수송비용(생산비용은 제외)을 2030년에 2.5 ∼4.5$/kgH₂인 암모니아와 LOHC가 가장 경쟁력 있는 운반체가 될 것으로 전망했다.(운송거리는 1만km로 가정) 2030년에 낙관적 시나리오에서 암모니아와 LOHC 수송비용은 2.5$/kgH₂이고 비관적 시나리오에서 암모니아 수송비용은 4.5$/ kgH₂로 추정했다. 액화수소 수송비용은 2030년의 수소 예상물량에 비해 더 큰 규모의 설비가 필요 하기 때문에 더 높은 4.0$/kgH₂로 전망했다.(낙관적 시나리오의 경우)
IRENA는 2050년까지 전 세계 수소 생산량이 연간 6억톤이 될 것으로 전망했고 수소운반체의 수송비용은 수소 생산시설의 규모와 수송거리에 따라 크게 달라질 것으로 예상했다. 생산시설의 크기가 클수록 규모의 경제로 비용은 낮아지는데 특히 액화수소의 경우 프로젝트 규모가 증가함에 따라 타 운반체 대비 비용 절감 효과가 클 것으로 전망했다.
암모니아는 거리가 늘어날수록 더 이점이 있는 반면 액화수소는 거리가 증가함에 따라 증발 가스로 인한 손실이 발생할 수 있기 때문에 최대약 4,000km의 거리가 효율적일 것으로 분석했 다. IRENA는 낙관적 시나리오 하에서 2050년 액화수소 수송비용이 암모니아와 약 0.1$/kgH₂ 차이인 0.9$/kgH₂ 수준까지 하락할 것으로 전망 했다.
■액화수소, 2030년 비용 절감 잠재력
여러 분석 기관들의 2030년 기준 수소운반체별 수송비용 전망치를 종합해보면 MCH가 가장 경쟁 력이 있는 것으로 추정한 일부 연구들도 있지만 대체로 암모니아 방식이 에너지 밀도가 높고 기존 설비가 갖추어져 있기 때문에 수송이 훨씬 편리하고 비용효율적인 것으로 분석된다. 또한 암모니아를 직접 연료로 활용할 수 있으면 더 유리한 운송 방식이 될 수 있다.
하지만 액화수소는 2030년에는 경제성 측면 에서 다른 운반체에 비해 가장 열위할 것으로 보이나 향후 대량운송과 기술개발 등으로 2030년 이후 비용 절감 잠재력은 클 것으로 분석된다.
액화수소는 극저온으로의 냉각과정에 따른 비용 증가와 다시 기화되는 것을 막기 위한 저장 및 운송 과정에서 많은 에너지가 필요하나 가치사슬의 마지막 단계인 재전환 공정에서 에너지 손실이 거의 없기 때문에 공급망에 따른 수소 에너지 함량 측면에서 가장 효율적인 옵션으로 분석된다. 국제에너지기구(IEA) 보고서에 따르면 시작값을 100을 기준으로 액화수소(73∼79), 암모니아(63∼64), LOHC(57∼59) 순으로 액화수소가 수소 에너지 함량이 높고 에너지효율이 높음을 알 수 있다.
IRENA는 향후 수소운반체 비용 절감 요인으로 규모의 경제, 지속적인 기술개발, 실행을 통한 학습효과를 꼽았고 이 중 규모의 경제가 가장 크게 기여할 것으로 예상했다. IRENA는 낙관적 시나리오 하에서 이와 같은 요인을 통해 비용 절감이 이루어지면 2050년에 이 세 가지 수소운반체의 수송 비용이 0.8∼1.2$/kgH₂ 수준까지도 인하할 수 있을 것으로 전망했다.
특히 액화수소의 비용 절감이 규모의 경제와 기술개발로 인해 가장 클 것으로 예상했고 학습효과 부분에서도 설계를 표준화하고 개별 프로젝트에서 복수의 설비로 모듈화가 이루어질 경우 액화 설비와 액화수소운반선 관련 비용 절감이 가장 클것으로 예상했다. 이와 같은 비용 절감 요인으로 액화수소 수송비용은 현재 17.3$/kgH₂에서 2050 년에 약 0.9$/kgH₂까지 하락이 예상된다.
■수소운송방식 선정 시 다각적 요소 고려 필요
장거리 대용량 해외수소 운송 시 에너지 소모가 적으며 인프라를 쉽게 활용할 수 있고 무독성이며 취급 및 보관이 용이한 완전한 기술을 보이고 있는 수소캐리어는 현재 없기 때문에 향후 대규모 프로젝트 발굴 여부, 장기 기술개발 효과, 정책적 지원 수준 등과 연계한 수소캐리어가 선호될 것으로 예상된다.
최적의 수소운송방식 선정을 위해 비용적 측면 뿐만 아니라 독성 또는 가연성과 관련된 안전상의 문제와 환경 영향 등 다각적으로 고려돼야 할 것이다.