[기획] 수소는 ‘저탄소 에너지 시스템’ 구현에 기여할 수 있나
[기획] 수소는 ‘저탄소 에너지 시스템’ 구현에 기여할 수 있나
  • 변국영 기자
  • bgy68@energydaily.co.kr
  • 승인 2019.06.28 10:07
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2018년 수소 소비량, 1975년 대비 3배 증가한 7천만톤… 주로 천연가스 사용 생산
‘에너지 운반체’로서 에너지 시스템 보강・연결… 정부차원 연구・개발 지원 확대
정책·기술 불확실성 과제… 장기 에너지 정책서 수소 역할·목표 명확하게 설정해야

수소는 에너지 운반체로서 에너지 시스템을 보강・연결할 수 있어 저탄소 에너지 시스템 구현에 기여할 것으로 전망되고 있다. 또한 연료 전지에 사용 시 대기 오염 물질이나 온실가스 배출이 없으며 다양한 저탄소 에너지원으로부터 생산이 가능하다는 장점을 지니고 있다. 이에 따라 최근 몇 년간 정부 차원의 수소 활용 기술에 대한 연구개발에 대한 지출이 증가하는 등 여러 국가에서 수소 관련 기술의 연구개발에 직접 지원하는 정책이 확대되고 있다. 이런 가운데 에너지경제연구원은 최근 ‘수소 기반 저탄소 에너지 시스템의 구현을 위한 해외 정책 동향’이라는 제목의 분석 자료를 내놓았다. 과연 수소가 저탄소 에너지 시스템 구현에 어떤 역할을 하고, 세계 각국은 어떤 움직임을 보이고 있으며, 어떤 과제를 해결해야 하는지 알아보자. <변국영 기자>

 

▲수소 소비·공급 현황

2018년 수소 소비량은 7000만톤 수준으로 1975년 이래 3배 이상 증가했다. 2018년의 수소 소비량을 에너지 단위로 환산하면 약 330Mtoe로 독일의 1차 에너지 공급량보다도 높은 수준이다. 현재 수소는 환원재와 첨가재 같은 산업용 원료로서 널리 사용되고 있다.

주로 천연가스를 사용해 수소를 생산하고 있다. 2018년 세계 수소 생산량 7000만 톤의 3/4을 천연가스로부터 생산했다. 수소는 물을 전기분해 하거나 탄화수소 덩어리인 화석연료를 분해함으로써 얻을 수 있다. 현재 상업적인 수소 생산은 대부분은 화석연료를 사용하고 있는데 세계 천연가스의 6%, 석탄의 2%가량이 수소 생산에 이용되고 있다.

결과적으로 수소 생산 과정에서 2018년에 약 8억3000만톤 가량의 이산화탄소를 배출했다. 이는 인도네시아와 영국의 이산화탄소 배출량을 합친 수준이다. 수전해와 화석연료 분해 방법 외에 바이오매스를 생분해해 수소를 추출할 수도 있는데 기술 수준이 아직 상용화 단계에 이르지 못했다.

수소의 생산비용은 기술과 경제적 요소의 영향을 받는데 가스 가격과 설비 지출이 가장 중요한 두 가지 요소다. 원료비는 수소 생산 원가의 45∼75%를 차지하는 가장 큰 비용 구성요소로 중동, 러시아, 북미의 가스 가격이 낮으면 수소 생산비용이 낮아진다.

 

▲에너지 운반체로서 수소

최근 청정에너지 시스템을 구현하기 위해 수소 사용에 대한 관심이 커지고 있다. 수소를 에너지 운반체로 활용할 수 있고 수소 연료전지를 사용하면 대기오염 물질이나 온실 가스의 직접 배출이 없다.

다양한 저탄소 에너지원으로부터 생산할 수 있는 점이 장점이다. 수소 생산을 위한 잠재적인 저탄소 에너지원은 재생에너지 발전, 바이오매스 및 원자력을 포함하고 탄소 포집·활용·저장기술(CCUS)을 활용하거나 화석연료의 추출과 공급과정에서 온실가스 배출량을 줄일 수 있다면 화석연료로부터의 저탄소 생산도 가능하다.

에너지 운반체로서 수소는 에너지 시스템의 부분들을 보강하고 연결할 수 있는 잠재력이 있어서 저탄소 에너지 시스템 구현에 기여할 수 있다. 수소는 화석연료의 대안으로서 전력의 보완재로 넓은 분야에 응용이 가능하다. 수송, 난방, 철강 생산 및 전력 부문 등에 사용한다면 수소를 순수한 형태로 사용하거나 합성 메탄, 합성 액체연료, 암모니아 및 메탄올 같은 수소 기반 연료로 전환해 사용할 수 있다.

저탄소 에너지원을 활용해 수소를 생산하고 저장함으로써 저탄소 에너지를 수소의 형태로 장거리까지 공급할 수 있고 전력은 주간 또는 월간 수요와 공급의 불균형을 충족시키기 위해 수소의 형태로 저장할 수 있다.

 

▲수소에 대한 전례 없는 관심

최근 논의되고 있는 수소 사용 분야와 가능성은 이전에 비해 매우 광범위해졌고 이에 대한 전 세계적 관심도 매우 뜨거워졌다. 저탄소 에너지 운반체로서의 수소에 대한 관심은 새로운 것이 아니다. 지난 수십 년 동안 수소를 생산·운송·저장하고 배출가스 없이 최종에너지로

활용하는 방법에 대한 연구가 이뤄져왔고 특히 수송부문에서 연료전지에 사용하는 방법에 관심이 집중돼 왔다. 오늘날 많은 국가와 기업들은 수소가 미래의 에너지 시스템에서 중요한 역할을 할 것이라고 전망하고 있다.

에너지 운반체로서 수소를 활용하는 기술의 연구개발에 대한 투자를 직접적으로 지원하는 정책을 가진 국가들이 늘어나고 있다. 2019년 중반까지 전 세계적으로 수소 활용 기술의 연구와 개발을 지원하기 위한 정책 인센티브는 총 50개 정도로 집계됐다. 정책 대상은 6개 주요 부문으로 나눠지는데 수송은 수소 기술의 연구와 개발이 가장 활발한 부문이다.

G20 국가와 유럽연합 중 11개 국가는 수소 관련 정책이 마련돼 있고 9개 국가는 수소 에너지에 대한 국가 로드맵을 갖추고 있다. 지난 한 해만해도 많은 정부가 주목할 만한 수소 관련 발표를 했다. 지난 몇 년 동안 정부 차원의 수소 에너지에 대한 연구 개발 및 시연 지출은 2008년 최고치보다는 낮은 수준이지만 상승했다.

 

▲수소기반 에너지 시스템에 대한 기대

기술 비용이 감소하고 기후변화 대응에 대한 관심이 고조되면서 전력의 보완재로서 수소의 잠재적 역할에 대한 기대가 커지고 있다.

기후변화 대응을 위한 탄소 중립과 이를 넘어서 탄소 흡수로 나아가기 위해 수소가 중요한 역할을 수행할 수 있다. 온실가스 배출량 감축 목표를 수립한 국가는 계속 증가하고 있고, 저탄소 수소 사용을 고려하는 분야도 늘어나고 있다.

저탄소 에너지 운반체인 수소는 기존 화석연료와 유사한 방식으로 저장, 연소, 혼합될 수 있기 때문에 온실가스 감축이 어려운 배출원에 화석연료 대용으로 활용할 수 있는 선도적인 감축 옵션이다.

감축이 어려운 배출원은 항공, 선박, 철강 생산, 화학제품 제조, 고온의 산업용 열 생산, 장거리 도로 운송, 조밀한 도시 환경이나 전력망 밖의 건물 난방이다. 최종 사용 단계에서 기술적으로 전력 사용이 어렵거나 전력으로 에너지원 전환에 비용이 많이 드는 배출원들이다.

이러한 배출원에서 감축 기술 개발은 저탄소 옵션의 고비용, 인프라 부족, 공급망 미비 등의 문제로 인해 더디게 진행되고 있는데 수소는 현재 사용하는 연료의 저비용의 저탄소 보완재로 활용할 수 있다는 점에서 장점을 가지고 있다.

다양한 에너지 정책 목표에 수소가 기여할 수 있다는 분석도 있다. 수소가 전력 인프라와 함께 배치되면 전력이 수소로 전환되거나 그 반대의 경우도 가능해져 최종 사용자는 특정 에너지에 대한 의존을 줄일 수 있고 에너지공급의 탄력성이 높아질 수 있다.

화석 연료와 CCUS로부터 혹은 바이오매스로부터 생산된 수소는 저탄소 경제에서 에너지원의 다양성을 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라 적합한 인프라를 건설한다면 수소 및 수소기반 연료의 형태로 저탄소 에너지를 수출하거나 수입함으로써 경제를 다각화할 수 있다.

에너지를 최종 사용하는 단계에서 화석연료 대신 수소를 사용하면 지역 대기 오염을 감소시켜 공중 환경과 보건에 긍정적인 영향을 미친다. 도시 대기오염 우려와 연관된 건강 문제는 에너지 정책 결정의 주요 요인이다. 차량과 난방 장치에 수소를 이용할 경우 미세먼지와 황산화물이 배출되지 않고 오존도 발생되지 않는 것으로 나타났다. 연료 전지에 사용할 경우에는 질소산화물이 생성되지 않는다.

수소 인프라와 기술 개발은 에너지 전환의 맥락에서 광범위한 경제개발 목표와 함께 고려될 수 있다. 수소 제조와 공급의 가치 사슬은 다양한 유형의 기술 및 제조 분야와 연관돼 있다. 수소를 생산·이송·사용하기 위해서는 탄소포집용제 또는 연료전지 멤브레인과 같은 새로운 화학 기술이나 저장탱크, 파이프라인 자재와 같은 새로운 정밀 공학 제품이 필요하다. 특히 기존의 수소 기술과 역량을 강화하는 데 있어서 국가의 리더십, 기술 전문성 및 새로운 일자리 창출의 여지가 크다.

재생에너지 기술과 건설비용의 지속적인 하락으로 전력믹스에서 재생에너지 비중 증가는 간헐성 문제를 야기하는데 생산된 전력을 수소로 전환하면 양수발전이나 배터리, 그리드 업그레이드 등과 함께 전력 수급 안정화에 도움이 된다.

재생에너지가 충분히 저렴해지고 보급이 더 확대된다면 저탄소 전력뿐만 아니라 운송, 난방, 산업연료 및 거의 모든 용도의 화석연료를 대체할 수 있는 저탄소 수소 생산도 가능해질 것으로 보인다.

청정에너지로부터 수소를 생산하기 위한 노력도 이뤄지고 있다. 2000년 이래로 에너지 공급 또는 기후변화 대응을 위한 목적의 약 230개 프로젝트에서 전기 에너지를 수소로 변환하는 사업을 수행 중이다. 2017∼2018년에 완공된 수전해 프로젝트의 건설비용은 연평균 2000∼3000만 달러 수준으로 저장탱크, 연료 보급 인프라, 배관 및 기타 장비에 대한 관련 투자는 총 프로젝트의 투자비용을 더 가중시킨다. 오늘날 수소 관련 프로젝트들은 연료전지, 물 전기 분해 장치, 수소 연료 보급 및 수소 터빈과 같은 기술에 대한 대규모 수요와 표준화에 초점을 맞추고 있다.

 

▲수소기반 에너지 시스템 과제

에너지 정책과 기술의 불확실성, 저탄소 수소 공급을 위한 가치사슬의 복잡성, 인프라 부족 문제 등으로 인해 수소 프로젝트 개발이 지연되고 있다. 이에 따라 정부의 명확한 정책 목표 설정과 규제 및 산업표준 확립 등의 노력이 요구된다.

정부가 다른 국가 및 부문에서 저탄소 에너지원으로의 전환을 추진하는 속도는 여전히 큰 불확실성으로 작용하고 있다. 장기적이고 지속가능한 에너지 시스템에 대한 명확하고 구속력 있는 의지가 있을 때 수소 기술과 관련 인프라에 대한 주요 재정투자 효과가 증대될 수 있다.

최근 정부의 지원과 장려에도 불구하고 대부분의 국가에서는 수소 프로젝트가 많이 개발되지 않고 있는데 이는 장기적인 에너지 전략의 부재와 기술의 불확실성을 의미하기도 한다.

저탄소 수소 공급을 위한 가치사슬이 복잡하고 인프라가 부족하다. 저탄소 수소에 대한 수요는 다양한 부문에서 발생할 수 있는데 이를 충족시킬 수 있는 수소 공급에는 많은 경우의 수가 있다. 비용 경쟁력이 지역과 사례에 따라 다를 수가 있어서 각 가치 사슬에 대한 투자 및 정책은 규모와 시간에 따라 다르게 결정해야 한다.

파이프라인, 운송 네트워크와 같은 인프라는 수소 기반 저탄소 에너지 시스템 실현에 특히 중요하다. 수소는 지역 내에서 생산이 가능하지만 저장 및 분배는 규모의 경제로부터 이익을 얻을 수 있고 특히 수소 생산에 화석연료를 사용하는 경우 수소 생산과 저장 시설을 집중화하면 공급 비용을 더 줄일 수 있다. 수소 충전소 네트워크 구축이 FCEV의 보급을 위한 전제조건이 되는 도로 수송 부문의 경우 느린 속도의 인프라 개발은 FCEV 보급에 지장을 준다.

많은 국가와 지역에서 수소 공급 인프라 구축을 위한 정부 차원의 대규모 투자가 제한되고 있다. 공공-민간 협력 투자 모델이 효과적일 수 있으나 프로젝트를 더 복잡하게 만들 수도 있다.

수소 사용과 관련한 규제와 산업표준도 아직 미비하다. 기존의 규제의 표준은 에너지 운반체로서 수소의 새로운 용도를 반영하지 못해 수소의 활용을 제한하고 있다. 수소 차량의 충전 방식의 표준, 국가 간 수출입을 위한 수소 혼합 가스의 조성, 안전 규제, 전주기 환경 영향 측정 방법 등의 표준은 아직 합의되지 않은 상황이다.

 

 

(주요국의 수소 정책)

G20 국가·유럽연합 중 11개국 수소 관련 정책 마련

 

▲일본

21개 국가의 대표와 기업이 만나는 최초의 수소 에너지 장관회의를 개최해 국제협력에 관한 공동 도쿄선언을 발표했다. 수소 및 연료 전지비용에 대한 새로운 목표가 포함된 수소기본전략을 구현하기 위한 전략 로드맵을 개정했다.

일본개발은행은 일본 중앙 정부의 신재생에너지, 수소 및 관련 이슈에 관한 지침에 따라 2021년까지 80개의 수소 충전소 건설을 목표로 Japan H2 Mobility를 출범하기 위한 컨소시엄에 가입했다..

 

▲미국 캘리포니아주

저탄소 연료표준을 개정해 2030년까지 탄소 집약도를 엄격하게 낮추고 수소 저장소의 개발을 장려할 뿐만 아니라 CCUS 운영자가 저탄소 수소로부터 크레딧을 받을 수 있도록 했다. 캘리포니아 연료 전지 파트너십은 중국의 목표에 부합하는 2030년까지 1만개 수소 충전소와 100만 연료전지 자동차의 보급 목표를 제시했다.

수소 경제 확산을 위한 일련의 조치로서 이산화탄소의 지중 저장(CCS)에 대한 보상으로 45Q 세액 공제가 확대됐으며 이산화탄소를 다른 제품으로 전환(CCU)하는 것에 대한 보상 조항이 추가됐다.

 

▲중국

배터리 전기자동차 보급을 시작했던 Ten Cities 프로그램이 수소 차량 보급을 위해 베이징, 상하이, 청두 등의 도시에서 실시될 것이라고 발표했다.

2025년까지 최대 100개의 연료전지 자동차 및 관련 기업과 300개의 충전소가 들어서면서 우한을 중국 최초의 수소 도시로 만들겠다고 발표했다.

2020년까지 5000대의 FCEV 보급 목표를 발표하고 2030년까지의 100만 대 FCEV과 1000개의 수소충전소 보급 목표를 추가했다. FCEV와 배터리 전기자동차에 자동차세를 면세하는 조치를 취했다.

 

▲유럽연합

EU 집행위원회는 탄소중립을 달성하기 위해 수소 활용 방안을 포함하는 장기적인 탈탄소화 전략을 발표했다.

재생에너지원 사용 촉진에 관한 지침을 다시 작성하면서 더블 카운팅을 피하기 위해 재생에너지원으로부터 생산된 수소가 2030 재생에너지 목표치에는 포함되지 않도록 했다.

동시에 EU 회원국 사이에서 수소 도입과 활용 방안 논의를 위한 플랫폼인 ‘수소에너지 네트워크’를 설립하였음.

28개 유럽연합 회원국은 약 100개의 기업, 기관, 단체와 함께 지속 가능한 수소기술에 대한 협력을 촉진하는 Linz Declaration ‘수소 이니셔티브’에 서명했다.

 

▲독일

공개적으로 접근할 수 있는 수소 충전소, 연료 전지 자동차에 대한 보조금을 포함하는 ‘수소 및 연료전지 기술을 위한 국가 혁신 프로그램’을 승인했다.

H2 mobility programme을 통해 수소 연료전지로 구동하는 열차의 최초 상업운전과 수소 충전소의 확대를 지원했다.

 

▲영국

저탄소 수소 공급 혁신과 대규모의 저장소 혁신을 위해 200만 파운드 상당의 기금을 설정했다. 천연가스 네트워크 일부에서 수소를 20%까지 혼합하는 테스트를 실시했다.

Industrial Strategy Challenge Fund가 1억7000만 파운드를 공개 투자한 저탄소 Industrial Clusters Mission을 발표했다.

 

▲프랑스

‘수소 보급 계획(Hydrogen Deployment Plan)’과 2023년, 2028년 산업, 수송 부문의 저탄소 수소 보급 목표, 그리고 이를 위한 1억 유로 수준의 자금 조달 계획을 발표했다.

 

▲오스트리아

‘2030년 오스트리아 기후 및 에너지 전략(Austrian Climate and Energy Strategy for 2030)’의 일환으로 재생가능 전력 기반의 수소 전략이 2019년에 개발될 것이라 발표했다.

 

▲벨기에

2018년 정부가 승인한 수소 로드맵을 발표했는데 2030년과 2050년의 구체적인 목표 및 power-to-gas에 대한 5000만 유로의 지역 투자계획이 포함됐다.

 

▲호주

수소 연구 및 시범사업에 1억 호주달러 이상의 지원을 발표했다. 연방과학산업연구기구(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation)에서 ‘호주 수소 기술 로드맵’을 발표하고 2019년 말까지 완성을 위해 국가 수소전략 개발을 위한 정부 실무 그룹을 구성했다.

 

▲뉴질랜드

합동 수소 프로젝트에 관해 일본과 양해각서를 체결했다. 뉴질랜드 Green Hydrogen Paper and Hydrogen Strategy를 위한 준비를 시작했다. 수소 기술을 상용화한 기업 등에 투자할 녹색 투자기금 설립했다.

 

▲브라질

Science, Technology and Innovation Plan for Renewable and Biofuels에 수소를 포함하고, 2018년 제22회 세계 수소에너지 컨퍼런스를 개최했다.

 

▲사우디아라비아

사우디 아람코와 Air Products사는 사우디아라비아 최초의 수소 충전소 건립을 발표했다.

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