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수소경제 기술적 이슈 5단계한국의 수소사회 어디까지 왔나…

수소경제를 뛰어넘어 수소사회로 진화할 것인가 혹은 2000년대 초처럼 기술력 부족과 경제성 확보 등의 문제로 열기가 식을 것인지에 대한 의견이 분분하다. 이를 이해하기 위해서는 수소의경제적, 기술적 이슈를 점검할 필요가 있다. 이에 수소의 생산, 저장, 운송, 충전, 이용의 5단계 Value Chain 단계별로 필요한 기술과 핵심 고려요인 등을 살펴본다.


수소경제 Value Chain 검토
수소경제에 대한 총론에서 한 단계 들어가 수소경제를 구체적으로 이해하기 위해 우선 수소경제 Value Chain 검토가 필요하다. 수소경제의 Value Chain은 수소의 생산, 저장, 운송, 충전, 이용 단계로 구분된다. 각 단계에 활용되는 기술은 매우 다양하고 경제적·환경적 특성이 상이하다. 또 많은 기술이 이미 개발·활용 중이지만 수소경제의 확산을 위해 성능과 경제성을 개선하거나 새롭게 개발해야 하는 Bottleneck 기술도 다수이다. 
수소 공급은 수소를 생산하는 것과 저장, 운반하고 충전설비나 파이프라인을 통해 소비자에게 수소를 제공하는 것을 포함하는 범위로 안전성과 경제성이 충족되어야 한다. 수소 생산 방법은 화석연료 개질(Reforming), 화학·철강 등 공업 프로세스 부산물, 물의 전기분해, 미생물 이용 등 다양하지만 현재 90% 이상은 화석연료로 생산 중이다. 일반적으로 수소는 기체압축방식으로 저장하며 파이프라인, 수소 튜브 트레일러 등을 활용하여 운반, 충전소는 고정형과 이동형이 있으며 외부에서 생산된 수소를 제공하거나 충전소에서 직접 수소를 생산하는 방식이 있다. 
공급측면 이슈는 높은 화석연료 의존도, 부생수소 공급 제약, 수전해 저효율, 기체압축기술 한계, 액체수소 저장운송기술 난관, 파이프운송 수소취성, 고비용 저장·운송 및 충전소 설치·운영 등이며 수소는 화학산업, 정유산업 등에서 제조공정 중 사용하거나 연료전지의 에너지원으로 활용된다. 
수소 용도는 암모니아 생산, 원유 정제, 메탄올 생산, 에너지 저장 등 다양하게 사용되며 수소를 내연기관 연료로 활용하려는 시도는 상업화되지 못했으나 최근 연료전지를 통해 수소를 전기와 열로 변환시켜 자동차, 가정, 건물, 발전 등에 사용되고 있다. 수요측면 이슈는 인프라 부족, 수소 가격 및 안전성 우려, 연료전지 성능(효율성, 내구성) 미흡, 높은 촉매 비용, 보조금 지원 등이 있다. 이에 수소경제를 뛰어넘어 수소사회로 진화할 것인가 혹은 2000년대 초 전철을 답습할 것인가에 대한 의견이 갈리고 있다. 낙관론과 비관론이 모두 있지만 수소경제의 확산에는 청정수소생산량 확대와 생산비용 감축, 수소 유통 인프라 확충, 수소전기차 가격 인하 등이 선결과제로 꼽힌다.


수소는 색, 냄새, 맛이 없는 가장 가벼운 원소로 우주의 75% 차지, 물에는 11%가 존재한다. 수소(H2)3는 전기와 같이 자연 상태에서 직접 얻을 수 없는 전환된 에너지 형태이며 에너지 운반체이다. 때문에 수소의 용도는 질소와 반응시켜 암모니아 생산, 일산화탄소와 반응시켜 메틸알코올 생산, 중질유 분해, 원유 탈황, 금속 산화물 환원, 에너지 저장 등인데 수소경제 관련 에너지 저장 기능이 중요하다. 에너지에 관한 여러 가지 용어들이 혼재되어 쓰이고 있지만 크게 에너지 자원과 에너지 형태로 구분된다. 에너지 자원은 화석연료(석유, 천연가스, 석탄), 신재생/대체에너지 등이다. 
대표적인 에너지 운반체가 전기4이며 수소도 에너지 운반체이다. 이렇듯 다양한 에너지 형태가 전기로 전환되며 최종 소비단계에서 전기도 다양한 에너지로 전환되어 활용되고 있다. 또한 수소는 자연 상태에 거의 존재하지 않고 다른 에너지원을 사용하여야만 얻을 수 있는 형태이며, 전환과정에서 에너지가 소모되어 수소를 얻기 위해 투입한 에너지보다 수소에 저장된 화학적 에너지가 낮은 수준이다. 특히 수소경제 Value Chain는 수소의 생산에서 이용까지 5단계를 거친다. 수소차 고객이 수소를 충전하기 위해서는 Value Chain상 사전에 수소가 생산되어야 하고, 생산된 수소를 저장한 상태에서 충전소로 운송하여 충전소 수소탱크에 저장하였다가 제공받아 마지막으로 소비한다.

수소의 생산에서 이용까지 5단계 거쳐야
수소의 생산, 저장, 운송, 충전, 이용 각 단계별 다양한 기술이 핵심고려요인이 된다. 먼저 글로벌 수소 생산의 약 96%(천연가스 49%, LPG 29%, 석탄 18%) 가 화석연료를 사용하는 열화학적 생산 방식이다. 생산단계는 국내에서 수소는 대부분 천연가스 개질과 부생수소 정화방법으로 생산되며 수전해는 효율이 낮아 생산 비중 낮다. 현재 상업용 수소 생산의 90% 이상은 천연가스, 석탄, 석유 등 탄화수소계 화석연료를 촉매 반응으로 생산된다. 물론 잉여재생에너지를 활용하여 수소를 생산할 수도 있지만 친환경적인 신재생에너지의 낮은 보급과 효율 문제로 비중은 매우 낮다. 
저장단계는 일반적으로는 수소를 기체상태에서 압축하여 저장하지만 저장효율 향상을 위해 액화하거나 MCH 방법을 채택한다. 수소는 상온에서 기체상태로 에너지 밀도가 낮아 액체연료에 비해 저장과 운반이 불편하고, 잘 새어나가 생산/저장/운송 단계에서 약 10~20% 누출된다. 액화수소기술은 방위산업, 우주산업 등에 활용되는 기술로 선진국 보유기술의 운반단계는 수소운반을 위해 산업용/가정용은 파이프라인·튜브 트레일러, 자동차용은 수소탱크를 활용 중이며 수소탱크는 내고압, 경량화, 저비용 등 요구특성 때문에 금속부터 탄소섬유까지 다양한 소재가 있다. 또한 수소 튜브 트레일러로 수소공장에서 수요처(충전소)까지 배송하며 부생가스가 생산되는 울산의 경우 실제 사용장소까지 파이프로 연결하는데 수소공장에서 수요지역까지 파이프라인 연결에는 높은 비용 발생한다. 

수소충전소는 수급방식과 이동성 여부에 따라 구분되는데 국가별로 다양한 여건을 고려하여 수소충전소 구축 중(민간기업 SPC는 독일 H2Mobility, 일본 JHyM(수소 인프라 컨소시엄))이 있다. 우리나라는 부생수소의 외부수급을 활용한 고정형 충전소 중심으로 수소충전소 보급 추진하고 있으며 2018년 모든 차량용 에너지를 취급(휘발유, 경유, 액화석유가스(LPG), 전기, 수소)하는 복합에너지스테이션을 설치(울산 현대오일뱅크)한다.
수소 공급 관련 주요 이슈는 경제적이고 친환경적인 수소에너지의 대량 생산, 저장, 운송 및 충전 인프라 구축과 관련되어 있다. 재생에너지를 활용한 수소 생산은 매우 낮은 수준인데 현재 국내 수소 생산은 90% 이상이 석탄의 가스화(gasification), 천연가스의 수증기 개질(vapor reforming) 등을 통해 생산한다. 이 과정에서 화석연료는 Co2와 수소로 분리된다. 
탈탄소화 생산 Route는 재생에너지 전력으로 수전해하거나 천연가스 개질에서 발생하는 Co2를 CCS(Carbon Capture & Storage)로 제거하며 청정수소는 생산비용이 높으며, 청정수소 공급을 위한 재생에너지도 부족하다. 또한 압력탱크에 기체수소를 넣을 수 있는 압축기술의 한계치에 도달(700~800Bar)해 대량 수소액화 저장 및 해상운송 기술은 초보 단계이다. -253도 이하가 필요한 수소의 액화기술과 액화수소의 해상수송은 현재 Pilot 추진 중으로 경제적?기술적인 성과는 미지수이다. 기술발전 트렌드를 고려하면 기술적으로는 가능해지겠지만 액화저장수송 비용은 상당할 것으로 예상된다.

반면에 연료전지 발전소는 친환경 분산전원으로 도심 좁은 부지에 설치 가능하지만 경제성은 낮다. 높은 발전소건설비용 30MW, 연료전지발전소 건설에 5,250억 원 투자가 필요한데 이 투자액으로 약 450MW 규모의 복합 화력 발전소 건설이 가능하다. 하지만 높은 유지관리비, 짧은 Stack 수명이 단점으로 꼽힌다. 
종합적으로 수소경제를 뛰어넘어 수소사회로 진화할 것인가 혹은 2000년대 초 전철을 답습할 것인가에 대한 의견이 분분하다. 수소경제는 2000년대 초 한 차례 전 세계적으로 반향을 얻었으나 이후 기술력 부족과 경제성 확보 등의 문제로 열기가 식었다가 최근 재점화됐다. 
낙관론의 근거는 화석연료 고갈, 환경문제 대두, 기술(해결)의 발전, 대용량 장기 저장이 가능해짐에 따라 에너지 공급 안정성 문제를 해결할 수 있다.(수소에너지와 재생에너지 간 협업) 회의론의 근거는 에너지 변환에 따른 손실(열역학에 기반), 안전성 위협, 인프라 확충을 위한 대규모 투자가(지원에 대한 사회적 합의 필요) 필요하다. 수소경제의 확산에는 청정수소 생산량 확대와 생산비용 감축, 수소 공급에 활용할 재생에너지 확대, 유통 인프라 확충, 수소전기차 가격 인하 등이 선결조건이다. 특히 우리나라는 Downstream 중심으로 발전하여 부족한 Upstream 부분(생산, 저장, 운송, 충전)을 강화할 필요가 있다.                                                  

이동현 기자  jineui@naver.com

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