전력별 수소생산-CO2배출량 비교하면
수력·육상풍력 가장 깨끗한 생산 방법
국내에서 그린수소 생산 확대엔 한계
암모니아로 전환해 수입하면 경제적
강원도 첫 액화수소충전소인 '원주 장양 액화수소충전소' 준공식이 지난달 28일 강원 원주시 소초면 장양리 공영버스 차고지에서 원강수 원주시장 등이 참석한 가운데 열렸다. 장양 액화수소충전소는 2022년 환경부 민간 자본 보조사업으로 선정돼 SK플러그하이버스에서 국비 42억원과 민간 자본 33억원 등 총 75억원을 투자해 건립했다. [원주시 제공]
“2050년까지 국내 에너지 중 수소에너지 공급 비중을 27%로 높여야 한다.”
지난해 10월 한국에너지기술연구원(KIER)은 2050년 국가 탄소중립 달성을 위해서는 현재 1%에도 못 미치는 수소 에너지 공급 비중을 27%로 늘려야 한다고 지적했다. 최종 에너지를 공급하는 데 있어 비용을 최소화하는 에너지 기술의 조합을 찾아낸 결과다.
이는 2040년까지 최종 에너지 소비량의 약 5%를 대체할 것으로 예상한 정부의 탄소중립 계획과 상당한 차이가 있다. 전문가들은 “기후 위기 방지를 위해 온실가스 배출을 최소화하는 에너지 시스템의 구축은 피할 수 없는 과제이고, 그런 점에서 수소에너지를 늘릴 수 있으면 최대한 늘릴 필요가 있다”고 지적한다.
하지만 환경단체에서는 “제대로 된 수소, ‘그린수소’가 아니면 오히려 수소에너지 확대가 기후 위기를 부채질할 것”이라고 우려한다.
수소에너지 중에서 재생에너지로 물을 전기분해해 생산하는 경우를 그린(Green)수소라고 한다. 천연가스인 메탄에서 수소를 생산하고 그때 나오는 이산화탄소를 포집 저장했다면 이를 블루(Blue)수소라고 한다. 메탄에서 수소를 생산하면서도 탄소를 포집 저장하지 않는다면 그레이(Gray)수소라고 한다.
결국 이 수소를 어떻게 생산해서 공급할 것이냐가 문제가 될 수밖에 없다. 우선 국내에서 ‘청정한’ 수소를 ‘충분히’ 생산, 공급할 수 있는지 따져볼 필요가 있다. 그리고 국내에서 생산이 힘들다면, 해외에서 들여오는 방법은 타당성이 있는지도 살펴봐야 한다.
스페인 중부 프에르토야노에 있는 이베르드롤라(Iberdrola)사의 녹색 수소공장의 수소 저장 탱크. 2023년 3월 28일에 촬영한 사진이다. 청정에너지인 수소도 대기 중으로 방출되면 온실가스를 만들어 내 온실효과를 일으키는 것으로 나타났다.
LCA 기법으로 수소 공급망 7단계 분석
재생에너지를 사용했다고 하더라도 수소 생산 때 배출되는 온실가스의 양은 다를 수 있다. 재생에너지라도 전력 설비의 설치와 운영 과정에서 온실가스가 배출되기 때문이다.
한양대 전자공학과 김동우 교수팀은 최근 ‘지속가능성(Sustainability)’ 국제 저널에 발표한 논문에서 “국내에서 수소를 생산할 때 온실가스 배출량이 가장 적은 전력 공급원은 수력발전과 육상 풍력”이라고 밝혔다.
연구팀은 생애주기분석(LCA) 기법을 적용, 수소에너지의 생산과 파이프라인 운송, 저장, 공급 등 수소 공급망의 7단계 모든에서 배출되는 온실가스의 양을 산출했다.
연구팀은 산출한 온실가스 배출량을 지난해 3월 시행된 청정 수소 인증 제도의 기준과 비교했다. 청정수소 인정제에서 적용하는 온실가스 배출량은 월투게이트(well-to-gate, 원료채굴에서 수소생산까지) 기준으로 99% 순도 수소 1kg을 생산하는 과정에서의 배출량을 바탕으로 한다. 온실가스 배출량이 4kgCO2e(이산화탄소 환산 킬로그램) 이하이면 청정수소 인증을 받을 수 있다.
청정수소 인증 등급은 ▶1등급 0~0.1kgCO2e ▶2등급 0.1~1kgCO2e ▶3등급 1~2kgCO2e ▶4등급 2~4kgCO2e로 구분된다.
한양대 연구팀 분석 결과, 수력 발전과 해상 풍력 발전이 가장 낮은 온실가스 배출량을 보여 청정 수소 1등급에 해당했다. 하지만 최종 소비자까지 도달하는 웰투펌프(well-to-pump) 기준으로는 배출량이 더 많아 2등급으로 분류됐다.
태양광, 원자력, 해상풍력 발전을 기반으로 한 수소에너지는 웰투게이트 기준으로 2등급이었다. 원자력의 경우 잠재적인 환경 영향에 고준위 핵폐기물 처리 문제가 고려되지 않았다는 점도 염두에 둘 필요가 있다.
바이오매스 연소 발전, 천연가스-석탄 혼합 발전 및 탄소 포집저장, 폐기물 소각 발전 등은 웰투게이트 기준 3등급이었다. 나머지 석탄, 석유 화력발전 등은 등급 외였다.
연구팀은 “전력망의 탈탄소화가 저배출 수소 생산을 달성하는 데 중요할 것”이라면서 “미래의 에너지 믹스를 기준으로 수소를 생산한다면 잠재적으로 웰투게이트 평가에서 1등급을 충족할 수도 있을 것”이라고 밝혔다.
국내 그린 수소 생산, 양과 가격이 문제
이처럼 국내 재생에너지로도 청정수소를 생산할 수도 있지만, 문제는 생산량과 가격이다. 가장 청정한 생산 수단인 수력발전이나 육상 풍력을 국내 여건에서 늘리는 데 한계가 있을 수밖에 없다. 적당한 장소가 있더라도 하천 생태계나 산림 생태계 훼손 우려로 실제 재생에너지 생산은 쉽지 않다.
가격도 문제다. 지난해 10월 제주도에서는 풍력발전을 바탕으로 청정수소(그린수소) 공급이 시작됐는데, kg당 판매 단가가 1만5000원에 이른다. 현재 치솟은 환율로도 kg당 10달러가 넘는다. 해외에서 수소를 수입하는 경우보다 비싸다.
그린수소를 자동차 연료로 사용할 경우 1㎞당 연비는 679원으로 경유(642원), 전기(316원)보다 비싼 편이다.
이런 가운데 연세대 환경에너지공학과 전유권 교수팀은 최근 ‘한국화학공학회지’에 수소를 호주로부터 수입할 때 운송 방법에 따른 경제성을 분석한 논문을 발표했다.
호주의 풍력 산업 노동자. [사진 = WWF Austrailia]
논문에서는 국제 재생 에너지 기구(IRENA)의 비용 예측을 인용했는데, 호주의 그린수소 생산 비용은 2030년까지 kg당 1.5~2달러, 2050년에는 최저 0.6달러로 크게 떨어질 것으로 예상했다.
연구팀은 경제성 분석을 위해 시나리오를 만들었다. 호주에서 한국으로 수소를 수송하기 위해 중형 선박이 6730km를 항해하며, 50% 효율의 30.5MW 엔진으로 15노트 속도로 운항하는 것을 가정했다. 연간 300일을 운항해 13회 왕복하는 것으로 계산했다.
한국으로 그린수소를 운송하는 방식은 암모니아를 운반체로 이용하는 경우(NH3), 수소를 액화시켜 운반하는 경우(LH2), 유기물에 결합시켜 운반하는 경우(LOHC)로 구분했다.
액체수소(LH2)의 경우 저장 밀도가 높고 대량 저장 및 운송에 적합하지만, 냉각 및 극저온 유지에 상당한 에너지가 필요해 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 암모니아(NH3)는 가장 많이 사용되는 수소 운반체로 안전성이 높다. 낮은 온도와 압력에서 보관할 수 있지만, 화합물에서 수소를 추출하기 위해 추가 에너지가 필요하고 추출 과정이 복잡할 수 있다. LOHC는 불포화 유기물(예: 톨루엔)을 수소화하여 수소를 저장한 다음 나중에 탈수소화하여 방출한다. 탈수소화 중에 가장 큰 에너지 손실이 발생한다.
연구팀 분석 결과, 현재 상황에서 수소의 저장 및 운송을 위해 알칼리 전기 분해(AEC)와 암모니아 운반체를 사용할 경우 가장 경제적인 옵션이 될 수 있는 것으로 나타났다. 이 경우 탄소 배출 상쇄 비용까지 포함해 녹색 수소의 단위 비용은 수소 1kg당 6.72달러였다.
향후 더 많은 생산과 수송이 예상되는 2050년 목표를 적용하면 수소의 단위 비용은 약 2.5달러로 줄일 수 있다. 여기에 양성자 교환막 전기 분해기(PEM)와 암모니아 운반체를 적용하면 탄소 크레딧 없이 1.59달러까지 낮출 수가 있다. 탄소 상쇄 비용을 고려한다면 2.44달러 정도가 될 것으로 예상했다.
연세대 연구팀은 “수소를 국내에서 수입할지 생산할지에 대한 결정은 경제적, 환경적, 전략적 요인에 대한 포괄적인 평가에 따라 달라진다”면서 “수소 운송 및 보관 방법에 따라 경제적 타당성에 상당한 차이가 있음이 나타났다”고 설명했다.
연구팀은 “이번 연구 결과는 전략적 국제 협력과 수소 기술의 발전으로 호주에서 수입되는 녹색 수소가 한국의 지속 가능한 에너지 미래를 위한 실행 가능한 솔루션임을 나타낸다”고 덧붙였다.
호주의 해상 풍력 발전 단지 [ 사진 = Friends of Earth]
정부, 2050년 연간 2020만톤 수입 계획
한편, 정부도 2050 탄소중립 시나리오에서 수소의 수입 비중을 80∼82%로 설정한 바 있다. 한국 정부는 2021년 10월 내놓은 2030 국가 온실가스 감축 목표에서는 연간 92만 톤, 2050년 탄소중립 시나리오에서는 연간 2190만~2290만 톤의 수소를 수입해 충당하는 것으로 계획했다.
한국에너지기술연구원(KIER)도 지난 10월 발표한 연구 결과에서 수소 수입 비중을 최소 76% 이상을 하한선으로 두고 그 이상으로 비중을 높일수록 좋다고 지적했다.
세계적으로 2050년까지 총 수소 생산량은 연간 6억1400만 톤에 이르러 최종 에너지 수요의 12%를 충족할 것으로 전망된다. 수소는 주로 산업 부문과 운송 부문에서 사용될 것이고, 이를 통해 해당 부문의 온실가스 배출량 가운데 약 12%와 26%를 줄일 것으로 예상된다.
강찬수 환경신데믹연구소장
전력별 수소생산-CO2배출량 비교하면
수력·육상풍력 가장 깨끗한 생산 방법
국내에서 그린수소 생산 확대엔 한계
암모니아로 전환해 수입하면 경제적
강원도 첫 액화수소충전소인 '원주 장양 액화수소충전소' 준공식이 지난달 28일 강원 원주시 소초면 장양리 공영버스 차고지에서 원강수 원주시장 등이 참석한 가운데 열렸다. 장양 액화수소충전소는 2022년 환경부 민간 자본 보조사업으로 선정돼 SK플러그하이버스에서 국비 42억원과 민간 자본 33억원 등 총 75억원을 투자해 건립했다. [원주시 제공]
“2050년까지 국내 에너지 중 수소에너지 공급 비중을 27%로 높여야 한다.”
지난해 10월 한국에너지기술연구원(KIER)은 2050년 국가 탄소중립 달성을 위해서는 현재 1%에도 못 미치는 수소 에너지 공급 비중을 27%로 늘려야 한다고 지적했다. 최종 에너지를 공급하는 데 있어 비용을 최소화하는 에너지 기술의 조합을 찾아낸 결과다.
이는 2040년까지 최종 에너지 소비량의 약 5%를 대체할 것으로 예상한 정부의 탄소중립 계획과 상당한 차이가 있다. 전문가들은 “기후 위기 방지를 위해 온실가스 배출을 최소화하는 에너지 시스템의 구축은 피할 수 없는 과제이고, 그런 점에서 수소에너지를 늘릴 수 있으면 최대한 늘릴 필요가 있다”고 지적한다.
하지만 환경단체에서는 “제대로 된 수소, ‘그린수소’가 아니면 오히려 수소에너지 확대가 기후 위기를 부채질할 것”이라고 우려한다.
수소에너지 중에서 재생에너지로 물을 전기분해해 생산하는 경우를 그린(Green)수소라고 한다. 천연가스인 메탄에서 수소를 생산하고 그때 나오는 이산화탄소를 포집 저장했다면 이를 블루(Blue)수소라고 한다. 메탄에서 수소를 생산하면서도 탄소를 포집 저장하지 않는다면 그레이(Gray)수소라고 한다.
결국 이 수소를 어떻게 생산해서 공급할 것이냐가 문제가 될 수밖에 없다. 우선 국내에서 ‘청정한’ 수소를 ‘충분히’ 생산, 공급할 수 있는지 따져볼 필요가 있다. 그리고 국내에서 생산이 힘들다면, 해외에서 들여오는 방법은 타당성이 있는지도 살펴봐야 한다.
스페인 중부 프에르토야노에 있는 이베르드롤라(Iberdrola)사의 녹색 수소공장의 수소 저장 탱크. 2023년 3월 28일에 촬영한 사진이다. 청정에너지인 수소도 대기 중으로 방출되면 온실가스를 만들어 내 온실효과를 일으키는 것으로 나타났다.
LCA 기법으로 수소 공급망 7단계 분석
재생에너지를 사용했다고 하더라도 수소 생산 때 배출되는 온실가스의 양은 다를 수 있다. 재생에너지라도 전력 설비의 설치와 운영 과정에서 온실가스가 배출되기 때문이다.
한양대 전자공학과 김동우 교수팀은 최근 ‘지속가능성(Sustainability)’ 국제 저널에 발표한 논문에서 “국내에서 수소를 생산할 때 온실가스 배출량이 가장 적은 전력 공급원은 수력발전과 육상 풍력”이라고 밝혔다.
연구팀은 생애주기분석(LCA) 기법을 적용, 수소에너지의 생산과 파이프라인 운송, 저장, 공급 등 수소 공급망의 7단계 모든에서 배출되는 온실가스의 양을 산출했다.
연구팀은 산출한 온실가스 배출량을 지난해 3월 시행된 청정 수소 인증 제도의 기준과 비교했다. 청정수소 인정제에서 적용하는 온실가스 배출량은 월투게이트(well-to-gate, 원료채굴에서 수소생산까지) 기준으로 99% 순도 수소 1kg을 생산하는 과정에서의 배출량을 바탕으로 한다. 온실가스 배출량이 4kgCO2e(이산화탄소 환산 킬로그램) 이하이면 청정수소 인증을 받을 수 있다.
청정수소 인증 등급은 ▶1등급 0~0.1kgCO2e ▶2등급 0.1~1kgCO2e ▶3등급 1~2kgCO2e ▶4등급 2~4kgCO2e로 구분된다.
한양대 연구팀 분석 결과, 수력 발전과 해상 풍력 발전이 가장 낮은 온실가스 배출량을 보여 청정 수소 1등급에 해당했다. 하지만 최종 소비자까지 도달하는 웰투펌프(well-to-pump) 기준으로는 배출량이 더 많아 2등급으로 분류됐다.
태양광, 원자력, 해상풍력 발전을 기반으로 한 수소에너지는 웰투게이트 기준으로 2등급이었다. 원자력의 경우 잠재적인 환경 영향에 고준위 핵폐기물 처리 문제가 고려되지 않았다는 점도 염두에 둘 필요가 있다.
바이오매스 연소 발전, 천연가스-석탄 혼합 발전 및 탄소 포집저장, 폐기물 소각 발전 등은 웰투게이트 기준 3등급이었다. 나머지 석탄, 석유 화력발전 등은 등급 외였다.
연구팀은 “전력망의 탈탄소화가 저배출 수소 생산을 달성하는 데 중요할 것”이라면서 “미래의 에너지 믹스를 기준으로 수소를 생산한다면 잠재적으로 웰투게이트 평가에서 1등급을 충족할 수도 있을 것”이라고 밝혔다.
국내 그린 수소 생산, 양과 가격이 문제
이처럼 국내 재생에너지로도 청정수소를 생산할 수도 있지만, 문제는 생산량과 가격이다. 가장 청정한 생산 수단인 수력발전이나 육상 풍력을 국내 여건에서 늘리는 데 한계가 있을 수밖에 없다. 적당한 장소가 있더라도 하천 생태계나 산림 생태계 훼손 우려로 실제 재생에너지 생산은 쉽지 않다.
가격도 문제다. 지난해 10월 제주도에서는 풍력발전을 바탕으로 청정수소(그린수소) 공급이 시작됐는데, kg당 판매 단가가 1만5000원에 이른다. 현재 치솟은 환율로도 kg당 10달러가 넘는다. 해외에서 수소를 수입하는 경우보다 비싸다.
그린수소를 자동차 연료로 사용할 경우 1㎞당 연비는 679원으로 경유(642원), 전기(316원)보다 비싼 편이다.
이런 가운데 연세대 환경에너지공학과 전유권 교수팀은 최근 ‘한국화학공학회지’에 수소를 호주로부터 수입할 때 운송 방법에 따른 경제성을 분석한 논문을 발표했다.
호주의 풍력 산업 노동자. [사진 = WWF Austrailia]
논문에서는 국제 재생 에너지 기구(IRENA)의 비용 예측을 인용했는데, 호주의 그린수소 생산 비용은 2030년까지 kg당 1.5~2달러, 2050년에는 최저 0.6달러로 크게 떨어질 것으로 예상했다.
연구팀은 경제성 분석을 위해 시나리오를 만들었다. 호주에서 한국으로 수소를 수송하기 위해 중형 선박이 6730km를 항해하며, 50% 효율의 30.5MW 엔진으로 15노트 속도로 운항하는 것을 가정했다. 연간 300일을 운항해 13회 왕복하는 것으로 계산했다.
한국으로 그린수소를 운송하는 방식은 암모니아를 운반체로 이용하는 경우(NH3), 수소를 액화시켜 운반하는 경우(LH2), 유기물에 결합시켜 운반하는 경우(LOHC)로 구분했다.
액체수소(LH2)의 경우 저장 밀도가 높고 대량 저장 및 운송에 적합하지만, 냉각 및 극저온 유지에 상당한 에너지가 필요해 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 암모니아(NH3)는 가장 많이 사용되는 수소 운반체로 안전성이 높다. 낮은 온도와 압력에서 보관할 수 있지만, 화합물에서 수소를 추출하기 위해 추가 에너지가 필요하고 추출 과정이 복잡할 수 있다. LOHC는 불포화 유기물(예: 톨루엔)을 수소화하여 수소를 저장한 다음 나중에 탈수소화하여 방출한다. 탈수소화 중에 가장 큰 에너지 손실이 발생한다.
연구팀 분석 결과, 현재 상황에서 수소의 저장 및 운송을 위해 알칼리 전기 분해(AEC)와 암모니아 운반체를 사용할 경우 가장 경제적인 옵션이 될 수 있는 것으로 나타났다. 이 경우 탄소 배출 상쇄 비용까지 포함해 녹색 수소의 단위 비용은 수소 1kg당 6.72달러였다.
향후 더 많은 생산과 수송이 예상되는 2050년 목표를 적용하면 수소의 단위 비용은 약 2.5달러로 줄일 수 있다. 여기에 양성자 교환막 전기 분해기(PEM)와 암모니아 운반체를 적용하면 탄소 크레딧 없이 1.59달러까지 낮출 수가 있다. 탄소 상쇄 비용을 고려한다면 2.44달러 정도가 될 것으로 예상했다.
연세대 연구팀은 “수소를 국내에서 수입할지 생산할지에 대한 결정은 경제적, 환경적, 전략적 요인에 대한 포괄적인 평가에 따라 달라진다”면서 “수소 운송 및 보관 방법에 따라 경제적 타당성에 상당한 차이가 있음이 나타났다”고 설명했다.
연구팀은 “이번 연구 결과는 전략적 국제 협력과 수소 기술의 발전으로 호주에서 수입되는 녹색 수소가 한국의 지속 가능한 에너지 미래를 위한 실행 가능한 솔루션임을 나타낸다”고 덧붙였다.
호주의 해상 풍력 발전 단지 [ 사진 = Friends of Earth]
정부, 2050년 연간 2020만톤 수입 계획
한편, 정부도 2050 탄소중립 시나리오에서 수소의 수입 비중을 80∼82%로 설정한 바 있다. 한국 정부는 2021년 10월 내놓은 2030 국가 온실가스 감축 목표에서는 연간 92만 톤, 2050년 탄소중립 시나리오에서는 연간 2190만~2290만 톤의 수소를 수입해 충당하는 것으로 계획했다.
한국에너지기술연구원(KIER)도 지난 10월 발표한 연구 결과에서 수소 수입 비중을 최소 76% 이상을 하한선으로 두고 그 이상으로 비중을 높일수록 좋다고 지적했다.
세계적으로 2050년까지 총 수소 생산량은 연간 6억1400만 톤에 이르러 최종 에너지 수요의 12%를 충족할 것으로 전망된다. 수소는 주로 산업 부문과 운송 부문에서 사용될 것이고, 이를 통해 해당 부문의 온실가스 배출량 가운데 약 12%와 26%를 줄일 것으로 예상된다.
강찬수 환경신데믹연구소장