재생에너지를 통해 전기분해 생산 수소의 활용 높여야 해

[인더스트리뉴스 최홍식 기자] 최근 들어 수소를 활용하거나 수소관련 내용이 이슈가 되고 있다. 박영선 의원을 비롯해 여야 33명의 국회의원이 뜻을 모은 ‘국회수소경제포럼’이 정식 출범하는 등 국내 수소 산업 활성화를 위한 논의가 활발하게 이뤄지고 있다. 얼마 전 에너지공단에서 발표한 에너지이슈 브리핑에서도 에너지전환을 위해 재생에너지를 기반으로 생산된 수소의 역할에 대해 언급한 바 있다. 

파리기후변화 협약이후 목표 달성을 위해 전 세계는 최종에너지 소비 중 재생에너지 비중을 2015년 18%에서 2050년 65%까지 증가시켜야 하는 상황이다. 이에 따라 태양광, 풍력 등 재생에너지 비중을 확대하고, 전기차와 수소차 등 친환경 이동수단 보급에도 적극적으로 참여하고 있다.

하지만 이러한 노력에도 불구하고 현재 전 세계 에너지부문 이산화탄소(CO2) 배출량의 약 3분의 1은 화석연료를 대체할 수 있는 경제적 대안이 존재하지 않는다는 이유로 탄소감축에 걸림돌이 되고 있다. 이들은 화물운송, 에너지 집약적 산업, 기타 고품질의 열이 필요한 산업 등이 해당된다.

재생에너지 전력을 기반으로 하는 수소는 탈 탄소화가 어려운 운송이나 건물, 산업분야의 에너지전환을 이끌어 낼 수 있는 잠재력을 보유하고 있다. 재생에너지 전력으로 전기분해 생산된 수소를 통해 발전을 하고 타 에너지소비 분야 간 연계를 강화함으로써 재생에너지 보급 확대가 가능해진다.

수소를 활용할 경우 변환과 저장 가능성을 활용해 다양한 재생에너지를 통합할 수도 있다. 또, 재생에너지 생산지와 소비지의 분리가 가능해 기존 재생에너지 전력의 단점을 보완하는 것도 가능하다.

예를 들어 해상풍력 발전량을 현지에서 수소로 변환하고, 소비지로 직접 운송한다면 대규모 송전망 구축비를 절감할 수 있다. 그리고 기존 천연가스망에 수소를 주입해 충전에 활용하거나 판매하는 등 남는 재생에너지 전력을 수소로 변환해 거래를 할 수도 있다.

호주의 경우 수소를 생산해 일본에 수출하고 있으며, 아르헨티나와 칠레 등도 우수한 재생에너지 잠재력을 바탕으로 잉여 재생에너지 전력을 수소로 변환하는 사업을 추진 중에 있다. 이렇게 변환된 수소를 우리나라와 일본에 수출한다는 계획이다.

현재까지 재생에너지 전력을 통해 생산되는 수소는 경제성이 높지 않아 기술개발 및 보급확대를 통한 생산‧유통 비용의 감소가 반드시 필요한 상황이다. 일본에서의 수소 가격은 현재 $10/kg이다. 수소의 경제성 확보를 위해 미국은 $5/kg, 일본은 2030년 $3/kg, FCH JU는 €6/kg의 수소 단가를 목표로 하고 있다. FCH JU는 유럽연합의 수소연료전지 보급 확대를 위한 민관연파트너십(Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertakin)이다.

현재의 수소 생산 방식을 벗어나 친환경적 기술개발 필요

수소는 화학과 철강, 유리, 전자 등 다방면에서 활용되고 있다. 전 세계 수소 시장은 현재 $1,150억에서 2022년이 되면 $1,550억으로 성장할 것으로 기대되고 있다.

그러나 현재 수소생산의 96%는 화석연료를 기반으로 생성되고 있고, 전기분해를 통한 생산은 4에 불과한 상황이다. 가스를 통해 생산되는 수소가 48%이며, 석유를 통한 생산 30%, 석탄을 통한 생산이 18% 규모다.

재생에너지를 활용해 전기분해로 수소를 생산하는 것을 확대함으로써 규모의 경제를 통한 가격 절감이 가능할 것으로 전망된다. 또, 수소를 생산함에 있어 재생에너지 동반 보급 확대를 이뤄낼 수 있는 선순환 구조를 구축하는 것도 필요한 상황이다.

재생에너지 전력을 활용할 수 있는 전기분해 기술은 알카라인 수전해(ALK)와 고분자전해법(PEM), 고체산화물 수전해(SOEC) 방법 등이 존재한다.

알카라인 수전해 방법은 오래전부터 화학산업에서 사용된 것으로 이미 성숙된 기술이라 할 수 있다. 고분자전해법은 최근 급속히 발전한 기술로 상업화 단계에 돌입한 기술이다. 반면, 고체산화물 수전해 방법은 효율개선의 잠재력이 있는 기술이지만 아직 개발단계에 속하는 기술이다.

알카라인 수전해 기술은 경제성과 수명이 상대적으로 우수하며, 고분자전해법은 고압출력과 정격부하 미만 작동, 빠른 시동시간 등의 유연성을 장점으로 갖고 있다. 또한, 배터리를 대체하는 ESS로 활용 잠재성이 높은 기술이다.

재생에너지를 기반으로 전기분해로 생산된 수소는 기후목표 달성을 위한 최적의 수단으로 주목받고 있다. 때문에 관련 산업을 대규모로 육성해 경제성을 확보하고 민간 투자 활성화를 이끌어 낼 필요가 있다.

수소산업 육성을 위한 정책으로 가스그리드에 수소를 혼합하거나 재생에너지 수소 인증제, 수소차 보급지원 등 다양한 수단을 모색할 필요가 있을 것으로 보인다.

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