Insight ON
신재생에너지 그 중심에
'그린 수소에너지(Green Hydrogen Energy)'
전 세계는 기후위기 극복을 위해 신기후체제를 시행 중이다. 이에 탄소중립 달성을 위한 화석에너지의 주요 대체제 중 하나로 수소산업이 각광받고 있다. 이 중에서도 그린수소는 생산과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 친환경 수소로 주목받고 있다.
글. 편집실 자료. K-water
친환경 에너지로 주목받는 글로벌 수소산업
인류는 지난 한 세기 동안 산업화를 통해 급격한 발전을 이루었다. 하지만 산업화로 인해 다량 배출된 실가스는 지구의 평균온도를 지속적으로 높이고 있으며, 전례 없는 기후위기를 야기하고 있다. 2023년 3월 20일에 발표된 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC) 제6차 보고서에 따르면, 2023년 현재 지구 평균온도는 산업화 이전(1850년~1900년)에 대비해 1.09℃ 상승했다. 이에 온실가스 배출의 주범이 되는 화석에너지의 주요 대체재 중 하나로 수소가 떠올랐다. 수소에너지는 수소와 산소가 화학반응을 일으켜 전기를 생산한다. 이때 부산물로 오직 순수한 물만 배출되기 때문에 환경오염 물질을 배출하지 않는 친환경 생산이 가능하다. 또한 수소와 연료전지만 있다면 전기에너지가 사용되는 모든 분야에 쉽게 적용할 수 있다는 장점이 있어 더욱 각광받고 있다.
현재 미국, 독일, 중국, 일본 호주 등 주요국은 수소산업을 미래 핵심 산업으로 인식하고 역량 강화에 힘쓰고 있다. 일례로 독일은 북부지역에 풍력발전 등 재생에너지 생산기지를 집중적으로 설치하여 얻은 전기로 수소를 생산하는 P2G(Power to Gas) 프로젝트를 구축하고 운영 중이다.(33개소) 미국은 2030년까지 수소 자급률 100%를 목표로 친환경 생산기술에 투자하고 있다. 특히 캘리포니아 주는 2030년까지 전력의 50%를 재생에너지로 공급하고, 수송용 연료의 30%를 그린수소와 메탄 등으로 대체할 계획임을 밝혔다. 중국은 수소연료 전지 핵심 부품의 관세율을 인하해 수소 모빌리티 분야의 육성을 도모하고 있으며, 일본 또한 세계 최초로 액상 수소 저장 기술을 활용해 수소를 수입하는 등 해외의 수소를 대량 조달할 수 있는 공급망을 구축하고 있다. 이와 같이 주요국들은 수소산업 경쟁력 강화에 속도를 높이고 있다.
수소의 종류와 그린수소의 이모저모
수소는 수소차, 중·대형 발전용, 가정·건물용 연료전지에 활용할 수 있고 기존 화력발전의 원료인 석탄이나 가스를 대체할 수 있는 친환경 에너지원이다. 수소는 대용량으로, 손실 없이 장기간 저장할 수 있는 것이 장점이다. 또한 액체나 기체 형태로 장거리 운송이 가능하고 질량당 에너지 밀도가 천연가스의 3배, 휘발유의 4배라 활용가치가 높다. 수소는 생산 방식과 생산과정에서의 CO2 배출 정도에 따라서 색상으로 분류한다. 원자력으로 만드는 핑크수소, 화석연료로 만드는 그레이 수소 등이 있다. 이 중에서도 그린수소는 수력, 조력, 풍력 등 재생에너지원에서 얻은 전력을 활용해 수전해(水電) 과정을 거쳐 생산되기 때문에, 가장 친환경적인 수소이다.
수전해란, 정제된 물(순수)에 전력을 공급하여 전기분해를 통해 수소를 추출하는 방식이다. 친환경 '그린수소' 핵심 기술은 수전해라 해도 과언이 아니다. 수전해에도 여러 가지 종류가 있다. 현재는 선진국을 중심으로 알카라인, PEM 수전해 기술을 위주로 상용화가 되고 있다. 알카라인 수전해는(AEC) 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해하는 방식으로, 가장 많이 상용화되어 오래 연구가 진행된 만큼 안정적이라는 평이다.
그리고 가격이 저렴하고 시스템 대용량화가 용이하다는 장점이 있다. 또 하나, 고분자전해질 수전해(PEM)는 고분자 전해질막을 이용하는 방식으로 재생에너지 변동성에 대해 신속한 대응이 가능하고, 수소차단성이 우수하여 안정성에 유리하다.
국내 수소에너지 정책과 K-water의 그린수소
정부는 2022년 7월에 발표한 120대 국정과제에 청정수소 교역 확대 및 수소 신산업·신시장 창출, 수소환원제철 실증, 수소차를 활용한 미세먼지 저감, 플라스틱 재활용을 통한 수소 원료 생산 등을 명시하며 수소 산업 육성에 대한 의지를 표방했다. 이처럼 국내 수소경제 활성화가 본격화될 전망인 운데, K-water 또한 보유하고 있는 수력, 수상태양광 등의 물에너지 인프라 및 신재생에너지와 관련한 다양한 실증연구 경험을 통해 수소경제로의 전환에 일조하고 있다. K-water는 국내 최초로 소수력 전력을 활용한 그린수소 생산시설인 성남 광역정수장 시설을 준공하였으며, 2050년까지 연간 1만 2,000톤 생산을 목표로 국가 수소 경제에 기여할 계획이다. 성남 광역정수장은 팔당댐에서 성남 광역정수장으로 유입되는 물을 전기분해(수전해)함으로써 연간 약 69톤의 그린수소를 생산할 예정이다. 는 하루에 약 188kg의 수소를 공급하는 것으로, 매일 수소차(승용차 기준) 40대를 충전할 수 있는 양이다. 성남 그린수소 실증시설의 성공적인 준공을 기반으로 K-water는 그린수소 사업분야를 점차 확장해 나갈 계획이다. 대표적으로 안산시 수소인프라 구축 사업은 풍력을 활용해 일 244kg의 그린수소를 생산하는 사업이다. K-water는 청정 물 에너지 개발 및 수소산업을 확대하고, 여러 유관기관과 협력을 통해 물을 활용한 신재생에너지의 보급을 지속적으로 이어 나가고 있다.
한편, K-water는 세계 최초로 수소저장합금 연구를 시작한 스위스로잔연방공대(EPFL)와 이를 활용한 수소저장시스템 실용화에 나선 스위스의 GRZ(GRZ Technologies Ltd) 사와 국제공동연구개발 R&D 협약을 맺고 산업경쟁력 고도화에 힘쓰고 있다. K-water는 상용화 초기 단계인 PEM 수전해 시스템의 기술력을 확보, GRZ사의 독자적인 수소저장합금(메탈 하이브리드) 기술과 연계하여 통합형 수소 생산·저장 시스템을 구축한다. 이러한 그린수소 생산 및 저장 통합 시스템 확보로, 수소 수송 및 활용(연료 전지 및 수소 전기 자동차) 분야와의 연계를 통한 수소 관련 전주기 기술적 진보에 기여하고자 노력하고 있다.
