무한에 가까운 물이 수소의 에너지원
부생수소→추출수소→그린수소→?
수소차로 유명세...친환경 수소 생산법이 관건
[편집자] 기업들의 신기술 개발은 지속가능한 경영의 핵심입니다. 이 순간에도 수많은 기업들은 신기술 개발에 여념이 없습니다. 기술 진화는 결국 인간 삶을 바꿀 혁신적인 제품 탄생을 의미합니다. 기술을 알면 우리 일상의 미래를 점쳐볼 수 있습니다. 각종 미디어에 등장하지만 독자들에게 아직은 낯선 기술 용어들. 그래서 뉴스핌에서는 'Tech 스토리'라는 고정 꼭지를 만들었습니다. 산업부 기자들이 매주 일요일마다 기업들의 '힙(hip)' 한 기술 이야기를 술술~ 풀어 독자들에게 전달합니다.
[서울=뉴스핌] 김기락 기자 = 친환경 에너지 수소(Hydrogen)의 '끝판왕'으로 불리는 그린수소(Green H2)는 수소 생산 과정에서 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 점이 특징입니다. 수소와 산소만 생산되는 만큼 오염 물질이 전혀 없습니다.
이 같은 이유로 수소를 친환경적인 방법으로 많이 만들어 산업 현장 뿐만 아니라, 일상 생활 등 지구촌 곳곳에서 경제적 효과를 극대화하는 게 가장 중요하다고 할 수 있습니다.
전 세계가 '탄소중립(Carbon Neutral)'을 향하는 가운데 SK, 현대자동차, 효성, 한화, 포스코, 두산 등 우리 대기업들도 수소 관련 사업에 공을 들이고 있습니다. 그린뉴딜과 수소사회의 목표인 그린수소에 대해 다가가보겠습니다.
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| [서울=뉴스핌] 김기락 기자 = 생산 방식에 따른 수소 종류 [사진=포스코] 2021.02.26 peoplekim@newspim.com |
◆ 지구의 3/4 차지하는 물...무한에 가까운 에너지원
그린수소를 알기 위해서는 수소부터 알아야 합니다. '물을 만든다'라는 어원을 가진 수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 결합된 물(H2O)은 지구의 3/4을 차지합니다. 원소주기율표 1번인 수소는 약 140억년 전 빅뱅 시 처음으로 생성된 원소입니다.
우주 질량의 75%, 원소 개수로는 90%를 차지할 만큼 풍부합니다. 물은 전기화학적 반응을 통해 수소(H)와 산소(O)간 분해·결합이 가능합니다. 무한에 가까운 에너지원이라고 할 수 있는 이유죠.
수소는 생산 방식에 따라 종류가 달라집니다. 수소의 다양한 이름도 그래서 붙는 것입니다. 우선 제철·석유화학·정유와 같이 기존 산업 현장에서 부산물로 생기는 부생가스로부터 수소를 정제해 사용하는 '부생수소'가 있습니다.
부생수소는 다른 방식과 비교하면 제조원가가 저렴하지만, 순도는 높지 않습니다. 때문에 수소전기차에 사용되는 순도 99.999%의 수소를 생산하려면 많은 정제 비용이 추가로 소요됩니다. 고순도라는 뜻에서 '파이브나인(Five 9)'으로 불리기로 하는데요. 현대제철은 이 같은 무결점 수소를 생산하고 있습니다.
이와 함께 현재 생산되는 수소의 90% 이상을 차지하는 '추출수소'가 있습니다. 보통 추출수소를 그레이수소(Grey H2)라고 부르는데요. 추출수소에는 천연가스의 주요 성분인 메탄(CH4)을 이용해 고온의 반응기에서 수소를 추출하는 수증기 개질법(CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2)이 대표적입니다. 여기서 눈치채신 분도 계시겠지만, 생산 과정에서 필연적으로 이산화탄소(CO2)가 발생합니다. 친환경 제조 방법은 아니죠.
탄소중립은 온실가스 등 이산화탄소를 줄이는 게 포인트인데, 수소를 생산해 오히려 CO2가 증가하기 때문에 새로운 대안이 필요하게 된거죠. 이를 위한 기술이 CO2를 포집·압축·수송해 지하에 저장하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술입니다. 추출수소 중 석탄·갈탄이 원료인 수소는 브라운수소(Brown H2), CCS기술이 적용된 추출수소는 블루수소(Blue H2)라고 부릅니다.
세번째가 바로 수소의 최종 목표점이라고 할 수 있는 그린수소입니다. 물을 연료로 이용하는 수전해 수소로, 물을 전기분해(2H2O → 2H2 + O2)해 수소를 생산하며, CO2가 발생되지 않습니다. 다만 전기 공급량이 변하게 되면 수소와 산소가 양쪽에서 섞이면 폭발할 수 있는 이유 등으로 기술 개발이 한창입니다. 물을 전기분해하려면 애초에 전기가 필요하다는 점에서 완전한 CO2 제로화는 아닙니다.
이를 위해 국내 최대 철강사인 포스코는 수소를 활용한 철강 생산 기술인 '수소환원제철공법' 연구 등 수소 생산 핵심 기술을 강화하고 있습니다. 현대차 역시 지난해 호주 연구기관 및 기업들과 손잡고 그린수소 생산 기술을 개발 중입니다. 포스코와 현대차는 그린수소 생산 기술 개발 외에도 수소환원제철공법 등 수소 사업을 위해 협력하기로 하는 등 기업 간 움직임도 좋은 사례라고 할 수 있겠습니다.
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| [서울=뉴스핌] 김기락 기자 = 전 세계가 하루 동안 필요로 하는 에너지 [사진=수소위원회·현대차그룹] 2021.02.26 peoplekim@newspim.com |
◆ 수소차로 유명세 탄 수소...그린수소가 '정답'
태양광·풍력 발전 등 신재생에너지를 활용한 수전해 수소 생산 방법이 대표적인 그린수소를 만드는 방법으로 꼽히고 있습니다.
호주, 독일, 프랑스 등이 이 같은 방식을 도입 중인데, 특히 호주는 대륙 서쪽에 거대하게 펼쳐진 필바라 사막에 태양광 패널을 설치하고, 여기서 생산된 전기에너지를 활용하는 수전해 수소 생산 설비를 대규모로 건설하고 있습니다. 미국의 플라스틱, 폐휴지 등 자원을 재활용해 수소를 생산하는 시설은 세계 최대 규모죠.
이처럼 바이오매스를 원료로 수소를 생산할 경우 생산 비용이 저렴하고 온실가스 배출량도 적다는 장점이 있습니다. 또 버려질 폐기물을 활용하는 만큼, 쓰레기 매립으로 발생할 수 있는 환경오염도 줄일 수 있습니다. 이미 우리나라를 비롯해 미국, 독일, 일본, 등 국가에선 미생물을 이용한 수소 생산 연구를 진행 중입니다.
전문가들은 화석연료 사용과 이산화탄소 배출을 줄이는 게 진정한 수소사회의 시작이라고 말합니다. 이를 위해 재생에너지 활용을 확산하는 것과 함께 친환경 수소 생산 기술이 연계돼야 한다는 것입니다. 현재까지는 그린수소가 정답에 가장 가깝습니다. 앞으로 더 좋은 방법이 나올 수도 있습니다.
사실 수소가 대중에게 본격적으로 알려지기 시작한 것은 수소차 때문입니다. 수소에너지가 발전, 건물 에너지, 산업 에너지 등 다양한 분야에서 활용되지만, 친환경차인 수소 모빌리티가 가장 큰 역할을 했다고 봅니다. 수소차는 전기차와 구조가 비슷해 전기차 다음의 대안으로 꼽히고 있습니다.
수소차가 도로 위를 달리기 위해서는 수소로 전기를 생산하는 연료전지 시스템 관련 기술이 발전해야 하고, 곳곳에 수소충전소가 구축돼야 하며 수소충전소까지 수소를 옮길 운송 인프라도 필요합니다. 결국 수소차가 활성화된 국가나 도시일수록 수소 산업 인프라가 잘 갖춰져 있는 만큼 수소 사회에 더 가깝다고 볼 수 있는 것입니다.
주요 선진국들은 수소차 보급 계획을 세우고 이를 빠르게 실행하고 있습니다. 미국, 독일, 중국, 일본 등이 오는 2030년까지 수소차 90만~180만대를 보급하고 수소충전소를 1000개소 규모로 늘릴 예정입니다. 이를 위해 대부분 수소차 구매 금액을 보조하거나 세금을 줄여주는가 하면, 수소충전소 구축에도 공적자금을 투입하고 있습니다.
수소 분야 세계 최고경영자(CEO) 협의체인 수소위원회에 따르면 2050년경 전 세계 수소 소비량은 약 5억4600만 톤으로 증가한다고 합니다. 이는 132억6000만 배럴의 석유를 대체하는 규모로, 전 세계 에너지 수요의 약 18%를 수소에너지가 담당하게 된다는 것이죠. 에너지로 환산하면 약 78EJ에 달합니다. 1EJ=700만톤 규모이니 어마어마한 에너지입니다.
탄소에너지 중심의 사회가 점차 수소에너지 중심의 사회로 변하고 있습니다.
