[2023 국제그린에너지엑스포 후기] H2MI, 수소의 모든 것

[2023 국제그린에너지엑스포 후기] H2MI, 수소의 모든 것

대학생신재생에너지기자단 22기 박주은, 23기 강민수, 김경훈

 

[H2MI]

2023 국제그린에너지 엑스포에서는 제3회 수소마켓 인사이트를 진행했다. 주제는 "수소 - 산업화 엔진의 시동을 걸다"이며, 2023년 4월 13일부터 14일까지 양일간 진행되었다. 대학생신재생에너지 기자단은 이번 수소마켓 인사이트에 참여할 수 있는 기회를 얻었다.
4월 13일 첫째날에 진행된 플레너리 세션 “글로벌 그린 수소 정책 및 시장동향”에 대한 내용을 정리하고자 한다.

[자료1. H2MI 세미나]

출처: ⓒ 22기 박주은

 

[Global Hydrogen Market Trends Outlook - Bloomberg NEF]

[자료 2. 수소에너지]

출처 : 국토발전전시관 블로그

수소 에너지란 수소 형태로 에너지를 저장하고 사용하는 에너지원을 말한다. 이는 석유나 석탄을 대체하는 미래의 궁극적인 청정에너지원 중 하나로 손꼽히고 있다. 그리고 수소를 연소시킬 때 산소와 결합하여 극소량의 질소와 물로 변하기 때문에 공해 물질로 인한 환경오염 염려가 없다.

따라서 탄소중립을 시대에 중요한 에너지원으로 수소 에너지가 인정받고 있으며 전 세계적으로 연간 200억 달러 이상의 수소 투자가 이루어지고 있다.

대표적인 국가로 독일은 47억 달러, 유럽 연합은 45억 달러, 한국은 19억 달러를 수소 산업에 투자하고 있다.

 

[수소 에너지의 수요와 공급의 불균형]

하지만 연간 200억 달러 이상의 자금을 수소 생산에 더 많이 투자한 탓일까 현재 수소는 수요보다 공급이 훨씬 많다. 우선, 수소는 생산 방식에 따라 ‘그레이 수소/블루 수소/청록 수소/그린 수소' 이렇게 4가지로 나눌 수 있다. 

[자료 3. 수소의 종류]

출처 : 그린패키지솔루션

세계 각국이 최종 목표로 하는 수소 생산 방식은 그린수소 방식이고 물에서 수소를 뽑아내는 ‘수전해 기술’을 이용해 수소를 생산한다. 조금 더 자세하게 알아보자면 ‘수전해 기술’이란 물을 전기로 분해한 다음 양극이나 음극으로 이온을 이동시켜서 수소와 산소로 분리시키는 기술이다. 수전해 기술이 적용되는 곳은 전해조이고 전해조는 전해질에 따라 AEC, PEM, AEM, SO로 총 4가지로 나눌 수 있다. 이러한 수전해기술로 2024년까지 생산되는 생산되는 전기는 70GW에 달한다. 여기서 우리가 주목해야 할 점은 수소의 수요량이다. 앞서 말했듯이 수소의 공급량은 70GW에 달하는데 Bloomberg가 예측하는 2025년의 수소의 수요량은 10GW에 불과하다. 그럼에도 다행이라고 해야 할까. 전해조의 설계 용량의 30%만이 실제 출력으로 나오기 때문이다. 

이것에는 크게 3가지 정도의 요인이 있다.

첫 번째로, Lack of cell processing : 전해조의 처리 능력이 부족해서 25%으로 효율 감소가 발생한다.

두 번째로, Lack of raw material : 전해조의 원료가 부족해서 15%의 효율 감소가 발생한다.

마지막 세 번째로, Lack of track record : 출력이 부족해 30%의 효율 감소가 발생한다.

이렇게 전해조의 출력이 낮아져도 이 수치도 2025년의 수소 에너지 수요보다 2배에 달하는 수치가 나온다.

하지만 Bloomberg는 결국 수소의 수요는 증가한다고 예측한다고 보고 있다.

 

[BloombergNEF에서 예측한 수소 수요 시나리오]

2050년까지 수소의 수요는 증가하고 항목은 다음과 같다.

Rail, Aviation, Shipping, Road, Commercial b., Residential b., Steel, Energy industry 등

2030년까지는 Energy industry에서만 수소가 필요했다면 2030년 이후로는 Steel(철강), Rail(기차), Shipping(선박)과 같은 다양한 분야에도 수소가 투입될 예정이다.

따라서 Bloomberg의 Net zero 시나리오에서의 수소 수요는 최종적으로 5배가 증가한다.

 

[전해조 시장의 큰 성장]

[자료 4. 전해조 시장의 큰 성장]

출처 : ⓒ23기 김경훈

전해조는 2030년까지 242GW 설치될 것으로 예측된다.

‘수전해 기술’로 생산한 수소의 공급은 계속 증가하고 2032년까지는 net zero를 위한 궤도를 따라갈 수 있다. 이것으로 보면 Net-zero 달성에는 수소가 많은 기여를 할 것으로 예상된다.

또한, 더 많은 전해조가 설치될수록 전해조의 가격은 계속 저렴해질 것이다.

전해조는 SO(고체산화물), ALK(알카라인 수전해), PEM(고분자전해질막)/AEM(음이온교환막)와 같은 것들이 있다.

또한 더 높은 효율을 보여주는 새로운 재료와 스택 구조들이 등장하면서 동일한 수소를 얻는데 스택의 크기는 더 작아지고 있다. 이렇게 2030년 이후에 증가할 수소의 수요에 맞게 공급하기 위한 다양한 수전해 기술들이 개발되고 있다.

 

[우리나라의 수소 계획]

대한민국의 수소 계획은 전력과 운송 부분에 단기간에 적용하는 것을 목표로 두고 있다.

대부분의 수소를 수입하며, 수입한 수소를 전력과 산업, 수송에 대부분을 사용한다. 실제로 2022년 11월에 산업통상자원부에서 발표한 "청정수소 생태계 조성방안"에 따르면 우리나라의 수소 정책 방향은 대규모 수소수요 창출, 수요 기반 유통 기반 구축, 국내외 청정수소 공급망 구축, 수소 시장 제도적 기반 마련 등 4대 전략별로 과제를 추진하는 것이다.

과제를 달성하기 위한 목표로는 3가지가 있다.

[자료 5. 청정수소 생태계 조성방안 목표 3가지]

출처 : 산업통상자원부 보도자료

첫 번째, 수소상용차 보급(2022년:211대, 2025년:5,000대, 2030년:30,000대

두 번째, 액화수소충전소 보급(2022년:0개소, 2025년:40개소, 2030년:70개소

세 번째, 청정수소 발전 비중(2022년:0%, 2030년:2.1%, 2036년:7.1%)

이를 통해 ‘30년 47.1조 원의 경제적 파급효과와 9.8만 명의 고용을 창출하고, 온실가스 약 2,800만 톤을 감축할 것으로 기대된다.

또한 이로써 수송, 발전, 산업 부문에서 대규모 수소 수요를 창출한다.

정부는 추가적으로 ‘세계 1등 수소산업 육성’과 ‘에너지 신산업, 신시장 창출’을 120대 국정과제로 제시하였으며, 이를 달성하기 위한 청사진으로 세계 1등 수소산업 육성전략을 발표했다.

 

[자료 6. 수소 전용 배관망 구축]

출처 : 산업통상자원부 보도자료

그리고 30년까지 석탄발전소 밀집 지역에 연 400만 톤급 암모니아 인수기지를, 액화천연가스 발전 밀집 지역에는 연 10만 톤급 액화수소 인수기지와 수소 전용 배관망을 구축할 예정이다. 이렇게 우리나라의 정부에서도 수소 수요를 증가시키는 요인으로 수송, 전력을 선택했고 증가되는 수요를 맞추기 위한 수소 생산 및 공급 대책도 마련하고 있는 모습이다.

 

[America's Hydrogen Policy and Programs - EIRP]

수소는 미국의 재생에너지 정책에서 현실적인 대안으로 평가받고 있다. 수소는 대규모 집중생산 및 소규모 분산생산이 가능하여 다양한 산업에서 활용 가능한데, 대부분 수송과 발전에 쓰이며 산업용 원료/연료로도 사용되고 있다. 미국 수소의 약 95%가 기존 천연가스 기반 시설에서 생산되고 있다. 천연가스 등의 화석 연료는 현재 미국을 포함한 세계 수소 생산의 주요 원천으로 이용되기 때문이다. 이에 수소는 특히 천연가스의 보완재로 고려되고 있다. 미국은 연간 10MMT의 수소를 소비하며 이는 미국 전체 에너지 소비의 1%에 해당되는 양이다.

그리고 2021년, 미 의회에서 '인프라 투자 및 일자리 법안(Infrastructure Investment and Jobs Act)'이 가결되었다. 총 1조 2,000억 달러 규모의 지원 예산은 일반 인프라 법안과 비교했을 때 교통, 수자원, 에너지, 천연자원 복원 등 거의 모든 주제에 예산을 투자 및 제공할 수 있다. 주요 내용으로는 향후 5년간 청정에너지 교통수단에 899억 달러 투자, 재생에너지 전환과 그리드에 650억 달러 투자 및  인프라 업그레이드가 있다.

[자료 7. 인프라 투자 및 일자리 법안 지출 구성]

출처: S&T GPS

이에 미 에너지부(DOE)는 2022년 2월 15일 초당적 인프라법(Bipartisan Infrastructure Law)의 시행을 통해 95억 달러에 달하는 청정 수소 분야 투자를 시행한다. 따라서 청정 수소 허브 설립에 80억 달러, 청정 수소 전해조 사업에 10억 달러, 그리고 청정 수소 및 재활용에 5억 달러가 사용될 예정이다. 또한 CCUS(탄소포집 활용 저장기술)의 대기 포집 기술에 35억 달러, 검증 및 수송에 40억 달러가 추가 투자되며 수소 생산 및 수송 분야에 지속적인 투자가 이뤄질 것으로 전망한다.

[자료 8. 파이프라인]

출처: Pixabay

하지만, 미 중앙정부의 이러한 파격적인 지원에도 정책 진행 상의 어려움은 많이 남아있다. 먼저 지역 정부의 허가지연 문제가 존재한다. 미 의회에서 중앙 개혁이 이루어지더라도, 그 정책을 시행하는 지역의 총체적인 권한은 해당 주에 있다. 각 주마다 서로 다른 이해관계를 가지고 있고 의견 충돌이 존재하기에, 이러한 에너지 정책 역시 행정적인 문제에 발목이 붙잡힐수 밖에 없다. 특히 탄소포집 및 수송에 필요한 '파이프라인' 매설에 어려움이 크다. 파이프라인은 복잡한 루트를 통해 설립이 계획된다. 대부분 한 파이프라인이 미국 영토 상의 수 개의 주를 거치고 그에 따른 법적 문제가 동반 될 수 밖에 없다. 실제 미국의 대규모 파이프라인 '미드웨스트 카본 익스프레스'의 건설이 아이오와 농부들의 반대에 부딪힌 사례가 존재한다. 파이프라인이 약 3,000km의 농지를 통과하는 점, 주변 농작물의 피해와 주민들의 건강 문제가 예상되는 점으로 인해 프로젝트에 난항을 겪고 있다.

미국의 정치적 상황 역시 주요한 이슈이다. 재생에너지 사업은 초당적인 지원을 받았다. 허나 이를 시행한 민주당과 그의 대척점에 있는 공화당의 정책 기조는 상반된다. EIRP의 총장이자 연사 Paul Saunders는, "민주당원 중 일부는 풍력과 태양광을 선호하고 다른 일부는 거기에 더해 원자력 발전까지 선호한다. 허나 공화당은 모든 에너지의 발전에 투자하길 원하며 특히 탄소 포집과 원자력을 선호한다"고 밝혔다. 즉 정부가 바뀌면 정책 역시 바뀔 여지가 있다는 것이다.  Saunders는 또한 정책의 법제화가 쉽지 않은 까닭에 향후의 지원 방안은 기술 개발 지원 및 인센티브 지급의 형태로 이루어 질 것이라는 전망 역시 내놓았다. 재생에너지 인프라 투자에 근간이 되는 IRA가 현재 10년간 유효한 정책이기에, 수소 및 재생에너지의 생산 비용이 10년안에 유효하게 감소될 지가 쟁점이다.

 

[H2 Economy and Trends/Prospects of Hydrogen Calue Chain Construction - Lhyfe]

[자료9. Lhyfe사]

출처: Lhyfe

Lhyfe는 프랑스 그린수소 스타트업이다. 2017년 5명으로 시작해서 2022년 3월 주식상장을 했으며 현재는 190여 명의 직원이 그린 수소 생산이라는 목표를 향해 나아가고 있다.

Lhyfe의 특이한 점은 Grid가 아닌 풍력을 얻은 전기를 이용하여 수소를 생산한다는 것이다. 또한, 바닷물의 염분을 제거하고 수분해를 통해 전해조로 진행한다. 더불어, off-take의 최적의 시기, 저장용량 예측 및 모니터링에 AI를 활용 중이다.

[자료10. Lhyfe의 사업 계획]

출처: Lhyfe

ESG로 인해 전세계가 신재생에너지에 집중하고 있다. 이에, 기존 가스 회사들도 에너지 전환에 적극적으로 관심을 갖고 있다. 2027년에는 LNG에서 사용하던 파이프라인으로 수소 공급하는 것을 목표로 하고 있다.

Lhyfe는 독일 Schwabish Gmund시로부터 local renewable green hydrogen ecosystem 개발 승인을 받았다. 이 부지는 10MW 규모로 계획되어 있어 하루 4 ton의 수소를 생산할 수 있다. 이 발전을 할 때도 위에서 언급되었던 것처럼 신재생에너지인 풍력과 태양열에서 얻은 전기를 활용한다. 독일 정부도 국제 트렌드에 발맞추어 야심 찬 계획을 갖고 있는데, 기존 LNG를 retrofit 해서 수소로 바꿀 계획이다. 고속철도가 대부분 전기로 운행되지만, disel을 사용하는 철도가 남아있다. 이것을 수소 고속철도로 바꾸는 계획도 기획하고 있다.

그 외에도 네덜란드 Delfzijl에 200MW plant를 설계하고 있다. 2027년에 운영하는 것을 목표로 하고 있다고 한다. 

[자료11. Lhyfe의 Off-shore Pilot]

출처: Lhyfe

Lhyfe는 현재 Offshore Hydrogen Produciton 프로젝트를 진행 중이다. 유럽의 북해지역은 거친 바닷바람이라는 특징을 활용하여 해상풍력을 진행할 수 있다. 북해 주변 국가인 영국, 노르웨이, 스웨덴, 네덜란드 등이 그 예이다. Lhyfe는 해상풍력을 통해 얻은 전기를 수소 생산에 이용하고 있다.

Lhyfe는 그린수소 생산기지를 해상에 설치하는 도전을 하고 있다. 해상에서 만들어진 전기를 육지까지 끌어오는 것보다 해상에서 사용하는 것이 더 효율적이라고 판단했다. 그래서 전기 생산지와 수소 생산지의 일치라는 목표를 갖고,  해상풍력으로 전기가 만들어지는 지점에 floating 시설을 띄우는 노력을 하고 있다.

Pilot으로 바다에서 수소를 생산하고 있다. 이때, 전해조를 사용하며, 파도로 인해 발생하는 조석간만의 차를 활용한다. 2년째 테스트를 진행 중이다. 처음에는 Brittany 부두에서 시범 운영을 했고, 현재는 해안에서 12~20km 떨어진 부유식 풍력 발전과 연계해서  그린 수소를 생산하고 있다. Pilot을 통해 다양한 R&D를 진행하고 있다. 첫 번째, 유동적인 환경에서도 수소의 생산이 잘 이루어지는지를 확인하고 있다. 두 번째, 사나운 바다에서도 container가 안전한 지를 실험하고 있다. 즉, 부식, 충격, 온도변화 등에 대해 시스템 내구성을 강화시킨다고 볼 수 있다. 세 번째, 원격제어이다. 지상이 아닌 바다에서 수소 생산이 이루어지다 보니, 완전 자동화가 되어야 한다.

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수소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소법과 알록달록 수소 이야기", 작성자(22기 김혜윤, 박주은), https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3975

수소법과 알록달록 수소 이야기

2. "그린 수소의 잔혹 동화, 그 이상과 현실의 괴리감", 작성자(23기 김서정),
https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3988

그린 수소의 잔혹 동화, 그 이상과 현실의 괴리감에 대해

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참고문헌

[수소에너지의 수요와 공급의 불균형]

1) 화학연구정보센터 CRIC, 네이버 포스트 "탄소중립시대, 수소에너지가 주목받게 된 이유", 2022.02.28, https://m.post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=33372476&memberNo=57137074&vType=VERTICAL 

[우리나라의 수소계획]

2) 노상양, 네이버 블로그 '에너지&미래 아카데미', 수소기술 미래전략, 청정수소 생태계 조성방안, 2022.11.22 https://blog.naver.com/nohssy/222924871214

3) 산업통상자원부, "새정부 첫번째 수소경제위원회 개최, 이종호 장관 '수소기술 미래전략' 발표, 2022.11.09

[America's Hydrogen Policy and Programs - EIRP]

1) 배성봉, 미국 수소경제 및 한국의 진출 방안, KOTRA, 2021.

2) 홍명표, "미국 탄소포집 파이프라인, 넘어야 할 산 많네", IMPACT ON, 2022.07.02, http://www.impacton.net/news/articleView.html?idxno=4405 

3) Jeff St. John, "Here’s the good and bad news on the US clean energy transition", Canary Media, 2023.03.01, https://www.canarymedia.com/articles/clean-energy/heres-the-good-and-bad-news-on-the-us-clean-energy-transition