지구 온난화 따른 잦아진 자연재해, 에너지 전환 촉진

올해도 지구촌 곳곳에서 기상 이변으로 인해 더욱 강력해진 태풍과 집중 호우 등에 큰 피해를 입고 있다. 해가 갈수록 지구 기온이 상승하고 있으며, 자연재해로 인한 피해가 커지는 경향을 보이고 있다. 특히 올해는 그 어느 때보다도 뜨거운 여름이었다는 발표도 있었다. 지구가 온난화 된다는 것은 대기 중에 수증기 함유량이 높아져 대기 불안정 시 집중 호우와 폭우가 내릴 가능성이 높아지며, 이로 인한 홍수·산사태 등으로 피해가 더욱 커지게 됨을 뜻한다. 따라서 지구 온난화 방지를 위한 노력이 더욱 절실히 요구되고 있으며, 이러한 노력 없이는 우리의 삶이 지속 가능하지 못하게 될 것이라는 우려가 커지고 있다. 결국 우리 인류가 에너지를 얻기 위해 지하에 묻혀 있는 석탄·석유와 같은 화석 연료를 채굴하여 연소시킴으로써 지하에 매장되어 있던 탄소가 이산화탄소 형태로 대기 중에 배출돼 지구 온난화를 유발하고 있기 때문이다. 따라서 화석 연료 사용을 줄여 이산화탄소 배출을 낮추기 위한 다양한 노력들이 이루어지고 있다.

대기 중 탄소 배출 증가를 막기 위한 노력으로, 지구 온난화를 산업화 이전 수준보다 섭씨 2도 이하로 제한하는 것을 목표로 하는 파리 협약에 따라 화석 연료 의존도를 줄이기 위해 태양광·풍력 등 재생에너지원에 대한 투자가 확대되고 있다. 또한 탄소 배출량을 줄이도록 장려하기 위해 탄소세 또는 배출권 거래제 시행과 함께 개발도상국의 배출량 감소 및 기후 변화 적응을 지원하는 글로벌 기후 기금도 운영되고 있다. 금융 기관들은 환경을 고려한 ESG 경영의 중요성을 깨닫고 지속 가능한 프로젝트에 우선적인 투자를 결정하고 있어 기업들이 환경을 고려한 사업 활동을 하도록 유도하고 있다. 또한 에너지 소비를 줄이기 위해 산업·건물·교통 분야에서 에너지 효율 향상 노력과 함께 이산화탄소를 흡수하고, 삼림 벌채를 방지하며, 나무를 심어 숲을 복원하는 등 다양한 노력들이 이루어지고 있다. 이러한 노력들의 중심에는 수소에너지가 있다.

수소경제 달성 위해 재생에너지 생산 기반의 확대 필요

지금 지구 온난화 방지를 위해 수소에너지에 거는 기대감이 크다. 수소는 탄소 발생이 없는 에너지원으로 지구 온난화 방지를 위한 최적의 에너지원으로 여겨지고 있기 때문이다. 따라서 수소경제 진입을 통해 우리 삶이 지속될 수 있기를 기대하고 있다. 그런데 문제는 ‘어떻게 수소를 경제적이면서도 친환경적인 방법으로 대량 확보할 수 있을까?’에 있다. 수소가 우주의 구성 요소 중 대부분을 차지하는 성분이라고는 하지만, 이것이 에너지원이 되기 위해서는 우리가 쓸 수 있도록 분리·저장돼야만 의미가 있다. 그런데 현재로서는 우주로부터 수소를 분리해 사용한다는 것은 그저 상상에 가깝다.

석탄·석유·천연가스 등 화석 연료는 탐사를 통해 채굴이 가능하지만, 수소는 탐사를 통해 대량으로 얻을 수 있는 에너지도 아니며, 에너지를 투입해 화석 연료에서 수소를 분리하거나 전기로 물을 분해해 얻을 수 있는 2차 에너지라는 한계가 있다. 지금까지 수소는 석탄 또는 천연가스 등 화석 연료 개질 또는 산업 공정에서 발생되는 수소를 정제해 이용하는 것이 가장 경제적이면서도 대량 수소를 얻을 수 있는 방법이었다. 특히 개질을 통한 수소 제조 방법은 그 과정에서 이산화탄소가 배출될 수밖에 없기 때문에 궁극적인 대량 수소 확보 방법으로 더 이상 주목받지 못하고 있다. 그러나 향후 이산화탄소 포집 기술을 적용함으로써 경제적이면서 신뢰성 있는 수소 제조 방법의 하나로 수소경제의 마중물 역할을 담당하게 될 가능성은 여전히 존재한다.

우리나라의 경우 수소를 대량으로 확보하는 방안으로서 해외에서 제조된 수소를 액화해 국내에 도입하는 것을 검토하고 있다. 이는 해외에서 풍부한 재생에너지를 활용해 제조된 수소를 액화 후 국내에 공급하는 방법인데, 액화수소 운송 과정에서 기화되는 수소의 처리 방법과 액체수소를 저장하기 위한 터미널 건설 등 기술적·경제적인 어려움 등으로 인해 액체수소의 상업적 활용을 위해서는 앞으로도 많은 시간이 소요될 것으로 예상된다. 그러나 수소를 수입하면 석유와 마찬가지로 수소에너지마저 해외에 의존함으로써 에너지 안보에 기여할 수 없으며, 수소 도입 가격 급변 시 우리 경제에 영향을 미치게 된다는 우려도 존재한다. 따라서 탄소 배출 저감 뿐만 아니라 에너지 자립 관점에서 태양광과 풍력 등 재생에너지 보급은 에너지 안보 차원에서 중요하게 평가되고 있으며, 보급 확대를 위한 노력이 지속적으로 이루어져야 할 것이다. 재생에너지원 확대는 그린수소 제조 및 공급을 확대할 수 있다는 것을 의미해 수소경제 시대 진입을 가능하게 하는 필요조건이라고 할 수 있다.

유럽의 경우 재생에너지 공급량이 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 영국은 2022년 기준 재생에너지 발전 비중이 40%대에 진입했으며, 독일도 46%로 증가하는 등 지난해 대비 5% 상승한 것으로 보고되고 있다. 반면, 우리나라는 2021년 태양광과 풍력을 통한 발전 비율이 4.3~4.7%에 불과하며, 넓은 의미의 재생에너지 비중으로 보더라도 7.5% 정도로 낮은 수준을 보이고 있다. 그러나 우리나라는 좁은 국토 면적으로 인해 대규모 태양광 설비 구축에 한계가 있지만, 미활용 부지와 해상풍력을 중심으로 적극적인 재생에너지 보급 확대가 이루어질 수 있도록 해야 할 필요성이 있으며, 중국산 저가 태양광 패널 가격에 대한 경쟁력을 확보할 수 있는 고효율 태양광 패널 개발에 대한 노력이 절실한 상황이다.

재생에너지 확대로 그린수소 생산 가속화

전 세계적인 재생에너지 보급 확대는 수소 경제 진입을 앞당기고 있다. 재생에너지원에서 생산되는 전력은 주로 전력 그리드로 송전하기도 하지만, 재생에너지 발전설비 보급 확대로 발전량이 증가함에 따라 이를 활용해 수소를 생산하는 방안이 추진되고 있다. 재생에너지원 발전량은 기상 조건에 따라 결정되기 때문에 잉여전력이 발생하게 된다. 이러한 잉여전력의 효과적인 활용 방안으로는 물 분해를 통한 수소 생산을 들 수 있다. 유럽의 경우 생산된 수소는 수소전지차를 위한 충전소 운영과 천연가스 배관에 주입하는 방안이 고려되고 있다. 우리나라에서도 제주도를 중심으로 재생 수소를 이용한 수소충전소가 시범 운영 중이다.

우리나라 수소경제는 수소 모빌리티를 중심으로 이루어지고 있다. 이를 위해 수소전지차에 수소를 공급해주기 위한 충전 인프라 확충에 많은 노력이 이루어지고 있다. 수소충전소는 전국 각지에 분산 구축하는 것이 필요하며, 각 수소충전소에 수소를 공급해 줘야 한다. 수소충전소마다 수소 전용배관을 매설해 수소를 공급하는 것이 현실적으로 어렵기 때문에 일부 천연가스 개질 방법을 제외한 부생수소 공급 방식의 수소충전소는 수소를 튜브 트레일러로 공급하고 있는 상황이다. 그러나 수소는 밀도가 낮기 때문에 튜브 트레일러를 이용한 압축저장 운송 방식은 효율이 낮아 최근 액체수소를 이용한 운송법이 시도되고 있다. 그러나 이 경우 운송 효율을 높일 수 있다는 장점은 있으나, 초저온 액체수소 저장, 운송 및 이송 과정에서 발생돼 기화되는 수소 처리에 대한 기술적인 어려움과 경제성 확보의 어려움으로 인해 대안 마련이 필요하다.

수소 운송 비효율성으로 다양한 수소 캐리어 주목

재생에너지에서 생산되는 수소로 다른 형태의 연료를 합성해 활용하는 방안이 시도되고 있다. 수소로 합성할 수 있는 대체 연료로 암모니아와 메탄올을 들 수 있으며, 이들 연료는 육상 수송용 수소 캐리어이자 해상용 청정 선박 연료로도 관심을 받고 있다.

암모니아 합성은 공기에서 분리된 질소와 수소를 고온 고압에서 하버·보슈법으로 생산한다. 이 기술은 제1차 세계대전 때 독일에서 개발된 것으로 이미 잘 알려진 공정으로 기존에 석탄에서 수소를 분리해 사용한 것과 달리 재생수소를 이용한다는 점이 다르다. 암모니아는 주로 비료 원료로 사용돼 왔으나, 암모니아 분해를 통해 수소 생산이 가능하고, –33도 저온에서 저장과 운송이 가능하기 때문에 수소 캐리어로서 활용이 고려되고 있다. 또한 암모니아는 현재 사용되고 있는 암모니아 물류 인프라를 활용할 수 있다. 연소 후에도 이산화탄소 발생 없이 질소와 물을 생성하기 때문에 청정에너지로서 활용이 가능하지만 암모니아는 독성이 있어 취급이 어렵다는 문제와 암모니아 합성 과정에서 발생되는 에너지 손실 또한 전체적인 에너지 효율 관점에서 고려돼야 한다.

메탄올 역시 친환경 에너지로서 수소 캐리어로 떠오르고 있다. 메탄올은 화력 발전소 또는 바이오가스 플랜트 등에서 발생되는 이산화탄소를 포집해 재생에너지원에서 생산된 수소와의 반응을 통해 합성할 수 있다. 따라서 메탄올 합성 과정에서 포집한 이산화탄소를 활용할 수 있고, 또한 바이오가스로부터 분리된 이산화탄소를 이용할 경우 탄소 순환 개념에 따라 넷제로(Net Zero) 연료로서의 의미를 가지게 된다. 바이오가스는 음식 폐기물이나 축산 폐기물의 혐기소화 과정을 통해서 얻을 수 있는 가스로 보통 메탄 60%와 이산화탄소 40%로 이루어진다. 이러한 바이오가스를 사용하지 않고 대기 중으로 배출시킬 경우 오히려 바이오가스에 포함된 메탄가스가 온실 효과를 가중시키기 때문에 메탄을 분리해 연료로 사용하고, 분리된 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄올을 제조해 활용하는 방안은 높은 온실가스 배출 저감 효과를 기대할 수 있다.

해상 친환경 선박 연료에 변화 일어나

2020년 국제해사기구의 해상 황화물 규제 강화에 따라 벙커유를 대체할 수 있는 친환경 선박 연료로 LNG가 주목을 받아왔다. 이 결과로 현재 450여 척의 LNG 추진 선박이 운행되고 있으며, 지속적으로 보급이 이루어지고 있다. 그러나 해상 선박 운행에 대해 2050년까지 이산화탄소 배출 제로가 요구되고 있다. 이러한 규제를 만족하기 위해 암모니아 또는 메탄올을 연료로 하는 선박들이 관심을 받고 있다. 메탄올의 경우 탄소배출 저감 효과가 암모니아보다 크기 때문에 메탄올 추진선박 보급은 확대될 것이며, 이에 따라 재생에너지로부터 생산되는 수소를 기반으로 한 합성 메탄올 시장은 확대될 것으로 예상되고 있다. [그림 1]

친환경 에너지원으로 e퓨얼 관심 증가

육상 수송 분야에서 전기차와 수소전지차 보급이 증가하고 있다. 일부 국가에서는 내연기관 자동차 생산을 중단하겠다는 발표도 나오고 있다. 이 경우 내연기관 자동차 관련 산업은 사양산업이 될 수밖에 없으며, 관련 산업 붕괴는 향후 사회 문제로 대두될 수 있다. 이에 따라 친환경 e퓨얼을 이용한 내연기관 자동차 보급은 기존 내연기관 자동차 산업을 유지할 수 있는 대안으로 평가되고 있다.

e퓨얼은 전기 기반 연료라는 의미가 있으며, 제2차 세계대전 당시 독일에서 개발된 GTL(gas to liquid) 기술로 생산된 합성 석유를 말한다. 기존 기술의 경우 석탄으로부터 얻어지는 수소를 사용한 반면, e퓨얼은 석탄 대신 재생에너지에서 생산되는 수소를 이용해 이산화탄소와 반응시켜 합성 석유를 생산하는 개념이다. 따라서 e퓨얼 생산법은 암모니아나 메탄올과 동일하게 재생에너지에서 얻어지는 수소를 활용한다는 점에서 공통점을 가지고 있다.

e퓨얼은 기존 석유 공급 인프라를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있으며, 포집된 이산화탄소를 활용하기 때문에 탄소 순환 관점에서 친환경 연료로 여겨지고 있다. 그러나 암모니아·메탄올과 마찬가지로 e퓨얼 모두 에너지 변환과정에서의 에너지 손실로 인해 에너지 이용 효율이 낮으며, 또한 아직은 생산 단가가 높기 때문에 상업적으로 이용되기에는 어려움이 많을 것으로 예상되고 있다.

수소ESS 시스템 구축 및 활용, 수소경제 위한 바람직한 방안

재생에너지원이 확대되면 될수록 간헐성을 보완하기 위한 시스템이 필요하다. 잉여전력을 이용해 합성 연료 생산에도 상용할 수 있지만, 보다 효율적으로 사용하기 위해서는 전기 형태로 저장했다가 필요할 때 사용할 수 있도록 해주는 전기에너지 저장시스템(ESS)을 구축하는 것이 바람직하다. 그러나 현재 배터리를 이용한 에너지 저장 시스템은 높은 배터리 가격 때문에 경제성이 낮고, 화재 위험성으로 인해 보급 확대가 잘 이루어지지 못하고 있어, 그 대안으로 잉여전력을 이용해 수소를 제조하고 대규모 압축 저장했다가 필요 시 연료전지로 전력을 공급해주는 수소 ESS 시스템을 적용하는 것을 고려해 볼 수 있다. 이때 사용되는 연료전지는 수소 제조를 위한 개질기 없이 연료전지 스택만 필요하기 때문에 연료전지 시스템 단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다. 그리고 이 방법은 제조된 수소를 원거리의 수소 수요처로 운송할 필요 없이 현장에서 제조 후 사용하는 방식이기 때문에 에너지 활용 관점에서 바람직하고 할 수 있다.

수소경제 완성 위해서 분산형 에너지 시스템 함께 고려돼야

수소경제의 핵심 요소 중 하나는 연료전지다. 즉 수소경제 달성을 위해서는 연료전지 기술 자립이 필요하며, 특히 발전용 연료전지를 이용한 분산형 에너지 시스템 구축이 요구되고 있다. 분산에너지란 전력 수요가 있는 지역에 발전 설비를 설치해 송전선로 건설을 최소화할 수 있는 집단에너지 또는 자가용 발전 설비 등을 말한다. 분산 발전 설비에는 태양광·풍력·연료전지 등을 들 수 있다. 최근 분산에너지 활성화법이 지난 5월 국회를 통과했으며, 시행령과 시행규칙을 마련해 내년 6월 본격 시행될 예정이다. 분산 발전 시스템을 이용하면 중앙 집중형 전력 시스템 이용 시 송전선로 건설에 따른 사회적 갈등이나 낮은 주민 수용성을 극복할 수 있는 장점이 있다. 그러나 분산형 에너지 시스템 확대는 전력 계통 불안을 초래할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 스마트 그리드 개념을 적용한 전력 계통 안정화 노력이 지속돼야 한다.

청정에너지로서 LNG 에너지 역할, 인식할 필요 있어

수소는 모든 에너지 문제를 해결해 줄 수 있을 것으로 여겨지고 있으나, 대량 수소 확보 방안이 마련되기 전까지는 단지 재생에너지원의 저장 수단 역할로서 의미가 있을지도 모른다. 재생에너지로부터 나온 수소로 e암모니아·e메탄올·e퓨얼을 생산해 미래 청정에너지원으로서의 활용을 기대하고 있지만, 경제성을 갖추기 위해서는 더 많은 노력과 시간이 필요한 상황이다.

현재 시점에서 LNG 연료는 이산화탄소 배출 저감에 기여할 수 있고, 수소경제 진입을 가능하게 해주는 현실적인 에너지원이다. LNG는 석탄 대비 70%, 경유 대비 30%, 휘발유 대비 25% 가량 이산화탄소를 저감할 수 있는 청정 화석 연료로 알려져 있다. 즉 석탄 화력 발전을 천연가스 발전으로 전환하면 70%의 이산화탄소 저감이 가능하다는 것을 뜻한다. 기존에는 배관을 통한 천연가스 공급이 우선적으로 고려됐으나, 최근 러시이아-우크라이나 전쟁으로 인해 LNG 형태의 천연가스 시장이 더욱 활성화 되고 있다.

앞으로는 LNG에 기반한 초저온 산업 육성이 필요하다. 초저온 산업은 액체수소를 통한 수소경제 진입에 도움을 줄 수 있기 때문에 미래 신산업으로 지정해 육성하는 방안도 고려해야 한다. LNG 산업은 운송 분야에서 LNG 자동차를 활성화할 수 있고, LNG 냉열과 연계한 분산형 발전 시스템 운영으로 복합에너지 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있다. LNG 이용 시 배출되는 이산화탄소는 포집 후 온실 재배에 활용함으로써 탄소 순환을 통해 온실가스 배출 저감에 기여할 수도 있다.

결론적으로 수소경제 달성과 에너지 안보라는 두 마리 토끼를 잡기 위해서는 국내에서도 재생에너지 생산 기반 확대 노력이 지속 이루어져야 한다. 이를 위해 고효율 태양광 패널을 국산화하는 것만이 중국과 경쟁할 수 있는 방법이며, 풍력 발전 설비 단가를 낮추기 위한 지속적인 연구 개발도 요구된다. 고압 수전해 수소 생산 기술 개발과 함께 대형 연료전지 기술 자립화 및 생산 단가를 낮추기 위한 연구도 지속돼야 할 것이다. LNG는 수소경제 진입을 가능하게 하는 청정 연료이므로 소규모 LNG 물류 비즈니스에 대한 관심과 함께 LNG 자동차 보급이 대형 수송 분야의 이산화탄소 저감에 기여할 수 있다는 점도 잊어서는 안 될 것이다.