다양한 국가들이 탄소 중립 실현을 위한 대체 연료로 수소 에너지를 필요로하고 있다. 수소는 에너지 자원을 통해 만들어짐에 따라 각국의 생산량만으로는 에너지 수요량을 충족시키기 어려운 실정이다. 이에 따라 최근 국제 수소 공급망의 경제성 및 환경성을 고려한 공급망 최적화 연구가 진행되어 주목받고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 탄소중립대학원 임한권 교수팀은 ‘국제적 해외 수소 공급망에 대한 경제성 및 환경성 측면 최적화‘에 대한 연구를 진행했다. 본 연구에서는 수소 도입 예정 국가(한국, 일본, 독일)의 수요와 수소 수출 예상 국가(호주, 칠레 등 총 16개국)를 고려해 수소 공급망 구축을 위한 실질적인 지표를 제시했다.
먼저 연구팀은 국가별 공식 발표된 로드맵을 통해 수소의 수출입 예상 데이터를 고려한 최적화 모델을 구축했다. 도출된 최적화 모델을 통해 모든 수소 수출입 국가의 수요와 공급을 만족시키며 경제성 및 환경성 측면을 고려한 경쟁력있는 공급망에 대한 답을 찾을 수 있었다.
그림1. 수소 생산 과정에서부터 전환 및 수송 후 저장 과정까지를 포함한 해외 수소 공급망에 대한 전체 개략도
제 1저자인 김아연 UNIST 연구원은 “전 세계적으로 청정 수소의 공급망 최적화를 위한 많은 연구가 이루어지고 있지만, 하나의 국가에 관한 사례 분석에 그치고 있다”며 “본 연구를 통해 전 세계적 해외 수소 수요와 공급을 고려하여 경제성 및 환경성 측면에서 최적의 공급망을 제시할 수 있었다”고 설명했다.
수소는 선박 운송 시 자체의 부피당 에너지 밀도가 떨어져 경제성이 낮기 때문에 보통 액체 상태의 수소 운반체(H2 carrier)로 전환해 운송한다. 따라서 최근 주목받고 있는 수소 운반체인 액화 수소, 톨루엔 기반 액체유기수소운반체(LOHC) 및 암모니아를 고려해 시나리오를 구상했다.
그림2. 최적화 연구를 통해 도출된 경제성 및 환경성 측면 최적의 해외 수소 공급망
추가적으로 연구진은 2030년부터 2050년까지 10년 간격을 기준으로 최적화 값을 예측했다. 또한 불확실성이 큰 재생에너지 기반 전기와 천연가스의 가격 및 생산량을 고려하여 예측값을 책정했다. 이를 통해 일정 범위의 가격 및 생산량에 따른 다양한 최적화 시나리오를 도출해낼 수 있었다.
연구 결과 암모니아를 수소 운반체로 활용하는 것이 가장 경쟁력있는 것으로 확인됐다. 수행된 경제성 및 환경성 평가 결과에 따르면 온실가스 배출에 따라 발생하는 탄소세를 포함한 수소 공급 가격은 1kg 당 2.15에서 3.43달러 사이의 범위를 보였다. 이 결과 값을 통해 수소 도입 예정 국가(한국, 일본, 독일)가 미래에 필요한 수소 공급망 최적화 시나리오를 도출했다.
임한권 탄소중립대학원 교수는 “본 연구는 호주, 칠레, 아랍에미리트 등 최대 수소 수출국이 될 것으로 전망되는 다양한 국가들과 한국, 일본, 독일과 같이 자원 부족으로 최대 수소 수입국이 될 것으로 전망되는 국가들로부터 공식적으로 발표된 로드맵을 기반으로 모든 수요와 공급을 동시에 고려한 최적화 결과를 보여준다”며 “전체적인 수요와 공급을 동시에 고려한 경제성·환경성 기반의 최적 공급망이 도출되어야 할 것이고 이번 연구는 이를 위한 발판을 마련한 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단(NRF) 수소에너지혁신기술개발사업과 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 국제학술지인 ‘에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 엔드 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)’에 게재 됐으며 2023년 1월호 추가 표지 논문으로 선정됐다.
