보도자료

2023. 2. 1 (수) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

국제적 수소 공급망을 최적화할 방법 찾았다!

UNIST 임한권 교수팀, 국제 수소 공급망 최적화 모델 구축
경제․환경성 고려한 최적의 수소 공급망 제시… ACS SCE 게재

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.

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.

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.

(논문명: Materializing international trade of decarbonized hydrogen through optimization in aspects of both economic and environmental)

자료문의

대외협력팀: 김학찬 실장, 우종민 담당 (052)217-1232

탄소중립대학원: 임한권 교수 (052)217-2935

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

천연가스, 재생에너지와 같은 1차 에너지원을 이용해 생산되는 수소는 기존의 화석 연료와 같이 1차 에너지원의 지역적 편차에 따른 생산 가능 용량 편차가 상당함.

이에 따라, 에너지 수요에 비해 자원이 부족한 국가들은 에너지원으로써 수소를 수입해야 할 것이고, 반대로 수요에 비해 자원이 풍부한 국가들은 잉여 생산량을 수출하고자 할 것임. 대표적인 수입 예상 국가로는 한국, 일본, 독일 등이 있으며, 수출 예상 국가로는 호주, 칠레, 아랍에미리트 등이 있음.

세계 각국에서 해외 수소의 수출 및 수입을 연결해줄 공급망 구축을 위해 활발한 연구 및 개발을 진행해오고 있고, 국가적으로 발표되는 수소 로드맵 내에서도 해외 수소에 대한 언급이 잦아지고 있으며, 국제적인 협약 체결 및 기업 프로젝트 계획 등의 실질적인 노력도 이루어지고 있음.

각국마다 수행되어오고 있는 사례 연구도 유의미하지만, 궁극적인 전 세계 수소 공급망 구축을 위해서는 특정한 국가의 상황만이 아닌 모든 국가의 수요와 공급 상황들이 고려되어야 하며, 탄소 중립을 위한 방안으로써 이용되는 에너지원인 만큼 경제성뿐만 아니라 환경성도 고려되어야 함.

따라서, 본 연구에서는 다양한 수출국과 수입국의 해외 수소 수요와 공급을 고려하여 경제성 및 환경성 측면에서 최적의 공급망을 도출함으로써 보다 실질적인 지표를 제시하고자 함.

2. 연구배경

본 연구에서는 해외 수소 공급망을 크게 네 가지 과정으로 나누었으며, 이는 해외 수소 생산 과정, 수소 운반체로의 전환 과정, 운반체의 선박 운송 과정, 수소로의 재전환 과정을 포함함. 경제성 평가와 함께 환경성 평가가 수행되었으며, 환경성 평가를 통해 도출된 온실가스 배출량은 탄소세를 이용해 온실가스 배출에 따라 발생하는 비용으로써 고려되었음. 최종적으로는 경제성 및 환경성 평가를 통해 구축된 식들을 기반으로 최적화 모델을 구축하였음.

수소 생산 과정의 경우 습식 메탄 개질 방법에 이산화탄소 포집 및 저장 (CCS)를 결합하여 생산되는 ‘블루 수소’와 재생에너지를 기반으로 수전해를 통해 생산되는 ‘그린 수소’를 고려하여 경제성 및 환경성 평가를 수행하였으며, 각 수소 생산에 필요한 자원인 천연가스나 재생에너지가 풍부한 국가들을 고려하였음.

수소의 선박 운송을 위해서는 수소를 액화하거나, 액체유기수소운반체(LOHC), 암모니아 등의 액체상태 운반체 물질로 전환하는 것이 여러 방면에서 효율적인 것으로 알려져 있음. 따라서, 본 연구에서는 수소 운반체로써 최근 가장 주목받고 있는 액화 수소, 톨루엔 기반 액체유기수소운반체(LOHC), 암모니아를 고려하여, 수소 운반체로의 전환 과정, 운반체의 선박 운송 과정, 수소로의 재전환 과정에 대해 경제성 및 환경성 평가를 수행하였음.

경제성 및 환경성 평가를 통해 얻은 관련 식들을 기반으로, 결과적으로 어떤 국가에서 어떤 수소 생산 방법을 이용해 얼마만큼 수소를 생산하고, 어떤 수소 운반체를 이용해 어떤 국가로 가져가는 것이 경제성 및 환경성 측면에서 최적의 공급망이 되는지에 대한 답을 얻기 위한 최적화 연구가 혼합 정수 선형 계획법(mixed-integer linear programming, MILP)을 이용해 수행됨.

3. 기대효과

한국, 일본, 독일은 각각 2019년, 2017년, 2020년에 국가적 수소 전략 및 로드맵을 발표하며 수소 사회 진입을 위한 계획 및 목표를 밝힌 바 있으며, 특히 상당량을 해외 수소로 충당하려는 계획과 함께 이에 대한 수입 경로 확보를 위한 계획이 집중적으로 다뤄지고 있음. 이에 본 연구는 세계 주요 국가들의 수요와 공급을 고려하여 경제성 및 환경성 측면에서 최적의 해외 수소 공급망 구축을 위한 연구를 수행함.

본 연구를 통해 제공되는 최적화 결과는 세계 각국에서 계획 중인 해외 수소 수입과 수출을 위한 국제적 파트너십 구축에 실질적인 가이드라인을 제공할 수 있으며, 단가나 온실가스 배출량 등에 대해 언급된 목표 달성을 위해 경제성 및 환경성 측면에서 개선되어야 할 요소 및 과정에 대한 방향성도 제공할 수 있음.

[붙임] 용어설명

1. 액체 수소 (Liquid hydrogen)

수소를 약 –253°C의 극저온으로 냉각해 액화한 것으로, 기체 수소의 약 800배 부피당 에너지 밀도를 가지고, 상압 저장이 가능하여 수소 운반체로 이용될 수 있음.

2. 액체유기수소운반체 (Liquid organic hydrogen carrier)

탄소와 탄소의 이중결합이 포함된 액체상태의 유기화합물 기반의 수소 운반체로, 상온 및 상압에서 저장이 가능해 수소 운반체로 이용될 수 있음.

3. 암모니아 (Ammonia)

질소와 수소로 이루어진 화합물로 비료의 원료로 사용되는 대표 화학 물질이며, 최근에는 대용량의 장거리 수소 저장을 위한 방안으로써 기존 인프라 이용 가능하다는 점에서 경제성 측면에서의 그 경쟁력이 입증되면서 최근 주목받고 있음.

4. 수전해 (Water electrolysis)

전기를 이용해 분자를 분리해내는 기술로, 특히 여기서는 물 분자를 전기분해를 통해 수소와 산소로 분리할 수 있음. 이는 물 이외의 오염 물질을 전혀 배출하지 않아 가장 친환경적인 생산 방법으로 여겨지고 있음.

5. 습식 개질 (Steam reforming)

탄소와 수소를 포함한 탄화수소나 알코올 등의 연료를 물(수증기)과 함께 반응시켜 수소를 생산하는 반응임.

6. 혼합 정수 선형 계획법 (Mixed-integer linear programming)

선형 계획법은 의사결정 변수, 목적 함수, 제약 조건으로 구성되며, 주어진 선형 조건들을 만족시키면서 선형 목적 함수를 최적화하는 문제로, 미시 경제학, 네트워크 경로 최적화 등을 포함한 많은 분야에서 사용되고 있음. 여기서 의사결정 변수의 일부가 정수일 때를 혼합 정수 선형 계획법이라고 명명함.

[붙임] 그림설명

그림 1. 수소 생산 과정에서부터 전환 및 수송 후 저장 과정까지를 포함한 해외 수소 공급망에 대한 전체 개략도

그림 2 .최적화 연구를 통해 도출된 경제성 및 환경성 측면 최적의 해외 수소 공급망 (그린 수소 공급 국가는 초록색, 블루 수소 공급 국가는 파란색으로 표시)

그림 3. 도출된 최적 해외 수소 공급망 활용 시 연도 및 시나리오에 따른 수소 공급 단가와 현재 그레이, 블루, 그린 수소의 생산 가격 범위 (각 색깔을 통해 범위를 그래프 내 배경에 표시)

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