^*블루수소: 수소는 생산방식에 따라 크게 그레이수소, 블루수소, 그린 수소로 나뉜다. 뒤로 갈수록 친환경적이다. 블루수소는 화석연료에서 수소를 추출하는 그레이수소 생산 방식에 이산화탄소를 포집하고 저장하는 방식을 추가해 생산된 수소다. 블루 수소 생산방식은 공기중으로 배출되는 이산화탄소가 거의 없다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

수소는 지구상에 자체적으로 존재하는 천연가스나 풍력, 태양광 에너지와 같은 1차 에너지원이 아닌, 1차 에너지원을 이용해 특정 공정을 거쳐 만들어지는 2차 에너지원이기 때문에, 1차 에너지원의 보유량에 따라 생산 가능한 용량이 차이가 나게 된다.

따라서, 전 세계적으로 보았을 때 1차 에너지원의 특성상 기존 화석 연료와 같이 지역적 편차가 발생하여, 어떤 지역에서는 생산량이 넘쳐나 잉여 수소가 생기지만, 생산이 수요를 따라가지 못하는 지역도 존재한다. 생산이 수요를 따라가지 못하여 수소 주요 수입국이 될 것으로 예상하는 대표적인 국가로 한국, 일본, 독일을 포함한 유럽의 여러 국가가 있다.

이에 따라, 일본은 일찍부터 해외 수소의 경제적이고 환경 친화적인 국내 공급을 위해 여러 가지 실증 프로젝트와 함께 활발한 연구 및 개발이 이루어지고 있고, 한국과 독일도 발표한 국가 로드맵이나 전략을 기반으로, 최근에는 여러 국제적 협약을 체결하고 기업 자체적인 프로젝트를 계획하는 등의 실질적인 노력이 이루어지고 있다.

하지만 수입 프로젝트 실증에 앞서 해당 프로젝트의 전 과정에 대해 경제적, 환경적 측면에서 실현 가능성을 판단하기 위한 분석 연구가 필요하다. 일본이나 유럽 국가에서는 해외 수소 공급망에 대한 경제성 및 환경성 분석을 위한 연구가 많이 이루어지고 있는 반면, 한국으로의 해외 수소 공급을 위한 공급망의 전체 과정에 대한 완전한 경제성 분석이나 환경적인 영향 분석이 수행된 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 한국형 해외 수소 공급망에 대한 경제성 및 환경성 평가를 통해 경제성 및 환경성 분석 모델의 기반을 마련함과 동시에, 실현 가능한 공급망에 대한 지표를 제시하고자 했다.

2. 연구내용

해외 수소의 공급망은 크게 다섯 가지 과정으로 나누어질 수 있다. 이는, 수출국에서 저탄소 수소를 생산하는 과정, 생산된 수소를 수소 운반체 형태로 전환하는 과정, 전환된 운반체를 수입국까지 선박을 통해 운송하는 과정, 운송된 운반체를 수소로 재전환하는 과정, 그리고 마지막으로는 운반체 또는 수소 형태로 항구로부터 수요처까지 트레일러 또는 파이프라인으로 운송하는 과정을 포함한다.

따라서, 각각의 과정마다 경제성 및 환경성 분석이 진행되었으며, 여기서 환경성 분석을 위해서는 탄소 발자국(탄소배출량)이 이용됐다.

수소 생산의 경우, 저탄소 수소를 보통 그린 수소와 블루 수소 두 가지로 분류하는데, 먼저 재생에너지를 기반으로 수전해1)를 통해 생산되는 ‘그린 수소’는 완전한 저탄소 수소 생산법으로 각광받고 있다. 하지만 재생에너지의 규모 확장 등에 의한 한계로 인해 완전한 상용화까지는 시간이 필요할 것으로 예상하기 때문에, 블루 수소 생산 방식이 그린 수소 전환 여정의 징검다리 역할로써 주목 받고 있다. 블루 수소는 기존 화석 연료 기반으로 습식 메탄 개질2)을 통해 생산되는 ‘그레이 수소’와 석탄 가스화를 통해 생산되는 ‘브라운 수소’의 생산 방법에 이산화탄소 포집 및 저장(CCS)을 결합해 생산된 수소 생산 방식이다. 따라서 본 연구에서는 근 미래의 수소 생산을 고려하여 ‘블루 수소’3)를 고려했다.

수소의 선박 운송의 경우, 경제성을 고려하면 부피당 에너지 밀도가 현저히 낮은 수소 가스 형태 그대로 운송하는 것보다는, 밀도를 높일 수 있는 액체상태의 운반체로 전환해 운송하는 것이 바람직하다고 여겨지고 있다. 이에, 최근 주목받는 액체 수소4), 톨루엔 기반 액체유기수소운반체(LOHC)5), 암모니아6)를 포함한 세 가지 운반체를 두고 운송 거리 및 운송량에 따른 경제성 비교 분석을 진행했다.

수소의 국내 운송의 경우에는, 탱크 트레일러를 이용해 운반체 형태로 운송하는 것이 경제적일 수도 있고, 파이프라인을 이용해 압축된 수소 가스 형태로 운송하는 것이 경제적일 수도 있으므로, 수소파이프라인과 각 운반체 트레일러를 이용하는 네 가지 방법을 두고 운송 거리 및 운송량에 따른 경제성 비교 분석을 진행했다.

끝으로, 인도네시아에서 ‘블루 수소’를 생산하고, 선박 운송을 통해 한국으로 수입해오며, 울산항에서 전국 광역시를 포함한 몇 가지 주요 도시들을 수요처로 하여 운송하는 과정까지 포함한 공급망의 전 과정에 대한 경제성 및 환경성 분석을 수행했다.

사례 분석 결과 수소 1kg를 공급할 때, 생산 방법과 운반체 종류에 따라 생산단가는 약 3.45달러 ~ 3.72 달러의 범위를, 탄소 배출량은 약 9.64kgCO2 ~ 18.4 kgCO2의 범위를 보이는 것으로 나타났다.

3. 기대효과

2019년 정부에서 수소 생산, 저장, 수송, 활용 등의 내용을 담은 ‘수소 경제 활성화 로드맵’을 발표하여 수소 사회로의 진입을 천명했다. 성공적인 수소 사회 실현을 위해서는 수소의 안정성 생산 및 공급이 보장돼야 한다. 하지만 급증하는 수소 수요에 맞춰 국내 수소 생산만으로는 공급에 차질이 생겨 해외 수소 수입이 필요하다. 이미 일본에서는 자국 내 수소 공급을 위하여 호주에서 수소를 생산하여 수송하는 모델을 실증하는 단계다. 한국도 수소 사회로의 진입을 위해서는 이러한 해외 수소 공급 모델 개발이 필수적이다.

본 연구에서는 ‘수소 경제 활성화 로드맵’에서 다루고 있는 해외생산 수소 공급망에 대해 경제성 평가와 환경성 평가를 통해 경제적, 환경적인 정량적 지표와 기준을 제시했을 뿐만 아니라 인도네시아-한국 사례분석을 통해 해외 수소 공급 모델에 대한 청사진을 제시했다.

[붙임] 용어설명

1. 수전해

전기분해는 전기를 이용해 분자를 분리해내는 기술로, 특히 여기서는 물 분자를 전기분해를 통해 수소와 산소로 분리할 수 있다. 이는 물 이외의 오염 물질을 전혀 배출하지 않아 가장 친환경적이고 궁극적인 수소 생산 방법(그린 수소 생산방법)으로 여겨지고 있다.

2. 습식 개질

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

3. 액체 수소

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

4. 액체유기수소운반체

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

5. 암모니아

질소와 수소로 이루어진 화합물로 비료의 원료로 사용되는 대표 화학 물질이며, 최근에는 대용량의 장거리 수소 저장을 위한 방안으로써 기존 인프라를 활용할 수 있다는 점에서 경제성 측면에서의 그 경쟁력이 입증되면서 주목받고 있다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 해외 수소 공급의 전주기적 과정과 주요 수입국, 수출국을 나타낸 도식도

그림 2. 인도네시아에서 생산된 수소를 한국으로 수입하는 사례 연구로 분석한 생산 방법과 운반체별 수소 생산 단가와 탄소 배출량. 각 단계별로 비용과 이산화탄소 배출량을 계산했다. 석탄 가스화로 수소를 생산하고, 수소를 액화시켜 운반할 경우 (좌단 그래프) 수소 생산단가는 3.72 달러며, 수소 1kg당 이산화탄소 배출량은 9.64kg이다. 경제적 비용은 4번 사례(천연가스 습식 개질 생산& 액체유기수소운반체로 운송), 6번 사례(천연가스 습식 개질 생산& 암모니아 형태로 운송)가 가장 낮으나, 이산화탄소 배출량이 많다. 특히 6번 사례는 수소를 암모니아로 변환(Conversion)하는 과정에 이산화탄소 배출량이 많다.