‘수소경제’ 어떻게 구체화할 것인가?

수소 생산과 운송, 저장 등에 관한 미국 전문가 논평

지구촌 곳곳에서 번지는 산불 등 지구 온난화에 따른 위기가 가시화되는 가운데, 온난화의 주범인 탄소 배출량을 줄이려는 움직임도 여러모로 구체화하고 있다. 그중 주목받는 한 가지 대안이 수소를 활용하는 것이다.

수소는 우주 질량의 75%를 차지할 정도로 풍부한데다 지구에서 구하기가 가장 쉽고, 공해도 배출하지 않는 청정 에너지원으로 알려져 있다. 따라서 수소는 일찍부터 지구 온난화에 대한 에너지 대안을 넘어 새로운 시장과 경제를 창출할 것으로 전망됐다.

2000년 대 초에 수립된 미국 수소경제 로드맵에 따르면, 2030년까지 수소에너지 시장 규모를 연 167조원으로 키우고 일자리 70만 개를 확보한다는 구상이다.

미국 에너지부는 지난 7월 청정 수소 기술을 발전시키기 위한 프로젝트와 ‘수소 에너지 어스샷(Earthshot)’ 계획을 가속화하기 위해 5,250만 달러(한화 600억 원) 지원을 발표하면서 로드맵을 한층 구체화하고 있다.

이런 움직임에 대해 미국 전문가들은 에너지 관련 저널 ‘줄’(Joule) 11일 자에 논평을 발표하고, 수소경제 구체화를 위한 전략 마련의 중요성을 강조했다.

수소경제를 구성하는 각 분야 요소들 © WikiCommons

“포괄적인 전략과 10년 계획 필요”

기후 변화를 해결하려면 청정 전력망뿐 아니라 산업용 에너지와 장거리 대형 운송 및 장기 에너지 저장에 따른 배출량을 줄일 수 있는 청정 연료가 필요하다.

논평에서 저자들은 수소와 그 파생물이 그런 청정 연료가 될 수 있으나, 미국의 청정 수소경제에는 포괄적인 전략과 10년 계획이 필요하다고 주장했다. 수소의 생산과 운송, 저장, 사용 및 경제적 실행 가능성을 포함한 미래의 수소 기반시설에 대한 신중한 고려가 청정 수소를 사회적 규모에서 실행 가능하게 한다는 것이다.

논평 제1저자이자 미국 스탠포드대 프리코트 에너지연구소 아룬 마줌다르(Arun Majumdar) 교수는 “우리는 2030년 이전에 온실가스 부산물을 생성하지 않는 수소를 kg당 1달러에 생산하겠다는 야심찬 ‘수소 어스샷 프로그램(Hydrogen Earthshot program)’을 출범시킨 제니퍼 그랜홈(Jennifer Granholm) 에너지부 장관에게 박수를 보낸다”고 말하고, “기술-경제적인 야심찬 목표를 지닌 비슷한 연구개발 프로그램들이 수소의 저장과 사용 및 운송에도 요구되며, 수소 어스샷은 수소경제 창출에 물론 필요하지만 충분하지는 않다”고 지적했다.

메탄 열분해를 통한 수소 생산(위)과 물 전기분해를 통한 수소 생산 비교 © WikiCommons

온실가스 없는 수소경제 돼야

해마다 전 세계에서는 약 7,000만 톤(MT)의 수소가 생산된다. 미국은 전 세계 생산량의 7분의 1을 차지하고 있다. 이 수소의 대부분은 비료와 석유화학 제품 생산에 사용되며, 대부분이 ‘회색 수소(gray H2)’로 간주한다. 생산 비용이 kg당 1달러 정도에 지나지 않지만, 수소 1kg 생산에 10kg의 이산화탄소가 배출된다는 단점이 있다.

수소는 원래 색깔이 없으나 학계에서는 편의상 수소 생산 방식에 따라 회색, 청색, 녹색, 청록색 수소 등으로 나누고 있다.

마줌다르 교수는 “수소경제는 이미 존재하고 있으나 많은 온실가스를 수반한다”며, “대부분 메탄으로부터 나오는 수소를 기반으로 하므로 오늘날 청정 수소경제는 존재하지 않는다”고 잘라 말했다.

연구자들은 청정 수소경제가 어떤 모습일지에 대해 다양한 비전을 가지고 있다. 예를 들어 ‘청색 수소(blue H2)’는 이산화탄소를 포집하고 배출량 저감을 포함하고 있어 온실가스 배출량이 적은 수소를 생산한다.

그러나 청색 수소 생산에는 부산물인 불필요한 이산화탄소를 운송하고 저장하는 데 필요한 파이프라인과 격리시설 개발 비용을 제외하고도 회색 수소보다 약 50% 정도 더 큰 비용이 든다.

저자들은 “청색 수소를 실행 가능한 선택지로 만들기 위해서는 이산화탄소 포집 비용을 줄이고 포집 완성도를 더욱 향상시키기 위한 연구 개발이 필요하다”고 밝혔다.

수소차 가스 충전소. © WikiCommons / EERE

Kg당 생산단가 1달러 이하로 낮춰야

또 다른 청정 수소인 ‘녹색 수소(green H2)’도 과학자들의 관심을 끌고 있다. 녹색 수소는 온실가스 부산물 없이 전기와 전해조로 물을 분해해서 얻는다. 문제는 kg당 생산 비용이 4~6달러에 달한다는 점. 마준다르 교수팀은 전기와 전해조 비용을 줄이면 kg당 2달러 아래로 낮출 수 있을 것이라고 제안했다.

메탄 열분해를 통해 온실가스 없이 얻어지는 ‘청록색 수소(turquoise H2)’도 연구자들로부터 주목받고 있다. 청록색 수소 생산에서는 고체 탄소가 부산물로 생성돼 이를 팔아서 비용을 상쇄할 수 있다. 마줌다르 교수팀은 이 고체 탄소의 양이 현재의 수요를 넘어설 것이라며, 새로운 수요 창출을 위한 연구개발이 필요하다고 지적했다.

청색이든 녹색이든 청록색이든 온실가스가 나오지 않는 수소 및 그 파생물들은 운송과 포집된 이산화탄소의 화학적 감축, 고도로 재생 가능한 에너지 의존 전력망에서의 장기간 에너지 저장, 철강 및 야금용 화학 환원제, 유리와 시멘트를 생산하는 고온의 공업용 열로 사용될 수 있다.

그러나 이 같은 응용분야가 현실화되려면 암모니아나 화학제품 생산 혹은 운송 연료나 연료전지로 사용할 수 있도록, kg당 생산단가가 1달러 선으로 내려가야 한다.

미국의 대형 가스회사인 프락세어사의 수소 생산 공장 © WikiCommons

기존 인프라 최대로 활용해야

연구팀은 또한 미국이 수소 파이프라인을 개발하고 수송을 위한 파이프라인 배치 방법과 함께 비용을 절감할 수 있는 대규모의 저장 방법도 고려할 필요가 있다고 강조했다.

저자들은 “새로운 파이프라인 인프라를 개발하고 배치하는 것은 일반적으로 비용이 많이 들고 사회적 수용 문제를 수반하게 된다”며, “따라서 새로운 수소 파이프라인 인프라가 필요하지 않은 대안적 수소경제 접근법을 모색하는 것이 중요하다”고 말했다.

즉, 물 분해에 필요한 전기를 전송하기 위해 기존의 인프라를 사용하거나, 열분해에 필요한 메탄 수송을 위해 천연가스 파이프라인 활용을 고려할 가치가 있다는 것이다.

연구팀은 “지질학적 저장에 관한 체계적인 연구가 있으나, 미국 지질조사국(USGS)이 수소의 지하 저장이 가능한 많은 위치를 식별해 내기 위해 전국적인 조사를 실시하고, 이런 동굴시설 사용에 필요한 기반 시설 비용을 고려해야 한다”고 덧붙였다.

전문가들은 앞으로 어느 나라가 수소사회의 주도권을 잡느냐에 따라 세계 질서와 판도가 재편될 수 있다는 전망을 하고 있다. ‘세계 1위 수소경제 국가’를 목표로 하는 우리나라에서도 미국의 이런 전략들은 참고가 될 것으로 보인다.

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