일본이 수소경제를 선도함으로써 탈탄소 사회를 구축하기 위해 발 빠르게 움직이고 있다.
일본 정부는 2050년 탄소중립(실질 탄소 배출량 제로)을 달성한다는 목표 아래 2050년 기준 수소 2000만톤 활용을 추진하고 있다.
수소는 자동차·선박·철강 등 다양한 분야에 투입할 수 있으며 500만-1000만톤이면 일본 전력 수요의 10% 정도를 충당할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
일본은 그린성장 전략을 통해 2050년 전력 공급비중을 해상풍력을 중심으로 한 재생에너지 50-60%, 화력·원자력 30-40%, 수소·암모니아 10%로 구성하겠다고 제시했다.
수소는 발전연료로 사용이 가능하고 공업용 원료‧연료로 활용할 수 있다는 점에서 탈탄소 사회 실현 및 탄소중립 달성을 위한 중요한 에너지 수단으로 주목받고 있다.
다만, 일본은 한국과 마찬가지로 재생에너지를 포함해 자원 매장량이 부족하다는 점에서 가격 경쟁력이 우수한 수입 수소에 의존할 수밖에 없는 것으로 파악된다.
NEDO, 2030년까지 11개 사업 실용화 목표
일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)는 최근 수소 서플라이체인 실증사업을 2030년 실용화하기 위한 마무리 단계에 돌입한 것으로 알려졌다.
2020년까지 완료한 사업 중 유효성을 가지고 있음이 확인된 기술을 대상으로 2021년까지 혹은 장기 프로젝트는 2030년까지 실용화를 위한 스케일업을 진행할 예정이다.
발전 등 이용기술과 공동으로 출구를 도출하고 사업기간 동안 해외에서 저가 수소 자원을 확보하며 원활한 상용화로 이어가겠다는 목표를 세우고 있다.
NEDO의 수소 관련 프로젝트는 MCH(Methyl Cyclohexane) 서플라이체인 실증, 액화수소 서플라이체인 상용화 실증, 대규모 알칼리 전해 시스템 및 클린케미칼 플랜트, 대규모 P2G(Power to Gas) 시스템을 활용한 에너지 전환과 이용기술 개발 등 11개 사업으로 구성돼 있다.
치요다(Chiyoda) 등이 실시하고 있는 MCH의 글로벌 수소 서플라이체인 실증은 2020년 완료했다.
브루나이산 MCH 210톤을 가와사키(Kawasaki)까지 수송한 다음 발전연료로 사용한 후 기술적 유효성을 확인했다. 
에네오스(Eneos)는 수입 MCH를 정유공장에서 활용할 예정이다. 도입‧저장과 수소 제조기술을 연구하고 있으며 수만톤급의 실증을 추진하고 있다.
다만, MCH는 코스트가 과제로, 에네오스는 정유공장에서 얻은 열을 탈수소 프로세스에 사용하는 방법을 고안하고 있다.
에네오스의 직접 MCH 전해 합성기술도 그린 이노베이션 기금 프로젝트로 선정됐으며 수소화 프로세스의 코스트다운에 영향을 미칠 것으로 예상된다.
액화수소 서플라이 실증은 가와사키중공업(Kawasaki Heavy Industries)이 개발한 액화수소 운반선 수소 프런티어가 2021년 오스트레일리아에서 고베(Kobe)항으로 수소를 수송함으로써 1차 종료됐다.
가와사키중공업이 사업주체를 맡고 이와타니산업(Iwatani), 에네오스 등이 참여하고 있으며 현재 1250입방미터인 수소 운반선 탑재용 저장탱크를 16만입방미터로 대형화하고 육상탱크도 5만입방미터급으로 확대해 2030년 수소 가격을 노멀입방미터당 30엔 수준으로 낮추는 것을 목표로 하고 있다.
액화수소 운반선 수소 프런티어 건조에 대형화
일본은 기타큐슈(Kitakushu), 후쿠시마(Hukushima) 등에서 수소 프로젝트를 추진하고 있으며 수소 공급망·발전 실험은 고베의 공항섬과 인근 포트아일랜드에서 진행하고 있다.
프로젝트에는 고베를 비롯해 NEDO, 가와사키중공업, 수소기업 이와타니산업, 간사이전력(Kansai Electric) 등이 참여하고 있다. 비용은 정부가 67%를, 민간기업이 33%를 부담하며 2023년까지 실증실험을 진행한 후 민간기업 참여를 확대할 방침이다. 
오스트레일리아 등에서 코스트가 낮은 수소를 수입해 사용하며, 가와사키중공업이 2019년 말 세계 최초로 진수한 액화수소 운반선 수소 프런티어를 활용한다.
수소 프런티어는 전장이 116m로 기체에 비해 체적이 800분의 1로 줄어든 액화수소를 안정적으로 운반할 수 있도록 설계했고, 이르면 2022년부터 오스트레일리아에서 액화수소를 운반할 것으로 예상된다.
수소 프런티어가 한 번에 운반할 수 있는 액화수소는 1250입방미터로 가와사키중공업은 16만입방터를 운반할 수 있는 대형 운반선을 개발하고 있다. 2030년 대형 운반선을 1대 정도 운영할 계획이며, 2대를 투입하면 1GW급 발전소를 가동할 수 있을 것으로 판단하고 있다.
수소 프런티어의 탱크는 영하 253도에서 액화된 수소에 열·압력이 가해져 불안정해지는 것을 막도록 진공층을 사이에 둔 2중구조로 2022년부터 9000km 가량 떨어진 오스트레일리아에서 갈탄을 활용해 제조된 수소를 한번에 1250입방미터(75톤) 가량 운반할 것으로 예상된다.
포트아일랜드에서는 2018년부터 수소발전 실증실험을 진행하고 있다. 수소를 활용해 1MWh급 터빈을 돌려 인근 스포츠센터·병원·전시장 등에 전력·열을 공급하고 있다. 초기에는 LNG(액화천연가스) 80%, 수소 20%를 혼합해 연료로 활용한 후 LNG 비율을 점차 낮춰 2018년 4월 수소 100% 가동에 성공한 것으로 알려졌다.
MCH‧액화수소 조달 대상국은 미정
MCH와 액화수소 프로젝트 모두 수소 조달 대상국을 확정하지는 않은 것으로 알려졌다.
블루수소, 그린수소를 가리지 않고 저가에 조달할 수 있는 국가를 우선시하고 있으며 정부간 교섭을 포함해 결정할 예정이다.
현재 추진하고 있는 프로젝트는 서플라이체인 전체를 대상으로 한 실증이며 2030년까지는 사업 타당성 조사로 발전시킬 방침이다.
기존에는 수소발전 기술을 미츠비시전력(Mitsubishi Power)이 개발했지만 플랜트 엔지니어링이 아닌 발전 사업자 JERA와 간사이전력, 에네오스 등이 담당한다.
수전해 시스템은 2개 프로젝트가 선정됐다.
아사히카세이(Asahi Kasei)의 대규모 알칼리 수전해 시스템 프로젝트는 최종적으로 100MW급을 실용화하기 위해 후쿠시마 수소에너지 연구필드(FH2R)에서 도입한 10MW 유닛을 병렬화함으로써 수십MW급 시스템 실증을 진행할 예정이다.
제조된 수소는 JGC의 암모니아 합성 플랜트 실증에 투입된다.
야마나시현(Yamanashi)이 추진하는 대규모 P2G 프로젝트는 도레이(Toray)가 개발한 전해질막을 탑재한 히타치조선(Hitachi Zosen)과 지멘스에너지(Siemens Energy)의 고체 고분자막(PEM)형 수전해 장치 2종을 사용해 실증실험을 진행하고 있다.
각각 8MW급 장치를 도입할 예정이며 신재생에너지를 사용해 수요처 인근에서 수소를 제조하는 것을 목표로 하고 있다.
일본은 현재 유럽, 오스트레일리아 등이 그린수소 프로젝트를 잇달아 계획하고 있는 가운데 대부분 유럽기업이 제조한 수전해 장치를 사용한다는 점에 주목하고 있다.
앞으로는 대형 실증실험을 통해 일본산 장치가 사용될 수 있도록 다양한 가능성을 열어나갈 계획이다.
경제산업성, 20조원 투자해 실용화 박차
일본 경제산업성은 수소에너지 보급을 목적으로 2조엔(약 20조원)에 달하는 그린 이노베이션 기금을 조성해 활용하고 있다.
수요와 공급을 함께 창출할 수 있는 대규모 수소 서플라이체인 구축과 재생에너지 베이스 전력을 활용하는 수전해 수소 제조 프로세스를 확립할 계획이며, 모두 NEDO 프로젝트를 통해 일정 성과를 거두고 있다.
경제산업성은 NEDO 프로젝트의 성과를 바탕으로 실용화에 박차를 가하고 있음은 물론 규모화 및 효율화도 추진하고 있다.
연료용 암모니아(Ammonia), 카본 리사이클, 자원순환 등에 대해서도 다양한 검토작업을 추진하고 있다.
수소 공급 코스트 저감이 경쟁력 좌우
NEDO는 글로벌 수소 서플라이체인 구축을 위해 2020회계연도(2020년 4월-2021년 3월) 동안 2건의 실증을 추진했다.
MCH를 캐리어로 사용해 브루나이에서 일본까지 수송하는 사업은 엔지니어링기업 치요다가 참여하고 있는 차세대 수소에너지 체인 기술 연구조합(AHEAD)이 주도하며 2021년 3월 이전 종료했다.
오스트레일리아에서 제조한 액화수소를 수송하는 사업은 가와사키중공업이 참여하는 기술연구조합 이산화탄소(CO2) 프리 수소 서플라이체인 추진기구(HySTRA)가 진행하고 있으며 2021년 겨을 이전에 일본에 액화수소 운반선이 도착한 것으로 알려졌다.
일본 경제산업성은 현재로서는 수소 캐리어로 어떠한 것이 가장 유용할지 압축할 수 없으며 각각의 기술적 과제를 극복하기 위해 지원할 계획이다.
수소 공급 코스트는 2030년 노말입방미터당 30엔, 2050년에는 20엔으로 낮추는 것을 목표로 하고 있다. 현재의 6분의 1 수준으로 낮추어야 하는 것으로 파악된다.
액화수소로 30엔의 코스트를 달성하기 위해서는 운반선 탑재 탱크를 실증대상의 32배 수준인 4만입방미터로 확대해야 하고, 극저온 등 가혹한 환경에도 버틸 수 있는 소재를 개발하는 것이 시급한 과제로 떠오르고 있다.
MCH는 기존 정유공장을 활용한다면 도입부터 이용까지 일관화할 수 있을 것으로 예상되나 프로세스상 에너지 손실량이 상당할 것으로 예상돼 해결책 마련이 요구되고 있다.
전해합성법과 MCH 제조 프로세스 및 탈수소 프로세스의 코스트를 낮출 수 있는 획기적인 기술 개발이 필요한 것으로 판단된다.
수소 서플라이체인‧발전기술 개발 시급하다!
대규모 수소 서플라이체인을 구축하기 위해서는 수소 수요와 공급을 함께 창출하면서 발전기술을 실용화하는 것이 중요한 것으로 파악된다.
수소발전은 500MW급 대규모 화력발전 및 1MW급 코제너레이션 발전 연구개발(R&D)을 추진하고 있으며 대규모 발전 분야에서 30% 혼소 달성에 이어 2020년부터는 전소발전 개발을 진행하고 있다.
앞으로는 혼소‧전소 연소기를 가스화력발전소에 도입해 부가추종운전을 실시함으로써 수소 공급기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
여러 개발과제 중 실용화 가능성이 높아진 과제 가운데 수소 수송기술의 대형화‧고효율와 수소발전기술(혼소‧전소) 실증 프로젝트는 보조사업으로 추진하고 있고, 진입장벽이 높은 액화수소 관련 소재 평가기반 정비와 혁신적 액화‧수소화‧탈수소 기술 개발은 위탁사업으로 실시할 예정이다.
수전해장치, 에너지 안전보장 차원에서 필수
경제산업성은 대규모 수소 서플라이체인 구축과 함께 재생에너지 베이스 전력을 활용하는 수전해 수소 제조기술의 실용화에도 박차를 가하고 있다.
대규모 수소 서플라이 체인 프로젝트는 미래에 해외의 저가 수소에 의존할 수밖에 없다는 전망 아래 추진하고 있는 반면 수전해 수소 제조기술 프로젝트는 에너지 안전보장을 위해 일본에 수소 제조기반을 확보해야 한다는 관점에서 추진하고 있다.
수소에너지가 세계적으로 실용화되면 수소의 가치가 올라가면서 조달이 어려워질 수도 있다고 예상한데 따른 것으로, 잉여 재생에너지를 활용해 일정 수준의 수소 제조능력을 자체적으로 보유해야 한다고 판단하고 있다.
수전해 장치는 수소 캐리어, 연료전지자동차(FCV)와 함께 일본이 선도하고 있는 수소 기술 가운데 하나로 주목받고 있다.
후쿠시마의 나미에(Namie)에 건설한 FH2R에는 아사히카세이가 개발한 세계 최대 10MW급 알칼리형 전해장치를 도입했다.
야마나시에서 실시하고 있는 P2G 실증사업은 히타치조선이 개발한 대형 PEM형 전해장치를 채용하고 있다.
알칼리형은 대규모화가 용이하고 PEM형은 재생에너지의 변동전력에 대한 부하 추종성이 뛰어나다는 특징이 있다.
2가지 장치는 현재 세계 최고 수준이나 저가의 풍력발전 전력을 이용할 수 있는 유럽이 대규모 수소 제조 프로젝트를 잇따라 추진할 계획이고 캐나다 하이드로제닉스(Hydrogenics)와 독일 프로젝트가 더 대규모이기 때문에 경쟁력 확보가 요구되고 있다.
해외시장 진출 목표로 평가방법 확립 본격화
수전해 장치 시장은 앞으로 4조4000억엔(약 44조원)까지 확대될 것으로 전망하고 있다.
일본기업들은 경쟁력을 유지하기 위해 선진시장인 해외에서 점유율을 확보함은 물론 수전해 장치의 고기능화에 나서야 한다고 판단하고 있다.
경제산업성이 최근 공개한 연구개발 목표에서는 알칼리법 설비 코스트를 kW당 5만2000엔, PEM형은 6만5000엔으로 제시하고 있다.
유럽의 목표치와 비교해 손색이 없는 수준이나 현재는 알칼리법이 14만4000엔, PEM형은 37만9000엔에 달한다는 점을 고려하면 쉽게 실현할 수 있는 목표는 아닌 것으로 평가되고 있다.
개발과제로는 △수전해 장치 대형화 및 모듈화 △신촉매와 막의 박막화 등을 실현할 수 있는 새로운 부재 탑재기술 △화학 등 산업 프로세스에서의 수전해 수소로 화석 연‧원료를 대체하는 탈탄소화 기술 등 3가지를 제시하고 있다.
모두 보조사업으로 실시할 예정이며 2030년 코스트 목표를 달성하기 위해 사업기간은 최대 2030년까지인 10년 동안으로 설정하고 있다.
해외시장 진출을 고려한 수전해 장치 평가방법 확립에도 박차를 가하고 있다.
유럽은 고압조건에서 수전해 장치를 운영하고 있으나 일본은 고압가스 보안법 때문에 저압에서 가동할 수밖에 없다는 차이가 있기 때문이다.
통일된 성능 평가를 실현함으로써 개발 방향성을 명확하게 하고 해외 진출에도 속도를 낼 예정이다.
다양한 관련기업이 이용 가능한 오픈 플랫폼 기반이 될 평가기술 개발에서 위탁사업으로 진행하고 있으며 대형화된 장치를 평가하는 단계에 도달하는 2025년까지 평가기반을 정비할 계획이다. (K)
표, 그래프: <일본의 전력원 구성 목표, 일본기업들의 주요 수소 연구, 일본의 수소 공급·수요처 확대 계획, 수전해 장치 종류와 일본의 연구개발 목표>
