화학저널

에너지 패러다임이 전환되면서 친환경 에너지원으로 수소가 부상하고 있다.
국내에서는 현대자동차·SK·포스코·한화·효성 등이 42조원을 투자해 수소 생태계 구축을 추진하고 있고, 세계적으로도 수소 투자를 본격화하면서 2050년 세계시장이 2조5000억달러(약 2840조원)로 성장해 세계 에너지 소비량의 18%를 차지할 것으로 예상된다.
수소는 친환경성과 무한한 범용성이 장점이어서 탄소중립 시대의 에너지원으로 부상하고 있으며, 다른 에너지원과 달리 생산지역이 국한되지 않고 어디서도 생산할 수 있다.
수소는 생산방식에 따라 그린·블루·그레이·브라운 4가지로 구분하고 있다.
가장 친환경적인 그린수소는 태양광·풍력발전 등에서 나온 전기로 물을 전기분해해 생산하며 탄소 배출량이 전혀 없어 가장 깨끗하나 생산단가가 kg당 1만원 안팎으로 가장 높고, 블루수소는 천연가스(CH4)에 고온의 수증기를 반응시켜 수소와 탄소를 분리‧포집해 생산하며, 그레이수소는 천연가스 추출로 제조하며 생산단가가 그린수소의 50%에도 미치지 않지만 kg당 5.5kg의 이산화탄소(CO2)를 배출한다.

한국, 2050년 수소 2790만톤 공급 계획
정부는 2021년 11월26일 김부겸 국무총리 주재 제4차 수소경제위원회에서 제1차 수소경제 이행 기본계획을 확정했다.  
2021년 2월 수소법 시행 이후 처음 나온 법정 기본계획으로, 2050년 수소 2790만톤을 100% 그린·블루수소 등 청정수소로 공급하고, 국내 생산과 함께 해외 청정수소를 도입해 청정수소 자급률을 60% 이상 확대할 계획이다. 
정부는 재생에너지를 활용해 그린수소를 대량 생산하고 생산단가도 낮출 방침이다.
그린수소는 2030년까지 25만톤을 생산하고 생산단가를 kg당 3500원으로 낮추며 2050년에는 생산량을 300만톤으로 확대하고 단가는 2500원으로 낮출 계획이다. 
또 탄소 포집‧저장(CCS) 기술 상용화 일정에 맞추어 탄소저장소를 2030년까지 9억톤 이상 확보하고 블루수소를 2030년 75만톤, 2050년 200만톤 생산할 방침이다. 
아울러 수소 생산국과의 전략적 협력을 통해 해외 수소 자원을 안정적으로 확보하고, 해외에서 재생에너지-수소 프로젝트를 추진해 2050년까지 40개의 수소 공급망을 확보한다.  
수소 인프라도 확대해 석탄·LNG(액화천연가스) 발전소와 산업단지 인근에 수소 항만을 구축하고, 항만의 선박, 차량, 장비 등을 수소 기반으로 전환한다. 
또 발전소, 산업단지 인근에 수소 항만을 구축하고 항만시설 사용료 할인 등을 통해 선박·자동차·장비 등을 수소 기반으로 전환하도록 유도한다. 수소 생산·도입 주요 기지를 중심으로 수소 배관망도 구축하고, 주유소·LPG충전소에 수소충전기를 설치하는 등 2050년까지 수소충전기를 2000기 이상 확보할 계획이다.
2027년부터는 석탄에 암모니아(Ammonia)를 혼합 발전하거나 LNG와 수소 혼합연소 등 수소발전을 상용화할 계획이다.
수소자동차 생산능력은 2050년까지 526만대로 늘리고, 2030년까지 내연기관 자동차 수준으로 성능을 끌어올릴 방침이다.
특히, 철강·석유화학·시멘트 등 탄소 대량배출 산업을 수소 베이스 공정으로 전환하고, 연료나 원료를 수소로 대체한다. 2040년까지 수소환원제철 기술을 상용화하고, 2050년까지 수소환원제철로 완전 전환한다.
정부는 수소가 2050년 최종 에너지 소비량의 33.0%, 발전량의 23.8%를 차지해 1319조원의 경제효과와 56만7000명의 일자리를 창출하고 온실가스는 2억톤 이상을 저감하는 효과를 기대하고 있다.
정부는 연료전지 발전설비 보급 확대와 석탄발전 암모니아 혼소(혼합연소), 수소 전소 가스터빈 상용화 등을 통해 수소발전도 본격 확대함으로써 2020년 3.5TWh 수준인 수소발전량을 2050년 82배 증가한 287.9TWh로 확대할 계획이다.
또 2030년까지 내연기관 자동차와 동등한 수준의 성능을 확보함으로써 수소자동차 생산능력을 2050년 526만대로 끌어올리고, 선박·드론·트램 등 다양한 운송수단으로 수소 적용을 확대할 방침이다.

엄청난 코스트에 기술 상용화 요원 “장밋빛 청사진”
정부가 발표한 수소경제 이행 계획은 기술적 실현 가능성이 낮고 경제적으로 엄청난 부담을 주어 비현실적이라는 비판에 제기되고 있다.
정부는 재생에너지를 활용한 그린수소 생산을 확대할 계획이나 현실적으로 불가능한 것으로 판단되고 있다.
네이처(Nature)는 세계 태양광·풍력 안정성의 지리적 제약 보고서에서 한국은 일사량, 풍속, 국토면적 등 태양광·풍력 입지조건이 불리해 신재생에너지 전력의 공급 안정성이 세계 42개국 가운데 최하위라고 평가했다. 
정부가 제시한 수소·암모니아 혼소 발전도 기술 상용화가 이루어지지 않은 상태이다. 
특히, 정부의 수소경제 이행 계획은 국가 경제에 막대한 부담을 줄 것으로 예상된다.
산업연구원은 반도체·디스플레이·석유화학·시멘트·철강·정유 등 핵심 수출산업 6개 분야에서 2050년까지 탄소중립을 달성하려면 코스트가 199조원 발생하는 것으로 추산했고, 탄소 포집·저장·활용 기술, 매몰 코스트를 포함하면 400조원을 훨씬 넘어설 것으로 예측했다.  
산업연구원은 정부가 목표로 한 2050년 탄소 배출 제로(0)를 달성하려면 6개 산업 분야에서 에너지효율을 높이기 위한 시설투자에 7조9390억원, 탄소 배출량 감축을 위한 연료‧원료 전환에 162조1110억원, 온실가스를 배출하지 않는 공정 전환에 28조3400억원을 투입해야 할 것으로 추산하고 있다.
포스코는 자체 필요한 그린수소 370만톤을 생산하기 위해 태양광·풍력 단지를 조성하면 충청북도 면적(7400평방킬로미터)의 2배 이상이 필요하고, 수소환원로로 전환에 68조5000억원이 소요될 것으로 추산하고 있다. 수소환원제철 기술은 세계적으로 개발 초기단계로 상용화된 사례가 없는 것으로 파악된다.

수소 액화‧운송‧저장 코스트도 60조원 상회
수소를 수입하기 위해 수소의 액화·운송·저장에도 60조원이 넘는 코스트가 투입돼야 할 것으로 나타났다.
한국가스공사에 따르면, 2050년 수소 2390만톤을 오스트레일리아 등에서 수입하려면 수소 가격은 별도로 하더라도 수입 수소의 액화·수송·저장에만 66조원이 필요한 것으로 추산된다.
정부는 탄소중립 초안에서 2050년까지 에너지·산업·수송 등에 필요한 수소가 2750만-2920만톤에 달하고 80.0-82.4%인 2200만-2390만톤을 오스트레일리아·중동·러시아·북아프리카에서 수입할 방침이라고 밝혔다.
수소 액화에는 천연가스 액화에 투입되는 에너지의 약 40배가 필요하고 수소 2390만톤을 액화하려면 전력  286.8TWh가 필요해 2020년 평균 판매단가 kWh당 109.8원을 적용하면 전기요금만 31조5000억원에 달하는 것으로 추산된다. 수소 액화온도는 천연가스 액화온도보다 약 100도 낮은 영하 252.8도로 수소를 액화하려면 천연가스 액화에 투입되는 에너지의 약 40배가 필요한 것으로 파악된다.
대규모 액화수소 운송 기술은 아직 개발되지 않았고, 수소위원회 추정을 적용하면 2390만톤 운송에 28조7000억원이 들어갈 것으로 예상된다.

현대‧SK‧롯데‧효성‧한화, 수소사업에 43조원 투입
하지만, 국내 대기업들은 수소기업협의체를 설립하고 수소 투자를 적극화하고 있다. 
정의선 현대자동차 회장, 최태원 SK그룹 회장, 신동빈 롯데그룹 회장 등 국내 대기업 총수들이 2021 수소모빌리티+쇼가 열린 경기도 고양시 킨텍스에서 H2비즈니스서밋을 열고 한국판 수소위원회인 수소기업협의체를 출범시켰다. 
현대자동차는 2013년 세계 최초로 수소전기자동차를 양산했고 2030년까지 수소전기자동차 50만대, 수소연료전지 시스템 70만기를 생산하는 것을 목표로 수소자동차 설비투자와 연구개발(R&D), 충전소 설치 등에 11조1000억원을 투자할 계획이다.
SK그룹은 2020년 말 수소 사업 전담조직인 수소사업추진단을 신설했고 국내 수소 생태계 구축을 위해 5년간 18조5000억원을 투자해 수소 생산·유통·소비에 이르는 밸류체인을 구축함으로써 글로벌 1위 수소기업으로 도약하겠다는 목표를 세우고 있다.
SK인천석유화학의 부생수소를 활용해 2023년부터 약 3만톤의 액화수소를 생산하고 2025년부터는 친환경 청정수소 25만톤을 추가 생산해 총 28만톤 생산체제를 완성할 계획이다.
포스코 역시 2050년까지 수소 500만톤 생산체제를 구축하고 수소 사업에서 매출 30조원을 달성할 계획이다.
롯데그룹은 롯데케미칼을 통해 2030년 탄소중립을 달성하고 국내 수소 수요의 30%를 공급하겠다는 내용으로 친환경 수소 성장 로드맵을 발표하고 2030년까지 약 4조4000억원을 투자해 수소 사업 매출을 3조원으로 확대하고 청정수소 생산능력을 60만톤 확립할 계획이다. 
효성그룹은 수소 생산부터 공급에 이르는 밸류체인 구축에 주력하고 있다.
린데(Linde)와 합작해 2023년까지 효성화학의 울산 용연공장 1만3000평방미터 부지에 액화수소 공장을 건설하고, 효성중공업을 통해 액화수소 생산능력을 3만9000톤으로 확대할 예정이다.
효성첨단소재는 2028년까지 약 1조원을 투자해 전주 탄소섬유 공장의 생산능력을 2만4000톤으로 확대하고 수소자동차 연료탱크와 압축천연가스(CNG) 고압용기 생산에 투입할 계획이다.
한화그룹은 태양광·풍력 등 신재생에너지로 수소를 생산하는 그린수소 분야에 적극적으로 투자한다.
한화솔루션 수소기술연구센터는 전력 소모가 많은 기존 수전해 기술의 단점을 보완한 차세대 음이온 교환막 수전해 기술(AEMEC)을 개발하고 있으며, 한화종합화학은 한국서부발전과 협약을 맺고 국내 최초로 수소혼소 발전 프로젝트에 착수했다.
이밖에 GS칼텍스는 액화수소 공장과 수소연료전지 발전소 구축에 나섰고, 두산중공업은 2022년 완공을 목표로 창원에 건설하고 있는 수소 액화 플랜트에서 고효율 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS) 기술을 적용해 블루수소를 생산할 방침이다.

유럽, 500조원 투자해 그린수소 생산 집중
유럽은 탄소중립을 위한 신재생에너지 활용에 집중한다.
유럽위원회는 2020년 7월8일 유럽 기후중립을 위한 수소전략(Hydrogen Strategy for a Climate-Neutral Europe)을 발표하고 2030년까지 500조원을 투자하겠다고 밝혔다. 
유럽 수소전략은 2030년까지 수소 생성과 수전해 장치에 최대 420억유로(55조3000억원), 수전해 장치와 태양광·풍력 발전과의 연결망 구축에 최대 3400억유로(448조8000억원)를 투입하겠다는 것이 핵심이다. 
유럽에서 태양광·풍력 발전 때 남거나 혹은 적기에 활용이 어려운 전기에너지를 활용해 거대한 양의 담수를 전기분해함으로써 수소로 바꾼 후 에너지 네트워크에 연결하겠다는 구상이며, 수소연료전지 활용 논의는 버스·트럭, 철도, 선박에 그치고 승용 수소연료자동차는 명확한 방침을 제시하지 않고 있다.
태양광·풍력 등 탄소를 배출하지 않는 에너지로 만들어진 그린수소 활용이 핵심이다.
유럽은 대량으로 수소를 제조하기 위한 수전해에 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.

PEM 수전해 대형‧양산화로 코스트 절감
유럽은 그린수소 제조용 고체고분자막(PEM) 수전해 장치 대형화를 본격화하고 있다.
쉘(Shell)이 독일에서 10MW 설비 건설에 이어 100MW를 추가할 예정이고, 린데는 2022년 가동을 목표로 독일에 24MW 설비를 건설하고 있다.
Snam은 2030년까지 이태리에 10GW를 도입할 계획이며, 바스프(BASF)도 본사가 소재한 독일 루트비히스하펜(Ludwigshafen) 공장에 50MW를 도입하는 방안을 검토하고 있다.
PEM형 수전해는 알칼리 수전해보다 소재 코스트가 높아 대형 프로젝트에는 적합하지 않다는 평을 받아왔으나 유럽기업들은 기술 개발과 양산 효과를 통해 과제를 해결할 수 있을 것으로 판단하고 있다.
그린수소는 신재생에너지 등 이산화탄소를 배출하지 않는 전력으로 물을 전기분해해 얻은 수소이며 탄소중립을 실현하기 위한 수단 가운데 하나로 주목받고 있다.
PEM형은 수전해 장치 분야에서 알칼리형과 함께 주류로 자리를 잡고 있다.
알칼리형은 고효율‧저비용이 특징이며, PEM형은 소형화에 편리하고 부하 추종성이 높아 출력변동이 큰 신재생에너지와 잘 맞는 편이나 촉매로 귀금속을 사용하기 때문에 코스트가 높아 대형 프로젝트에 적합하지 않는 것으로 평가되고 있다.
그러나 쉘은 풍력발전 혹은 태양광발전 코스트가 가장 저렴하면 경쟁력이 있을 것이라는 판단 아래 PEM형을 선택했고 독일 베셀링(Wesseling) 정유공장에 2MW 모듈을 5개 연결해 10MW PEM형 수전해 장치를 도입했다.
노르웨이에서 가동하고 있는 9MW 알칼리 수전해 장치보다 대규모이며 유럽 전체에서도 가장 큰 수전해장치로 알려졌다. 차기에 100MW 추가를 검토하고 있다. 
글로벌 산업용 가스 메이저인 린데와 천연가스 저장 및 수송 전문기업인 Snam이 합작해 2001년 설립된 ITM Power는 최근 10년 동안 귀금속 사용량을 80% 감축했고 2019년 귀금속 코스트를 유럽연합(EU)의 2030년 목표인 1W당 0.4mg으로 감축했다.
2021년 1GW 공장을 건설하고 모듈을 2MW에서 5MW로 바꿈으로써 대형화는 물론 양산 효과를 통한 코스트 절감에 박차를 가할 계획이다.
린데는 ITM Power의 수전해 장치를 사용해 독일 로이나(Leuna) 화학공장에 24MW 설비를 건설하고 있으며 2022년 가동할 예정이고, Snam은 이태리에 2030년까지 10GW를 도입하는 내용의 실버블록 프로젝트 핵심 멤버로 1차 물량인 100MW를 ITM Power로부터 공급받을 예정이다.
바스프는 지멘스(Siemens)와 함께 독일 루트비히스하펜 본사 공장에 50MW PEM형 수전해장치를 도입하는 방안을 검토하고 있다.
지멘스는 에어리퀴드(Air Liquide)와 협력하면서 에이리퀴드가 H2V와 함께 200MW PEM형 수전해 장치를 건설할 노르망디 프로젝트에서 기회를 모색하고 있다.

오르스테드, 10만톤 해상풍력-수전해 주도
유럽은 획기적인 그린수소 프로젝트도 시작했다.
덴마크 전력기업 오르스테드(Orsted)는 2030년까지 네덜란드 남부에 대규모 해상풍력발전소와 수전해 설비를 건설해 그린수소를 생산하고 네덜란드, 벨기에의 화학공장과 제철소에 공급하는 대형 프로젝트 SeaH2Land를 주도하고 있다. 
출력 2GW의 해상풍력발전소와 용량 1GW의 수전해 설비를 연결해 그린수소를 10만톤 이상 생산하고 네덜란드 남서부 질란트(Zeeland)와 벨기에 북부 오스트플란데런(East Flanders)에 파이프라인으로 공급하는 내용이며 현재 사업 타당성 조사를 진행하고 있어 2022년 투자 결정을 내릴 것으로 예상된다.
오르스테드는 해상풍력발전소와 수전해 설비 건설 및 운영을 담당하며 노르웨이 비료 메이저 야라인터내셔널(Yara International), 인디아 철강기업 아르셀로미탈(ArcelorMittal), 미국 다우케미칼(Dow Chemical), 프랑스 토탈(Total)과 러시아 루크오일(Lukoil)의 합작 석유기업인 질란트리파이너리(Zeeland Refinery) 등 수소 수요기업 4곳과 공동 사업체제를 형성했다. 
네덜란드 남서부와 벨기에 북부를 가로지르는 북해항 지역에서 현재 58만톤의 화석연료 베이스 수소를 제조 및 이용하고 있으며, 오르스테드는 SeaH2Land 프로젝트를 통해 총 45km에 달하는 수소 파이프라인을 설치하고 수소 수요의 약 20%를 그린수소로 전환하는 것을 목표로 하고 있다.
수전해 설비는 질란트에 500MW씩 2기에 걸쳐 건설하며 No.1 설비는 2024-2025년 완공이 가능할 것으로 예상하고 있다.
네덜란드‧벨기에 정부와 질란트‧오스트플란데런 등 북해항 지방정부, 관련 산업계는 SeaH2Land를 포함해 국경을 넘어선 수소산업 클러스터 구축에 박차를 가하고 있다.
야라인터내셔널은 SeaH2Land와 별개로 질란트 공장에 오르스테드와 합작투자를 통해 100MW의 전해설비를 건설하고 암모니아 생산량의 10%인 7만5000톤을 그린수소로 전환하는 프로젝트를 준비하고 있다. 이산화탄소 약 10만톤의 감축 효과를 기대하고 있다.
인근에서 정유공장을 가동하고 있는 질란트리파이너리도 150MW의 전해설비를 건설하고 있다.
다우케미칼은 질란트 테르뉴젠(Terneuzen)에서 에틸렌(Ethylene) 생산능력 182만5000톤의 스팀 크래커를 가동하고 있으며 2026년까지 청정수소 생산설비를 건설할 계획이고, SeaH2Land 프로젝트의 그린수소를 도입해 에틸렌 크래커의 전기화에 활용하기로 했다.
북해항 지역은 2050년 그린수소 수요가 100만톤에 달할 것으로 전망되고 있다. 수전해 설비 용량 기준으로 10GW에 해당하는 수준이다.
네덜란드는 해상풍력발전을 확대하고 있으며 2030년까지 용량 3-4GW의 전해설비를 완공할 예정이다.
네덜란드와 벨기에 정부는 보조금 및 세제우대 조치를 통해 온실가스 배출 감축에 기여하는 SeaH2Land 프로젝트를 적극적으로 지원할 계획이고, 그린수소 제조 코스트를 낮추기 위해 다른 유럽기업 유치에도 힘을 기울이고 있다.

AKC‧도레이, 전해 시스템 사업화에 화학공정 적용
일본 화학기업들도 유럽과의 협력을 발판으로 그린수소 사업화에 뛰어들고 있다.
아사히카세이(AKC: Asahi Kasei), 도레이(Toray) 등 일본 화학 메이저들은 재생가능에너지로부터 그린수소를 생성하는 사업을 확보하기 위해 박차를 가하고 있다.
아사히카세이는 유럽에서 수소와 이산화탄소로 항공연료를 제조하는 산학 연계 Take Off 프로젝트에 참여하고 있으며 일본에서는 100MW급 대규모 알칼리형 수전해장치 개발을 위해 JGC와 협업하면서 전해장치에서 추출한 수소를 원료로 사용하는 암모니아 플랜트 건설을 준비하고 있다.
도레이는 독일 지멘스와 협업하면서 수소 관련 사업의 글로벌화를 도모하고 있으며 일본에서는 PEM형 수전해장치를 사용한 16MW급 P2G(Power to Gas) 시스템 실용화를 위한 컨소시엄에 참여함으로써 장치에 사용할 탄화수소계 전해질막을 공급하고 있다.
다른 접근법으로 수소 서플라이체인 구축을 시도하고 있으나 모두 각자의 강점을 살리면서 수소발전 분야를 선도하고 있는 유럽기업과의 협업을 중시하고 있으며 NEDO(신에너지‧산업기술종합개발기구) 기금을 활용하고 있다.
유럽은 2030년 재생에너지 베이스 수소 생산능력을 EU 지역에서 40GW, 해외에서도 40GW를 확보하는 것을 목표로 EU 생산량 1000만톤 달성을 위해 20GW급 대규모 프로젝트를 포함해 다양한 프로젝트를 추진하고 있다.
아사히카세이는 알칼리 수전해 시스템으로, 도레이는 PEM형 수전해 시스템으로 유럽 진출을 도모하고 있다.
알칼리형은 장치 대형화와 코스트 경쟁력 면에서 우수한 반면 PEM형은 전력부하 변동에 대한 추종성이 우수해 태양광, 풍력 등 날씨 때문에 전력이 변동될 때 더욱 기민하게 대응할 수 있는 강점이 부각되고 있다.
아사히카세이는 알칼리형 수전해 장치 공급을 통해 유럽의 Take Off 프로젝트에 참여하고 있다.
Take Off 프로젝트는 2017년부터 참여해온 이산화탄소 포집‧저장‧이용 방법을 검토하는 산학 파트너십 ALIGN-CRUS 프로젝트의 후속으로 설정하고 있으며 유럽에서의 영향력 확대와 다른 참여기업과의 네트워크 구축을 중시하고 있다.
중장기적으로는 태양광발전과 풍력발전 등이 활성화된 재생에너지 도입 적합지에서 진행되는 대규모 프로젝트에 참여하는 것을 목표로 재생에너지로 발생하는 수소를 수요지에 수송하는 사업까지 검토하고 있다.
도레이는 전해질막 공급기업으로 PEM형 수전해 스택‧장치 Elyzer를 포트폴리오로 갖추고 있는 지멘스와 전략적 파트너십을 구축하고 있다.
도레이의 전해질막을 지멘스의 Elyzer에 공급하면서 실증실험 및 사업화를 추진하고 있고 공동 수소 제조기술 확립을 진행하고 있으며, 유럽 뿐만 아니라 재생에너지를 풍부하게 갖춘 중남미, 오스트레일리아, 중동 등 다른 지역에서도 수소 서플라이체인을 구축함으로써 글로벌 시장 개척을 목표로 하고 있다.
아사히카세이는 JGC와 공동으로 그린케미칼 플랜트 실증실험을 시작했다.
알칼리형 수전해 장치 코스트를 2030년까지 kl당 5만2000엔으로 낮추겠다는 목표 아래 후쿠시마현(Fukushima)의 수소에너지 연구 필드(FH2R)에서 생산경험이 있는 10MW 유닛을 나열시켜 100MW급 알칼리 수전해 시스템을 구축했다.
시스템에서 추출된 수소로부터 암모니아를 생산하는 케미칼 플랜트는 JGC가 건설하며 변동하는 수소 공급량을 제어하고 가동 상태를 최적화하기 위한 시스템은 양사 공동으로 개발할 계획이다.
암모니아 수송 분야에서는 미츠비시상사(Mitsubishi Corporation)와 협력하고 있으며 JERA도 탈질 용도로 암모니아를 사용하는 방안을 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
도레이는 NEDO 프로젝트 가운데 하나인 야마나시현(Yamanashi)을 중심으로 한 대규모 P2G 컨소시엄에 지멘스 일본법인과 함께 참여하고 있다.
PEM형 수전해 장치 코스트를 2030년까지 kl당 6만5000엔으로 낮추는 것을 목표로 2025년까지 2곳에서 실용화하고 총 16MW급으로 스케일업이 가능한 기술을 확립할 방침이다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)