수소 에너지: 지속 가능한 미래를 위한 길

수소 에너지: 지속 가능한 미래를 위한 길

그린 수소는 에너지 전환을 달성하고 지속 가능한 미래를 보장하는 데 필수적인 요소로 부상했다. 재생 에너지원을 사용한 그린 수소 제조 비용이 낮아지고 온실가스 배출을 줄여야 할 필요성이 대두되면서 청정 수소는 전례 없는 성장세를 보이고 있다. 그린 수소는 산업, 운송, 에너지 저장 등 여러 부문의 탈탄소화에 필수적인 역할을 할 것이다.

 

그린 수소가 무엇인가?

그린 수소는 재생 가능한 에너지원의 전기를 사용하여 물 전기분해로 생성된다. 전기분해는 전극을 사용하여 물 분자를 산소와 수소로 분해하기 위해 전류를 사용한다. 수전해는 회색 또는 청색 수소 생산보다 훨씬 적은 온실가스를 배출한다.

 

그린 수소의 주요 목표는 지구 온난화를 1.5°C로 제한하고, 회색 수소를 대체하여 화석 연료에 대한 의존도를 낮추고, 특정 경제 부문, 하위 부문 및 활동에서 더 광범위한 최종 용도를 제공하는 것이다. 그러나 재생 에너지로 전기를 생산하는 것과 같은 다른 방법을 활용하면 이러한 애플리케이션을 탈탄소화하기에는 기술적으로 어려울 수 있다.

 

그린 수소의 이점 및 응용 분야

그린 수소는 생산 또는 사용 과정에서 온실가스를 배출하지 않는다. 태양광이나 풍력을 이용한 물 전기분해와 같은 지속 가능한 에너지원을 활용하여 운송, 에너지 생성, 저장 등 다양한 용도로 생산할 수 있다.

 

그린 수소는 선박, 기차, 비행기 등 수소 동력 차량에 활용되어 운송 중 대기 오염 배출을 줄일 수 있다. 또한 연료 전지에 사용되어 나중에 사용하기 위해 저장된 전기를 생산할 수도 있다.

 

화학, 석유 제품, 제약, 시멘트, 철강 분야에서 원료로 사용되어 화석 연료를 대체하고 온실가스 배출량을 낮추는 데 기여한다.

 

그린 수소의 현재와 미래 응용 분야

수소는 화석 연료에 의존하지 않고 대량 생산할 수 있다면 탄소중립 경제를 달성하는 데 필수적인 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 수소의 특성은 간헐적인 재생 에너지를 보완하고 중공업 및 장거리 운송과 같이 전기화가 어려운 분야에서 실행 가능한 솔루션이 될 수 있다. 그린 수소는 다음 애플리케이션에서 중요한 역할을 한다:

 

산업 분야의 친환경 수소

수소는 주로 산업, 특히 석유 정제, 암모니아 제조, 메탄올 생산, 철강 생산에 사용된다. 이 모든 수소는 화석 연료를 사용하여 생산되기 때문에 청정 수소는 배출량을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

 

수소는 주로 암모니아와 비료 제조를 위한 화학 산업과 석유 제품 생산을 위한 석유화학 분야에서 활용된다. 또한 환경 오염으로 인해 집중적인 감시를 받고 있는 철강 산업에서도 활용되기 시작했다. 그린 수소를 사용하면 일부 산업 공정을 환경에 덜 해로운 방식으로 변경할 수 있다.

 

운송 분야의 친환경 수소

친환경 수소는 지속 가능한 모빌리티를 대체하기 위해 운송 분야에 활용되고 있다. 이 지속 가능한 에너지로 작동하는 자동차는 연료 전지에 연결된 수소 탱크를 갖추고 있으며, 이 수소 탱크는 전기를 생성하여 엔진에 동력을 공급한다.

 

연료전지 전기자동차(FCEV)는 에너지 및 운송 부문에서 탄소 중립적인 연료로의 전환을 의미한다. 현재 저공해 차량 판매의 0.5%에 불과하다. 하지만 국제에너지기구(IEA)는 수소전기차 시장이 성장하고 있다고 보고했다. 현대자동차는 2030년까지 50만 대의 수소차를 생산할 계획을 발표했고, 파리는 수소전기 택시를 건설하기 시작했다.

 

운송 분야에서 수소 연료전지 자동차의 경쟁력은 연료전지 비용과 충전소에 의해 결정되는 반면, 트럭의 경우 수소 공급 비용을 낮추는 것이 목표다. 해운과 항공은 저탄소 연료 대체재가 제한되어 있어 수소 기반 연료에 대한 기회가 있다.

 

에너지 저장을 위한 친환경 수소

수소의 가장 큰 장점 중 하나는 에너지 '운반체'와 에너지 '공급원'으로 활용할 수 있다는 점이다. 이 접근 방식은 풍력 및 태양열 전기와 같은 간헐적인 재생 가능 자원의 주요 과제를 극복하는 데 큰 가능성을 보여줍니다. 오늘날 가장 일반적인 개발 및 구현 방법은 재생 에너지 발전소를 수전해 장치에 연결하는 것이다.

 

발전량이 가장 많은 시간대에는 여분의 전기를 수소로 전환하여 영구적으로 저장할 수 있다. 생산량이 감소하거나 수요가 증가하면 발전기가 저장된 수소를 다시 전기로 전환하여 전력망에 공급함으로써 일관되고 예측 가능한 에너지 공급을 보장한다.

 

가정용 친환경 수소

현재 국내에서는 천연가스 시스템을 오염 물질 배출 없이 가정에 열과 전기를 공급하는 친환경 수소 시스템으로 대체하는 등 여러 친환경 이니셔티브가 진행 중입니다.

 

친환경 수소는 경제의 탈탄소화에 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 생산 비용 절감, 저장 최적화, 최소한의 인프라 구축 등 그린 수소를 구현하는 데는 여전히 장애물이 있다.

 

친환경 수소의 광범위한 사용의 현재 한계

전 세계적인 에너지 전환에서 수소를 깨끗하고 광범위하게 사용하려면 몇 가지 과제가 있다. 현재 저탄소 에너지로 수소를 생산하는 데 드는 비용이 높다. IEA의 분석에 따르면 재생 에너지 비용이 하락하고 수소 생산이 확대됨에 따라 2030년까지 재생 전기로 수소를 생산하는 비용이 30%까지 떨어질 수 있다고 한다. 대량 생산은 연료 전지와 전해질(전력과 물을 수소로 변환하는)에도 도움이 될 수 있다.

 

수소 인프라의 개발은 비효율적이며 더 넓은 사용을 방해한다. 소비자 수소 가격은 충전소의 수, 사용 빈도, 매일 공급되는 수소의 양에 따라 크게 영향을 받습니다. 국가 및 지방 정부, 업계, 투자자가 협력하여 이를 해결하기 위한 조치를 계획하고 조율해야 합니다.

 

현재 천연가스와 석탄은 필요한 수소의 거의 대부분을 생산합니다. 수소는 이미 전 세계적으로 산업적 규모로 사용되고 있지만, 수소를 생산할 때 발생하는 이산화탄소 배출량은 인도네시아와 영국을 합친 것보다 더 많다. 청정 에너지 미래를 달성하기 위해서는 화석 연료에서 수소를 생산할 때 발생하는 CO2를 포집해야 한다.

 

친환경 수소 사용을 촉진하기 위한 솔루션 및 전략

청정 수소에 대한 상업적 요구가 증가하면 친환경 수소의 잠재력을 높일 수 있다. 청정 수소 솔루션을 사용할 수 있지만 비용은 여전히 높다.

 

특히 화석 연료 기반 수소의 배출을 제한하기 위해서는 생산자, 유통업체, 사용자의 투자를 지원하기 위해 청정 수소에 대한 장기적인 시장을 개발하는 정책이 필요하다. 공급망을 확장하면 탄소를 수집, 활용, 저장함으로써 저탄소 전력과 화석 연료의 비용을 줄일 수 있다.

 

새로운 수소 애플리케이션, 청정 수소 공급, 인프라 구축은 보급 곡선에서 가장 높은 위험 지점에 있다. 한시적 대출, 보증 및 기타 조치를 통해 민간 부문의 투자, 학습, 위험과 이익 공유를 지원할 수 있다.

 

비용 절감을 위한 R&D를 촉진하는 것도 친환경 수소 사용을 향상시킬 수 있다. 규모의 경제를 통한 비용 절감과 함께 연료 전지, 수소 기반 연료, 전해조 등의 비용을 낮추고 성능을 개선하기 위해서는 R&D가 매우 중요하다. 정부 활동, 특히 공공 자금은 연구 의제를 형성하고 위험을 감수하며 혁신에 대한 민간 자원을 끌어들이는 데 매우 중요하다.

  

글로벌 이니셔티브 및 사례 연구

아르셀로미탈과 페르티베리는 가장 야심찬 수소 기반 프로젝트인 HyDeal을 설립했다. 2030년까지 연간 30만 톤 이상의 "친환경" 수소를 생산할 수 있는 7.4GW 수전해기를 갖춘 9.5GW 규모의 대규모 태양광 발전소를 건설하는 것이 목표다. 이 플래그십 프로젝트는 빈치 엔지니어링과 전문화된 하이피니티 브랜드에 의해 추진되고 있다.

 

그린 수소의 잠재적 사용 가능성을 보여주는 또 다른 중요한 프로젝트는 주피터 1000 프로젝트다. 액테뮴은 GRT 가즈가 주도하는 주피터 1000 프로젝트의 파트너다. 이 프로젝트는 2020년 프랑스 포쉬르메르에서 시작되었으며, 현지 재생 에너지 시설로 구동되는 전기분해기를 통해 합성 메탄을 생산하는 산업 실증 시설과 인접한 철강 생산 공장에서 배출되는 CO2를 포집하는 장치를 포함한다. 합성된 메탄은 가스 인프라로 공급되어 산업 및 주거용 소비자가 사용할 수 있다. 대기 중으로 배출된 초기 탄소 원자는 회수되어 재활용된다. 이 혁신은 업스트림 가스 제조 단계에서 발생하는 CO2 배출을 획기적으로 최소화한다.

 

친환경 수소에 대한 정책과 투자의 역할

친환경 수소 소비는 기후 변화에 대응하는 데 중요한 요소가 될 수 있지만 정책 입안자, 업계 리더, 투자자들은 핵심 인프라를 지원하고 R&D를 촉진해야 한다. 많은 개발도상국은 산업화를 경제 발전과 성공의 열쇠로 여긴다. 유럽의 '그린 딜'이나 미국의 인플레이션 감소법과 같은 정책과 규제는 주요 산업의 탈탄소화를 위한 정부 및 재정적 인센티브를 제공할 수 있다.

 

개발도상국의 과제는 새로운 에너지 인프라와 기술 믹스에 대한 투자를 과감히 단행하여 저렴한 에너지 접근성을 높이고, 에너지 안보를 보장하며, 투자자들이 새로운 분야를 시작하도록 유도하여 일자리 창출, 수익 창출, 세수 증대로 이어지게 하는 것이다.

 

이를 위해서는 효과적인 지식 기반 정책과 규제, 시장 조성 보조금 제도가 필요하다. 이는 특히 친환경 수소를 확장하는 데 필요한 상당한 투자와 관련이 있다.

 

결론 및 향후 전망

친환경 수소는 그 적응성 덕분에 경제적, 정치적 지지를 얻고 있다. 그린 수소는 탄소 없는 미래를 달성하는 데 중요한 역할을 할 수 있으며, 시멘트 및 철강 제조와 같은 에너지 집약적인 산업의 탈탄소화를 위해 널리 적용될 것이다.

 

전 세계적으로 그린 수소에 대한 수요는 2050년까지 700% 증가할 것으로 예상되며, 이는 현재의 가치 사슬에 광범위한 영향을 미치는 동시에 성장하는 그린 수소 시장에 전략적으로 위치한 국가들에게 새로운 수익원을 창출할 것이다.

 

 

참고 문헌 및 추가 자료

- Guan, D., Wang, B., Zhang, J., Shi, R., Jiao, K., Li, L. & Ni, M. (2023). 수소 사회: 현재에서 미래로.

 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/1w/d3ee02695g/unauth

- Panchenko, V. A., Daus, Y. V., Kovalev, A. A., Yudaev, I. V., & Litti, Y. V. (2023). 녹색 수소 생산에 대한 전망: 잠재력이 높은 국가 검토. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319922047309

- Zainal, B. S., Ker, P. J., Mohamed, H., Ong, H. C., Fattah, I. M. R., Rahman, S. A., ... & Mahlia, T. I. (2024). 녹색 수소 생산 기술의 최근 발전 및 평가. 재생 가능 및 지속 가능한 에너지 리뷰, 189, 113941.

 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032123007992