당진형 수소생산체제를 구축하려면

정부는 울주군에 원자력 수소국가산단 조성사업을 승인하고 예산에 대한 예비타당성 조사를 면제시키고 국가정책사업으로 지정하였다.

지금까지 수소생산체제란 태양광 발전이나 풍력 발전 등 재생에너지에서 생산되는 전력을 활용하여 수전해 방식으로 그린 수소를 생산하는 방식이 전부이었다. 물론 천연가스를 활용하는 그레이 수소생산을 많이 활용하고 있으나 여기에 CCUS(탄소포집 저장 활용) 기술을 뒷받침해야 생산되는 블루 수소는 경제적 부담때문에 사실상 생산에 엄두도 낼 수 없었다.

그렇지만 우리나라에서 값싼 원자력 수소를 생산하기 위하여 울주군에서 최초로 대량 생산체젤을 갖춘다는 것은 세계적인 탄소중립을 추진하기 위한 새로운 포석을 마련하는 획기적인 사업이라고 하지 않을 수 없다.

물론 원자력 발전에서 아직 핵폐기물 처리기술이 개발되지 않고 원자력 발전의 부산물인 고온배수를 활용하는 열이며 열화학적 수전해 기술은 아직 개발단계에 있어 이의 실용여부도 아직 정확하게 알 수 없는 상황이다.

그렇지만 정부가 세계 최초로 울주군 원자력 수소국가산단 조성에 대한 계획을 국가정책사업으로 지정, 이에 적극성을 보인 것은 새로운 수소경제시대를 선도해 나가겠다는 결의라고 할 수 있다.

당진시는 국내에서 최고의 석탄연료를 사용하는 곳으로 국내에서 제일 큰 석탄화력발전인 당진화력발전소, 국내에서 가장 큰 GS EPS의 LNG발전소, 그리고 부생가스를 이용하는 현대그린파워의 부생가스 발전 등과 함께 LNG 생산기지, 그리고 일괄제철 기능을 갖춘 현대제철의 당진 제철소가 있다. 이들 업체들에겐 화석연료를 더 이상 사용하지 못하는 탄소 중립이 완성된다면서 결국 철수될 수밖에 없는 대상들이다. 따라서 당진시는 이들이 사용하는 석탄연료를 다른 연료로 대체하거나 녹색경제체제로 전환시키지 않으면 더 이상 존재할 수 없게 된다.

따라서 당진시의 탄소중립 사업은 이들 업체들을 어떻게 변신시켜 나갈 것인지는 구체적인 대안을 마련하여 이를 추진해 나가야 할 것이다.

이 중에서 가장 먼저 요구되는 것이 석탄연료를 어떤 에너지원으로 대체시켜 나갈 것인지 대체에너지원을 모색하는 일이 가장 급선무라고 할 것이다. 이에 대체로 수소에너지 원이라는 사실을 아무도 부인하지 못할 진실이다. 따라서 당진시는 수소생산체제 구축, 그리고 수소 저장, 유통, 판매 등 수소경제의 싱태계를 조성해 수소경제 허브도시로 재탄생하여야 한다.

수소는 지구 전체의 73%나 차지하고 있어 얼마든지 쉽게 구할 수 있는 자원이라고 한다. 그리고 수소에너지를 사용하고 나면 결국에는 물이라는 잔유물만 남게 되는 친환경 청정에너지이다. 따라서 화석연료를 대신해 나갈 수 있는 대체 에너지로 최적이라고 많은 사람들은 여기고 있다.

그렇지만, 수소는 독자적으로 존재하는 것이 아니라 다른 원소와 결합한 화합물로 존재하기 때문에 수소를 활용하려면 우선 다른 화합물로부터 수소를 분리, 회수하는 복잡한 과정을 거쳐야 한다.현재 사용되고 있는 수소에너지는 대체로 천연가스의 주성분인 메탄(CH₄)을 고온의 수증기와 반응시켜 뽑아내는 개질 방식을 활용하는 그레이 수소를 생산하고 있다.

그렇지만 이 공정에선 이산화탄소(CO₂)가 부산물이 나오기 때문에 이를 제거하는 CCUS기술을 활용해야만 블루 수소를 생산할 수 있다.

그레이 수소는 1㎏ 생산 시 5~10㎏의 이산화탄소가 발생되기 때문에, 탄소중립을 달성하려면 블루 수소로의 전환이 필수적이다. 이 경우 수소는 탄소 배출량에 대한 탄소 가격을 포함해도 1MWh당 86달러에 불과하다.

그렇지만 CCUS기술을 활용하여 수소를 생산한다면 그 가격은 1MWh당 200달러에 달하고 있어 CCUS기술이 일반화되기 이전에는 사실상 블루 수소를 생산할 수 없는 지경이다. 결국 태양광 발전, 풍력발전, 등 재생에너지의 전력을 활용하여 수전해 방식을 활용하여 생산되는 그린 수소가 수소 생산체제의 전부라고 할 수 있다.

세계적인 컨설팅회사인 맥킨지 보고서에 따르면 “전 세계에서 발표된 수소 프로젝트는 2030년까지 총 4,500만 톤의 용량을 공급한다고 밝히고 있으나 최종 투자 결정(FID)을 받은 용량은 300만 톤에 불과 했다”고 사실상 수소 생산체제 구축에 대한 차질이 불가피할 것으로 전망하고 있다. 최근 블룸버그 통신에 의해서 ‘2030년까지 연간 수소 공급량이 당초 예상의 3분의 1에 해당되는 1,600만 톤에 그칠 것‘이라고 밝히고 있다.

EU는 2050년까지의 수소 전략을 발표했는데 그 내용은 모든 재생에너지를 활용하여 수전해 설비를 구축해서 그린 수소를 생산, 보급한다는 계획이다.

1단계로 2024년까지 수전해 수소 생산 설비를 6GW 급으로 구축하여 연간 그린 수소 생산량을 100만 톤까지 늘리고 2단계로는 2030년까지 수전해 수소 생산 설비를 40GW 급으로 증축해 연간 그린 수소 생산량을 1,000만 톤까지 늘리는 계획이다. 그리고 3단계는 2050년까지 재셍에너지를 기반으로 하는 그린 수소를 보급한다는 계획이다.

가장 대표적인 것은 재생에너지를 활용한 수전해 생산 방식이다. 태양광, 풍력 등으로 생산한 전력으로 물을 전기분해해 수소를 생산하는데, 호주와 독일, 프랑스 등이 도입했다. 특히 호주는 대륙 서쪽에 거대하게 펼쳐진 필바라 사막에 태양광 패널을 설치하고 여기서 생산된 전기에너지를 활용하는 수전해 수소 생산 설비를 대규모로 건설 중이다.

한편 미국은 플라스틱, 폐휴지 등의 자원을 재활용해 수소를 생산하는 시설을 세계 최대 규모로 구축하고 있다. 즉 재활용 종이와 플라스틱을 고온으로 가열한 뒤 얻은 바이오가스에서 수소를 추출하는 방식이다.

바이오매스를 원료로 수소를 생산할 경우 생산 비용이 저렴하고 온실가스 배출량도 적다는 장점이 있다. 또 폐기물을 활용하기 때문에 쓰레기 매립으로 발생할 수 있는 환경오염을 줄일 수 있다는 것이다.

그런데 최근 수소 저장, 유통하는 방식에 암모니아를 활용한다면 경제적인 효과를 거둘 수 있다는 사실을 발표되면서 암모니아 수소에 대한 관심이 높아지고 있다.

현재는 전 세계 수소 생산량의 99%를 그레이수소가 차지하고 있지만, 궁극적인 지향점이라 할 수 있는 재생에너지 기반의 그린수소 생산 기술이 활발하게 연구되고 있다.
수전해 방식으로는 알칼리 수용액과 다공성 세라믹 분리막을 전해질로 사용하는 ‘알카라인 수전해’, 별도의 전해질 없이 물을 전기 분해한 후 고분자 전해질막을 통해 수소 이온을 이동시키는 PEM(Proton Exchange Membrane, 양성자교환막), 수소(H2)와 산소(O)로 물(H2O)과 전기를 생산하는 원리를 역전환해 고온의 물을 전기분해하는 방식으로 수소를 생산하는 SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell, 고체산화물 수전해) 등으로 구분된다.

그중에서도 SOEC는 투입되는 전기 대비 생산하는 수소의 양이 많은 가장 효율적인 방식으로 알려져 있으며, 국내 기업으로는 현재 SK에코플랜트가 美블룸에너지(Bloom Energy)와의 협업을 통해 SOEC 실증에 성공하고 상용화를 추진하는 등 해당 분야를 선도하고 있다.

이같이 수전해 방식에 대한 기술조차도 아직 개발단계애 머물고 있어 사실상 수소경제시대가 개막되기 까지는 아직도 멀다고 여기지 않을 수 없다.

2023년 11월, ’비상경제장관회의 겸 수출투자대책회의에서 ‘K-조선 차세대 선도전략 세계 1위 선도한다’는 비전을 발표하고 수소생산전략을 발표하였다.

향후 5년간(~‘28) 약 2,000억원 기술상용화를 위한 투자를 통하여 ‘미래 초격자 기술를 선점하겠다는 3대 탈탄소연료(액화천연가스(LNG), 암모니아, 수소)에 대한 기술 개발과 실증 추진계획을 발표하였다. 특히 조선업계의 기술개발을 적극적으로 지원하여 차세대 조선업을 선도해 나가겠다는 목표를 설정하였다.

이에 따라서 경남에서는 경남테크노파크 주관으로 ’암모니아 혼소 연료추진시스템 선박 규제자유특구‘를 중기부로부터 지정받아 암모니아 연료공급시스템 선박을 개발하고 해상에서 실증을 수행하는 사업을 추진 중이다.

해수부와 산업부 규제 특례를 통해 암모니아 추진 선박의 핵심기자재인 혼소 엔진, 연료공급장치, 캐치시스템, 연료 탱크 등을 개발하고 해상 실증을 통해 성능과 안정성을 검증할 예정이다. 이를 통해 암모니아 선박 및 기자재 시장을 선도하고, 국내 대형 조선소와 친환경 기자재 중소기업들이 무탄소 선박 시장을 선점해 나가도록 지원하겠다는 방침이다.

2024년 6월, 에너지기술연구원의 청정연료연구실 윤형철 박사 연구진이 세계 최고 수준의 저압 암모니아 합성 촉매를 대량으로 생산할 수 있는 양산법을 개발했다고 밝혔다. 이 기술을 통해 생산한 촉매는 연구진이 설계한 암모니아 생산 공정에 적용돼 기존 하버-보슈 공정에 필요한 압력의 3분의 1 수준에서 99.9%의 고순도 암모니아 생산에 성공했다.

하버-보슈 공정은 화석연료에서 생산한 수소와 공기의 질소를 고온, 고압에서 반응시켜 암모니아를 합성하는 공정으로 공정 과정에서 이산화탄소 방출과 에너지 소모가 크다는 단점을 안고 있다. 이를 극복하기 위해서 연구진은 기존 하버-보슈 공정의 한계를 극복, 암모니아 합성 촉매를 양산하기 위한 제법과 촉매 성형법 개발에 성공했다.

여기에 그치지 않고 일일 1kg의 암모니아를 생산할 수 있는 실험실 규모 공정을 구축해 50bar의 저압에서도 99.9%의 순도를 갖는 고순도 암모니아 생산에 성공했다.
연구진은 공정의 유기적 설계를 통해 50bar의 압력과 400℃ 이하의 저온에서도 암모니아를 생산해냈다고 발표하였다. 이는 암모니아생산 운영에 소요되는 비용을 15% 이상 절감할 수 있을 것으로 기대되며 기존 공정보다 낮아진 압력은 제작비용을 낮춰 생산비용 크게 줄일 수 있다고 밝혔다.

한편 수소를 저장, 운송하기 위해서 액화과정을 거쳐야 하는데 수소는 영하 253도까지 낮춰야 한다. 이에 반해 암모니아는 액화전환 온도는 33도 이고 저장량도 수소의 1.5배나 되어 저장, 운송비용이 크게 저렴하게 이뤄져 세계 각국들은 수소보다도 암모니아를 선호하고 있다.

그리고 암모니아에서 수소를 생산하는데 질소와 수소로만 분리하게 되므로 수소를 만드는 과정에서 환경오염 문제는 발생하지 않는다. 그렇지만 암모니아는 비료의 원료이면서 자체적으로 독성 물질이라서 저장과 운송에 주의를 기울일 필요가 있다.

여하튼 당진시가 탄소중립사업에서의 핵심과제는 수소 생산체제를 구축하는 일이다.

LNG생산기지를 기반으로 블루수소 생산, 암모니아 수소 생산, 해조류나 각종 쓰레기를 활용한 바이오가스를 바탕으로 하는 수소 생산 등 당진 지역에 알맞는 수소생산체제를 찾아내서

국가정책사업으로 지정해야 수소경제 허브도시로 갈 수 있다는 사실을 명심해야 할 것이다.

유엔은 “지구적으로 생각하고 지역적으로 행동하라”는 환경문제를 해결하는 지표를 제시하고 있다. 따라서 당진이라는 지역적 특성을 최대한 살려 탄소중립을 성공적으로 완성시켜 나갈 수 있는 당진형 탄소중립 모델을 완성시켜 중앙정부를 설득시켜 재정자원을 받아내야만 당진시가 수소경제의 허브도시로 발전할 수 있는 기틀이 마련되는 것이다.