2050 탄소중립 선언 이후, 글로벌 에너지 정세가 빠른 속도로 변하고 있다. 전세계적으로 탄소중립을 향한 정책적 압박이 더욱 강화되었으며, 산업화 이후로 이어져 온 화석 연료 중심 에너지 인프라에서 벗어나기 위한 움직임이 본격화되었다.

이러한 기조 아래, ‘미래의 석유’로 불리며 주목받고 있는 신에너지원은 바로 ‘수소’다. 국제 에너지 기구(IEA)에 따르면, 글로벌 수소 활용량은 2020년 기준 9천만 톤에서 2050년 5억 톤까지 증가할 전망이다. 수소 에너지란 무엇이고, 수소가 각광받는 이유는 무엇일까?


수소 에너지란?

수소(H2)는 우주 질량의 75%를 차지할 만큼 풍부하며, 불꽃에 노출시키면 폭발적인 연소 반응을 통해 열 또는 전기 에너지를 얻을 수 있다. 또한 수소는 연소 시 오직 물(H2O)과 극소량의 질소산화물 외에는 탄소나 오염 물질을 전혀 배출하지 않아 친환경 에너지원으로서 무한한 가능성을 가지고 있다. 그렇다면 모든 수소는 전부 청정 에너지일까?

수소는 생산 방식에 따라 그레이 수소, 블루 수소, 그린 수소로 나누어진다.

그레이 수소는 화석연료를 활용하여 메탄을 고온/고압에 반응시켜 수소를 추출하는 추출 수소, 또는 석유화학 및 철강 공정 중 부수적으로 발생하는 부생 수소를 말한다. 그레이 수소는 생산 과정에서 다량의 탄소가 배출되므로 청정 에너지가 아니며, 탄소 배출 감축을 위해서는 생산을 감소할 필요가 있다.

블루 수소는 그레이 수소와 생산 방식은 같으나, 발생한 탄소를 대기로 배출하지 않고 CCUS(Carbon Capture, Utilization & Storage, 탄소 포집 활용 저장) 기술을 사용해 따로 저장한다는 점에서 차이가 있다. 대부분의 국가에서 블루 수소도 청정 수소로 인정하고 있다.

그린 수소는 신재생에너지로 생산된 전력을 활용해 물을 분해하는 수전해로 생산되는 수소로, 탄소 발생이 전혀 없는 이상적인 청정 수소이다. 그러나 신재생에너지로 전력을 생산하는 단가가 높고, 수전해 설비 효율이 낮아 아직은 전체 생산되는 수소 중 차지하는 비중이 미미하다. 앞으로 수소 에너지가 지속가능한 발전 동력이 되려면, 그린 수소를 비롯한 청정 수소의 생산 기술 개발이 필수적이다.


생산 방식에 따른 수소 유형 (Source: 포스코 뉴스룸 / IGM 재구성)


수소는 왜, 지금 떠오르고 있을까?

2002년 미국 정부의 ‘수소 경제 이니셔티브’ 발표를 계기로, 미래 에너지원으로서 수소의 가능성이 세상에 알려지기 시작했다. 그러나 기술 미성숙, 인프라 부족이라는 한계와  셰일 가스, 샌드 오일의 발견으로 인한 국제 유가 하락 이슈까지 겹치며, 2004년을 기점으로 수소에 대한 언급은 점차 줄어들기 시작했다.

최근, 한동안 조용했던 수소에 대한 관심이 다시금 급부상하고 있다. 주요국들은 이미 수소 에너지를 기반으로 모든 산업과 경제 인프라를 구성하는 ‘수소 경제’로의 이행을 적극적으로 추진 중이다. 20년 만에 세계 에너지 패러다임을 바꿀 주인공으로 재등장한 수소, 그 이유는 무엇일까?


1) 탄소 중립 요구 증대

지난 2018년, 기후 변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)는 2100년까지 지구 평균온도 상승폭을 1.5도 이내로 유지하기 위한 로드맵으로, 2050년까지 전세계 탄소 배출량을 0으로 만들어야 한다고 제시했다. 이 로드맵을 기반으로 전세계 각국은 ‘2050년 친환경 에너지 전환 100% 달성’을 선언하고, 화석 연료 중심 인프라를 벗어날 에너지 대전환을 준비하고 있다. 탄소 배출이 없는 동시에 고갈 위험 없이 풍부한 물질인 수소 에너지는, 상용화할 기술력만 갖춰진다면 당장 화석 연료를 대체할 수 있는 가장 이상적인 대안이다.


2) 에너지 저장 및 운반 효율성

수소는 질량 대비 에너지 밀도가 상대적으로 높아(천연가스 대비 약 3배), 다양한 에너지원에서 생산된 에너지를 저장하고 운반하는 매체로 활용이 가능하다. 특히, 배터리나 전선을 이용해야 하는 전기 에너지에 비해 저장이 효율적이고, 원거리 운송에도 에너지 손실이 비교적 낮다. 최근 많은 기업에서는 강화된 탄소 규제에 대응하면서 동시에 비용 경쟁력을 유지하기 위해, 해외의 저렴한 신재생 에너지를 수입하기 위한 수요가 대폭 증가하고 있다. 이런 배경에서 수소 저장 운반 기술은 앞으로 에너지 수출입의 기반 기술이 될 전망이다.


3) 생산 경제성 향상

수소 에너지 상용화의 최대 장벽이었던 생산 경제성 문제도 빠르게 해결되고 있다. 현재 그린 수소 생산 단가는 kg당 평균 8달러로, 대규모 산업용으로 쓰이기는 아직 어렵다(그레이 수소 0.5달러/kg, 블루 수소 1~2달러/kg). 그러나 최근 전세계적으로 수소 기술 시장이 빠른 속도로 성장하고 있어, 근시일 내에 규모의 경제가 일어날 것으로 기대된다.

대표적인 수소 기술인 수전해 기술(태양광, 풍력, 수력 등 재생에너지로 물을 전기 분해해 수소를 추출하는 기술)의 경우, 재생에너지 대량 발전 및 수전해 설비의 대량 구축이 주요국 중심으로 이미 실현되고 있다. 성공할 경우, 2030년에는 청정 수소 생산 단가가 kg당 1.5달러까지 하락할 것으로 보인다.


<References>
· “Global Hydrogen Review 2023”, 2023.06, IEA
· “Hydrogen: the next big bet on the path to new energy”, 2022.11.22, Kearney
· “Five charts on hydrogen’s role in a net-zero future”, 2022.10, McKinsey Insights
· “Hydrogen Forecast to 2050”, 2022, DNV
· “수소 산업의 현재와 미래”, 2023.5.25, Kearney Insight Seminar
· “에너지 대전환 시대, 수소경제 관련 변화와 대응전략”, 2019.10.29, Kearney Insight Seminar
· “그린수소: 넷제로 실현 가속화 동인”. 2023.6, Deloitte Insights
· “기후 기술과 수소 경제의 부상”, 2022 No.24, Deloitte Insights
· “2022 녹색산업 인사이트, 수전해 기술”, 2022.12, 서울시녹색산업지원센터
· “연료전지 시장 및 산업 동향과 시사점”, 2022, GTC녹색기술센터
· “수소생산에서 활용까지, 수소경제에서 찾는 기회”, 2021, 삼정KPMG경제연구원
· “에너지백과, 수전해”, 2023.5.15, SK E&S 미디어룸
· “2030년 세계 수소생산량 1100만톤..그린수소가 70% 차지”, 2022.2.15, 가스신문