수소에도 색깔이 있다? 그린수소가 되기까지의 컬러풀한 여정

수소에 어떻게 색이 있지?

 

여러분이 아시다시피, 청정 에너지원인 수소는 지구의 70%를 차지하는 '물'로 만들어집니다. 무색무취의 물로 만들어져 색이 없을텐데 왜 블랙 수소, 브라운수소, 그레이수소, 블루수소, 핑크수소, 그린수소와 같이 각양각색의 수소가 존재하는 것일까요?

우주를 이루는 원소의 90%를 차지하는 수소는 물에서 생산되고 다시 물로 되돌아가는 순환과정을 거칩니다. 천연가스보다 3배의 연료 효율을 보이면서, 고갈우려가 없는 점 때문에 미래를 주도할 지속가능한 에너지로 평가받고 있죠. 하지만 수소는 스스로 에너지를 생산할 수 있는 1차 에너지가 아닌, 일종의 에너지 운반체로서 전기처럼 만들어내야하는 2차 에너지입니다. 따라서, 다른 원료로부터 부생, 개질* 또는 수전해 등의 방법으로 얻어야합니다. 이때 어떤 생산방식을 택하느냐에 따라 생산과정의 친환경적인 정도가 달라지는데요. 이중 가장 친환경인 수소 생산 방법은 바로 전기분해, 그중에서도 재생에너지를 통해 생산한 전기로 물을 산소와 수소로 분리하는 전기분해입니다. 전생산과정에서 유해물질이 전혀 발생하지 않아 100% 친환경적이기 때문에 각광 받습니다.

하지만 효율 및 비용 문제때문에 전기분해 방식이 보편화되기까지는 꽤나 긴 시간이 소요될 것으로 전망됩니다. 그래서 그 과도기에 공존하는 다양한 방식을 쉽게 구별하기 위해 업계에서는 생산방식 및 이산화탄소 배출 여부에 따라 수소의 이름에 색깔을 붙였습니다. 색이 무척이나 다채로워 영어권에서는 '수소 무지개(Hydrogen Rainbow)'라고 부르기도 한답니다. 실제로 수소는 무색으로, 이름처럼 색을 띠는 것은 아니랍니다!

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*개질(reforming)이란?

열 또는 촉매 반응을 통해 탄화수소(CxHy)의 구조를 재구성하는 과정

다양한 색깔의 수소, 각각 어떻게 생산되는지 함께 알아보아요

 

 

석유화학 공정이나 철강 제조 과정에서 부수적으로 발생하는 '부생 수소'

부생 수소는 부수적으로 발생한 수소이기 때문에 공급량이 한정되어 있고, 친환경적이지 않다는 한계를 가집니다. 석유화학·제철 공정에서 발생한 부생수소를 '백색수소(white hydrogen)'이라고 부르는데요. 이외에도 세계재생에너지기구에서는 석탄을 개질해 생산한 수소를 '블랙수소(black hydrogen)', 갈탄을 개질해 생산한 수소를 '브라운수소(brown hydrogen)'로 세분하고 있습니다.

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천연가스를 고온 및 고압에서 분해하여 생산하는 '개질 수소'

천연가스를 개질하여 생산하는 '회색수소/그레이수소(grey hydrogen)'

현재 생산원가가 가장 낮으며, 시장에서 가장 보편적으로 이용되고 있는 수소의 생산방식입니다. 전체 수소의 약 96%가 그레이수소에 해당하는데요. 그레이수소는 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)을 고온고압의 수증기로 분해하여 생산합니다. 넓게는 생산과정에서 이산화탄소가 발생하면 그레이수소로 분류하여, 석유화학 및 철강 생산 과정에서 부산물로 추출되는 블랙수소와 브라운수소를 그레이수소에 포함시키기도 합니다.

천연가스에서 수소를 얻어내기 위한 과정 중 전기분해를 위해 엄청난 전기에너지가 소모되는데요. 그 과정 중에 이산화탄소가 발생합니다. 그레이 수소는 1t를 생산하는데 이산화탄소가 무려 10t 발생되는 것으로 알려져있습니다. 원료 자체도 화석원료인 탄화수소 화합물인데, 생산과정에서도 이산화탄소가 발생되니, 친환경적인 에너지원이라고 표현하기에는 어려움이 있다.

 

천연가스를 개질한 후, 이산화탄소를 포집 및 저장하여 생산하는 '청색수소/블루수소(blue hydrogen)'

블루수소 또한 그레이수소와 동일하게 천연가스 또는 메탄으로부터 생산되나, 배출되는 탄소를 포집하고 저장한다는 점에서 상당히 고도화된 생산방식이라 할 수 있습니다. 이산화탄소를 포집, 활용 및 저장하는 기술은 'CCUS (CCUS: Carbon Capture, Utilization and Storage) 기술'이라고 불리우는데요(CCS 또는 CCU로 구분하기도 합니다). 이름 그대로 생산과정에서 발생하는 이산화탄소가 공기 중으로 방출되는 것을 막고(Carbon Capture), 필요한 곳에서 사용(Utilization)하거나 지하에 저장(Storage)하는 기술입니다. 공정이 추가되기 때문에 수소생산단가는 다소 상승하게 되며, 포집 및 저장된 이산화탄소의 해결 또한 어려운 문제입니다. 지난 3월, SK(주)머티리얼즈가 CCUS 기술을 보유한 미국 업체 8리버스(8Rivers)에 1억달러(약 1200억원)을 투자하여 지분 12%을 확보하기도 하였는데요. 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 CCUS기술 없이는 넷제로(Net Zero)에 도전하는 것은 불가능하다고 단언하기까지 했습니다.

블루루소는 그레이수소보다 이산화탄소 배출이 적어 친환경성이 높습니다. 물론 이산화탄소를 완전히 제거하진 못해 그에 따른 한계도 존재하지만요. CCUS 기술 또한 약 50년 동안 꾸준한 발전을 통해 상용화 단계에 이르러, 현재로써 가장 현실적인 대안으로 주목 받고 있습니다. SK(주)머티리얼즈 뿐만 아니라 현대오일뱅크, 롯데케미칼 등 많은 국내 기업이 CCUS 기술 확보에 매진하고 있는데요. 탄소배출이 높은 산업군인 철강(35%), 시멘트(25%), 화학 및 석유화학 제품(30%) 등 업계가 모두 우리나라 선도하고 있는 산업군에 해당하기 때문에, 나날이 증가하는 탄소세에 대한 경제적인 부담을 낮추기 위해서라도 CCUS 기술에 대한 투자와 대책방안 마련은 불가피할 것으로 보입니다.

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물을 전기분해하여 생산하는 '수전해 수소'

기존의 전력망을 이용해 물을 전기분해(수전해)하여 생산한 수소는 '황색수소/옐로우수소(yellow hydrogen)'이라고 부르는데요. 수전해에 활용하는 전기를 생산하는 방식에 따라 수소의 색은 또 달라집니다. 아직 청정수소(clean hydrogen)에 대하여 합의된 정의는 없지만, 탄소배출 없이 생산된 아래의 핑크수소, 그린수소가 보통 이에 해당합니다.

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원자력 발전으로 생산하는 '자색수소/적색수소/핑크수소(pink hydrogen)'

원자력을 활용하여 생산되는 핑크 수소는 온실가스 배출 측면에서 가장 깨끗하다고 평가받습니다. 하지만 최근 가장 논란 속에 놓여있는 수소이기도 한데요. 바로 '원자력 발전'을 청정기술로 인정하느냐 마느냐에 대한 논의가 최근 정부에서 지난 5년간 추진했던 탈원전 정책을 폐기하면서 진행되고 있기 때문입니다. 2019년 1월에 발표된 수소산업 로드맵에서도 현재 '그레이수소(천연가스 개질)→블루수소(이산화탄소 포집·저장 기술)→그린수소(신재생에너지)'로 구성되어, 핑크수소가 아예 제외되어 있는데요, 정부의 방침 변화에 따라 핑크수소가 새로 포함될 수 있을지 업계의 관심이 쏠리고 있습니다. 유럽을 비롯한 일부 해외국가에서는 이산화탄소를 배축하지 않기 때문에 핑크수소를 청정수소로 인정하고 있습니다.

 

재생가능 에너지를 전기분해해 생산하는 '녹색수소/그린수소(green hydrogen)'

결국 위에서 소개한 다양한 방식들은 모두 궁극적으로 녹색 수소에 이르기위한 과정에 해당합니다. 태양광, 풍력 터빈 등 기타 지속가능한 에너지원으로 생산된 수소를 가리키는 녹색 수소는 처음부터 끝까지 깨끗한 과정으로 생산되는 청정 에너지원입니다. 북아메리카와 유럽 중 재생에너지가 특히 풍부한 지역들에서는 그린수소 생산을 위해 대규모의 실증사업을 진행하고 있는데요. 우리나라에는 수전해 생산설비 및 재생에너지량이 부족하여 해외에서 생산된 그린수소를 수입하는 방법 또한 대안으로 고려하고 있습니다.

각국에서는 그린수소의 생산과 사용을 장려하기 위해 다양한 제도와 법안를 마련하고 있는데요. 신재생에너지로부터 전력을 생산하면 생산단가가 너무 높다는 점, 생산설비의 효율이 낮다는 점 등, 기술적, 경제적인 측면에서 현실적으로 그린수소를 상용화하는데는 한계가 존재합니다.

 

정부는 우리나라가 세계 수소 경제를 주도하겠다는 포부를 가지고, '수소경제 활성화 로드맵'을 발표하며 2024년까지 우리나라의 수소차 누적 생산량을 620만대까지 늘리는 등 목표치를 내세웠습니다. 아래 도표에서 볼 수 있듯이, 향후 수소 공급량은 2030년에는 194만톤, 2040년에는 526만톤 이상으로 폭발적으로 성장할 것으로 예상됩니다. 하지만 기술적 한계 때문에 그레이수소 비중이 2030년에는 50%, 2040년에도 30%를 차지할 것으로 정부는 전망하고 있죠.

나날이 늘어날 수소가 조금이라도 더 많이 친환경적인, 깨끗한 방법으로 생산되기 위해서는 신재생에너지 발전 기술과 인프라 마련 등 그린수소사회 구축을 위한 다양한 노력이 진행되어야할 것입니다. 점차 녹색으로 물들어 갈 수소의 색, 함께 관심을 갖고 주목해보면 어떨까요?