수소를 왜 에너지원으로 사용할까?

수소는 주기율표에서 원자번호 1번에 해당하는 첫 번째 원소로 가장 가벼운 원소이자 우주 질량의 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소다. 화석연료와 달리 고갈 염려가 없고 지역 편중이 적으며 기체 상태의 수소를 액화수소로 냉각하면 부피가 8백 배 줄어들기 때문에 저장과 보관도 용이하다. 가장 중요한 건 에너지 발생과정에서 환경오염물질을 배출하지 않기 때문에 전 세계적 추세인 탄소중립을 주도할 청정 에너지원으로 각광받고 있다는 점이다.

흔히 수소에너지의 사용처를 수소자동차 정도로만 알고 있는 경우가 많은데 수소는 선박이나 철도, 항공 등 내연기관을 대체하는 운송에 폭넓게 활용될 수 있다. 또 철강이나 화학 등 산업용 에너지원이나 가정용으로도 활용이 가능하다. 이에 세계적인 온실가스 배출규제 강화 추세와 수소 관련 기술의 빠른 발전으로 인해 수소 활용의 범위는 더 크게 확장될 전망이다.

색깔로 구분하는 수소 생산방식

앞서 언급했듯 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이긴 하나 지구에서 단일 수소 원소 형태로 거의 존재하지 않는다. 주로 여러 가지 원소와 화합물로 이루어져 있어 수소를 얻기 위해서는 분리해 생산하는 과정이 필수다. 그리고 수소 자체에 색이 없긴 하나 다양한 생산방식에 따라 수소를 색깔로 표현하고 있는데 크게 그레이(grey), 블루(blue), 청록(Turquoise), 그린(green)으로 구분한다.

이 중 그레이수소에는 천연가스(LNG) 개질방식과 부생수소가 포함된다. 천연가스 개질은 천연가스를 고온·고압 수증기와 반응시켜 생산하는 방식으로 생산과정에서 CO₂를 배출한다. 또 부생수소는 석유화학공정이나 철강 등을 생산할 때 발생하는 부산물로 나오는 수소를 말하는데 저렴한 비용으로 인해 현재까지는 국내 생산 중인 수소가 대부분 그레이수소다.

블루수소는 그레이수소 생산과정에서 나오는 이산화탄소를 포집·저장하는 기술인 CCS(Carbon Capture and Storage)를 활용해 이산화탄소 배출을 줄이거나 없앤 수소다. 화석연료에서 추출된다는 점에선 그레이수소와 동일하지만 그레이수소보다 탄소배출량이 적거나 없는 것이 특징이다. 세계적 추세에 발맞춰 한국도 CCS 기술 활용에 박차를 가하고 있긴 한데 아직은 상용화에 이르지 못했다.

청록수소는 천연가스의 메탄 열분해 과정을 통해 만든 수소를 의미하며 생산과정에서 고체탄소가 생성된다. 생산 과정에서 이산화탄소가 발생하지 않으며, 블루수소의 경제성과 그린수소의 친환경성을 모두 갖췄기 때문에 블루수소와 그린수소의 가교 역할을 해줄수 있을 것으로 기대한다.

그린수소는 재생에너지에서 생산된 전기로 물을 전기분해해 만든 수소다. 수전해 기술을 사용하면 수소와 산소만 생산되기 때문에 오염물질이 전혀 발생하지 않아 친환경적이긴 한데 물을 전기분해 하는 과정에서 대규모 전력이 사용되기 때문에 비용과 에너지 효율 측면에서 당장 상용화가 어렵다. 하여 아직까지는 전 세계적으로 활용이 적은 편이다.

그리고 생산과정에 따라 이 외에도 다른 색깔 수소들이 더 있다. 핑크수소는 그린수소와 같이 물의 전기분해를 통해 생산되지만 재생에너지가 아닌 원자력에너지로 전기를 공급하는 방식이다. 옐로우수소는 기존 전력망을 이용하여 물을 전기 분해하는 방식이다. 수전해 과정에서 이산화탄소 배출은 없지만, 앞서 전력을 생산할 때 한차례 탄소 배출이 발생하기 때문에 친환경 기술은 아니다. 핑크수소는 그린수소와 같이 물의 전기분해를 통해 생산되지만 재생에너지가 아닌 원자력에너지로 전기를 공급하는 방식이다.

환경적 측면에서 고려한다면 이산화탄소 배출이 현저히 적은 블루수소나 탄소 배출이 없는 그린수소만 생산해야 할 것 같지만 현실은 그레이수소 위주로 생산되고 있다. 그린수소를 만들 때 사용되는 수전해 기술 효율이 아직 충분하지 않고 가격이 비싸 경제성이 낮기 때문이다. 이에 현재 전 세계적으로 이 수전해 효율을 향상시키고 비용을 낮추는 연구가 지속 중이다.

삼천리, 연료전지 발전 사업으로 수소경제 기여하다

삼천리는 경기도 13개시 인천시 5개구에 도시가스를 공급하고 있는 국내 최대 도시가스기업이다. 주력사업인 도시가스 사업을 기반으로 수소 연료전지 발전 사업에 참여하며 국내 수소경제 활성화에 기여하고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 열과 전기를 생산하는 발전원으로 도시가스의 주성분인 메탄(CH₄)에서 수소를 추출하여 공기 중의 산소와 수소를 반응시켜 전기에너지 등을 발생시키는 기술이다.

도시가스 연료전지 발전은 앞서 설명한 수소경제의 대표적 사례다. 발전과정에서 기존 화력발전에 비해 이산화탄소와 질소산화물이 현저히 적게 발생하고 황산화물과 미세먼지 등 대기오염물질도 거의 발생하지 않는다. 또 악취 및 오폐수와 소음 배출도 적어 도심지에도 설치가 가능하다. 입지 제약 또한 거의 받지 않아 공간효율성이 좋고 대규모 송전탑이나 송전선이 불필요한 분산형 전원이라 송전 중 전력 손실이 적은 이점까지 있다.

삼천리는 이미 2013년부터 한국수력원자력, 포스코에너지와 함께 경기그린에너지를 설립하고 경기도 화성시에 58.8MW급 연료전지 발전소를 운영해오고 있다. RPS제도 도입으로 일정 규모(500MW) 이상의 발전사업자는 총 발전량의 일정 비율 이상을 반드시 신재생에너지를 이용해 공급하도록 의무화돼 이에 따라 설치가 가장 원활하고 효율성이 높은 연료전지 발전소 건설 사업을 실행해왔다. 경기그린에너지는 연간 8만 5천여 가구가 사용할 수 있는 전력 423GWh(가구당 약 400KWh/월 사용 기준)와 2만여 가구가 사용 가능한 열 22만Gcal를 생산 중인데 이는 연간 약 11만 3천 TOE의 원유 수입 대체효과와 소나무 20만 그루를 심는 이산화탄소 저감효과가 있다. 또 2021년 7월에는 한국수력원자력, 두산건설과 함께 설립한 인천연료전지의 39.6MW급 연료전지 발전소도 완공했다. 인천연료전지는 연간 11만여 가구가 사용할 수 있는 전기 320GWh(가구당 약 243KWh/월 사용 기준)와 열 16만 4천Gcal을 생산해 공급 중이다.

이와 더불어 SE그린에너지의 화성 연료전지와 배곧 연료전지, 남양 연료전지, 의왕 연료전지 등에도 관련 기술을 제공하고 도시가스 공급을 통해 수요처 개발에 나서고 있다. 그룹사인 삼천리ES는 우수한 자체 시공 및 엔지니어링 기술력으로 연료전지 EPC 사업을 적극 추진해 현재 국내 최대 연료전지 시공 실적(304MW, 2022년 3월 기준)을 보유하는 등 연료전지 설계 및 시공 분야에서 선도적 입지를 다지고 있다.

삼천리, 도시가스 저탄소화 연구에 역량 집중

삼천리는 2022년 기존 기술연구소의 역할 및 기능을 확대한 ‘탄소중립연구소’를 신설하여 탄소중립 실현을 위한 수행 전략을 수립하고, ICT(정보통신기술) 기반의 탄소배출권 인증 및 활용 방법론과 기술을 정립하는 등 탄소 감축을 인증하고 활용하는 방안에 대한 연구를 활발히 진행 중이다. 특히 그룹의 주축인 도시가스 사업에서 고객이 도시가스 이용 시 탄소를 배출하지 않도록 하거나 오히려 마이너스 배출할 수 있도록 전환함으로써 기업과 고객이 탄소중립에 함께 공헌할 수 있는 길을 찾고 있다.

탄소중립 연구소는 도시가스의 탄소중립을 이루는 핵심수단으로 ‘수소’에 주목하여 관련 사업에 진입하기 위한 전반적 가치사슬(Value Chain)에 필요한 기술을 연구하고 있다. 저탄소 도시가스 공급을 위해 생산 분야에서는 청록수소와 같은 청정수소 생산기술을 연구하고, 유통 분야에서는 기존 도시가스 배관을 활용하는 방안과 수소 전용 배관을 구축하여 공급하는 신기술을 연구하며, 이용 분야에서는 순수소 연료전지를 비롯한 수소 이용기술을 연구하고 있다. 특히 2022년에는 ‘청록수소 생산기술의 연료전지 발전소 적용에 대한 공정 및 경제성 평가’에 대한 국책과제 연구를 진행한다. 해당 과제를 통해 메탄 열분해 방식을 사용 한 청록수소 생산기술의 배열 회수 시스템 공정과 Heat Balance를 분석하고 연료비 변동을 전망함으로써 최종적인 경제성을 검토하고 이에 최적화된 사업 모델을 개발할 것이다.

탄소중립을 실현하기 위해 그 어느 때보다 에너지기업의 능동적 대응이 요구되고 있는 시점이다. 삼천리는 수소 연료전지를 비롯해 탄소중립연구소를 기반으로 다양한 친환경 에너지 사업을 검토해 확대하며 탄소중립 실현에 최선을 다할 것이다.