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. 과연 수소가 각광받는 이유는 무엇이며, 관련 기술은 무엇이 있을까? 가치사슬별 핵심 수소 기술을 바탕으로 신(新)에너지 시대 속 새로운 기회를 알아보자.
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)
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?
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.
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 에너지 를 수입하기 위한 수요가 대폭 증가하고 있다. 이런 배경에서 수소 저장 운반 기술은 앞으로 에너지 수출입의 기반 기술이 될 전망이다.
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.
수소 에너지가 만들어지고 활용되는 전체 과정은 크게 생산, 저장 ‧ 운송, 활용의 3단계로 나눌 수 있다. 국내의 경우, 정책 기조가 수소 활용 단계에 초점을 두고 있어, 활용 기술의 연구 개발에 자원과 역량이 집중되어 있다. 실제로 연료 전지, 수소 모빌리티 등의 분야는 국내 기업의 기술력과 비즈니스가 세계를 선도하고 있다. 그러나 수소 경제의 전체 과정 안에는 훨씬 다양한 기술과 비즈니스 기회가 포진해 있다. 각 단계별 핵심 기술은 무엇이 있는지 살펴보고, 각 기술의 현재 비즈니스 현황을 알아보자.
수소 에너지의 가치 사슬 (Source: CBInsight / IGM 재구성)
수전해는 물(H2O)에 전기를 가해 수소(H)와 산소(O) 원자를 분리하여 수소를 얻는 기술이다. 태양광, 풍력등 재생에너지로 만들어진 전기를 사용하면 고순도의 그린 수소를 얻을 수 있다. 수전해는 설비 종류에 따라 알칼라인(AEC), 고분자 전해질(PEM), 고체산화물(SOECs) 등 다양한 방식으로 나뉘어진다.
각 수전해 방식별로 글로벌 핵심 기업이 주축이 되어 꾸준한 개발과 발전이 이루어지고 있다. 알칼라인 수전해(AEC)의 경우, 노르웨이의 넬 하이드로젠(Nel Hydrogen), 독일의 티센크루프(Thyssenkrupp)가 원천 기술과 제조 시설을 보유하고 있으며, 고분자 전해질막 수전해(PEM)의 경우, 독일의 지멘스 에너지(Siemens Energy)가 기술을 선도하고 있다. 고체산화물 수전해(SOECs)는 미국의 블룸 에너지(Bloom Energy)가 기술을 보유한 대표 기업이다. 국내 기업들도 수전해 원천 기술 획득에 박차를 가하고 있다. SK에코플랜트는 2018년부터 블룸 에너지와 전략적 협력관계를 맺고, 고체산화물 수전해 기반 국내 그린 수소 생산 실증을 이어가고 있다.
암모니아 크래킹은 암모니아(NH3)를 수소((H)와 질소(N)로 분리하여 수소를 얻는 기술이다. 암모니아는 탄소 원자(C)가 없어 분리 과정에서 탄소가 발생하지 않으므로, 청정 수소를 생산할 수 있다.
해외에서는 암모니아 기반 수소 생산 기술 상용화가 속속 이루어지고 있다. 호주 연방과학원(CSIRO)에서는 2018년 세계 최초로 암모니아에서 분리한 수소를 수소전기차 연료로 주입하는데 성공했으며, 암모니아 분해 기술을 기반으로 한 이동식 수소 충전소 실증도 마쳤다. 국내에서는 원익머트리얼즈가 최초로 암모니아 수소 추출 자체 기술 확보에 성공했으며, 사업화 추진 중이다. 국내 암모니아 연료전지 시스템 스타트업 아모지는 세계 최초로 암모니아 크래킹 설비를 1/100로 소형화 하는데 성공해 올해 6개국의 투자를 받았다.
수소의 저장과 운송 단계는 수소를 저장하는 형태에 따라 크게 4가지로 나눌 수 있으며, 운송 방법은 저장 형태에 따라 달라진다. 이 중 최근 가장 주목받는 영역은 액화 수소와 암모니아 관련 기술이다.
수소의 저장 형태별 특징 (Source: 한국석유공사 석유정보센터(PISC), 출처: 국민일보)
수소를 극저온(-253°C)에서 액체 상태로 변환하는 방법으로, 수소 경제 활성화를 위한 핵심 기술로 꼽히고 있다. 액화 수소는 기체에 비해 좁은 면적에 많은 양을 저장할 수 있으며, 고압 용기를 사용할 필요가 없어 더 안전하다. 그러나 보관과 운반 과정에서 극저온 상태를 유지해야 하므로 높은 기술력이 필요하다.
많은 국내 대기업이 액화 수소 시장을 조기 선점하기 위한 사업을 추진 중이다. 국내 액화 수소 생산 기업으로는 SK E&S, 두산에너빌리티, 효성 중공업 등이 있다. 특히, SK E&S는 인천에 연 3만톤 규모의 액화 수소를 생산할 수 있는 초대형 플랜트를 완성해, 작년 말 본격 가동했다. 대규모 액화 수소 변환과 더불어 뜨고 있는 것은 대륙간 대용량 운송이 가능한 액화 수소 운반선이다. 해외의 저렴한 청정 수소를 액화 수소 형태로 수입하기 위해서 꼭 필요하다. 우리나라와 마찬가지로 신재생에너지 발전단가가 높은 일본은 2015년부터 호주, 브루나이로부터 그린 수소를 수입하기 위한 실증 사업을 진행하고 있다. 2022년에는 가와사키 중공업에서 진수한 세계 최초 8,000톤급 액화수소 운반선 ‘스이소 프론티어(Suiso Frontier)’를 출항하였다. 국내에서는 현대 글로비스가 한국조선해양, 현대미포조선과 협력하여 액화수소 운반선을 개발 중이며, 2020년 선박 건조를 위한 첫 단계인 ‘기본승인 인증(AIP)’을 마쳤다.
액화 수소와 함께 수소의 저장 및 운반 문제의 돌파구로 떠오르고 있는 매체는 암모니아다. 암모니아는 액화점이 수소보다 높아(-33°C), 극저온을 유지해야 하는 액화 수소에 비해 기술적 난이도가 낮다. 따라서 파이프라인이나 선박, 트럭 등 일반적인 방식으로도 저장 및 운송이 용이하다. 또한 부피에너지밀도가 액화수소의 거의 2배에 가까워서 같은 양의 수소를 운반하는데 드는 운송비가 절반 수준이다. 그러나 보관과 운반 과정에서 악취와 독성 문제를 극복해야 한다는 과제가 있다.
암모니아 형태로 수소를 해외 수입하는 방법은 기존 LPG 운송선 등 운송 인프라가 이미 갖추어져 있어 추가 투자가 필요 없다. 대신 현재 각광받는 분야는 암모니아로 수소를 저장, 운반하는 것을 넘어서, 차세대 연료 자체로 사용하는 기술이다. 특히, 선박 분야에서 암모니아 추진 기술이 빠르게 상용화되고 있어, 국제에너지기구(IEA)에 따르면 암모니아가 2050년 선박 연료 수요의 45%를 차지할 것으로 보인다. 국내에서는 삼성중공업이 2019년부터 암모니아 추진 선박 기술을 개발하고 있으며, 최근 거제 조선소 내에 암모니아 실증 설비를 조성하는 등 실선화에 박차를 가하고 있다.
수소의 활용 분야는 산업, 건물, 발전 등 다양하나, 현재 가장 큰 성과를 보이고 있는 분야는 수소 모빌리티와 연료전지 분야이다.
수소 연료전지는 전기를 저장하는 전지(배터리)로 생각하기 쉽지만, 수소를 연료로 전기를 직접 생산하는 발전기의 일종이다. 수소 연료전지는 연소 과정 없이 화학 에너지를 곧바로 전기 에너지로 전환하는 방식이므로 친환경적이며 에너지 효율이 높다. NASA에서는 1969년 이미 수소 연료전지의 효율성을 알아보고, 최초 달 탐사선 아폴로 11호에 연료전지 3대를 탑재해 우주선 내 필요 전력을 공급하고 배출된 물은 우주비행사의 식수로 사용한 사례가 있다. 현재 수소 연료전지는 휴대용, 건물용, 수송용(모빌리티 탑재), 발전용 등 다양한 분야에 널리 쓰이고 있다. 연료전지 기술은 수전해와 비슷하게 설비 종류에 따라 고분자전해질막 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 인산 연료전지(PAFC) 등으로 나뉜다. 그 중 고분자전해질막 연료전지(PEMFC)가 가장 상용화된 기술로, 휴대용부터 건물용, 자동차 등에 널리 사용된다.
글로벌 연료전지 시장은 2020년 26억 달러에서 2028년 289억 달러 규모로 약 10배 이상 성장할 것으로 기대된다. 현재 핵심 기업들이 시장을 선도하는 동시에, 새로운 스타트업들이 계속 시장에 진입하고 있어 경쟁이 심화되고 있다. 특히 국내 연료전지 시장은 지난 30년간 적극적인 정책 추진을 기반으로 세계 최고 수준의 기술력을 보유하고 있으며, 2019년 이미 수소 연료전지 발전설비 보급 세계 1위라는 성과를 달성하며 빠르게 성장 중이다. 현대자동차는 수송용 연료전지 분야의 선도 기업으로, 지난 6월에는 중국 광저우시에 연료전지 생산공장을 준공하여 현대차 및 중국 상용차에 공급하고 있다. 발전용 연료전지 분야를 선도하는 두산퓨얼셀은 수소 연료전지만으로 연 100억원 이상의 영업이익을 내고 있다.
수소 연료전지와 밀접하게 관련된 활용 기술이 바로 수소 모빌리티다. 수송용 연료전지를 탑재하여 수소를 에너지원으로 사용하는 승용차, 상용차, 기차, 선박, 항공기 등 이동수단을 말한다. 수소 승용차의 경우, 상용화가 많이 진행되어 2027년 100만 대까지 시장 규모가 급성장할 것으로 보인다. 현재는 국내 시장이 세계 최대 규모로, 2023년 상반기 기준 3만 2천 대 수소차를 보유하고 있다 (2위 미국 약 1만 6천 대). 2022년 한 해 가장 많이 팔린 수소차는 현대자동차의 넥쏘(Nexo)가 1만 대로 1위, 일본 도요타의 미라이(Mirai)가 3,200대로 2위를 차지했다.
승용차 외의 모빌리티 기술도 지속적으로 발전하고 있으며, 2025년 이후부터는 수소 상용차(버스, 트럭, 화물차), 항공 교통, 수소 도심항공교통(UAM) 등 다양한 영역에서 혁신적인 제품들이 등장할 예정이다. 지난 9월, 현대자동차는 180kw급 수소 연료전지 시스템을 갖춘 세계 첫 수소 전기 대형 트럭을 공개했다. 수소 연료전지는 전기 배터리에 비해 충전 속도가 빠르고, 장거리 운행에 더 적합해 대형 상용차 제품에서 더욱 강점을 보일 것으로 기대된다. 한화에어로스페이스는 100kw급 수소 연료전지 기반 도심항공교통(UAM) 기술을 개발 중이라고 밝혔으며, 2030년 상용화를 목표로 하고 있다. 앞으로 더 다양한 수소 모빌리티 기술이 상용화되면, 대규모 수소 수요 창출이 가능해져 산업 생태계 전체가 한층 더 성장할 수 있을 것으로 보인다.
2002년, 미국의 경제학자 제레미 리프킨은 ‘수소는 인간 문명을 재구성하고, 세계 경제와 권력 구조를 재편하는 새로운 에너지 체계로 부상할 것’이라고 예견했다. 약 20년이 지난 지금, 우리나라를 비롯한 전세계 주요 국가가 ‘수소 경제’로 전환을 준비하고 있다. 더 이상 화석 에너지 기반 경제 모델로는 성장은 물론 생존 자체가 어려워졌기 때문이다. 석유 산업을 중심으로 한 에너지 패권의 흐름은 머지않아 과거가 될지도 모른다.
이미 수소를 비롯한 친환경 에너지 기술은 산업 생태계의 지각 변동을 일으키고 있다. 판이 바뀐다는 것은 곧 키플레이어(key player)가 바뀐다는 뜻이다. 다행히 국내 많은 기업이 이미 탄탄한 기술력을 바탕으로 수소의 활용 분야에서 강세를 이어가며 수소 경제를 준비하고 있다. 이제는 활용 분야를 넘어 수소 가치사슬 전체를 아우르는 원천 기술 선점과 투자가 필요한 시점이다. 새롭게 펼쳐질 에너지 패러다임 속 숨겨진 기회를 위해 발빠르게 움직이는 기업이 ‘뉴 키 플레이어’가 될 것이다.
<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
