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수소경제, 미래를 열다
[수소경제, 미래를 열다⑮] 회색, 녹색, 파란색까지… ‘삼색 수소’ 총정리
2021. 04. 06 by 박설민 기자 ihatefree1@sisaweek.com
수소경제사회에서 사용되고 있는 수소는 한 종류가 아니라 ‘그레이 수소’‘그린 수소’‘블루 수소’ 등 여러가지 종류다. / 그래픽=박설민 기자

시사위크=박설민 기자  지난 2019년 우리나라가 수소경제사회로의 도약을 시작한지 2년하고도 3개월이라는 시간이 흘렀다. 아직 기존의 에너지원인 천연가스, 석유 등에 비해 어색한 것은 사실이지만 길거리에서 수소 자동차를 쉽게 찾아볼 수 있는 것을 보면 수소경제사회가 차츰 자리잡고 있다는 것을 일반 국민들 역시 어렴풋이 느낄 수는 있을 듯 하다.

하지만 우리가 현재 사용하는 수소가 한 종류가 아니라 ‘그레이 수소’ ‘그린 수소’ ‘블루 수소’ 등 여러 종류라는 것에 대해선 여전히 많은 사람들이 잘 모르고 있다. 또한 각각의 수소들이 수소경제사회에서 맡고 있는 역할에 대해서 아는 사람들은 더욱 적다.

이에 <시사위크>는 본격적인 수소경제사회로 나아가기 위한 현 시점에서 우리가 사용하고 있는 수소들의 종류를 정리·비교하고, 이들이 수소경제사회에서 맡고 있는 역할 등에 대해 짚어봤다.

수소경제의 가장 핵심은  ‘그린(녹색) 수소’다. 그린 수소는 재생에너지를 이용해 물을 분해해서 생산한다. 이산화탄소(CO₂) 등의 온실가스나 대기오염물질을 발생시키지 않아 ‘궁극의 친환경 에너지원’이라고 불린다./ 사진=현대자동차

◇ 궁극의 친환경 에너지 ‘그린 수소’

먼저 수소경제사회에서 가장 핵심이 되는 수소는 ‘그린(녹색) 수소’다. 그린 수소는 생산과정에서 이산화탄소(CO₂) 등의 온실가스나 대기오염물질을 발생시키지 않아 ‘궁극의 친환경 에너지원’이라고 불린다.

그린 수소의 대표적인 생산방법은 ‘수전해’ 방식이다. 수전해는 쉽게 말해 ‘물(H₂O)’에서 수소를 추출하는 기술이다. 이때 물의 전기분해를 위해 필요한 전력은 풍력, 태양광과 같은 재생에너지에서 발생하는 잉여전력(대량 생산된 전기 중 남아 버려지는 전력)을 이용한다. 생산에 필요한 전력과 생산 과정, 사용 과정 등 에너지 전주기에 걸쳐 대기오염물질을 발생시키지 않는 셈이다. 

여기에 수전해 수소 생산에 필요한 자원인 물은 지구상에서 가장 풍족한 자원이라 자원고갈문제에서도 자유롭다. 때문에 그린 수소는 환경적 측면과 자원적 측면 모두에서 우리가 찾던 수소경제사회를 완성시킬 ‘완성형 수소’라고 볼 수 있다. 

문제는 완벽한 수소인 그린 수소의 경우 ‘생산 단가’ 문제가 발목을 잡고 있어 본격적인 상용화가 아직 힘든 상황이라는 점이다. 물을 분해하기 위해 필수적인 촉매는 백금이 사용돼 가격이 너무 높다. 

또한 수소 생산에 필요한 전력을 공급하기 위한 재생에너지의 보급도 우리나라처럼 좁은 국토, 불규칙한 풍향·일광 등의 자연환경을 가지고 있는 국가들에선 매우 불리하다. 때문에 현재 수전해를 통한 그린 수소 생산은 노르웨이, 미국 등 풍력, 태양광, 수력 발전에 적합한 지형을 갖춘 나라들에 한해서만 이뤄지고 있는 실정이다.

‘그레이(회색) 수소’는 석탄, 천연가스 등 화석연료에서 추출해 생산하는 개질수소, 공장에서 발생하는 부생수소 2가지로 구분된다. 생산단가의 경우 매우 우수한 편이지만, 화석연료 개질 시 발생하는 이산화탄소때문에 친환경 에너지가 아니라는 오명을 가지고 있다./ 그래픽=박설민 기자

◇ 값싸고 빠른 공급의 ‘그레이 수소’

수소경제사회의 두 번째 핵심 수소는 바로 ‘그레이(회색) 수소’다. 그레이 수소는 크게 △부생수소 △개질 수소로 구분할 수 있는데, 여기서 부생 수소는 공장의 생산 공정 중에 발생하는 수소이며, 개질 수소는 천연가스나 석탄에서 추출해 만들어지는 수소를 일컫는다. .

그레이 수소의 가장 큰 장점은 생산 단가 측면에서 매우 우수하다는 점이다. 부생 수소의 경우 공장에서 발생하는 부산물이기 때문에 사실상 자체 생산 비용은 0원이며, 발생한 부생 수소를 저장하는 비용만 발생한다. 

화석연료를 개질해서 생산하는 개질수소의 경우에도 그린 수소보다 생산 단가가 훨씬 저렴한데, 국제에너지기구(IEA) 따르면 2019년 기준 개질 수소 1kg의 생산 단가는 △천연가스  0.7~1.6달러 (한화 약 785원~1,794원) △석탄 1.9~2.5달러 (2,131원~2,804원)로 1kg 생산 비용이 약3.2~7.7달러 (한화 약 3,600원~8,660원) 수준인 그린 수소보다 20~30% 수준에 불과하다.

다만 부생수소의 경우 공장에서 발생하는 부산물이기에 생산 단가 측면에선 가장 우수하지만 생산량을 필요한만큼 임의로 조절하는 것이 힘들다는 단점이 있어 보통 ‘그레이 수소=개질 수소’로 보는 시각도 있다. 

그러나 그레이 수소에는 화석연료를 개질해 수소를 생산할 경우 이산화탄소(CO₂)가 발생한다는 치명적인 문제가 있다. 우수한 에너지효율도 있지만 수소를 사용하는 가장 큰 목표인 ‘친환경’ 부분이 퇴색될 수 있다는 점이다.

실제로 에너지경제연구원의 보고서에서는 추출기의 메탄 개질 반응효율을 약 66%로 감안할 시 수소 1kg을 생산하면 이산화탄소는 9.8kg이 배출되는 것으로 봤다. 이를 국제수소에너지협회에서 추정하는 전 세계 국가들의 연간 개질 수소 생산량 6,300만톤(개질 수소 48%)에 대입하면 한 해 평균 개질 수소 생산으로 인해 발생하는 이산화탄소 배출량은 무려 2억9,635만톤으로 약 6,300만대의 자동차가 1년 간 내뿜는 이산화탄소와 맞먹는 양이다.

그린수소, 그레이수소, 블루수소의 '삼색 수소'의 장단점 비교./ 그래픽=박설민 기자

◇ 가격과 환경 모두 잡았다 ‘블루 수소’

저렴하긴 하나 온실가스가 발생한다는 문제점 때문에 결국 수소경제사회의 최종 목적지는 그레인 수소가 아닌 그린 수소 기반으로 구성돼야 한다는 것은 변하지 않는 사실이다.

하지만 그레이 수소의 경우, 아직 진입에서 활성화 시작 단계 정도에 불과한 전 세계 수소경제사회에서 인프라 및 산업 활성화를 촉진하기 위해선 필수불가결한 존재다. 실제로 IEA에 따르면 2015년 기준 전 세계에서 생산된 수소 중 무려 96.0%가 그레이 수소다.

때문에 최근 새롭게 떠오르고 있는 수소가 바로 ‘블루(청색) 수소’다. 블루 수소는 쉽게 말해 기존 그레이 수소에서 이산화탄소를 뺀 수소라고 볼 수 있다. 그레이 수소 생산 과정에서 나오는 이산화탄소를 CCS(Carbon capture and storge) 기술로 포집해 대기 중에 배출되지 않도록 하는 것이다.

블루 수소는 그레인 수소에서 그린 수소로 넘어가야 하는 현재의 과도기 단계에서 이산화탄소 문제를 줄이면서도 그린 수소의 생산 비용 절감 기술이 개발될 때까지 수소경제사회 인프라 건설에 필요한 저렴한 수소를 생산해야 할 수 있어 그레이 수소와 그린 수소의 ‘징검다리’라고 불리기도 한다.

생산 단가는 그레이 수소보다 좀 더 높긴 하나, 그린 수소에 비하면 훨씬 저렴하다. IEA 통계 자료에 따르면 블루 수소 1kg 당 생산 비용은 △천연가스 1.2~2.1달러(한화 약 1,345원~2,354원) △석탄 2.1~2.6달러(한화 약2,354원~2,915원)다. 

그레이 수소의 장점인 저렴한 생산 단가 수준을 유지하면서 온실가스도 감축할 수 있다는 장점이 부각되면서 전 세계 국가들이 블루 수소 산업에 앞다퉈 뛰어드는 추세다. 국제재생에너지기구(IRENA)에서는 2050년쯤 전세계 수소 생산량의 30~70%를 차지할 것으로 예상하기도 한다. 국내에서는 대표적으로 최근 수소산업에 집중한다고 선언한 SK E&S가 2025년까지 천연가스를 개질한 블루 수소 25만톤을 생산한다는 목표다.

하지만 엄연히 그레이 수소에서 발생하는 이산화탄소 배출량을 ‘감축’시킨 수소인만큼 해결책이 아닌 ‘대안’이다. 100% 효율로 이산화탄소를 포집하는 것이 아닌 이상 완전한 ‘클린 에너지’라고 보긴 어렵기 때문이다. 실제로 한국전력공사 산하 전력연구원에 따르면 블루 수소를 1kg 생산할 경우 4.4kg의 이산화탄소를 배출하게 된다. 일반적인 그레이 수소 생산보다는 약 66%가량 적은 양이긴 하지만 분명 온실가스가 배출되는 셈이다.

수소분야 전문가는 <시사위크>와의 통화에서 “블루 수소는 기존의 개질 수소 기반의 그레이 수소보다는 확실히 이산화탄소 배출량이 적어 친환경 에너지에 가까운 것은 사실이지만, 최종적으론 그린 수소가 수소 경제를 완성하는 열쇠가 될 것”이라고 전했다.

이어 “다만 현실적으로는 그린 수소의 공급이 당장은 쉽지 않은 만큼, 블루 수소는 수소경제가 활성화되는 과정에서 첫 단추가 될 것으로 기대한다”고 덧붙였다.