[윤병효의 에·바·다] SK와 포스코는 왜 ‘청록수소’를 꺼내들었나

에너지는 현대 사회에서 없어서는 안될 필수재이다. 하지만 에너지 시설은 배출물질을 과도하게 내뿜는다는 선입견으로 지역주민들로부터, 심지어는 국가로부터도 기피되고 있다. 이러한 선입견은 에너지의 실제에 대한 여러 오해에서 비롯된 것이 많다. 에·바·다는 '에너지를 바로 보니 다르네'라는 뜻으로, 이 코너를 통해 독자들에게 에너지의 실제에 대해 설명드리도록 하겠다.

▲사진=이미지투데이

문재인 정부는 탄소중립을 실현할 에너지로 수소를 지목하고 수소경제 실현에 많은 지원을 아끼지 않았다. 하지만 3년이 지난 현재 수소경제 현황은 처참할 뿐이다. 문제는 기존 수소경제 방식이 경제성이 너무 없다는 것이다.

기존 수소 생산방식은 그린수소와 블루수소이다. 그린수소는 재생에너지 발전 전력으로 물을 분해해 수소를 생산하는 것이고, 블루수소는 천연가스 같은 화석연료를 분해해 수소를 채취하고 발생한 이산화탄소는 포집해 다른 용도로 활용하거나 지하에 매립하는 것이다. 두 방식 다 경제성이 부족하고 현실성마저 떨어져 상업화에 이르지 못하고 있다.

이렇게 수소경제가 끝나가는구나 싶었던 찰나, SK가스와 포스코홀딩스가 새롭고 현실적인 수소 생산방식으로 청록수소 카드를 꺼내들었다. 청록수소는 무엇이고, 과연 경제성을 가질 수 있을까?

▲수소 생산 기술별 CO2 배출량(Well to Gate 기준). 자료=한국에너지기술연구원, 고등기술연구원 등 자료 기반 POSRI 재구성

문재인 정부는 2021년 수립한 '제1차 수소경제 이행 기본 계획'에 따라 향후 청정수소 자급률 목표를 2020년 수소 공급량 22만톤 중 0%에서 2030년까지 390만톤 중 34%, 2050년까지 2790만톤 중 60%로 세웠다. 특히 2030년까지 블루수소 연 75만톤, 2050년까지 그린수소 연 200만톤 공급체제를 확보한다는 계획이다.

또한 같은 기간 동안 수소차는 1만여대에서 88만대, 526만대로 보급하고, 수소충전소는 70기에서 660기, 2000기 이상으로 보급한다는 계획을 세웠다.

하지만 현실은 목표에 턱없이 부족하다.

25일 기준 수소차는 3만9140대, 상업용 수소충전기는 416기에 불과하며, 아직 블루수소 체제는 구축되지 않았고 그린수소만 실증단계에서 소량 수준으로 생산되고 있다.

이렇게 수소경제가 성장하지 못한 이유는 기존 방식이 너무 경제성, 현실성이 떨어지기 때문이다.

블루수소는 포집한 이산화탄소를 대규모 지하동공에 매립해야 하는데 이 동공을 확보하기가 쉽지 않고, 또한 해외에 매립하려 해도 지역 원주민들과 환경단체의 반대로 쉽지 않다. 그린수소는 재생에너지 설비 자체가 비싼데다 여기에서 생산된 전력으로 수소를 만들어 이를 국내로 수입하고 이를 다시 도심까지 공급해야 하기 인프라 구축때문에 현재로선 도저히 수익성이 나지 않는 상태다.

그러나 우리가 탄소중립 달성을 목표로 하는 이상 수소경제는 반드시 필요하다.

우선 가장 많은 이산화탄소가 배출되는 차량의 친환경화를 위해서는 소형차에는 배터리 방식이 유리하지만 대형차에는 배터리 대량 탑재가 어렵기 때문에 수소 방식이 유리하다. 또한 대형발전 및 건물의 친환경화에도 수소 공급이 필요하다. 이밖에 철강, 화학 등 산업에서도 수소가 대규모로 사용되기 때문에 청정수소 공급은 필요하다.

최근 SK가스와 포스코홀딩스가 새로운 수소 생산방식인 청록수소를 꺼내들었다. 두 회사는 지난 21일 서울 강남 포스코센터에서 '지속가능한 경제적 청록수소의 국내 생태계 구축'을 주제로 포럼을 개최하고 생태계 구축에 노력하기로 했다.

▲자료= Mizuho Bank, KOTRA 등 자료 기반 POSRI 재구성

포스코경영연구소는 지난 5월 '전환기를 맞은 수소경제, 청록수소를 주목해야 하는 5가지 이유' 자료를 통해 청록수소 중요성을 설명했다.

청록수소란 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)을 열분해(Pyrolysis) 하면서 생산된다. 부산물로 고체탄소(C)가 발생해 CO2의 직접 배출이 없는 무탄소 수소에 해당한다. 청록(Torquoise)은 청색(Blue)과 녹색(Green)을 혼합할 때 만들어지는 색으로, 청록수소는 블루수소와 같이 천연가스를 원료로 사용하지만 그린수소와 같이 무탄소 수소의 성격을 가지고 있음을 뜻한다.

부산물로 생산되는 고체탄소는 CO2보다 산업적 제어가 쉽고 고부가가치 소재로 전환돼 자원화도 가능하므로, 수소생산의 경제성뿐만 아니라 산업적 파급효과도 우수하다. 고체탄소는 순수한 단일원소의 고체 상태이기 때문에 산소와 결합되고, 기체상태인 CO2보다 부피 제어가 용이하다. 이를 통해 가탄제 및 카본블랙은 물론 그래핀이나 탄소나노튜브 등과 같은 고부가가치 산업 소재로 활용이 가능하다.

블루수소는 CO2의 매립지 확보가 중요한 반면, 청록수소는 고체탄소의 국내 육상 매립이 상대적으로 쉽고, 또한 그린수소보다는 에너지 효율이 좋고 전력 및 수자원의 소모가 적기 때문에 경제성이 우수하며 현실적인 국내 생산 모델이다.

청록수소의 에너지 소비(10~35kWh/kg-H2)는 그린수소의 20~60% 수준이고, 물을 원료로 사용하지 않기 때문에 용수 확보 부담도 적다.

현재 기술 수준으로 청록수소는 생산과정에서 CO2가 직접 배출되지는 않지만, 천연가스의 추출과 이송, 열분해 과정에서 간접적으로 배출되는 CO2로 인해 청정수소 인증기준인 '수소 1kg당 이산화탄소 4kg 이상'을 초과한다.

청정수소 인증제도는 원료 채굴부터 수소 생산까지(Well-to-Gate) 배출되는 CO2가 산정 범위이다. 청록수소는 열분해 과정에서 직접 배출되는 CO2(Scope 1)는 없지만 열분해에 사용되는 전력에 포함된 CO2(Scope 2)와 천연가스 추출, 액화 과정에서 발생하는 CO2(Scope 3)까지 포함하면 청정수소 인증기준을 초과한다.

블루수소는 천연가스(CH4 등)를 수증기(H2O)로 개질하는 과정의 천연가스 외에 수증기에서도 수소를 배출한다. 반면, 청록수소는 천연가스만을 원료로 사용하기 때문에 동일한 양의 수소를 생산하려면 블루수소보다 2배 많은 천연가스가 필요하다. 특히 우리나라는 천연가스를 수입하기 위해 액화하는 과정이 필요한데, 이 과정에서 이산화탄소 약 2kg이 발생한다.

하지만 2030년까지 저에너지 촉매 기술이 개발되고 국가 전력믹스에 무탄소 전원 확대가 예상되기 때문에 청정수소 인증 확보가 가능할 것으로 예측된다.

2030년까지 국내 전력망 온실가스 배출계수가 kWh당 0.2kgCO2까지 떨어지면, 청록수소의 CO2 배출량은 청정수소 인증 기준까지 감소한다. 11차 전력 수급기본계획에 따르면 무탄소 발전 비중은 2030년까지 53%까지 확대되는데 이때 배출계수는 약 0.24까지 하락하고, 2038년에는 0.2 이하로 하락하기 때문에 Scope 2 CO2는 수소 1kg당 2.0kg까지 하락하게 된다.

청록수소가 우리나라 현실에 맞다고 보는 이유는 천연가스를 기반으로 한다는 점에서 기존 LNG 인프라와 연계할 수 있다는 것이다.

우리나라는 LNG를 100% 해외에서 수입해서 쓰기 때문에 안정적 수급을 위해 장기적이면서 대규모로 수입계약을 맺고 있다. 하지만 정부는 11차 전력수급기본계획을 통해 LNG발전 비중을 2030년까지 25.1%로 유지하다가 2038년에는 10.6%로 감소할 것으로 전망했다. 이에 따라 LNG 수입계약도 대폭 감소시켜야 한다.

하지만 기후위기와 지정학 갈등 시대에 당장 내년 에너지 상황을 전망하기도 힘든 데, 10년 이상의 장기 에너지 상황을 예측하기란 불가능에 가깝다. 즉, 정부의 수급계획이 틀릴 가능성이 높은 상황에서 이를 기반으로 LNG 수입계약을 한다면 에너지 수급에 중대한 차질이 발생할 수 있다.

청록수소는 LNG를 원료로 쓰기 때문에 기존 LNG 인프라를 그대로 사용할 수 있고 LNG의 장기적이면서 대용량 확보 정책을 유지할 수 있게 한다.

청록수소와 함께 배출되는 고체탄소는 고로용 가탄제, 전기로용 전극봉, DR 펠렛용 상온 브리켓 바인더, 콘크리트 산업의 보강재 또는 구조적 보조재로도 활용이 가능성하다. 또한 입자 크기를 정밀하게 조절해 카본블랙, 흑연, 탄소나노튜브(CNT) 등 고기능 소재로도 전환할 수 있는 잠재력을 보유하고 있다.

SK가스는 2021년 청록수소 제조 원천기술을 보유한 그래파이틱 에너지(전 C-zero)사에 전략적 투자를 결정한 바 있으며, 상용화 추진에도 속도를 내고 있다. 포스코홀딩스는 청록수소를 수소환원제철 공정에 연계해 경제성을 향상시키기 위한 노력하고 있다. 양사는 수소경제 전환을 위한 공동 리더십을 한층 강화하며, 나아가 청록수소 생태계 구축을 통해 국내 에너지 탄소중립 실현에 기여한다는 계획이다.

윤병효 기자 chyybh@ekn.kr