수소 경제 수소 산업 육성의 필요성과 미래 전망

BGM : Audiomachine - Above and Beyond(Greatest Hits)

https://youtu.be/HU3smg4bH2Y?list=PLtjNioz9_qnxzTXAZW02w7WBbBJfx6USj 

수소 산업은 대한민국의 3대 성장전략 중 하나이다. 또한, 전 세계가 수소 산업의 패권을 잡기 위하여 투자 및 연구개발에 앞장서고 있다. 필자는 수소 경제 및 산업의 필요성을 피력하고 미래를 전망해 보는 글을 작성하고자 한다. 참고로 그레이 수소 분야는 논하지 않을 것이다.

왜 수소 산업이 필요한가? 물의 순환을 보자

우리는 물이 지구상에서 어떤 원리로 순환되는지 알아야 한다. 아래의 그림은 물의 사이클을 보여주고 있다. 바다, 강가 및 토양 등에 존재하는 물은 온도가 상승하면 수증기가 되어 구름을 형성한다. 형성된 구름은 대류권에 머무는데 온도가 낮아 응결된다. 구름(수분)이 응결되면 비나 눈이 되어 육지로 내려오게 되며 내려온 물은 다시 토양 속으로 스며들어 지하수가 된다. 지하수는 강가 혹은 바다로 흘러들어 간다. 중요한 점은 물의 순환은 지속 가능하다는 점이다. 따라서 수소 산업은 물이 지구상에서 완전히 사라지지 않는 한 지속 가능한 산업이라는 것이다.

<출처 : 물정보포털 My water, https://www.water.or.kr/knowledge/educate/middlestudent/middlestudent0202.do?cateType=02&p_group_seq=1222&menu_mode=115 >

K-water와 함께하는 물정보포털 Mywater(수자원,수도,지하수)

아래의 그림은 가장 이상적인 수소 산업의 사이클을 보여준다. 산림 등 자연 생태계에서 발생되는 수소를 획득한다. 그러나 아직 상용화되지 않았다. 다만, 탄소 포집 활용 기술(Carbon Capture Storage and Utilization, 이하 CCU)이 상당한 수준으로 발전하였기 때문에 수소도 가능하다고 판단하고 있다. 그리고 기술 개발은 지금도 진행되고 있다. 만약 수소 포집 활용 기술(Hydrogen Capture Storage and Utilization, 이하 HCU)이 개발되고 이를 우주에 사용할 수 있다면 인류는 환경오염 없이 전기 에너지를 획득할 수 있게 될 것이다. 

그림 출처 :&nbsp;https://technologystudent.com/energy1/hydrocycle1.html

수소는 결국 전기 에너지를 저장하는 수단이다.

수소는 전기 에너지를 저장하는 수단이다. 친환경 에너지 혹은 원자력 에너지 등으로 획득한 전기 에너지를 통하여 물을 전기분해하는 방식으로 수소와 산소로 분해한다. 분해된 수소는 고압을 가하여 액화한 후 수소탱크에 저장한다. 저장된 액화 수소는 트레일러 및 선박을 통하여 수출 및 수입이 가능하다. 또한, 천연가스 파이프라인을 이용하여 수소를 액화 혹은 기체 상태로 운송도 가능하다. 다만, 수소는 지구상에서 가장 가벼운 원소이므로 기체 상태에서 운송하는 것은 에너지 밀도가 굉장히 낮으므로 효율성이 떨어진다. 따라서, 액화 상태로 운송하는 것이 운송 효율과 에너지 밀도를 상승시키는데 기여할 수 있다.

https://gbcbaby.tistory.com/20

전기차와 수소차 차이는 전기에너지 저장 방식이다.

수소 산업은 결국 원자력에 의존적일 수밖에 없다. 적어도 현재는 말이다.

그러나 현재 기준으로 볼 때 CCU 혹은 HCU 기술은 아직 실용화하기에는 부족하다. 또한, 친환경 에너지를 통한 전기 에너지 발전은 발전량이 다양한 환경과 요인에 의하여 변동이 심하다. 결국, 전기 에너지 발전이 안정적으로 운용하면서 환경오염을 최소화하는 발전 방법은 원자력뿐이다. 원자력 발전 중에 소형모듈원자력(이하 SMR)이 있다. SMR은 모듈화를 통해 공장 제작 및 현장 조립이 가능하고, 단순한 설계와 전기가 필요 없는 안전 계통 등 혁신 기술이 적용되어 안전성이 향상된 출력 300 MWe 이하의 소형 원자로를 뜻한다. 따라서 SMR은 내륙에도 설치가 가능한 원자력 발전소라는 장점이 존재하며 모듈형이므로 사고로 인한 방사선 유출의 위험이 적다. 따라서, 수소 산업은 원자력 산업과 같이 병행하여 발전시켜야 한다.

<출처 : 한국에너지정보문화재단, https://blog.naver.com/energyinfoplaza/222668820058 >

다시 조명받는 원자력, 왜? ② 소형모듈원자로(SMR) 등 원자력발전의 신기술

수소는 천연가스 파이프라인을 활용하여 운송이 가능하다.

필자는 이점을 주목하고 있다. 러시아-우크라이나 전쟁은 러시아에서 유럽으로 천연가스가 운송되는 파이프라인을 두고 패권을 쥐기 위하여 발생한 전쟁이 아닐까? 적어도 그러한 이유도 한몫하지 않았을까? 아래의 링크는 네덜란드 회사인 Guidehouse가 발행한 European Hydrogen Backbone이라는 문서이다. 이 문서에 따르면, 천연가스 파이프라인은 수소 운송용으로 사용이 가능하다고 한다. 유럽에 연결되어 있는 천연가스 파이프라인이 어떻게 연결되어 있는지 확인할 수 있다.  2040년까지 파이프라인 건설 플랜을 제안하고 있다. 또한, 천연가스 파이프라인을 통하여 수소를 액화하여 운송하는 비용을 명시하고 있다.

1kg의 액화 수소를 1,000km를 운송하는데 육상 파이프라인의 경우 최소 0.11유로이며 최대 0.15유로이다. 

1kg의 액화 수소를 1,000km를 운송하는데 해상 파이프라인의 경우 최소 0.17유로이며 최대 0.22유로이다.

<출처 : Guidehouse, European Hydrogen Backbone, https://ehb.eu/files/downloads/ehb-report-220428-17h00-interactive-1.pdf >

수소 경제 및 수소 산업의 미래 전망 - 1 : 어떤 도시에 수소 산업이 구축될까?

우리는 수소 경제 및 수소 산업이 왜 중요한 지 알아보았다. 그렇다면 수소 산업 구축에 유리한 도시는 어떤 도시일까? 물을 구하기 쉬운 도시여야 한다. 친환경 에너지 발전에 유리한 도시여야 한다. 원자력 발전에 유리한 도시여야 한다. 도시 및 타국가와도 파이프라인 연결이 쉬운 도시여야 한다. 마지막으로 선박으로 수소를 운송하기 유리한 도시여야 한다.

느낌이 오는가? 그렇다. 바로 해안가에 위치한 도시가 수소 경제가 발전하기 아주 유리한 조건을 갖추고 있다는 점이다. 실제로 대한민국 경남 창원시는 수소 산업 세계 1번지로 도약한다는 목표하에 및 수소 발전에 투자를 진행하고 있다. 또한, 인천광역시 서구 청라동에는 세계 최대 연료전지발전소를 건설하고 있다. 이 발전소를 건설하기 위하여 산업통상자원부는 3400억 원의 비용을 투자하였으며 약 78만 메가와트(MW)급 규모의 발전소이다. 해당 발전소가 건설되면 약 29만 가구가 1년간 사용이 가능한 전력과 열을 공급할 수 있게 된다.

 

<출처 : 경남신문, http://www.knnews.co.kr/news/articleView.php?idxno=1389149 >

"창원시, 수소산업 세계 1번지로 도약할 것"

<출처 : 인천 in 신문, https://www.incheonin.com/news/articleView.html?idxno=83409 >

세계 최대 연료전지발전소 인천 청라동에 준공 - 인천in 시민의 손으로 만드는 인터넷신문

유럽은 어느 도시가 수소 산업 및 수소 경제의 중심 거점일까? 바로 네덜란드 로테르담 항구이다. 항구라는 점을 주목하여야 한다. 미국에서는 어느 주가 수소 산업 및 수소 경제의 중심인지 아는가? 바로 캘리포니아이다. 캘리포니아는 2000년대 초반부터 수소 산업과 수소 경제 발전을 위하여 주정부가 투자해 왔다. 캘리포니아의 위치를 보자. 바로 미국 서부 태평양 해안가에 위치하고 있다.

구글 지도에서 캡처한 캘리포니아 주

수소 경제 및 수소 산업의 미래와 전망 - 2 : 대한민국은 수소 경제가 가능한가?

대한민국은 수소 경제 및 수소 산업에 집중 투자하고 있다. 2022년 11월 새로 출범한 윤석열 정부 역시 문재인 정부의 수소 경제 발전 정책을 이어받아 진행하고 있다. 필자는 대한민국이 수소 경제 및 수소 산업이 괄목할만한 성장을 이루어 미래의 먹거리를 확보하기를 바란다. 하지만 해당 목표를 이루기 위하여 반드시 우리가 해결해야 하는 난제가 있다. 바로 치수(治水)이다. 

대한민국은 물 스트레스 지수가 높은 국가이다. 물 스트레스 지수란 사용 가능한 수자원 대비 물 수요 비중이 높은 것을 말한다. 게다가 대한민국은 '돈을 물 쓰듯 한다'라는 속담이 있을 정도로 물을 많이 쓰는 국가이기도 하다. 대한민국의 연평균 강수량은 세계 평균보다 약 1.3배가량 높지만 전체 강수량의 60%가량이 장마철(6월 ~ 9월)에 집중된다. 즉, 대한민국은 비가 많이 오는 장마철에 홍수 피해를 받지 않기 위하여 물을 방류하는 것이 문제라는 뜻이다. 이 물을 모두 관리하여 저장할 수 있다면 수소 경제 및 수소 산업 발전에 큰 기여를 할 수 있다. 따라서 치수는 이제 선택이 아닌 필수이다. 

<출처 : 서울물연구원, https://arisu.seoul.go.kr/arisu_center/center16/seoulWater/201704/html/sub1-1.html >

서울물연구원 서울워터 2017.04 제6호(통권17호)

<출처 : 월간수소정책, https://h2news.kr/mobile/article.html?no=10472 >

정부, 3대 성장전략으로 세계 1등 수소산업 육성 포부

산업통상자원부에서 발표한 수소경제 성장 전략

결론

1. 자연은 물을 순환하여 생태계를 유지한다. 따라서 수소 산업의 발전은 지속가능하다.

2. 수소 산업은 전기 에너지를 수소 형태로 저장하는 시스템이다. 따라서 수소 산업은 전기 에너지를 안정적으로 수급할 수 있도록 친환경 에너지 및 원자력 에너지를 같이 발전시켜야 한다. 적어도 HCU 기술이 발전할 때까지는 말이다.

3. 액화수소 운송은 기존 천연가스 파이프라인 인프라를 그대로 사용할 수 있다.

4. 수소 경제의 핵심 도시는 바로 해안가에 위치한 도시이다. 물을 수급하는데 문제가 없어야 하고 수소를 운반할 컨테이너 선박이 자유롭게 드나들 수 있어야 하며 친환경 에너지 발전이 유리한 도시이기 때문이다.

5. 대한민국이 수소 산업의 헤게모니를 장악하기 위해서는 첫 째, 치수를 위한 인프라가 필요하다. 둘째, 전기 에너지를 꾸준히 생산할 수 있는 인프라가 필요하다.