NASA 대기 중 CO₂ 양 422ppm으로 역대 최고치 기록
온실효과 전체 기여도 CO₂가 전체 75% 수준
[에너지신문] 에너지전환(발전), 수송, 산업 부문에서 CO₂를 줄이기 위한 수소에너지의 중요성 증대되는 가운데 2050년 국내 수소 소비가 2800만톤 이상에 이를 것으로 예측됐다.
박상욱 서울대 기계공학부 교수는 NABO 경제동향에 ‘수소에너지 가치사슬과 탄소중립’을 통해 미국항공우주국(NASA)의 자료에 따르면 올해 2월7일 기준 대기 중 CO₂의 양이 422ppm으로 역대 최고치를 기록했다고 밝혔다.
CO₂ 뿐만 아니라 다양한 온실기체가 있지만 현재 CO₂의 온실효과 전체 기여도가 가장 높다는 얘기다.
대표적인 온실 기체로는 CO, 메탄, 아살화질소, F-gases 등이있고 CO₂의 경우 단위질량당 온실효과 기여도는가장 낮지만 대기중 그 양이 많아서 이산화탄소 환산량(CO₂eq,carbon dioxideequivalent)기준 약 75%의 온실효과 전체기여도를 가진다고 설명했다.
이 때문에 CO₂ 발생을 줄이기 위한 국제적 노력으로 파리 협약을 체결하게 됐다는 것이다.
지구온난화의 주범으로 지목되는 인류 활동으로 발생하는 CO₂의 전체 배출(Net emission)을 2050년까지 ‘net zero’로 만들고 지구 온도 상승 폭을 1.5℃(혹은 2℃)로 제한하기 위해 우리나라를 포함한 약 195개 국가가 파리 협약(Paris Agreement)을 체결한 상태다.
박상욱 서울대 교수는 탄소중립을 위해 전환(발전), 수송, 산업 부문에서 수소에너지의 고유한 역할인 CO₂를 줄이기 위한 수소에너지의 중요성 증대된고 강조했다.
지난 2018년 기준 대한민국 CO₂ 배출 총량은 727.7Mton에 달하는데 이중 전환(발전) 부문 269.6 Mton으로 37%, 산업 부문이 260.5 Mton으로 36%, 수송 부문이 98.1 Mton으로 13%의 배출량을 보인다.
이 수치에서 전환(발전) 부문의 수소에너지는 재생에너지의 제약을 극복할 수 있는 중요한 수단이 될 수 있다고 지적했다.
태양광, 태양열, 풍력, 지열, 수력 등의 재생에너지가 에너지 공급원으로서 갖는 결정적인 문제점은 에너지 공급에 있어 시간 및 공간적인 제약이 크기 때문에 에너지 공급의 불안정성이 발생한다는 점이다.
전기 및 열에너지 생산이 중요한 발전 및 산업 부문에서는 재생에너지(가장 비율이 높은 태양광, 풍력)로 생산된 에너지가 중간 부하의 일부분을 보조하는 역할로 주로 사용되고 있는 실정이다.
기존 화석연료 기반의 기저 부하, 중간 부하, 첨두부하 공급을 대체하고 재생에너지 기반 에너지 공급의 불확실성 문제를 해결하기 위해 수소에너지 기반의 수소연료전지 발전과 수소·암모니아 터빈 기술이 중요하게 평가받고 있다.
대표적으로 철강 산업에서 철광석(Fe2O3)으로부터 순수한 철(Fe)을 생산할 때 일산화탄소(CO)를 환원제로 사용해 왔고 그 부산물로 CO₂가 대량 발생한다.
또한 환원 반응을 진행하기 위해서 반응로의 온도를 고온으로 유지하는 과정에서 화석연료의 연소로 CO₂가 추가로 발생한다.
미래에는 친환경 수소를 환원제로 사용해 수소환원제철을 구축하고 신재생에너지 시스템으로부터 생산한 전기를 이용한 전기로를 반응 용기로 사용해 CO₂의 발생을 줄일 수 있다.
수송 부문에서의 수소에너지는 배터리 기반 전기차와 함께 CO₂ 배출을 줄이는 주요 방안 중 하나로 꼽히고 있다.
화석연료 기반의 운송 수단에서 CO₂의 배출은 승용차 40%, 트럭 34%, 비행기 11%, 선박 11%, 기차 4%의 비율을 보인다.
화석연료 사용을 대체할 수송 기술로는 크게 수소 기반(예: 수소연료전지, 탄소중립연료)의 운송 수단과 배터리 기반의 운송 수단이 있으며 두 기술 각각 다른 장점이 있다.
수소에너지의 경우 장기간 고용량의 에너지 저장과 공급이 가능하며 상대적으로인프라 구축에덜 영향을 받아 장기간 고용량의 에너지를 공급해야 하는 중량(Heavy-duty) 운송수단(예: 트럭, 비행기, 선박, 기차 등)에 적합하다.
배터리는 상대적으로 단기간 저용량의 에너지 저장과 공급에 적합해 경량(Light-duty)운송 수단(예:승용차)에 적합하다.
수소는 탄소-free 원료로서 전기 및 열 에너지를 생산할 수 있고 비료 합성(예: NH3), 석유화학 정제, 수소환원제철 등에 사용될 수 있다.
단위 질량당 높은 에너지 저장 특성을 지녀 장기간, 고용량 에너지 저장 매체로서의 역할을 하고 재생에너지 발전에서 기인한 에너지 수요 공급 불균형 시 잉여 전기를 수소의 화학에너지로 저장할 수 있다.
수소는 그 자체로 물질이기 때문에 전략망(그리드)을 따라서 공급되는 전기와 달리 고체, 액체, 기체의 형태로 전 세계로 수월하게 운송이 가능하며 기존 천연가스 운송 인프라를 사용할 수 있는 가능성이 있다.
IEA(International Energy Agency)의 보고서에 따르면 2018년 연간 약 120Mton의 수소가 생산됐고 이 중 99%가 넘는 수소가 화석연료(예 : 천연가스, 석탄, 석유 등)로부터 생산됐다.
특히 약 42%의 수소 생산을 차지하고 있는 메탄개질 방식의 경우 수소 1톤 생산시 약 10톤의 CO₂를 발생하게 된다는 문제점이있다. 이렇게 CO₂를 배출하며 생산되는 수소를 그레이(Gray) 수소라고 부른다.
현재 그레이수소 생산 과정에서 연간 약 830Mton의 CO가 발생하고 있고 이는 세계 CO₂배출량의 약 2.3%에 달하는 많은 양이다. Net zero 달성을 위해서는 친환경 수소 생산 기술이 필요하다.
블루수소는 그레이수소 생산 과정, 특히 습식 메탄개질 반응에서 발생한 CO₂를 포집하며 수소를 생산하는 방식을 말하며 그린수소는 재생에너지로부터 발생한 CO-free 전기를 이용한 수전해 기술로 물을 분해해서 생산하는 방식을 일컫는다.
청록수소는 메탄 열분해를 통해서 CO₂의 배출없이 탄소와 수소를 만드는 방식이며 레드,핑크,퍼플수소는 저탄소 발전원인 원자력 에너지를 이용, 수소를 만드는 방식이다.
우리나라는 2023년 11월에 청정수소인증제 도입을 발표함으로써 수소생산, 수입 시 온실가스 배출량이 일정 수준 이하인 경우 청정수소로 인증하고 연계 인센티브를 제공하는 제도 도입을 시행할 계획이다.
수소저장 기술은 크게 물리적 수소 저장과 재료적 수소 저장으로 구분된다.
물리적 수소저장은 온도와 압력이라는 물리적인 조건을 컨트롤 함으로써 수소를 저장하는 것으로, 고압 수소는 상온 근처에서 약 900기압 이하로 수소기체를 압축, 저장하는기술을 말하며 극저온 고압수소는 압력을 고압으로 유지하되 온도를 약 –240에서 –123℃까지 낮춰 수소를 저장하는 것을 말한다.
또 액화수소는 압력은 1~4 기압으로 낮게 유지하되 온도를 수소가 액화되는–253℃이하로 낮춰 수소를 보관한다.
재료적 수소저장은 물질의 화학적 성분에 수소 원자가 포함된 형태나 특수 물질에 수소를 흡수, 흡착시켜서 저장하는 기술을 말하며 대표적으로 개미산(HCO₂H), 액상유기 수소운반체(LOHC), 메탄올(CH₃OH), 암모니아(NH₃) 등이 수소의 재료적 저장 매개체에 해당한다.
특히 액상유기수소운반체와 암모니아가 대량의 친환경 수소를 저장 및 운송하는 매개체로서 역할을 할 것으로 기대된다.
고압 기체 수소를 Type 1~4의 특수 수소 저장용기에 저장해 튜브 트레일러를 이용해서 수소를 운송하며 이는 하루에 1톤 이하의 수소가 필요한 소규모 수소 운반에 적합하다.
극저온 액화수소는 고압 기체 수소보다 3~5배 더 많은 수소를 저장 및 운송할 수 있지만 극저온의 액화수소가 끓어 넘치는 ‘Boil-off’ 문제를 해결하는 기술개발이 필요하다.
액화수소는 탱크트럭 혹은 액화수소 운반선으로 운송이 가능하며 일본이 2022년에 세계 최초로 액화수소 운반선 장거리 실증에 성공했다.
대규모 수소 사회가 도래하고 현재 천연가스를 사용하듯 수소를 사용할 미래에는 파이프라인을 통해서 안정적이고 대량으로 수소를 공급하는 것이 매우 효율적인 방법이지만 파이프라인의 취성 문제, 수소 누출, 수소압축기 개발 등의 해결과제가 남아 있다.
현재 수소의 활용 분야는 석유화학, 비료, 열 공급 및 기타 원료, 메탄올 생산 등이 있다.
지난 2018년 기준 세계 수소 생산량은 약 120Mton이고 주로 수소가 사용되고 있는 분야는 석유화학 및 정제공정에 약 33%, 비료생산에 약 27%, 열공급 및 기타원료로 약 26%, 메탄올생산에 약 10%이다.
컨트롤 가능한 수소·암모니아터빈, 수소연료전지발전에서 대량의 수소가 사용될 것으로 예상된다.
고에너지 밀도를 필요로 하거나 장시간·장거리 운전이 필요한 비행기, 선박, 기차, 트럭 등의 모빌리티의 연료로 수소에너지가 사용되며 이 때 수소연료전지와 탄소중립연료(e-Fuel)의형태로 수소가 소비될 것으로 전망된다.
비료(예:암모니아), 철, 시멘트, 플라스틱, 화학약품 생산 등인간이 생활하는데 필수적인 산업용품들을 만드는데 수소가 반드시 필요하다.
우리나라의 경우 앞서 언급한 전환(발전), 산업, 수송분야에서 수소에너지만의 고유한 역할로 인해 약 2800만톤 이상의 수소가 2050년에 소비될 것으로 예측했다.