전 세계적으로 기후 위기에 대한 경각심이 커지며 탄소중립이 화두로 떠올랐다. 탄소중립은 온실가스의 발생량을 줄이고 배출된 온실가스는 흡수하여 순배출이 ‘0(Zero)’가 되도록 하는 개념으로 기후 위기를 극복하는 데에 그 목적이 있다. 이에 세계 각국 정부와 기업들은 탄소중립에 동참하며 2050년까지 탄소중립을 이루기 위해 다방면에서 노력을 기울이고 있다. 우리나라도 지난해 12월 2050 탄소중립 추진전략을 발표한 바 있다.

그중 가장 눈에 띄는 것은 역시 에너지 전환에 대한 것이다. 화석연료를 이용한 전기생산이 이산화탄소 배출의 주된 요인으로 꼽히는 만큼 온실가스 발생량을 줄이기 위해 에너지 전환은 필수적이다. 이를 위해 청정에너지인 각종 재생에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 그중 최근 가장 주목받고 있는 것은 수소에너지다.

주목받는 친환경 에너지,

수소에너지

미래의 에너지원으로 수소가 떠오르고 있지만 여전히 수소에 대한 오해는 많다. 흔히 수소폭탄을 떠올리며 수소를 위험한 물질로 인식하기 때문이다. 하지만 우리가 에너지원으로 사용하고자 하는 수소는 분자량이 2인 수소(1H1)이며 수소폭탄에 사용되는 수소는 동위원소인 '중수소(1H2')와 '삼중수소(1H3)'다. 수소와 달리 중수소와 삼중수소는 일반적인 자연 상태에서 존재하기 어려우며, 폭발력을 가지기 위해서는 1억 도 이상의 고온과 높은 기압을 필요로 하기 때문에 에너지원으로 사용되는 수소와 엄연히 다르다. 

또한 수소는 공기보다 분자량이 작아 공기 중으로 빠르게 날아가 버리는 성질이 있기 때문에 화재 발생 위험도 매우 낮다. 공기보다 무거운 다른 가스의 경우 가스가 누출되면 바닥으로 가라앉아 불꽃에 반응하여 화재로 이어질 가능성이 크지만 수소는 이런 위험에서도 비교적 안전하다.

수소에너지는 이처럼 안전한 형태의 수소를 에너지로 저장하고 사용할 수 있도록 한 것으로, 전기와 같은 2차 에너지원이다. 산소와의 화학반응을 통해 열과 전기를 생산한 뒤 물을 부산물로 남기기 때문에 온실가스를 배출하지 않아 친환경적이고, 우주 질량의 75%를 차지하고 있을 정도로 풍부할 뿐만 아니라 또한 액체와 기체 상태로 모두 저장이 가능하기 때문에 운반에도 용이하다는 장점이 있다.

하지만 자연 상태의 수소는 대부분 수소 화합물의 상태로 존재하기 때문에 에너지원으로 사용하기 위해서는 분해 과정을 거쳐 순수한 수소를 얻어야 한다. 이때 얻어지는 순수한 수소는 생산 방법에 따라 부생수소, 수전해수소, 개질수소로 분류된다. 각각 석유화학 공정 중에 부수적으로 생산된 수소, 순수한 물을 전기 분해하여 얻어진 수소, 천연가스를 고압 수증기와 반응시켜 생산된 수소를 뜻한다.  

다양한 수소에너지 분류법

- 탄소 배출량에 따른 색깔 분류

생산 방법에 따른 분류 외에 탄소 배출량에 따라 네 가지 색깔로 수소를 구분하기도 한다. 먼저 브라운 수소(Brown Hydrogen)는 갈탄, 석탄을 태워 생산되는 개질 수소를 말한다. 저렴한 비용으로 수소를 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 수소를 생산하는 과정에서 이산화탄소가 가장 많이 발생한다. 따라서 친환경 에너지라고 할 수 없다.

그레이 수소(Gray Hydrogen)는 석유화학 공정에서 부산물로 생산되는 부생수소와 천연가스를 활용한 개질수소를 함께 일컫는다. 현재 생산되는 수소 중 약 96%가 그레이 수소다. 특히 개질수소는 에너지 전환 시대에 가교 역할을 할 에너지로 손꼽히는 LNG(Liquified Natural Gas, 액화천연가스)를 활용한다는 점에서 많은 주목을 받고 있다. LNG는 석탄과 비교했을 때 온실가스를 절반 정도 덜 배출하고 미세먼지 배출량도 10% 수준에 그친다. 또한 운반과 수송이 편리하고 열량이 높아 효율이 좋은 에너지로 꼽히며 에너지 전환 시대에 적합한 에너지로 떠오르고 있다.

블루 수소(Blue Hydrogen)는 그레이 수소에 탄소 포집·저장(CCS, Carbon Capture and Storage) 기술을 적용하여 탄소 배출을 줄인 것으로 그레이 수소보다 적은 양의 탄소를 배출한다. 다만, 이산화탄소를 완전히 제거하지 못하는 한계가 있어 지속적인 연구·개발이 필요하다. 최근에는 이렇게 모인 탄소를 활용하는 탄소 포집·활용·저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization, and Storage) 기술에 대해서도 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

마지막 궁극의 친환경 수소 에너지는 그린 수소(Green Hydrogen)다. 재생에너지를 이용해 생산된 전기에너지로 수전해 하여 얻어낸 수소로, 에너지를 생산하는 과정에서 이산화탄소의 배출이 전혀 이루어지지 않는다. 그러나 현재는 높은 생산 단가와 전력 소모량으로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 

수소경제의 확장과

국내 수소 관련 정책 현황

이처럼 다양한 분류법으로 나뉘는 수소는 친환경 에너지원으로서 활용 가능성이 무궁무진해 글로벌 수소 경제 시장은 2050년 1경원 이상의 규모로 성장할 전망이다. 화석연료를 중심으로 구축돼있던 기존의 경제산업 구조가 점차 바뀌어가는 것이다.   

 국회 수소전기버스 시승식 행사/ 출처: 대한민국 국회

우리나라도 이런 흐름을 빠르게 파악하고 수소 경제 시대에 대비하기 위한 다양한 정책적 기반을 마련하고 있다. 2019년에는 수소차 및 수소충전소 보급과 수소 버스, 수소 택시 등 수소 인프라를 확대하기 위한 계획을 담은 ‘수소 경제 활성화 로드맵’을 제시했다. 이에 따라 현재 국회와 정부세종청사를 포함해 총 74곳(21년 9월 기준)의 수소 충전소가 운영 중이며 충전소 이외의 수소 인프라도 차근차근 확대되고 있다. 

이외에도 수소 경제를 이끌어갈 산업을 육성하고 생태계를 조성하기 위해 국회는 2020년 2월 4일 세계 최초로 ‘수소 법(수소 경제 육성 및 수소 안전 관리에 관한 법률)’을 제정했다. 더불어 안전 관리도 철저히 하기 위해 안전관리 종합대책도 마련됐다. 가스안전공사 내에 수소 안전 관리 전담기구를 설치했고 충전소와 수소 생산기지를 실시간으로 모니터링하고 정밀진단하게 되었다.

국가적 차원을 떠나 민간 기업들도 수소 경제 체제에 대비하기 위해 발 빠르게 움직이고 있는데, 그중 주목할 만한 것은 국내 15개 기업이 참여한 ‘코리아 H2 비즈니스 서밋(Korea H2 Business Summit)’이다. 현대자동차, SK, 포스코 등 국내 주요 그룹이 주축이 되어 결성된 '코리아 H2 비즈니스 서밋'은 수소 경제 활성화를 목표로 2021년 9월 창립총회를 열며 협의체의 출범을 알렸다.

국제사회는 지난 2015년 지구 평균온도 상승을 1.5℃로 억제하기 위해 노력해야 한다는 것에 동의하며 ‘파리협정’을 채택했다. 이를 달성하기 위해서는 2050년까지 탄소중립 사회로의 전환이 시급하다. 새로운 기술을 개발하고 기존의 산업 체계를 바꾸어나가야 하는 어려운 일이기 때문이다. 온실가스 배출을 획기적으로 줄여 지구 평균온도 상승을 억제할 수 있도록, 새롭게 등장한 수소 에너지 시장에 많은 기대를 걸어본다.