수소 에너지가 전기 생산에 어떻게 활용되는가

수소를 이용한 전기 생산은 주로 두 가지 방법을 통해 이루어진다: 연료전지와 수소 사용에 맞게 개조된 연소 터빈이다. 연료전지 기술은 전기화학적 과정을 통해 전력을 생성하며, 열 회수 시스템과 함께 사용할 경우 약 60%의 효율에 도달할 수 있다. 원래 천연가스 운용을 위해 제작된 많은 기존의 연소 터빈들이 현재 수소 혼합물 또는 순수 수소까지 처리할 수 있게 되어, 전력망 운영자들에게 안정적인 전력 공급을 유지하기 위한 필수적인 유연성을 제공한다. 녹색 수소 생산은 풍력 및 태양광 같은 재생 가능 에너지원을 사용해 전기분해라는 과정을 통해 물 분자를 분리하는 방식이다. 이렇게 생산된 녹색 수소는 재생 가능 에너지 공급이 줄어들 때까지 저장해 두었다가 다시 전기로 변환할 수 있다. 독일의 사례를 보면, 여러 해상 풍력 발전 단지에서 이미 녹색 수소를 생산하고 있다. 이러한 프로젝트들은 특정 실험 지역에서 석탄 발전소 의존도를 약 40% 감축하는 데 성공했으나, 결과는 지역 여건과 구체적인 실행 방식에 따라 달라질 수 있다.

기존 전력망에 수소 통합

수소는 전력망을 더 깨끗하게 만들 뿐만 아니라 안정성도 유지하는 데 도움을 준다. 재생 가능 에너지가 과잉 생산될 때, 수소는 이를 저장해 두었다가 수요가 급증할 때 다시 방출한다. 예를 들어 덴마크의 시범 프로젝트에서는 염석 동굴에 수소를 저장함으로써 매년 15%에서 최대 20%까지 에너지 낭비를 줄일 수 있었다는 결과를 보였다. 태양광 발전소와 전해조 장비가 함께 작동하는 이러한 하이브리드 구조가 등장하고 있지만, 양방향으로 흐르는 에너지를 관리하기 위해서는 매우 정교한 에너지 관리 시스템이 필요하다. 최근 심각한 폭염으로 정상 운영이 어려워진 상황에서도 그물망을 안정적으로 가동하기 위해 캘리포니아가 추진 중인 재생 수소 백본 프로젝트(Renewable Hydrogen Backbone project) 사례를 주목해볼 수 있다.

사례 연구: 독일과 일본의 수소 동력 발전소

독일의 에너지파크 마인츠는 6메가와트 전해조를 풍력 자원과 결합하여 매년 약 200톤의 수소를 생산합니다. 이 시설은 1.4MW 연료전지 시스템을 통해 정전 시 약 2,000가구에 전력을 공급할 수 있습니다. 태평양 건너 일본은 후쿠시마 수소에너지연구단지(FH2R)라 불리는 더 큰 시설을 개발했습니다. 10MW의 용량을 가진 이 단지는 세계에서 가장 큰 그린수소 생산시설입니다. 이 시설은 도쿄 일부 지역에 전력을 공급할 뿐 아니라, 연구자들이 수소를 해양을 통해 운송하는 실험도 진행하고 있습니다. 이러한 프로젝트들이 주목받는 이유는 약 95%에 달하는 인상적인 효율성에 있습니다. 이들은 전력망의 실시간 수요에 따라 수소 생산량을 조절함으로써 높은 성능을 유지합니다.

기저부하 전력용 수소 확대의 어려움

수소의 기저부하 전력 역할을 제한하는 세 가지 주요 장애물:

• 비용 : 전해조의 자본 비용은 천연가스 터빈의 비용보다 여전히 약 3배 정도 높은 수준이다.
• 효율 손실 : 전기를 수소로 변환한 후 다시 전기로 되돌리는 과정에서는 30~35%의 에너지 손실이 발생한다.
• 인프라 : 전 세계 가스 파이프라인 중 20% 이상의 수소 혼합물을 안전하게 운반할 수 있는 것은 15% 미만이다.

2021년 업계 검토에서는 연료전지 내구성과 파이프라인 취성화를 주요 연구개발 과제로 지적하며, 2040년까지 약 1.2조 달러의 인프라 개선 비용이 필요할 것으로 추정했다. 수소는 재생에너지 보완 역할을 하지만, 현재로서는 광범위한 기저부하 전원으로서 경제성 대비 우위를 확보하지 못하고 있다.

난방용 수소: 산업 및 주거용 시스템의 탄소중립화

수소 에너지가 난방 시스템의 탄소중립화에서 수행하는 역할

지난해 IEA 자료에 따르면 전 세계 에너지 소비에서 발생하는 CO2 배출량의 약 40%가 난방에서 비롯되며, 이 때문에 많은 전문가들은 수소를 산업용 용광로와 가정용 보일러 모두에서 화석 연료를 대체할 수 있는 실질적인 게임 체인저로 보고 있습니다. 수소는 연소 시 거의 2800도 섭씨에 달하는 고온을 형성하기 때문에 제철과 같은 중공업 분야에 특히 적합합니다. 연료전지 마이크로 열병합 발전 시스템에 대한 일부 테스트에서도 인상적인 결과가 나왔으며, 지역난방망에 활용할 경우 약 90%의 효율을 달성했습니다. 흥미로운 점은 현재 가스 파이프라인의 약 20%에서 수소를 별도의 인프라 변경 없이 그대로 사용할 수 있다는 사실로, 이는 다양한 분야에서 이 기술의 채택 속도를 크게 높일 수 있습니다.

가스 파이프라인 내 천연가스와 수소 혼합

기존 가스망에 수소를 혼합 주입하는 것은 전환을 위한 하나의 경로를 제공합니다:

유럽 실사 결과, 20% 혼합은 안전한 운용을 유지하면서도 연간 600만 톤의 배출량 감축이 가능하다고 나타났다. 그러나 수소는 체적 에너지 밀도가 낮기 때문에 높은 혼합 비율에서 유량을 15~25% 증가시켜야 한다.

영국과 네덜란드의 시범 프로젝트에서 가정 난방용으로 수소 사용

영국의 하이디플로이(HyDeploy) 프로그램은 약 300가구에 공급되는 가스에 수소를 약 20% 혼합하는 데 성공했으며, 대부분의 사람들이 만족한 것으로 나타났습니다. 참여자 약 10명 중 8명이 만족한다고 보고했습니다. 네덜란드에서는 더 흥미로운 H2Stad 실험이 진행되었는데, 이곳에서는 1,500가구를 완전히 수소 보일러로 전환했습니다. 결과도 매우 인상적이었으며, 기존 천연가스 시스템과 비교해 난방 관련 배출량을 거의 90%까지 줄였습니다. 이러한 시범 프로그램들은 수소가 대규모로 활용될 수 있음을 보여주지만, 주목해야 할 몇 가지 우려 사항도 있습니다. 재료에 대한 테스트 결과에 따르면 파이프라인이 상시 순수 수소를 운반할 경우 수명이 약 12%에서 최대 18%까지 단축될 수 있습니다. 좋은 소식은 아니지만, 적절한 계획을 통해 관리 가능한 수준입니다.

수소 기반 난방의 효율성 및 안전성 문제

수소 보일러는 약 85~90%의 효율로 작동하며, 이는 천연가스의 약 94%보다 다소 낮은 수준이다. 하지만 수소는 메탄이 필요로 하는 0.3mJ에 비해 단지 0.02mJ만으로도 쉽게 점화되기 때문에 매우 민감한 누출 감지 시스템이 필요하다. 이 시스템은 최소 1% 농도의 미세한 누출도 감지할 수 있어야 한다. DNV의 2023년 최근 연구에 따르면, 수소는 일반 가스보다 폴리에틸렌 파이프를 약 30배 더 빠르게 침투하는 경향이 있다. 이러한 문제로 인해 대부분의 오래된 배관망은 언젠가는 특수 복합 라이너를 추가해야 할 가능성이 크다. 또한 적절한 환기 조치도 중요하다. 건물이 올바르게 리트로핏될 경우, 이러한 간단한 조치만으로도 폭발 위험을 거의 92%까지 줄일 수 있다.

운송 분야에서의 수소: 연료 전지에서 항공까지

청정 운송 대안으로서의 수소 연료 전지 차량

수소 연료 전지 전기차는 셀 내부의 화학 반응을 통해 전력을 생성하며, 배출가스로 물 증기만 방출합니다. 큰 장점은 충전 시간이 5분 이내로 짧고, 한 번의 충전으로 500km 이상 주행할 수 있다는 점입니다. 장거리 트럭이나 화물선과 같은 용도에서는 일반 배터리보다 우수한데, 이는 더 작은 공간에 더 많은 에너지를 담을 수 있어 화물 적재 공간을 크게 희생하지 않아도 되기 때문입니다. 최근 도요타와 현대자동차와 같은 기업들은 대형 운송 수요를 위해 수소 기술에 본격적으로 투자하고 있습니다.

캘리포니아와 한국에서의 수소 버스 및 트럭 도입

캘리포니아의 H2 프론티어 프로젝트는 2023년 이후 12개 교통 지역에 50대 이상의 수소 동력 버스를 배치하여 매년 1,200톤의 온실가스 배출을 줄이고 있습니다. 한국의 울산 수소 포트에서는 인근 해상 풍력 기반 전해조가 지원하는 120대의 연료 전지 트럭이 컨테이너 운송에 사용되고 있습니다.

독일과 프랑스의 수소 연료 기차

독일의 코라디아 iLint 열차는 2023년에 22만km의 무배출 주행을 완료했다. 프랑스의 TER 오시타니 노선은 15대의 디젤 열차를 수소 하이브리드 열차로 대체하였으며, 이 열차들은 비전철화 노선에서 항속거리를 확보하기 위해 지붕에 장착된 연료전지를 사용한다.

해양 및 항공 분야에서의 새로운 응용 분야

해양 운송 사업자들은 북해에서 운항하는 화물선 4척에 수소 기반 암모니아를 연료로 사용함으로써 중유 대비 CO2 배출량을 85% 감축하고 있다. 항공 분야에서는 액체 수소 연소로 작동하는 제로 배출 지역 항공기가 2035년까지 실용화될 예정이며, 현재 시제기가 750km의 시험 비행을 성공적으로 마쳤다.

수소 충전 인프라 구축의 과제

전 세계적으로 1,000개 미만의 수소 충전소가 존재하며, 이 중 42%는 유럽, 38%는 아시아에 위치해 있다. 고압 저장 기술은 여전히 비용이 높아 2024년 기준 kg당 1,800달러에 달하며, 파이프라인 소재의 취성 문제는 대규모 공급망 구축에 어려움을 초래하고 있다.

녹색 수소 생산: 지속 가능한 방법의 발전

회색 대 청색 대 녹색 수소: 환경적 및 경제적 트레이드오프

수소를 생산하는 방법은 여러 가지가 있으며, 각각 고유의 환경적 영향과 가격대를 가지고 있습니다. 그레이 수소는 증기 메탄 개질(SMR)에서 유래하며, 수소 1kg을 생산할 때마다 9~12kg의 CO2를 배출합니다. 비용은 국제에너지기구(IEA) 2023년 기준으로 kg당 약 1.50달러에서 2.80달러 수준입니다. 블루 수소는 동일한 SMR 공정을 사용하되 탄소 포집 기술(CCS)을 추가한 방식입니다. 이를 통해 배출량을 약 80~90% 줄일 수 있지만, kg당 약 2.50달러에서 4달러로 비용이 더 높아집니다. 마지막으로 그린 수소는 재생 가능 에너지원에서 나오는 전기를 이용해 전기분해 장비를 가동시켜 생성됩니다. 이 방식은 직접적인 배출이 없으며 현재 kg당 3~5달러 선에서 운영되고 있습니다. 이는 몇 년 전만 해도 kg당 4~6달러 수준이었던 것에 비해 상당히 낮아진 가격입니다.

전해수소 기술 발전이 녹색 수소 에너지 생산을 촉진

양자 교환막(PEM) 전해조는 이제 75~83%의 효율에 도달하여 2010년의 60%에서 향상되었습니다. 알칼리계 시스템은 65~70%의 효율로 작동하며 수명이 60,000시간을 초과합니다. 고체 산화물 전해조(SOEC)는 700~900°C에서 작동하며 시험에서 85%의 효율을 달성하여 산업 규모의 녹색 수소 생산 가능성을 보여주고 있습니다. (ScienceDirect 2024)

재생 에너지 기반 수소 생산의 비용 동향 및 확장성

태양광 전기분해를 통한 수소 생산 비용은 2015년 이후 약 62% 감소하며 급격히 하락했습니다. 현재 2024년 기준으로 킬로그램당 3달러에서 4.50달러 사이의 가격대를 형성하고 있습니다. 호주에서는 풍력 발전단지가 매년 약 1,000톤의 그린수소를 킬로그램당 약 3.80달러에 생산하고 있습니다. 한편 중국에서는 대규모 전기분해 장치 설치로 매년 생산 비용이 점점 더 낮아지고 있으며, 연간 약 18%씩 비용이 절감되고 있습니다. 향후 전망에 따르면 블룸버그NEF는 재생 가능 에너지가 세계적으로 급속히 확장되면서, 2030년까지 그린수소 가격이 킬로그램당 단 1.50달러에 이를 것으로 예측하고 있습니다. 이는 재생 가능 에너지가 전 세계 신규 발전 설비의 거의 85%를 차지할 것으로 예상됨에 따라 실현될 수 있습니다.

자주 묻는 질문

수소를 이용해 전기를 생산하는 주요 방법은 무엇인가요? 주요 방법은 수소 연료전지와 수소용 연소터빈을 활용하는 것입니다.
수소는 전력망 안정성에 어떻게 기여합니까? 수소는 과잉 재생 가능 에너지를 저장하여 수요 급증 시 방출함으로써 계통 안정성을 보장한다.
기저부하 전원으로서 수소를 사용하는 데 있어 현재의 주요 과제는 무엇인가? 높은 비용, 에너지 변환 과정에서의 효율 손실, 인프라의 한계가 주요 과제이다.
수소는 난방 시스템에서 어떻게 사용되나요? 수소는 산업용 및 가정용 난방 시스템에서 화석 연료를 대체할 수 있으며, 지속 가능한 대안을 제공한다.
녹색 수소 생산 분야에서 어떤 기술적 발전이 이루어졌나요? 전해조 기술의 발전과 대규모 설치가 비용을 크게 절감하고 효율을 향상시켰다.