청정 에너지 캐리어로서의 지속 가능한 수소

재생 에너지 통합을 통한 그린 수소 생산

녹색 수소는 풍력 발전단지와 태양광 패널에서 나오는 잉여 재생 가능 전기로 전기분해(electrolysis)를 수행할 때 생성됩니다. 이 과정은 물 분자를 수소 가스와 산소 가스로 분리하며, 그 자체로는 직접적인 탄소 배출을 발생시키지 않습니다. 화석 연료에 의존하는 기존 방식과 비교했을 때, 이 방법은 이산화탄소 배출을 크게 줄일 수 있으며, 기존 방식으로 1kg의 수소를 생산할 때마다 약 9~12kg의 이산화탄소가 절감됩니다. 녹색 수소가 청정 에너지 솔루션으로 주목받는 이유는 재생 가능 에너지 공급이 풍부한 시기에 활용될 때 가장 효과적으로 작동하기 때문입니다. 전기분해 장치가 이러한 시기에 최고 가동률을 유지하면 자원 활용도가 높아질 뿐만 아니라 전력망에 부담을 주는 것이 아니라 오히려 부하를 완화하는 데 기여합니다.

환경적 이점 및 탄소 감축 가능성

국제에너지기구(IEA)의 작년 보고서에 따르면, 중공업 분야에서 2030년대 중반까지 녹색 수소로 전환할 경우 매년 약 8억 3천만 톤의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있습니다. 그 이유는 연소 시 물 증기 외에는 아무것도 배출하지 않기 때문에 철강 생산, 화학물질 제조 및 선박 운항과 같은 산업 전반의 탄소 발자국 감축에 중요한 도구가 될 수 있습니다. 만약 이 기술을 실제로 대규모로 도입할 수 있다면, 산업 지역의 유해한 질소산화물 오염이 약 45% 정도 감소할 수 있습니다. 이러한 개선은 기후 목표 달성에 기여할 뿐 아니라, 해당 시설 근처에 거주하는 주민들의 공기 질 향상에도 도움이 될 것입니다.

수소 생산의 생애주기 배출 및 지속 가능성 기준

수소의 환경적 영향은 그 생산 방식에 크게 좌우된다. 전체 생애 주기를 조사한 연구들은 천연가스 개질을 통해 생산된 그레이 수소가 녹색 수소보다 약 10배 이상 많은 이산화탄소를 배출한다는 것을 보여준다. 유럽연합(EU)은 진정한 그린 수소 생산을 인증하기 위해 RFNBO라는 인증 기준을 마련했다. 이 규정들은 재생 가능 에너지원 사용 여부만 확인하는 데 그치지 않고, 전기가 언제 어디서 생성되었는지와 전기분해가 언제 발생했는지를 실제로 추적한다. 기업들은 이러한 지침을 철저히 따라야 한다. 그렇지 않으면 종이상으로는 깨끗해 보이지만 여전히 배후에서 화석 연료 의존도를 높이는 수소 사업이 될 위험이 있다. 이러한 그린워싱은 지속 가능한 에너지 해결책을 향한 실질적인 진전을 약화시킬 수 있다.

순환형 에너지 시스템 지원을 위한 그린 수소의 역할

녹색 수소는 순환 에너지 시스템의 효율성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 풍력이나 태양광 같은 재생 가능 에너지원에서 전력이 과잉 생산될 경우, 이 전력을 연료로 전환해 저장한 후 다양한 산업 분야 또는 다시 전력 생산에 사용할 수 있다. 일부 첨단 시설에서는 생물 기원의 포집된 CO2를 이 녹색 수소와 혼합해 일명 e-메탄올을 생산하고 있는데, 이는 대기 중으로 배출되는 탄소를 억제하는 방식이다. 전기가 양방향으로 흐를 수 있는 능력은 태양광 패널과 풍력 터빈이 다수 연결된 전력망의 균형을 맞추는 데 매우 유리하다. 또한 이러한 공정은 비료 및 철강 생산과 같은 분야에서 일반적으로 발생하는 탄소 배출 없이도 필요한 청정 소재를 생산할 수 있게 해준다.

녹색 수소를 통한 감축이 어려운 부문의 탈탄소화

철강, 화학 및 중공업 분야에서의 응용

녹색 수소는 전기로의 전환이 어려운 산업 분야에서 탄소 배출을 줄일 수 있는 방법을 제공합니다. 전 세계적으로 약 7%의 CO2 배출량을 차지하는 제철 산업을 예로 들 수 있습니다. 철광석 환원 공정에서 석탄 대신 녹색 수소를 사용하면 공장의 배출량을 거의 98%까지 감축할 수 있습니다. 스웨덴의 H2 그린 스틸(H2 Green Steel) 프로젝트는 2024년부터 이를 실용화한 사례입니다. 암모니아 생산의 경우, 전기분해를 통해 생성된 수소로 전환하면 배출량을 약 40% 감축할 수 있습니다. 시멘트 제조업체들도 연료에 수소를 혼합함으로써 필요한 열과 발생하는 먼지 양을 모두 줄일 수 있어 유의미한 효과를 얻고 있습니다. 수소가 두드러지는 점은 극한의 온도와 화학 반응이 요구되는 이러한 난제 산업 분야에서, 다른 방법으로는 정화하기 어려운 문제들을 해결할 수 있다는 데 있습니다.

산업 및 운송 분야 간의 융합

수소는 에너지 세계의 서로 다른 부분들을 매우 흥미로운 방식으로 통합한다. 수소는 대형 기계를 구동시키고 고속도로에서 보는 장거리 트럭을 운행하며, 전력 수요가 변동할 때 전력망의 안정성을 유지하는 데도 도움을 준다. 태양광이나 풍력 같은 재생 가능 에너지원에서 잉여 전력이 발생할 경우, 우리는 이를 전기분해라는 과정을 통해 수소로 전환할 수 있다. 그런 다음 이 수소는 화학 공장처럼 고온이 필요한 산업 현장이나 디젤 대신 연료전지를 사용하는 특수 열차 등 다양한 용도로 활용된다. 가장 주목할 점은 하나의 수소 파이프라인이 단일 목적에만 국한되지 않는다는 것이다. 2023년 발표된 일부 최신 연구에 따르면, 이러한 파이프라인은 지역 산업용 난방 수요의 약 3분의 1을 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 풍력 발전소가 충분한 전력을 생산하지 못하는 시기에 저장 매체 역할도 할 수 있다. 이러한 다목적 활용은 모든 용도에 별도의 인프라를 구축하려는 것보다 전체 시스템의 효율성을 훨씬 높여준다.

사례 연구: 철강 및 화학 제조 분야에서의 그린 수소

독일의 한 산업 단지는 단 18개월 만에 범주 1 배출량을 거의 3분의 2 가까이 줄였습니다. 이들은 강철 어닐링과 메탄올 생산과 같은 공정에서 천연가스 대신 그린 수소를 사용함으로써 이를 달성했습니다. 더욱 인상적인 점은 전체 운영이 해상 풍력 발전소 140메가와트 규모의 전력으로 이루어지고 있다는 것입니다. 그 결과, 매년 약 9,500톤의 수소를 생산할 수 있게 되었습니다. 이 정도 양은 탄소 함량이 훨씬 낮은 약 50만 톤의 철강 생산에 충분합니다. 다양한 산업 간 시너지 효과를 고려했을 때, 이 이니셔티브는 자원 공유의 훌륭한 사례로 주목받고 있습니다. 잔여 산소와 폐열의 거의 전부가 다른 곳에서 재이용되며, 클러스터 내에서 약 92%가 어떤 형태로든 다시 활용되고 있습니다.

수소 기술 가치 사슬 내 순환성

핵심 소재 재활용: 연료 전지 및 전해조의 귀금속

양자교환막 기술은 백금과 이리듐 같은 백금족 금속에 크게 의존하고 있다. 이러한 귀금속은 매장량이 제한되어 있고 채굴 과정에서 상당한 환경 피해를 유발하기 때문에 공급망 측면에서 실제적인 문제를 야기한다. 하지만 한편으로 폐기 단계에 있는 연료 전지 및 전해조 장치를 살펴보면, 이러한 소중한 금속 대부분을 재활용을 통해 실제로 회수할 수 있다. 2023년 순환소재연구소(Circular Materials Institute)의 최근 자료에 따르면, 회수율이 90%를 초과하여 광산에서 새로운 원자재를 채굴하는 데 대한 의존도를 줄일 수 있다. 더 나아가 폐기물 처리 업체와 함께 폐쇄순환 시스템을 운영하는 기업들은 순전히 새로운 원자재에 의존하는 기존 방식과 비교했을 때 제품 생애주기 전반의 배출량을 40~60%까지 감축하는 데 성공했다.

수소 시스템에서 재사용 및 수명 종료 후 회수를 위한 설계

최근의 수소 시스템은 장비의 수명을 연장할 수 있도록 부품들을 리퍼브하거나 새로운 용도로 사용할 수 있게 해주는 모듈형 구조로 발전하고 있습니다. 예를 들어, 전기분해 스택의 경우 종종 분해되어 소규모 운영에 다시 활용됩니다. 한편, 이중극판은 일반적으로 전기화학적 연마 공정을 통해 되살릴 수 있습니다. 또한 2023년에 발표된 ISO 22734 표준이 산업 전반에 큰 영향을 미치고 있습니다. 이 표준은 신기술이 등장하더라도 기존 구성 요소들이 곧바로 폐기되지 않도록 다양한 인프라 세대 간에 서로 호환되게 만들어줍니다. 이는 제조업체들이 매 몇 년마다 모든 장비를 완전히 교체하지 않고도 투자 자산의 수명을 오래 유지하기를 원하기 때문에 매우 중요합니다.

PGM 채굴 영향과 재활용 비율, 순환 혁신 간의 균형 조절

재활용은 신규 PGMs의 필요를 줄이는 데 도움이 되지만, 수소 기술에서 채광이 여전히 약 8~12퍼센트의 탄소 발자국을 차지한다는 점을 간과할 수 없습니다. 국제에너지기구(IEA)는 연료전지 제조가 2030년까지 세 배 가량 증가할 것으로 예측하고 있으며, 따라서 재활용 역량을 확대하는 것이 매우 중요해지고 있습니다. 또한 흥미로운 대안들이 등장하기 시작했습니다. 루테늄(ruthenium)으로 만든 촉매나 귀금속이 전혀 필요 없는 전기분해 시스템 같은 기술들이 그것입니다. 이러한 발전은 희귀 자원에 대한 의존도를 낮추고, 모두가 계속해서 강조하는 순환경제 목표에 한 걸음 더 다가가는 것을 의미합니다.

통합 에너지 시스템을 위한 파워-투-가스 및 부문 연계

가스 생산을 위한 전력(P2G) 기술은 전해수소 생성과 수소 기반 저장을 통해 산업 부문 간 통합과 전력망 유연성을 가능하게 하여 지속 가능한 에너지 시스템을 혁신하고 있습니다. 이러한 솔루션은 재생 가능 에너지의 잉여 전력을 산업용 에너지 수요와 연결함과 동시에 순환경제 원칙을 발전시키고 있습니다.

전해 및 메탄화: 유연성을 실현하는 가스 생산을 위한 전력(P2G) 기술

전해 공정은 재생 가능 전기를 사용하여 물 분자를 수소와 산소 기체로 분리한다. 한편, 메탄화는 다른 방식으로 작동하며, 외부에서 포집한 이산화탄소에 수소를 결합시켜 합성 메탄 연료를 생성한다. 이러한 기술들은 태양광 패널이나 풍력 터빈에서 나오는 전기로 구동될 때 특히 흥미로워지는데, 이 경우 대기에 추가적인 탄소를 배출하지 않는 연료를 얻을 수 있기 때문이다. 이러한 연료는 항공 산업과 같이 전면적으로 전기 동력으로 전환하기 어려운 분야에서 특히 유용하다. 현재의 실적을 살펴보면, 현대의 전해조 시스템은 현재 약 75~80%의 효율로 운용되고 있다. 이는 2020년 당시 가능했던 수준보다 약 15%p 향상된 것으로, 배출 감축을 목표로 하는 기업들이 이러한 기술을 상업적으로 실현 가능한 옵션으로 채택하는 데 긍정적인 영향을 미치고 있다.

수소 기반 에너지 저장 및 계통 균형 조절

수소는 킬로그램당 약 33.3kWh의 에너지 밀도를 가지고 있어 수요가 감소할 때 잉여 재생 가능 에너지를 저장하는 데 매우 적합합니다. 풍력 발전단지가 약 5기가와트 규모의 전해조 장치와 연결되면, 재생 가능 에너지가 주도하는 전력망에서 매년 낭비되는 에너지를 약 34퍼센트 줄일 수 있다는 것이 작년 연구 결과에서 나타났습니다. 실질적으로 이는 전력 회사들이 공급의 갑작스러운 변동을 더 효과적으로 관리할 수 있고, 악천후로 인해 며칠 동안 전력 공급이 끊기는 상황에서도 지속적인 전기 공급을 유지할 수 있음을 의미합니다.

부문 연계: 전력, 산업 및 가스 네트워크 통합

P2G는 전력망이 비료 공장에 수소를 공급하고, 산업 폐열이 지역 난방을 지원함으로써 서로 윈윈하는 부문 간 관계를 조성한다. 통합 모델 분석 결과, 이러한 구성은 독립된 시스템 대비 1차 에너지 낭비를 28~32% 줄이는 것으로 나타났다. 하이브리드 전력-가스 네트워크는 극한 기상 상황에서 정전 시간도 40% 더 적게 발생하며, 회복 탄력성도 향상시킨다.

순환형 탄소 모델에서의 바이오매스 및 폐기물 기반 수소 생산 경로

바이오매스 및 유기성 폐기물을 지속 가능한 수소로 전환

농업 부산물, 음식물 쓰레기, 심지어 하수 슬러지까지도 가스화 및 혐기성 소화 공정을 통해 수소 연료로 전환되며 새로운 생명을 얻고 있습니다. 유럽 내에서만 이러한 기술들은 매년 약 6천만 톤의 유기성 폐기물을 처리할 수 있으며, 이를 매립지에 방치하는 대신 가치 있는 자원으로 전환할 수 있습니다. 최근 수열처리 공법의 개선으로 인해 습윤 생물자원 물질을 다룰 때 더욱 효과적인 결과를 얻을 수 있게 되었으며, 과거에는 처리가 어려웠던 젖은 폐기물 흐름도 이제는 효율적으로 처리할 수 있습니다. 이 방법의 추가적인 장점은 환경 보호입니다. 폐기물이 자연적으로 분해되면서 메탄이 배출되는 것을 막아주기 때문이며, 기후 변화 영향에 관심 있는 누구에게나 타당한 접근입니다.

수소를 순환형 탄소 경제 체계에 통합하기

폐기물에서 생산된 수소는 자연 탄소 순환과 산업 배출 감축 노력을 연결한다. 이러한 접근 방식을 탄소 포집 기술과 결합하면 배출되는 것보다 더 많은 양의 탄소를 대기 중에서 제거할 수 있다. 예를 들어 매립지를 들 수 있다. 매립지에서 발생하는 메탄 배출을 활용 가능한 수소로 전환하면서 동시에 이산화탄소를 격리하면, 일명 폐쇄형 탄소 순환 시스템이 만들어진다. 이러한 시스템은 시멘트 제조와 같은 산업 분야에서 기존 연료를 대체하는 데 특히 유용하다. 게다가 포집된 이산화탄소는 단순히 저장되는 것이 아니라, 바이오연료를 생산하는 조류를 키우는 데 활용되어 유휴 상태가 아닌 경제 활동에 적극적으로 사용된다. 이를 통해 탄소 분자는 오염 물질로 축적되기보다 우리 경제 내에서 계속해서 활발히 작용하게 된다.

지속 가능성 비교: 폐기물 기반 수소 vs. 그린 수소

폐기물 기반 수소는 폐기물을 유용한 자원으로 전환함으로써 즉각적인 온실가스 감축 효과를 제공하는 반면, 그린수소는 재생에너지로 구동되는 장기적이고 확장 가능한 해결책을 제공합니다.

지속 가능한 수소에 관한 자주 묻는 질문

그린수소란 무엇이며 어떻게 생산되나요?

그린수소는 풍력 또는 태양광 같은 재생에너지로 가동하는 전해조를 통해 물 분자를 수소와 산소로 분해하는 방식으로 생산되며, 이 과정에서 직접적인 탄소 배출이 없습니다.

그린수소는 어떻게 탄소 배출을 줄이나요?

그린수소는 화석연료를 수소로 대체함으로써 산업 부문의 CO2 배출을 크게 줄일 수 있으며, 연소 시에는 물 증기만 배출됩니다.

그린수소 사용의 주요 과제는 무엇인가요?

주요 과제로는 새로운 재생에너지 인프라 구축 필요성, 진정한 그린수소 생산을 보증하기 위한 인증 기준 마련, 그리고 수소 기술에 사용되는 귀금속의 공급망 관리가 있습니다.

수소는 장기적으로 진정으로 지속 가능할 수 있을까?

예, 특히 재활용과 순환 경제 노력을 통해 신규 소재 사용을 최소화하고 수소 기술 부품의 수명 주기가 지속 가능하도록 한다면 더욱 그렇다.