녹색 수소 이해하기: 정의 및 핵심 차별 요소

그린 수소란?

녹색 수소는 물 분자를 전기분해라는 과정을 통해 분해할 때 생성되며, 이때 필요한 전기를 태양광이나 풍력과 같은 재생 가능 에너지원으로 공급해야 합니다. 기본적으로 이는 물(H₂O)에 전류를 통과시켜 수소 가스와 산소로 분해하는 과정이며, 이 과정에서 이산화탄소를 전혀 배출하지 않습니다. 기존의 수소 생산 방식은 이렇게 깨끗하지 못하며, 종종 화석 연료에 의존합니다. 따라서 많은 전문가들은 지난해 HERO Future Energies의 최근 연구에 따르면, 녹색 수소가 전 세계 온실가스 감축을 위해 매우 중요하다고 보고 있습니다.

회색 수소 및 청색 수소와 녹색 수소의 차이점

• 그레이 수소 : 증기 메탄 개질을 통해 천연가스에서 유도되며, 수소 1kg당 10~12kg의 CO₂를 배출합니다.
• 청색 수소 : 동일한 화석 연료를 기반으로 사용하지만, 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술을 적용하여 배출량을 약 50% 줄입니다.
• 녹색 수소 : 전기분해 공정 전체를 재생 가능 에너지가 공급하므로 직접 배출을 발생시키지 않습니다.

회색 수소가 현재 생산량의 95%를 차지하고 있지만, 녹색 수소의 수명 주기 배출량은 블루 수소보다도 75~90% 낮습니다(Visualizing Energy, 2024).

녹색 수소 생산에서 재생 가능 에너지의 핵심적 역할

녹색 수소는 재생 가능 에너지의 뒷받침 없이는 결코 작동할 수 없습니다. 전기분해 과정은 기존 방법에 비해 약 네 배 더 많은 전력을 필요로 하므로, 이러한 시스템을 태양광 패널이나 풍력 단지에 직접 연결하는 것이 지속 가능한 생산 확대를 논의할 때 매우 중요한 차이를 만듭니다. 수치로 살펴보면, 1킬로그램의 녹색 수소를 생산하려면 약 50kWh의 청정 전력이 필요합니다. 이는 상당히 많은 양처럼 들릴 수 있지만, 실제로는 진전이 있습니다. 태양광 패널 가격은 지난 10년간 극적으로 하락했으며, 특히 2010년 이후 거의 90%나 감소했습니다. 미래 가능성 측면에서 전문가들은 녹색 수소가 2050년경 세계적으로 화석 연료에서 현재 나오는 에너지의 15~20%를 대체할 수 있을 것으로 믿고 있습니다.

녹색 수소 생산: 전기분해, 기술 및 글로벌 생산 능력

전기분해를 통한 녹색 수소 생산 공정

녹색 수소는 전기분해라는 과정을 통해 생산되며, 이는 전기를 가하여 물 분자(H2O)를 수소와 산소 기체로 분해하는 것을 의미한다. 효율은 사용하는 전기분해 장치의 종류에 따라 다양하게 나타나며, 대략 70%에서 최대 90%까지 범위를 가진다. 이 시스템이 제대로 작동하려면 깨끗한 물과 안정적인 전력 공급이 필요하다. 현재 대부분의 시스템은 소비한 전기 50kWh당 약 1kg의 수소를 생산한다. 다른 산업 공정에 투입되는 에너지를 고려하면 나쁘지 않은 수준이다.

전기분해 장치의 종류: PEM, 알칼리, 고체산화물

기존 프로젝트에서는 비용이 낮은 알칼리 전해조가 주도하고 있는 반면, PEM 시스템은 변동형 재생 에너지 응용 분야에서 점차 확산되고 있습니다.

지속 가능한 생산을 위한 태양광 및 풍력과의 통합

재생 가능 에너지와의 통합은 그린 수소의 가장 큰 비용 요소인 에너지 입력 문제를 해결합니다. 태양광과 풍력은 현재 생산 비용을 2024년 기준으로 $3-4/㎏ 까지 낮추었으며, 이는 2018년의 $6/㎏에서 감소한 수치입니다. 일조량이 많고 바람이 강한 지역에 위치한 시설들은 하이브리드 시스템 태양광 패널과 풍력을 결합하여 24시간 운영을 보장합니다.

현재의 글로벌 생산 능력 및 주요 국가

글로벌 그린 수소 생산량은 2024년에 120만 톤 이상 을 돌파했으며, 이는 2022년 이후 50% 증가한 수치입니다. 이 중 80% 이상은 중동, 호주, 북유럽의 대규모 프로젝트에서 나오며, 전 세계적으로 5000억 달러의 투자가 뒷받침되고 있습니다.

녹색 수소 생산 확대의 과제

확대에는 수소 1kg당 정제된 물 9리터 필요 과 같은 장애물이 있으며, 이는 고도화된 담수화 인프라를 요구합니다. PEM 전해조에 사용되는 이리듐과 같은 희귀 자원의 공급망 병목 현상과 제한된 수소 파이프라인 또한 도입을 지연시키고 있습니다. 이러한 장벽에도 불구하고 2030년 수소 생산 비용 전망치는 $1.50/ kg 으로, 산업용 응용 분야에서의 실현 가능성이 빠르게 증가하고 있음을 시사합니다.

녹색 수소의 환경적 및 경제적 이점

생산 및 사용 과정에서의 탄소 제로 배출

녹색 수소 생산 과정에서는 이산화탄소를 전혀 배출하지 않습니다 메탄 개질에서 유래하는 그레이 수소와 달리, 재생 에너지를 이용한 전기분해를 사용할 때 이 청정 에너지 캐리어는 연료전지나 산업 공정에 활용되더라도 전체 생애 주기 동안 탄소 중립 상태를 유지하며 모든 단계에서 배출을 제거합니다.

대기 오염 및 온실가스 배출 감소

운송 및 제조 분야에서 화석연료를 그린 수소로 대체하면 질소산화물(NOx)을 최대 45%, 황산화물(SOx)을 92%까지 줄여 도시 대기질을 크게 개선할 수 있습니다.

생애 주기 분석: 그린 수소의 환경 영향

2023년 한 비교 연구에서 그린 수소의 생애 주기 배출량이 매우 낮은 것으로 나타났습니다. 해상 풍력 발전을 사용할 경우 천연가스 기반 시스템 대비 96% 낮음 수소 생산을 위한 물 소비량은 석탄 기반 수소 생산 방식보다 여전히 30% 낮음

재생에너지 및 수소 산업 분야의 일자리 창출

그린수소 가치 사슬은 전 세계적으로 2035년까지 약 230만 개의 일자리 창출이 예상됨 특히 전해조 제조 및 태양광-풍력 하이브리드 농장 분야에서 두드러짐. 독일과 호주 등은 이미 수소 관련 직무에서 연간 12~15%의 인력 성장을 보고하고 있음

투자 동향 및 비용 곡선 감소

전해조 비용은 2015년 이후 60% 감소했으며, 그린수소 생산 단가는 2030년까지 kg당 1.50달러에 이를 것으로 전망됨 — 이는 2022년 가격 대비 75% 감소 약 2배 이상 저렴한 수준. 2023년 글로벌 투자액은 48개 국가의 수소 전략을 통한 공공-민간 파트너십으로 인해 3200억 달러를 초과함

에너지 자립 및 지정학적 이점

국내에서 생산하는 그린 수소로 전환하면 유럽연합(EU) 국가들의 에너지 수입 비용을 연간 1100억 달러 절감할 수 있으며, 화석 연료 시장의 변동성으로 인한 공급망 차질을 완화할 수 있다.

산업 응용 및 기술 발전

철강 및 암모니아와 같이 탈탄소화가 어려운 산업 분야에서의 탄소 중립 실현

청정수소로의 전환은 오랫동안 화석 연료에 의존해온 산업 전반에 걸쳐 큰 변화를 일으키고 있습니다. 예를 들어, IRENA의 2023년 보고서에 따르면 전 세계 CO2 배출량의 약 7%를 차지하는 철강 제조업을 들 수 있습니다. 기업들이 기존의 석탄 기반 방식 대신 수소 기반 직접 환원 기술을 도입하면 생산하는 철강 1톤당 약 95%의 배출량 감축이 가능합니다. 이는 철강업계에만 국한된 것이 아닙니다. 암모니아 생산자들이 천연가스 대신 그린수소를 사용하게 되면 암모니아 1톤 생산 시 약 1.8톤의 CO2를 줄일 수 있습니다. 이러한 수치들은 단순히 종이 위의 데이터에 그치는 것이 아니라, 전 세계의 공장과 플랜트에서 현재 실제로 이루어지고 있는 실질적인 변화를 반영하고 있습니다.

대형 운송 및 해상 운송 분야에서의 그린수소

수소 연료전지는 장거리 트럭과 화물선에서 배터리의 한계를 극복해가며, 한 번의 충전으로 600~800km의 주행 거리를 제공합니다. 해양 분야 시범 사업에서는 수소 기반 선박이 기존의 해상용 디젤 대비 질소산화물 배출을 35% 감축하는 효과를 보여주고 있습니다.

발전 및 가정용 난방 분야에서의 활용

공공기관들은 기존 가스관망에 수소를 천연가스와 최대 20%까지 혼합하고 있으며, 유럽의 시범 프로젝트에서는 열병합 발전 시스템에서 탄소 배출량이 12% 감소한 것으로 나타났습니다. 일본의 ENE-FARM 프로젝트는 2020년 이후 46만 대의 수소 연료전지를 가정용으로 보급했습니다.

저장, 운송 및 연료전지 기술 분야의 혁신

최근 기술 발전 사례는 다음과 같습니다:

• 극저온 액체 수소 탱크, 97% 저장 효율 달성
• 액체 유기 수소 캐리어(LOHC)를 통한 안전한 해상 운송 가능
• 고체 산화물 연료전지(SOFC), 65%의 전기 효율 도달 (DOE 2023)

전력망 안정화 및 에너지 저장 응용

독일의 풍력 발전소는 이제 피크 발전 시 초과 에너지를 수소로 전환하기 위해 140MW 전해조를 사용하여, 산업용 수소 연간 2,800톤을 생산하면서 동시에 계통 안정화를 달성하고 있습니다.

녹색 수소의 글로벌 채택 및 미래 전망

전 세계의 신생 시장 및 시범 프로젝트

전 세계의 그린수소 시장은 현재 놀라운 속도로 성장하고 있으며, 35개 이상의 국가에서 시범 프로젝트가 진행되고 있습니다. 사우디아라비아의 NEOM 프로젝트를 예로 들면, 이곳은 2026년이 되면 매일 약 650톤의 청정 수소를 생산하는 것을 목표로 하고 있습니다. 오스트레일리아의 아시아 재생에너지 허브(Asian Renewable Energy Hub)는 더 큰 포부를 가지고 있으며, 다음 세기 말까지 연간 350만 톤의 수소 생산을 목표로 하고 있습니다. 경제적으로 덜 발달한 국가들도 이 시장에 진입하고 있습니다. 칠레와 나미비아 같은 국가는 막대한 태양광과 풍력 자원을 보유하고 있음에도 불구하고 아직 활용하지 못하고 있는 실정이며, 이들 국가는 잠재적 수소 수출국으로 자리매김하려 하고 있습니다. 칠레의 HIF 글로벌(HIF Global) 회사 혼자서도 2040년경 약 14기가와트 규모의 전해조를 건설할 계획입니다. 앞을 내다보면 대부분의 전망이 2030년이면 연간 거의 5천만 톤의 그린수소 생산에 도달할 것으로 예상하고 있으며, 이는 2023년 당시의 생산량의 약 5배에 해당하는 수치입니다.

정책 지원 및 국제 협력을 통한 채택 가속화

전 세계의 정책 입안자들은 수소 전략을 본격적으로 추진하기 위해 더욱 강력한 노력을 기울이고 있다. 유럽연합은 자국 내 수소 전략의 일환으로 2030년까지 최소 1,000만 톤의 그린수소를 생산하겠다는 야심 찬 목표를 설정했다. 이 목표에는 미국 인플레이션 감축법(IRA)에 포함된 킬로그램당 3달러 세금 감면과 같은 상당히 후한 인센티브도 함께하고 있다. 한편 태평양 건너 일본은 완전히 다른 접근 방식을 취하고 있다. 일본의 기본 수소 전략은 대규모 국내 생산 시설을 구축하는 대신 호주와 브루나이 등지에서 수소 공급을 도입하는 데 초점을 두고 있다. 국제 협력 또한 속도를 내고 있으며, G7 수소 행동 협약(G7 Hydrogen Action Pact)과 아프리카 그린수소 연대(Africa Green Hydrogen Alliance) 같은 단체들이 긴밀히 협력하고 있다. 이러한 협업은 국경을 초월하는 인프라 구축을 목표로 하며 궁극적으로는 규모의 경제를 통해 제조 비용을 낮추고, 이 십 년 말까지 킬로그램당 1.50달러 미만의 가격이 실현되도록 할 전망이다.

인프라 격차와 산업적 과제 극복

국제재생에너지기구(IRENA)는 여기에서 상당히 큰 문제에 대해 언급하고 있다. 그들의 추산에 따르면, 2030년까지 필요한 생산 시설과 파이프라인, 충전소 등 인프라에 약 1.5조 달러가 부족할 것으로 예상된다. 대부분의 기업들이 감당하기에는 여전히 전해조 가격이 너무 높지만, 상황은 점차 개선되고 있다. 2018년 이후 가격이 상당폭 하락하여 현재 알칼리 전해조 시스템의 경우 kW당 약 800달러 수준까지 약 3분의 1 정도 떨어졌다. 이 분야의 주요 기업들은 극저온 액화수소나 암모니아를 통한 운송 같은 첨단 기술을 활용해 저장 문제 해결에 나서고 있다. 또한 모든 이해관계자가 표준에 동참하는 것도 중요하다. EU의 기원 보증(Guarantee of Origin) 제도는 작년 COP28에서 설정된 2050년 넷 제로 목표를 향한 실질적인 진전을 위해 더 널리 채택되어야 한다. 그리고 이러한 친환경 연료가 국경을 효율적으로 이동할 수 있도록 항만 인프라를 확장하는 것 역시 잊어서는 안 된다.

자주 묻는 질문

그린 수소란?

녹색 수소는 전기분해 과정을 통해 물을 수소와 산소로 분리하여 이산화탄소를 배출하지 않고 풍력 또는 태양광과 같은 재생 가능 에너지원을 사용하여 생산됩니다.

녹색 수소는 다른 종류의 수소와 어떻게 다릅니까?

녹색 수소는 직접적인 탄소 배출을 발생시키지 않는 점에서 그레이 수소 및 블루 수소와 다릅니다. 그레이 수소는 천연가스에서 생산되며 CO2를 배출하고, 블루 수소는 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술을 사용하여 이러한 배출을 최소화합니다.

재생 가능 에너지는 녹색 수소 생산에서 어떤 역할을 합니까?

재생 가능 에너지는 전기분해에 필요한 전기를 공급하면서 온실가스를 발생시키지 않기 때문에 녹색 수소 생산에 필수적입니다.

녹색 수소 생산 확대에 있어 주요한 과제는 무엇입니까?

주요 과제로는 높은 에너지 요구량, 대규모 재생 가능 에너지 인프라 구축 필요성, 그리고 전해조에 사용되는 희귀 소재의 공급망 문제 등이 있습니다.

녹색 수소 사용에 경제적 이점이 있나요?

예, 녹색 수소는 재생 에너지 및 수소 산업 분야에서 일자리를 창출하고, 대기 오염을 줄이며 온실가스 배출을 감소시키고, 화석 연료 수입에 대한 의존도를 낮춤으로써 에너지 자립을 제공할 수 있습니다.