수소 에너지_1편_그린수소가 주목 받는 이유

전 세계가 기후 변화를 해결하고 지속 가능한 미래로 전환해야 하는 절박한 요구와 씨름 하면서 녹색 에너지가 강력한 솔루션으로 부상했습니다. 태양열, 풍력, 수력 및 지열 에너지와 같은 재생 가능한 자원을 활용하는 녹색 에너지는 즉 신재생 에너지의 환경적 이점을 넘어 다양한 혜택을 우리에게 제공합니다. 이는 인간, 동물, 식물등 살아 숨쉬는 모든 이들에게 꼭 필요한 미래 에너지 입니다.

1. 지구의 온난화

– 지구의 온도가 1°C 오르면 무슨일이 벌어지는 줄 아세요?

가뭄 이미지1

1)가뭄이 지속되고,

2)물 부족 인구 5천만 명,

3) 10% 육상생물 멸종 위기,

4) 기후변화로 인한 사망 30만 명 그리고 가뭄이 곳곳에서 지속되고,

킬리만자로의 만년빙이 사라집니다. 농부들도 농토와 거주지를 잃고, 변화에 적응하지 못한 희귀 동식물이 멸종하게 됩니다.




– 지구의 온도가 2°C 오르면?

1) 사용 가능한 물 20~30% 감소북극생명 멸종위기

2) 해빙으로 해수면 7m 상승

3) 15~40% 북극생물 멸종 위기

4) 말라리아 노출 4천만~6천만 명

이산화탄소가 바다에 흡수되어 바다생물이 죽어가게 됩니다. 그린란드 빙하도 녹아 해수면이 상승하고, 바다에 면한 도시들이 가라앉게 됩니다. 우리나라도 3면이 바다로 둘러 쌓어 있어서 영향을 받을수 있겠죠.

 

– 지구의 온도가 5°C 오르면?

희말라야 빙하 녹음

1) 군소도서국과 뉴욕, 런던 등 침수 위험

2) 재난으로 인한 자본시장 붕괴

3) 중국·인도 영향권 히말라야 빙하 소멸

4) 전쟁 발발

잦은 재난으로 자본시장이 붕괴되고, 거주 가능 지역 (캐나다·러시아)으로 피난민이 몰려 갈등이 발생합니다. 지구에서 살아갈수 있는 땅이 줄어드는것이죠. 그럼 그곳으로 사람이 몰리게 되고 생존권이 달린 문제가 되다보니 이기심과 폭력이 난무하고 심지어 전쟁까지도 발생할수 있겠죠.




위에서 보듯이 지구의 온도가 1도씩 오를때마다 우리에게 주는 영향은 엄청난 피해도 다가옵니다. 지구는 우리가 지켜야 할 가장 중요한 자산이며 생명과 같은 것이죠. 그래서 전 세계적으로 지구 온난화를 막기 위해 다방면으로 노력하고 있는데요. 그중에서는 지구온난화의 가장 큰 주범인 에너지로 인한 열을 고체연료를 사용한 에너지가 아닌 신재생 에너지로 바꾸려고 하고 있죠. 하지만 아래 표에서 볼수 있듯 에너지 발전 원가는 신재생 에너지가 화석연료의 3개 넘어가는 것을 볼수 있습니다. 그럼에도 불구하고 왜 신재생 에너지를 도입해야 하는지 우선 알아 보겠습니다.

신재생 에너지 발전 원가

2. 넷제로 or 탄소중립

넷 제로 (Netzero)또는 탄소중립 들어보셨나요?  “생성되는 탄소량과 흡수되는 탄소량의 총량을 같게해서, 탄소의 순배출량을 “제로(0)로 만든다는 의제 입니다. 바로 탄소 배출량을 줄이자는 넷제로 얘기가 꾸준히 전세계 곳곳에서  나오고 있죠. 유엔 기후변화협약에서 정한 탄소 중립 달성 목표 시점은 2050년이지만 IEA(International Energy Agency)분석에 따르면 현재 추세로 간다고 하면  2050년까지 넷제로를 달성하기는 아직 멀어 보인다고 합니다. 그래서 국가가 주도해서 탄소 배출량 감축을 추진하고 있습니다. 2022년 미국 상원에서 기후변화에 대응하는 인플레이션 감축법(Inflation Reduction Act, IRA)이 통과했죠. 기후변화 대응과 관련한 3690억 달러에 달하는 어마어마한 투자를 결정하였습니다. 또한 작년부터 이야기가 나왔습니다만, 미국 증권 거래 위원회에서는 몇 달 내에 기후변화와 관련한 기업 공시 의무를 구체화 하겠다고 밝혔습니다. 유럽에서는 좀 더 적극적이죠. 22년에 탄소배출권 거래제 ETS(Emission Trading System)개편이 이뤄졌습니다.




(1) 탄소 배출권 거래제

여기서 말하는 탄소배출권 거래제라는 것은 EU 각 회원국에서 온실가스 배출량을 설정, 각 산업 시설과 공장이 온실가스 배출량 기준을 넘을 경우, 초과량에 대한 배출 권리를 사고팔 수 있는 거래 시스템입니다. 탄소배출권 거래제란 쉽게 설명해 홍길동, 황진이, 임꺽정에게 탄소배출을 할수 있는 일정량 100을 정해주는데, 만약 홍길동이 탄소배출을 80만하면 나머지 20을 다른 사람이나 탄소배출권이 더 필요한 황진이나 임꺽정에게 팔수 있는 것입니다. 그런데 황진이, 임꺽정의 탄소 배출권이 100이 넘어가면 추가로 구매해야 하기에 기업 입장에서는 추가 비용이 지불되는 것입니다. 이에 맞춰 EU에서는 탄소 국경제도를 2026년까지 도입한다고 하였으며 이에 따른 세부 사항도 확정 되었습니다. 당장 23년 부터 시범 적용되고 26년부터 본격 적용된다고 합니다. EU 방침에 따라 가장 큰 타격이 클거라고 짐작되는 나라가 러시아, 중국, 한국등입니다. 왜냐면 적용되는 제품이 철강, 알루미늄, 시멘트, 비료, 전력, 수소등 6가지이기 때문입니다. 대부분이 한국의 주력 수출산업중 하나죠. 이중에서도 철강이 가장 큰 타격을  받을 것이라 우려가 나오고 있습니다. 이제도 시행되면 탄소배출권 거래제와 연동된 비용이 부과되고 고탄수 수입품에는 관세를0 추가로 부가됩니다.  쉽게 말해 EU 국가에서 포스코의 철강을 구입하게 되면 기존보다 너 높은 관세를 부과하게 되며 탄소배출권과 연동 되기에 탄소배출권 추가로 구매해야 할수 도 있습니다.

(2) 기존 화석연료에 기반을 둔 산업의 정책 변화

정유, 석유화학, 철강, 시멘트, 플라스틱과같이 현재 많은 탄소배출을 하고 있는 산업은 마음이 급해질수 밖에 없습니다. 그렇지 않아도 탄소배출량이 많은데 정책 환경이 바뀌게 되면 온실가스를 배출하는게 큰 비용이 되다보니 걱정이 될 수 밖에 없겠죠. 또한 가지고 있는 현재 생산 자산들의 가치도 하락 하게 되겠죠. 이에 해당 산업군에서는 정책변화에 따라 변화 움직이 보이는데 하나는 새로 만들어지는 이산화탄소를 줄이거나 이미 있는 이산화 탄소를 없애거나 2가지 방향으로 가고 있습니다. 그런 이 전환에서 주목할 만한 키워드는 바로 “수소 H(Hydrigen)”입니다.

3. 수소는 무엇인가?




수소 하면 물이 떠오르는데요 (H2O). 물은 전기분해하면 (물에 전기에너지를 주입하는거죠) 수소와 산소로 분리가 됩니다. 그것을 거꾸로 수소와 산소를 반응시키면 전기와 열 그리고 물이 나옵니다. 아래 그림은 많이들 볼수 있는 사진인데요. 수소와 산소를 양쪽에서 공급하면 전기와 열이 발생하여 전구에 불이 들어오고 물이 생성되는것을 볼수 있습니다.

수소에너지 동작 방법

하지만 이런 수소는 우주에 풍부하지만 지구에는 풍부하지 않습니다. 지구에서는 수소와 다른 원소랑 결합된 형태로 존재 하다 보니 이를 분리 즉”추출” 해야 되는 겁니다. 석탄, 석유, 가스랑 다르게 수소는 추출해 내야 하는 2차 에너지입니다.

수소는 만들어지는 방식과 탄소배출량에 따라 총 9가지 색깔로 나눠집니다. 이중 그레이, 블루, 그린이 가장 중요합니다.

수소에너지 컬러

(1) 그레이 수소




그레이 수소의 회색은 화석연료를 연상 시킵니다. 현재 가장 일반적으로 수소를 추출하는 방식이죠.

그레이 수소 추출 방법

 

그레이 수소 추출 방법은 화석연료를 고온-고압의 수증기와 반응시켜 추출 해내는 “추출 수소”라고 합니다. 석유화학 공정중에도 수소가 발생되는데 이를 “부생수소”라고 합니다. 부차적으로 얻는다고 해서 부생수소라고 합니다.

부생수소

하지만 둘다 모두 화석연료가 사용되기에 수소를 얻는 과정에 이산화탄소가 발생합니다. 가장 이산화탄소 배출량이 적은 천연가스 개질 방식도 수소 1Kg 를 만들때 이산화탄소 5.5kg를 발생시킵니다. 국제 에너지 기구 IEA 리포트에 따르면 2021년 수소 총 생산량이 94.2메가톤인데  그중에 화석연료를 이용해서 (탄소 포집 없이) 생산되는 양이 자그만치 77.1메가톤이라고 합니다. 그리고 이준 부생수소 방식으로 생산되는양이 약 16.5메가톤이라고 합니다. 그럼 현재 수소생산량의 99.3%가 그레이 방식으로 만들어지고  있다고 보시면 되겠습니다. 그럼 수소가스를 얻을려는 이유가 탄소배출을 줄일려고 하는데 오히려 탄소배출을 하고 있으니 수소를 늘리는게 온신가스를 줄인다고 말하기는 어려울듯합니다. 그렇다고 하면 그레이 수소는 우리가 생각하는 청정 수소 에너지와는 거리가 있는듯 합니다.

(2) 블루 수소

그래서 그레이 수소를 대체할 수소로 블루 수소가 각광을 받고 있는데요. 블루수소 방식은 생산과정에서 발생하는 탄소를 Capture, 포집하고 활용하여 아래 그림과 같이 땅속에 저장한다는 것입니다. 이렇게 땅속에 저장한 이산화탄소는 재활용 하기도 한다고 합니다.




수소에너지 방식

CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage) 탄소를 포집, 활용하며, 환경오염 없이 저장하는 기술을 의미하는 약어.

85~95%가량의 탄소 배출량을 줄일 수 있다고 하는데 현재는 포집 비용이 너무 높아서 채산성이 좋지 않다고 합니다. 탄소 1톤을 포집하는 비용이 $500이상 든다고 하니 탄소 배출권 1톤이 약 $100 라고 하니 현재는 그냥 돈 내고 탄소 배출하는게 더욱 이득 이겠죠. 탄소 포집을 할려면 현재 비용의 1/5이상은 떨어져야 채산성이 있다고 합니다. 그래서 테슬라 오너 일론 머스크가 탄소 포집과 제거 기술에 상금 1억 달러 우리나라 돈으로 1300억이 넘는 돈이죠. 이유를 물어보니 그 만큼 중요한 기술이고 빠른 시일에 필요한 기술이다보니 그렇다고 합니다.

(3) 그린 수소




그린 수소는 색감 자체가 그린이다 보니 우리가 생각 하는 청정 수소와 매우 흡사 합니다. 물을 전기분해해서 수소를 얻는 겁니다. 그린 수소가 되려면 이때 활용하는 전기는 태양광이나 풍력발전 같은 신재생 에너지를 통해 얻어야 하는데 태양광, 풍력발전을 만드는 비용이 만만치 않죠. 이른 수전해 비용(물에 전기 에너지를 가해 수소와 산소로 분해하는것)이라고 하는데 이 수전해 설비  비용이 너무 많이 든다고 합니다. 그래서 그린 수소 가격이 Kg당 10,000~12,000원 정도라고 합니다. 그레이 수소가 kg당 3~5천인거에 비하면 2-3배 정도 더 비싼거죠. 하지만 시간이 지나고 기술이 발전할수록 이 수소 에너지 가격은 매년 낮아질거라고 예측하고 있는데요. 블롬버그에서는 2019년 Kg당 4.5달러 수준에서 2050년 1.5달러 정도까지 내려갈거라고 예측하고 있습니다. 이는 현재 천연가스 수준으로 내려간다는 것입니다. IEA에서는 2030년까지 수소생산량이 180메가톤까지 늘거라고 보는데 이중에 그린수소가 가장 많이 늘거라고 예측하고 있습니다. 하지만 절반정도는 여전히 그레이 수소가 차지할 것이라고 예측하고 있습니다.

오늘 수소에는 어떤 종류에 수소가 있고 이 각각의 수소가 어떻게 만들어지는지에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 이렇게 만들어지는 수소를 어떻게 저장하고 운반하는지에 대해 알아 볼텐데요. 일론머스크가 “에너지 저장 수단으로 수소는 좋은 선택이 아니다”라고 했죠. 수소는 밀도가 낮고 기체 수소는 부피 에너지 밀도도 낮아 중량 에너지 밀도가 좋긴 하지만 액체, 기체 수소를 가둬 놓는게 쉽지 않고, 액체수소라면 엄청큰 탱크가 필요하고, 기체 수소라면 초고압 용기가 필요하다고 했습니다. 이만큼 수소를 생산해서 저장하는 기술또한 매우 중요한 듯 한데요 이는 다음 시간에 같이 알아 보도록 하겠습니다.

감사합니다.

 

Leave a Comment