당위성과 편의성을 확보한 대체 신에너지는 수소에너지

코로나 사태로 인해 많은 어려움을 겪고 있지만, 역설적으로 예년에 비해 맑고 쾌청한 날씨를 더 많이 누릴 수 있게 됐다. 인간의 화석 연료 사용이 초래한 글로벌 환경 오염이 약간의 노력으로도 극적인 개선이 가능하다는 것을 느끼게 해준다. 화석 연료 사용량을 줄이면 어떤 혜택이 인간에게 돌아온다는 것을 시뮬레이션이나 다큐멘터리가 아닌 실제 생활로 체득하게 됐으니 인류의 에너지원이 화석 연료에서 신재생 에너지로 조속히 변화돼야 한다는 당위성은 더 높아진 상태이다. 이러한 에너지 패러다임 전환기에서 우리가 아니 인류가 선택해야 할 대체 에너지원으로 수소 에너지가 크게 주목받고 있다. 필자는 코로나 대유행에도 청정 지역을 유지하고 있는 강원도 특히 강원도 영동 지역을 중심으로 이루어지고 있는 수소산업에 대해서 논하고자 한다.

강원도의 수소산업

강원도는 일제 강점기부터 70년대까지 국가 에너지 생산 거점이었다. 특히 정선, 삼척 지역을 중심으로 다수의 탄광에서 생산된 석탄은 국가 필수 에너지원으로 사용됐다. 70년대 석유화학을 중심으로 한 중화학공업이 육성되기 전까지만 하더라도 정선, 삼척지역은 수도권을 제외한 다른 지역에 비해 많은 인구와 높은 소득을 확보하고 있었다.

기록에 의하면 대한민국의 10개 군 중에서 인구가 가장 많은 군은 삼척군이었고, 1970년 울산과 삼척을 비교하면 두 지역은 거의 동일한 면적과 인구를 가지고 있었다. 그러나 2015년 삼척의 인구 6.7만 명, 1인당 연소득은 2천600만 원이지만, 울산의 인구는 114만 명, 1인당 연소득은 6천400만 원으로 변화했고, 울산 지역내총생산(GDRP)은 70.6조 원으로 강원도 전체 총생산 (35.3조 원)의 두 배에 해당한다. 현재 두 지역의 경제 및 인구 격차는 국가 에너지가 석탄에서 석유로 전환한 데 따른 것으로 해석된다.

강원도의 현 상황은 애석하게도 타 시·도에 비해서 경쟁력을 가지고 있는 산업 분야를 찾기가 어려운 상태이지만, 국가 에너지가 화석 연료 기반에서 청정에너지 및 수소 에너지 기반으로 전환되는 전환기에서 새로운 성장동력을 확보할 수 있는 계기가 마련됐다. 정부는 세계 최고 수준의 수소경제 선도국가로 도약하기 위한 ‘수소경제 활성화로드맵’을 제시하고 수소산업 인프라와 밸류체인 구축을 위한 다양한 사업을 국가 균형 발전 관점에서 수행하고 있다. 이러한 관점에서 강원도 특히 강원 영동 지역은 국가수소 공급망 구축에서 매우 중요한 역할을 담당할 것으로 생각된다.

<그림1>의 지도에 표시된 것처럼 대규모의 수소 생산·공급 지역 거점은 3개 지역이 유망하다. 즉 경남 울산, 전남 여수, 충남 대산·당진을 중심으로 상당한 양의 부생수소 및 추출수소 생산이 가능하므로 경상남도, 전라도, 충청도, 인천 지역에 수소 공급 인프라 구축이 가능할 것으로 예상된다. 그러나 수도권을 비롯해 경상북도, 강원도에 이르는 국토 동북부에는 수소 생산·공급 지역 거점이 없는 상태이므로 이들 지역에 대한 수소 공급 인프라 구축의 필요성과 타당성이 매우 높은 상태이다.

액화수소 생산 및 저장·운송 특화 강원도 수소산업

강원도의 수소산업 발전 전략은 다른 지역과 차별화된 액화수소 생산 및 저장·운송으로 특화해서 육성하는 것이다. 강원도는 2019년 12월 산업부의 「수소산업 클러스터 조성을 위한 예비타당성 조사 연구」 공모에 선정돼 ‘수소저장·운송 클러스터 구축’ 예비타당성 조사 연구 사업을 수행하고 있으며 지난 7월에는 중소기업벤쳐부 지원 액화수소 규제자유특구 사업에 선정됐다. 따라서 강원도의 액화수소 중심의 수소산업 발전전략은 대내외적으로 타당성을 인정받았고 상당한 동력도 확보한 상태이다.

강원도의 액화수소 중심의 수소산업 발전전략은 지역의 경제 규모나 산업 인프라를 고려한 최고의 선택으로 볼 수있다. 2019년 12월 「수소산업 클러스터 조성을 위한 예비타당성 조사 연구」 공모에서 같이 선정된 시·도를 보면 울산은 수소 모빌리티 클러스터 구축을 위한 예비타당성 조사 연구, 경북도(포항)은 수소연료전지발전 클러스터 구축을 위한 예비타당성 조사 연구, 전북도(새만금)는 수소생산 클러스터 구축을 위한 예비타당성 조사 연구에 선정됐다.

많은 인구와 교통량, 막대한 부생수소 생산을 근거로 울산과 경북도 수소 활용에 특화된 수소산업, 새만금을 중심으로 한 대규모 신재생 에너지 발전과 연계된 수소 생산에 특화된 수소산업을 육성하기 위한 전략이라고 생각된다. 강원도는 이들 지역과 인구 및 산업 규모를 고려할 때 당위성 확보가 어려운 수소 활용 및 생산보다는 액화수소 생산 및 저장·운송에 특화된 육성 전략을 펼치는 것이 매우 타당한 것으로 생각된다.

수소 생산 인프라 확충이 시급해

수소산업 특히 액화수소산업이 강원도의 지역 부흥 및 신성장동력이 되리라는 것은 분명하지만 강원도 특히 영동 지역이 국가적 수소산업 중심이 되고 지역 사회에 실질적인 신성장동력으로 작용하기 위해서는 몇 가지 부분을 고려해야 할 것으로 생각된다.

먼저 수소 생산 인프라 확충이 요구된다. 전술한 경남,울산, 전남 여수, 충남 대산·당진은 모두 석유화학 및 정유산업을 기반으로 막대한 양의 부생수소를 생산할 수 있으므로 수소 생산·공급 거점 지역으로 경제성과 타당성을 확보한 상태이다. 그러나 강원도에는 석유화학 및 정유 산업이 전무한 상태이므로 적정한 가격으로 막대한 양의 부생수소를 생산하는 것은 불가능하다.

현재 강원도의 수소산업 발전 전략은 액화수소 생산을 중심으로 추진되고 있지만, 단순하게 생각해도 지역에서 생산되는 수소의 절대량이 부족한 상황을 고려하면, 액화수소 생산의 중심 지역으로 발돋움하는 과정 중에 많은 어려움에 봉착할 수 있다. 현재 수소 충전소에 공급되는 수소는 상대적으로 가격이 저렴한 부생수소를 튜브트레일러로 공급하는 형태인데, 생산 지역에서 멀어질수록 수소 가격이 급격하게 상승하기 때문에 다른 지역에서 튜브트레일러로 수소를 이송해서 액화수소를 제조하면 수소의 단가는 더 상승하게 된다.

천연가스를 현지에서 액화해서 수입하는 것은 운송·저장의 편리성, 안정성 때문이다. 즉 천연가스를 현지에서 액화하는 공정은 장거리 운송의 안전성과 편리성을 위해서는 필수적인 공정이지만 별도의 에너지와 비용의 발생을 감수할 수밖에 없다. 마찬가지로 수소를 안전하게 장거리 운송, 장기간 보관을 하기 위해서는 추가적인 에너지와 비용이 발생하더라도 수소 액화는 필수적이다. 그러나 수소 생산 인프라가 다른 지역에 비해서 낙후된 상태에서 수소를 이송해와서 액화수소를 생산하면 액화수소 비용에 이송 비용이 추가적으로 소요되므로 액화수소의 경쟁력이 감소할 수밖에 없다. 따라서 액화수소 중심의 수소산업이 강원도의 전략 산업으로 발전하기 위해서는 수소 생산 인프라 구축의 필요성이 매우 높다고 할 수 있다.

석유화학 및 정유 산업이 전무한 강원도에서 부생수소생산의 대안으로 생각될 수 있는 것이 추출수소 생산이다. 강원도 삼척 호산항에는 대규모의 LNG 기지가 구축돼 있으므로 LNG 개질을 통한 추출수소 인프라 구축이 용이한 상태이다. LNG 공급 가스라인을 이용해서 개질수소 생산을 이용한 수소 충전소 운영과 대단위 아파트에 개질수소공급이 단기간 내에 실현될 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 추출수소는 부생수소에 비해서 생산 단가가 높으며 탄소 발생이 수반되므로 궁극적으로는 청정 강원, 청정 수소에 부합되지 않는 수소 생산 공정이다. 부생수소 생산인프라 구축이 현실적으로 어려운 강원도에서 단기간으로는 추출수소 생산이 수소 생산 수요를 충족할 수 있는 대안이지만 항구적인 수소 생산 인프라로는 적합하지 않을 것으로 생각된다.

‘Power-to-Gas’의 최적지 강원

청정 강원, 청정 수소에 부합하는 수소 생산 공정인 재생에너지 연계 및 스마트 그리드 기반 수전해 인프라 확충이 요구된다. 앞서 언급한 부생수소와 추출수소는 탄소 발생이 야기되므로 그레이 수소 (Gray Hydrogen)로 분류되며 궁극적으로는 청정에너지가 될 수 없다. 그러나 수전해나 암모니아 분해를 통해서 얻어지는 수소는 탄소 발생이 전무한 그린수소(Green Hydrogen)로 분류되며 인류가 궁극적으로 확보해야 할 청정에너지이다.

정부 차원의 수소경제 개발로드맵에 의하면 2030년까지 수전해를 이용한 그린 수소 생산을 크게 확충할 계획이다. 유럽 및 중국에서는 태양력 및 풍력 등을 이용한 재생에너지 발전량이 매우 높으며 유럽의 재생에너지 발전 비중은 유럽 전체 전력의 35%에 달한다. 대한민국도 2030년까지 재생에너지 발전량 비중을 20% 목표로 설정하고 태양광, 풍력 발전량을 증가시키고 있다.

태양력 및 풍력 발전과 같은 변동적 재생에너지는 하루중 발전량이 일정하지 않으므로, 재생에너지 발전량이 증가함에 따라 잉여 전력량도 크게 증가할 것이다. 잉여 전력량을 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)을 이용해서 2차전지 형태로 저장하는 방법이 사용됐지만, 화재 문제 및 시간에 따른 저장 손실량 증가로 인해서 대안이 절실하게 요구되고 있다. 재생에너지 발전량이 훨씬 큰 유럽 및 주요국에서는 잉여 전력을 이용해 수전해를 통해 수소를 생산하고 이를 저장하는 공정 즉 ‘Power-to-Gas’ 공정을 기존 ESS의 대안으로 생각하고 이미 상당한 기술력과 인프라를 구축한 상태이다.

강원도는 국내에서 풍력 발전량이 제일 많은 지역이므로 풍력 발전을 연계한 수전해 기반 수소 생산·저장(Power-to-Gas)의 최적 지역이다. 또한 영동 지역을 중심으로 다수의 화력 발전소가 운전 중이므로 화력발전에 의한 유휴 전력을 활용한 그린수소 생산 및 Power-to-Gas 공정의 최적 지역이기도 하다. 현재 수전해 공정을 이용한 수소 생산 단가는 다른 공정에 비해서 2~5배 정도 높은 상황이지만 2030년까지 수전해를 이용한 그린 수소생산비용이 절반으로 감소할 것으로 예측되므로 수전해를 이용해 생산된 그린 수소를 액화수소로 전환하는 산업은 경쟁력 확보가 가능할 것이다.

따라서 재생에너지 연계 수전해 기반 액화수소 생산이 강원도의 미래 전략 산업으로 육성돼야 할 것으로 생각된다. 강원도와 수소 생산 공급 거점으로 경쟁하게 될 경남,울산, 전남 여수, 충남 대산·당진 지역도 막대한 추출수소생산 인프라를 구축하고 있음에도 불구하고 수전해 기반그린 수소 생산 인프라 구축에 공격적인 투자를 계획 중이다.

또한 지역 특화 고부가가치 수전해 산업 인프라 구축이 고려돼야 한다. 강원도 특히 영동 지역은 담수 자원은 풍부하지 않지만 막대한 해수 자원을 보유하고 있다. 즉 일반 담수가 아닌 해수를 사용한 염수전해 공정을 통해 수소를 생산하면 전술한 수전해를 이용한 수소 생산의 단점을 모두 해소할 수 있을 뿐만 아니라 고부가가치의 화학제품생산이 동시에 가능하다.

<그림2>에서 나타낸 것처럼 해수를 전기 분해하면 수소뿐만 아니라 염소, 염산, 락스로 알려진 차아염소산나트륨, 탄산수소나트륨과 같은 고부가가치의 화학제품이 동시에 생산이 된다. 특히 차아염소산나트륨은 항구에 접안하는 대형 외국 선박 평형수 살균으로 대량 판매가 가능하며 탄산수소나트륨은 영동 지역 발전소의 배가스 광물화로 사용될 수 있다. 따라서 해수분해를 이용한 수소 생산은 강원도 영동 지역에 최적화된 수소 생산 공정이라고 할 수 있다.

해외 수입 액화 암모니아 활용 인프라 마련도 필요해

해외 수입 액화 암모니아를 이용한 수소 생산 인프라 구축도 고려해야 할 것으로 생각된다. 수전해를 이용해서 생산된 수소와 마찬가지로 암모니아 분해를 이용해 생산된 수소도 그린 수소로 분류된다. 대한민국과 일본은 호주와 미국 애리조나 지역에서 태양력 및 풍력 발전으로 생산된 액화수소 및 액화 암모니아를 수입할 계획을 가지고 있다.2019년 12월 일본 가와사키 중공업에서 액화수소 운반선을 건조·출항에 성공한 것이 보도됐지만 액화수소의 대규모 해외 운송이 이뤄진 적은 없다. 따라서 운반선을 이용한 대규모 액화수소 운송을 아직은 일반화되지 않은 상태이다. 그러나 액화 암모니아 운반선은 이미 건조에 성공한 상태이고 액화 암모니아의 대규모 해외 운송이 가능하다. 호주는 대규모 태양력 및 풍력을 이용해 생산된 막대한 양의 액화 암모니아를 일본과 대한민국에 수출을 추진하고 있는 상태이다.

강원도 삼척에는 대규모 액화천연가스를 수입할 수 있는 시설이 이미 구축됐으므로 액화수소 및 암모니아 해외수입의 최적지가 될 수가 있을 것으로 생각된다. 따라서 액화 암모니아 수입을 이용한 그린 수소 생산 인프라를 선제적으로 구축한다면 향후 강원도의 그린 수소 생산·저장·운송 인프라 구축이 완성에 큰 도움이 될 것으로 생각된다.