[지식정보] 수소 도시와 수소 상용화 기술

수소 경제는 어디에나 있는 보편적 에너지원인 수소를 경제성장과 에너지원으로 하는 경제다. 재생에너지로 저장할 수 있고 열·전기 생산 시 온실가스 배출이 없다. 각국은 수소 전략을 탄소중립의 주요 정책으로 수소 경제를 가속하고 있다. 독일 일본 등은 분야 간 융복합, 관련 기술 실증 확산을 위한 수소 타운, 수소 네트워크 크러스터 등을 추진하고 있다. 우리 정부도 2019년 수소경제 활성화 로드맵을 발표하고 2020년 세계 최초로 ’수소 경제 육성 및 수소안전관리에 관한 법률‘을 제정했다. 수소 도시는 도시에 수소 생태계를 구현하는 것으로 수소기술 실증과 확산에 효과적이다. 2019년 양산 울산 전주·완주에 수소시범 도시 3개소가 선정되어, 2021년 마스터플랜에 의해 일부 착공했다. 2020년에는 ’수소 도시 조성 및 운영에 관한 법률‘을 입법 예고하였다. 우리나라는 수소 정책에서 수소 전기차 비중이 높고, 일본 독일 등에 비해 그린 수소 기술개발·실증 투자가 적다. 온실가스 배출의 70%를 차지하는 탄소를 줄이기 위해 확산이 필요하다.

재생에너지로 생산한 전기를 이용해 물을 분해하여 생산하는 그린수소의 중요성이 증대되면서, 알칼라인‧PEM‧AEM‧SOEC 등 수전해 기술에 관심이 증가하고 있다. AEM(음이온 교환막) 기술은 상용기술인 알칼라인과 PEM의 단점을 개선하는 차세대 수전해 기술로 각국이 연구 중이다. 우리도 그린수소 시장 선점을 위한 기술 확보 및 사업화가 필요하다.

자료: 국토연구원 국토이슈리포트 제45호 ‘국내외 수소도시 정책 동향과 시사점’ 윤은주 부연구위원 2021.10.22.

KDB미래전략연구소 산업기술리서치센터 ‘차세대 그린수소 생산기술, AEM’ 이선화 Weekly KDB Report | 2021. 12. 27

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1. 수소도시 국내외 동향

1-1. 수소와 수소경제 개념

수소는 지역적 편차가 없는 보편적 에너지원, 에너지 장기간 대용량 저장 가능, 산소와 반응하여 열·전기 생산 시 순수한 물만 배출 등 잠재력이 크다.

수소경제란 수소를 중요 에너지원으로 사용하고, 수소가 국가 경제, 사회 전반, 국민 생활 등에 근본적 변화를 주어 경제성장과 친환경 에너지 원천이 되는 경제다. 기후위기 극복하는 그린뉴딜 산업 중에 신재생에너지의 간헐적 변동성을 보완하는 산업이다.

수소경제 생태계는 수소생산 → 수소 저장 운송 → 수소 활용.

우리나라는 울산 여수 대산 등의 대규모 석유화학단지를 중심으로 연간 약 164톤의 부생 수소가 생산 유통되고 있다. 일부 공정을 전환한다면 추가 확보가 가능하다. 천연가스 개질을 통한 수소생산은 LHG 정압관리소 142개소를 중심으로 확대 가능.

우리는 수소전기차 및 발전용 연료전지 기술 수준이 높으나, 대규모 재생에너지 단지 조성과 그린수소 생산기술(수전해기술)은 아직 미흡.

1-2. 국내 수소도시 개념과 추진 현황

수소도시 개념과 역할

포브스(2021년)는 수소도시를 탄소 배출 감축을 위해 도시 경제 및 기반시설에 수소를 결합한 모든 도시로 정의.

국내에서는 도시공간 중심의 수소생태계 구현, 도시 주요 에너지원의 전환, 도시 시설 또는 요소에 수소를 접목하는 형태로 수소 도시개념을 정의. 국토교통부는 도시의 3요소인 시민, 활동 도시기반시설에 수소를 접목하여 수소 도시를 정의. 수소경제를 구현한 물리적 공간이라는 점에서 수소 경제와의 차별성을 강조.

기존 수소도시는 다양한 수소 관련 기술을 종합적으로 실증하는 테스트 베드 역할이 부각되었으나, 최근 ‘2050 탄소중립 국가 시나리오’에서는 탄소중립을 위한 면적 수단으로서 강조. 2020년 기준 발전 총량에서 신재생에너지는 5.6%에 불과. 2050 탄소중립 시나리오에서는 최소 70.6% 이상으로 확대해야 함. 수소도시는 특정 공간 단위에서 도시의 각 분야에 다양한 수소기술(생산 저장 운송 주거/상업/공업 부문 활용)을 결합하는 종합수단으로, 도시의 에너지 전환과 온실가스의 감축을 지향

수소 도시 추진 현황

2019년 10월 발표한 수소 시범도시 추진전략에서는 수소도시 세계시장 선점을 비전으로 단계별 목표 설정. 2022년 시범도시 건설을 시작으로 확산기(2030년)에는 전국 시군구의 10%, 고도화기(2040년)에는 전국 시군구의 30%에 수소도시 조성을 목표. 2040년까지 그린수소 비중을 20%까지 확대 목표.

그러나 수소도시 실현까지는 수소 생태계 각 단계의 핵심기술 상용화 미비, 규모의 경제 구축까지 낮은 경제성, 시민의 낮은 수용성 등의 문제가 있다.

2019년 12월 안산, 울산, 완주·전주가 수소시범도시로 선정되어 현재 마스터플랜을 수립하고 일부 착공. 수소 도시는 국토교통부와 국토교통과학시술진흥원에서 구성한 ‘수소시범도시추진단’에서 현재 관리 중. 수소도시 사업모델은 지역의 기존 기본요소, 지역산업, 기술 실증 중심으로 차별화 특화요소로 구성. 울산은 수소를 이용하여 화훼단지에 열과 전기를 공급, 안산은 해안지역을 따라 입지한 재생에너지 시설을 활용한 수소생산 실증에 차별화.

1-3. 수소도시 해외 동향

일본 동향

일본은 2011년 동일본 대지진을 계기로 수소에너지에 다시 주목, 중장기 계획을 수립하고 지속적인 기술개발과 실증사업에 투자를 진행 중.

2014년 ‘제4차 에너지 기본계획’에서 수소로드맵을 기획, 2016년 ‘수소·연료전지 전략 로드맵’을 수립. 수소전기차, 수소버스, 수소 충전소, 가정용 연료전지, 수소발전단가 등 목표를 수립.

2017년 ‘수소기본전략’에서는 2050년 장기비전을 수립하고, 2018년 ‘제5차 에너지기본계획’과 연계하여 기술협력과 표준화, 안전 및 공급망, 교육 및 홍보에 관한 ‘도쿄 선언’ 책정. 2019년 ‘수소·연료전기 전략 로드맵’의 3차 개정에 반영.

2017년 ‘규제개혁실시계획’의 일환으로, 수소관련 37개 항목의 규제를 개선. 수소충전소는 2020년 160개소를 건설하고, 2025년까지 320기를 구축할 예정. 이는 ‘제5차 에너지 기본계획’의 목표를 25년 앞당겨 달성.

2020년 6월 고베시 액화수소 수입기지를 완성하여 호주에서 수입한 수소를 전국에 공급을 추진 중이며, 2022년부터는 기존 주유소에서 수소 충전 서비스를 제공하는 사업 예정. 호주에서 수분이나 불순물이 많아 품질이 낮은 갈탄으로 수소가 포함된 가스를 생성하고, 이를 액화 및 수송하여 항구에서 하역하는 기술을 실증하는 프로젝트로 가와사키 중공업 및 이와타니 산업이 진행.

제4차 에너지 기본계획의 실증 프로젝트로서 2010~2015년 ‘기타큐슈 수소타운’을 조성. 부생수소를 활용하여 세계 최초의 지역 규모 연료전지를 실증한 사업. 도심을 통과하는 배관을 통해 수소충전소, 주택, 상업시설에 수소를 직접 공급. 수소를 활용한 지게차, 이륜차, 자전거 등 소형 모빌리티를 개발 실증하는 상용화를 추진.

일본 도쿄의 218ha 부지에 수소를 활용하는 하루미 타운을 조성, 2050년 도쿄올림픽 대회 선수촌으로 활용. 계통전력과 도시가스, 수소 및 폐열을 복합적으로 결합하여 에너지원으로 활용. 수소는 배관을 통해 24동 5,650가구의 가정용 연료전지(에네팜)에 직접 공급하여 전기와 열 생산. 올림픽대회 이후에는 학교시설 등 생활필수시설을 추가 조성하여 2025년부터 주거지역으로 활용할 예정.

2021년 토요타는 수소도시의 새로운 개념인 ‘우븐시티’를 착공. 후지산 기슭 71만㎡ 부지에 수소연료전지로 완전하게 구동되는 생태계를 구축하고 전 세계 과학자, 은퇴자, 업계 협력자 등 2천여 명이 거주하면서 신기술을 개발 및 시험하는 ‘Living Laboratery’ 환경을 제공. 수소기술 외에도 도로를 고속차량 전용도로, 저속 개인이동 및 보행자 도로, 보행자 전용 산책로 등을 구분하여 에너지 효율적인 교통체계를 함께 도입. AI와 로봇 등 최신 기술을 이용한 주거서비스 제공, 중앙공원과 광장을 통한 커뮤니티 강화, 목조주택, 로봇을 활용한 생산, 자생식물과 수경재배 등을 통한 탄소발자국 저감 등을 시도할 예정.

유럽·독일 동향

유럽연합은 코로나 19에 대응한 그린딜 연장 선상에서 2020년 7월 ‘수소전략’을 발표. 효율적인 에너지 순환 시스템, 전력화, 재생에너지 기반의 수소·바이오 에너지 사용 강조.

2021.5월 ‘유럽 공동이익을 위한 중요 프로젝트(IPCEI)’에서 수소 생태계 분야별 주요 사업 62개를 선정하여 80억 유로 지원을 발표. 해상풍력발전을 통한 2GW 그린수소 생산 사업, 1,700km의 수소배관 구축 사업, 화물 항공 운송을 위한 암모니아 등 생산 사업, 독일 전역의 수소 충전소 구축 사업 등을 포함.

독일은 2011년부터 추진된 에너지 전환정책으로 이미 재생에너지 비중을 40%까지 확대하였고, 현재 재생에너지를 수소로 전환하는 P2G(Power to Gas) 사업과 수소 활용에 대한 투자에 집중. 2007~2017년 1단계 ‘수소 연료전지 국가혁신 프로그램(NIP)’, 2016~2026년 2단계를 진행 중이며, 국가예산에 기초하여 부처별 관련 프로그램을 진행. 2020.4월 국가수소전략을 발표하며, 2035년 그린수소로 에너지 전환을 하기 위해 90억 유로 투자 제시. 여기에는 수소공급과 활용처의 다각화(철도 항공 철강), 체계적 이행을 위한 수소위원회 등이 포함.

독일은 2013~2015년 ‘마인츠 에너지 파크’ 사업에서 풍력에너지로 생산한 수소를 지역에 공급하는 사업을 추진. 2016년 이후 NIP를 통해 독일 전역에 수소 융복합 클러스터를 건설하는 Hyland 사업을 추진. Hyland 사업은 25개 지역에 수소도시 또는 수소 융복합 클러스터를 건설하는 사업으로, ‘HyStatear’(9개), ‘HyExperts’(13개), ‘HyPerformer’(3개) 유형으로 구분하고 차별화된 컨설팅과 재정을 지원. ‘HyExperts’와 ‘HyPerformer’는 이미 수소 관련 경험이 있는 지역으로서, 수소 도입을 위한 심층분석을 지원(HyExperts)하거나 실제 수소관련 프로그램을 제시 및 구현(HyPerformer)하는 것을 지원.

유럽연합의 IPCEI 일환으로 2021년부터 독일 함브르크 중심의 수소네트워크 추진 중. 함부르크는 기존의 가스 화력 발전소 부지를 활용한 재생에너지 생산과 선박을 통한 그린수소의 수입이 가능하고, 인근에 수소 수요처 확보, 주요 송전 네트워크 연계 등 수소 벨류체인을 포괄하는 다양한 프로젝트를 수행하는 데 유리한 여건. IPCEI 프로그램을 통해 5.2억 유로를 지원받아, 100MW의 전해조를 건설하는 것부터, 수소활용 항공, 온실가스 없는 철강, 60km 수소가스 그리드 구축, 수소선박, 수소기반 물류 및 유통시스템, 수소 기반 항구시설, 폐기물을 활용한 수소생산 등 다양한 프로젝트를 복합 수행.

1-4. 종합 및 시사점

일본과 유럽은 2010년대 추반부터 수소경제 전환을 시도하며, 관련 기술과 기반시설에 지속적으로 투자. 일본과 독인은 2010년대 초반부터 재생에너지 전환정책을 추진했으며, 수소관련 로드맵과 기본전략 등에서는 2040~2050년 탄소배출 없는 수소에너지 전환을 비전으로 설정. 자국내 그린수소 생산만으로는 목표달성이 어려운 경우, 블루수소 생산, 그린수소의 해외 수입전략 등으로 다각화. 대규모 수소 공급 파이프라인 체계와 저장시설 구축에 투자를 진행하였고 일부는 이미 실증.

일본과 유럽은 다양한 유형의 수소도시를 건설하거나 수소도시 건설위한 기반 마련에 집중. 실제 구현되는 수소도시는 환경적 여건 또는 기존 인프라 현황, 수소 활용 경험 등에 따라 차별화된 컨설팅과 사업, 재정이 지원되고 있다. 하나의 공간을 중심으로 다양한 수소 프로젝트가 집중 구현(독일 함브르크)되거나, 수고 외에 최첨단 주거서비스 및 교통체계, 탄소흡수원 및 커뮤니티 강화 전략 등이 복합 구현되는 형태(일본 우븐시티)

국내는 수소전기차와 발전용 연료전지 기술, LNG공급망(추출수소 생산가능) 등을 보유하고 있으나, 탄소배출 없는 수소도시 건설에는 여전히 환경적 경제적 사회적 한계점 존재. 수소 도입이라는 단기적 성과보다는 탄소배출 넷 제로라는 장기적 비전 실현에 따른 환경적 경제적 사회적 한계점을 구체화하고, 단계적으로 이를 해결해나가는 전략이 필요.

환경 : 초기에는 천연가스 등 화석연료 기반의 수소 도시가 건설될 가능성이 높다. 그러나 중장기적으로 탈탄소 도시 비전을 명확하게 설정하고 그린수소 생산, 저장 운송, 활용을 위한 기술과 인프라 투자를 선행해야 한다.

경제 :경제성 확보 전까지는 수소도시 건설에 국가 지원은 필수적, 유지관리에도 상당한 비용이 소요. 그러나 장기적으로 보조금 없는 자립 가능한 수소도시 모델을 계획하고 추진해야 한다.

사회 : 안전기준, 매뉴얼, 통합안전관리센터 마련에도 사회적 수용성은 여전히 낮다. 수소도시는 도시민 일상생활과 밀접하게 연계되는 만큼 객관적 과학적 자료에 기초하여 사회적 합의가 선행될 필요가 있다.

중장기적으로 수소도시 확산계획을 수립하여, 서로 다른 유형의 수소 시범도시를 동시에 추진한다는 점, 수소도시 관련 법제화를 추진하는 점은 고무적. ‘수소도시법’이 제정된다면, 수소도시에 대한 국가종합계획과 재정적 지원, 연구개발 및 국제협력 지원 등에 관한 법적 근거가 마련되어 수소도시건설 관련 산업에 긍정적 영향이 있을 전망. 현재 수소시범도시 3개소는 부생 또는 추출가스에 기초하나, 그린수소 생산 및 액화기술의 실증, 공동주택과 스마트팜, 수영장, 선박 등 활용처의 다각화 등을 포함하여 다양한 경험과 노하우를 축적 중. 기존 규제와의 상충성, 건설 후 유지관리, 그린수소 생산 관련 문제가 여전히 남아 있으나, 단계적으로 해결해나가면서 국내외 표준모델을 구축하는 것이 중요.

2. 차세대 그린수소 생산기술, AEM

재생에너지로 생산한 전기를 이용해 물을 분해하여 생산하는 그린수소의 중요성이 증대되면서, 알칼라인‧PEM‧AEM‧SOEC 등 수전해 기술에 대한 관심이 증가하고 있다. AEM(음이온 교환막) 기술은 상용기술인 알칼라인과 PEM의 단점을 개선하기 위해 개발 중인 차세대 수전해 기술로서 그린수소 시장 선점을 위한 기술 확보 및 사업화 필요

2-1. 수전해를 통한 수소 생산기술

탄소중립과 수소경제 전환을 위한 그린수소의 중요성이 커지면서 수전해를 통한 수소 생산기술에 관심 증대

수소는 원료와 생산방식에 따라 그레이, 블루, 그린수소로 구분되며, 재생에너지 생산 전력으로 수전해를 통해 생산되는 그린수소가 가장 친환경적인 수소.

*그레이 수소는 천연가스의 개질(탄화수소 질을 개선하기 위해 구조를 변화시키는 과정으로 이때 수소가 생산), 석탄을 가스화하는 방식으로 생산.

*블루 수소는 그레이 수소와 동일 방식으로 생산되지만 생산 과정에서 발생하는 CO2를 포집·활용·저장(CCUS)해 온실가스 배출을 최소화하여 생산

*그린수소는 태양광․풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 이용해 물을 전기분해(수전해)하여 생산함으로써 온실가스 배출이 없는 친환경적인 수소

*블루수소와 그린수소를 청정수소(Clean Hydrogen)로도 분류

*수전해: 물(H2O)의 이온화(H+, O2-)에 활용되는 전해질(물 등의 용매에 녹아 이온으로 해리되어 전류를 흐르게 하는 물질)에 전력을 공급하여 물을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 기술

현재 생산 중인 수소의 대부분은 생산비용이 가장 저렴한 그레이수소지만, 탄소중립을 위해 그린수소 생산량이 점차 증가할 전망

* 수소 생산비용(’19, IEA) : 그레이 U$1~U$2.2/kg, 블루 U$1.5~U$3/kg, 그린 U$3~U$7.2/kg

수전해 기술*은 전해질의 종류에 따라 알칼라인, 고분자 전해질막**(PEM), 음이온 교환막(AEM), 고체산화물(SOEC) 수전해로 구분되며, 기술개발 단계를 기준으로 상용기술(알칼라인‧PEM)과 차세대 기술(AEM‧SOEC)로 분류

*알칼라인(Alkaline Electrolysis), PEM(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis), AEM(Anion Exchange Membrane Electrolysis), SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell)

**양‧음극 전극을 분리하여 이온의 전극간 이동을 가능하게 하면서 생성 기체는 분리해주는 다공성 필름

산업용 수소생산에 활용되고 있는 알칼라인*과 PEM** 수전해 기술은 재생에너지 설비와의 연계를 위해서는 기술적 진보가 필요

*알칼라인은 알칼리 용액을 전해질로 사용하는 알칼라인 수전해 기술은 내구성이 좋고 설비 가격이 낮으나 타기술 대비 부피가 크고 불규칙한 출력 특성의 재생에너지 전력 연계 시 생산 수소의 순도가 낮아지고 내구성 및 효율이 저하되는 문제 발생

**PEM은 양이온 고분자 전해질 막을 이용한 기술로 사용하는 전력의 부하 변동 대응(빠른 반응속도)으로 재생에너지 전력 연계에 적합하나, 전극으로 귀금속을 사용하여 설비 가격이 높음

차세대 수전해 기술은 기존 상용기술의 한계인 낮은 전류밀도(알칼라인)와 고가의 설비비(PEM)를 극복하기 위해 개발되고 있는 기술로 AEM*과 SOEC**가 있음

*AEM은 음이온 고분자 전해질 막을 이용하는 수전해 기술로, 저렴한 소재 사용 및 소형화가 가능해 경제적이며 불규칙한 재생에너지 전력의 부하 변동 대응도 가능

**SOEC는 세라믹 등의 이온전도성 고체산화물 전해질을 이용해 700℃ 이상의 고온 수증기를 전기분해하는 기술로 에너지 효율이 높으나 시동시간이 길고 고온의 작동환경 조성을 위한 추가 열원 필요

2-2. AEM 상용화 위한 기술개발

AEM 기술*은 알칼라인과 PEM이 재생에너지 설비와 연계할 때 발생하는 문제들을 개선하기 위해 개발 중인 차세대 수전해 기술로서 상용화를 위해서는 기술개발 필요

*산업통상자원부는 「’21년 하반기 수소‧연료전지 분야 R&D 사업 공고」를 통해 차세대 수전해 기술 중 AEM 기술 확보에 중점 지원(총 9개 과제 중 2개, 총 사업비 720억원 중 165억원 지원)계획 발표(’21.9.8 보도자료)

AEM은 알칼라인의 알칼리성* 작동환경과 고분자 전해질막을 사용하는 PEM의 구조를 혼합한 기술

*용액의 H+ 농도 지수를 나타내는 pH의 pH7(중성)을 기준으로 pH7보다 낮으면 산성(H+농도 높음), 높으면 알칼리성(H+ 농도 낮음, OH-농도 높음)을 나타냄

귀금속 소재를 사용하지 않아 경제적이면서도 불규칙한 재생에너지의 출력 특성에 빠른 반응이 가능하여 그린수소 생산 최적화 기술로 부상 중

유럽과 일본 기업들을 중심으로 AEM 수전해 기술의 상용화가 시도. 그러나 아직 세계적으로 성공한 기업이 부재하여 국내기업이 선도적으로 기술 확보 및 사업화 시 세계 수전해 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대

일본 Tokuyama Corporation, 독일 Fumatech, Solvay 등에서 음이온 교환막 상용제품을 제작했으나, 양이온 교환막 대비 내구성 등에서 열위하여 수전해 설비에 적용되지 못하고 보완 기술을 개발 중

이탈리아 Acta SpA는 AEM Pilot 수전해 설비(0.09kg/h)를 개발했으며, Enapter의 경우 ’22년에 MW급* AEM 설비를 출시할 예정

*MW급: 일반적으로 수전해 설비 단위는 시간당 사용하는 전력 단위(W, 와트)로 표현. 설비를 통해 생산되는 수소량(질량(kg/h) 혹은 부피(㎥/h))로도 단위나 규모를 나타냄

국내에서는 한화솔루션이 ’23년 상용화를 목표로 AEM 연구개발을 진행하고 있으며, 대학‧연구소에서 AEM 수전해에 관한 다양한 요소기술을 연구 중.