[에너지칼럼] 2025년 수소의 시대가 온다: 생산부터 저장, 운송까지

수소 기술 상용화 전망은?

AI, 전기차, 데이터센터 등 에너지 집약적인 신산업의 성장과 기후변화 위기로 인해 청정 수소에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있습니다. KDI경제정보센터에 따르면, 2020년 기준 전 세계 수소 시장 규모는 약 1,400억 달러였으나, 2030년에는 2,500억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 연평균 8.3%의 성장률을 기록할 것으로 전망되고 있죠.

이에 주요국들은 수소 산업을 차세대 에너지 전략의 핵심으로 삼고, 대규모 투자와 정책적 지원을 확대하고 있습니다. EU는 2030년까지 청정 수소 1,000만 톤을 생산하고 추가로 1,000만 톤을 수입하는 목표를 설정했으며, 탄소국경조정제도(Carbon Border Adjustment Mechanism: CBAM)를 도입해 고탄소 산업의 친환경 전환을 압박하고 있습니다. 일본은 2023년 2월에 수소기본전략을 개정하여, 2030년까지 수소 공급 비용을 현재의 약 100엔/Nm³에서 30엔/Nm³로, 2050년까지는 20엔/Nm³ 이하로 낮추는 목표를 설정했으며, 이를 달성하기 위해 향후 15년간 민관 공동으로 총 15조 엔의 투자계획을 발표했습니다. 중국 또한 2025년까지 연간 20만 톤 이상의 청정 수소 생산과 2060년 탄소중립 달성을 목표로, 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle; FCEV)의 보급 확대와 대규모 수소 인프라 구축을 추진 중이죠.

우리나라는 특히 지정학적 특성을 고려하여 수소 산업을 국가 에너지 전략의 한 축으로 삼고 있습니다. 정부는 2040년까지 수소차 620만대 생산, 1,200개 이상의 수소충전소 구축을 포함하는 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 제시하고, 수소등 무탄소 에너지원을 활용한 발전 비중을 2050년까지 전원 믹스의 13.8~21.5%로 확대하는 내용을 포함하는 ‘2050 탄소중립 추진전략’을 제시했습니다. 또한 여수, 울산, 광양 등 국가산업단지를 중심으로 대규모 수소 생산·공급 인프라를 조성하는 전략으로 국내 산업의 탄소중립을 가속화 할 계획을 갖추고 있죠.

이처럼 수소 경제는 더 이상 먼 미래의 구상이 아닙니다. 주요국과 글로벌 기업들이 본격적으로 인프라 구축에 나서면서, 수소 사회가 우리에게 다가오고 있는 만큼 수소 기술이 얼마나 빠르게 경제성을 확보하고, 탄소중립 목표에 기여할 수 있을지에 따라 글로벌 에너지 시장의 판도가 크게 달라질 것으로 보입니다. 그렇다면 현재 청정 수소 공급의 기술 현황은 어떨까요? 생산, 저장, 운송 기술을 중점으로 알아봤습니다.

청정 수소 공급 기술의 현재: 어디까지 왔을까?

① 생산

수소를 생산하는 다양한 방법들이 있습니다. 그 중, 수전해를 통해 생산되는 수소는 가장 이상적인 무탄소 에너지로, ‘그린 수소’로 불리는데요. 하지만 현재 기술 수준에서는 그린 수소의 생산 단가가 높아 대규모 상용화가 어렵다는 과제가 남아있습니다. 이에 따라 빠른 상용화를 위해 그린 수소를 포함한 청정 수소(그린 수소와 블루 수소를 포함하는 개념)의 생산 비용을 낮추려는 글로벌 프로젝트들이 진행 중입니다.

그중 미국 에너지부(Department of Energy; DOE)는 ‘수소 샷(Hydrogen Shot)’ 이니셔티브를 통해 1kg의 청정 수소 생산단가를 10년 안에 1달러로 낮추는 목표를 세웠습니다. EU역시 대규모 재생에너지 기반 수소 생산 프로젝트를 확대하여 2030년까지 연간 1,000만 톤의 청정 수소를 생산하고 추가로 1,000만 톤을 수입하겠다는 목표를 내놨죠. 이런 움직임을 토대로 국제에너지기구(IEA)는 2030년 전 세계 수소 생산량 중 청정 수소 비중이 약 25%까지 늘어날 것으로 전망하고 있습니다.

우리나라가 강점을 가지고 있는 정유공정 및 석유화학공정에서 발생하는 부생 수소 혹은 천연가스를 개질하여 얻어지는 개질 수소는 값이 저렴하고 산업 스케일의 공급이 가능합니다. 다만 화석연료를 기반으로 수소가 생산되기에, 태생적으로 탄소배출이 수반되며, 이처럼 화석연료를 기반으로 생산된 수소를 ‘그레이 수소’라고 부릅니다. 이러한 그레이 수소에 이산화탄소 포집 기술인 Carbon Capture & Storage (CCS) 기술을 적용한 ‘블루 수소’가 최근 많은 관심을 받고 있습니다. 블루 수소는 저렴하고 대규모로 공급할 수 있어 그레이 수소의 장점을 가지면서 탄소 배출을 일부 줄일 수 있어 유망한 청정 수소 기술로 주목받고 있죠. 즉, 이상적인 그린 수소 상용화 이전의 중간 단계로서, 블루 수소가 초기 수소 경제 활성화에 기여할 수 있습니다.

② 저장

수소 사회가 이상적인 에너지 시스템으로 평가받는 주요 이유 중 하나는 수소의 저장 가능성 때문입니다. 신재생에너지는 간헐적으로 생산되므로 저장이 어려운 특성이 있지만, 이를 수소 분자의 화학적 결합에너지 형태로 변환하여 저장하면, 필요할 때 연료전지를 통해 전기에너지로 전환해 활용할 수 있습니다. 따라서 본격적인 수소 사회의 상용화를 위해서는 적절한 수소 저장 기술이 함께 개발되어야 하죠.

수소 저장 기술은 다양한데, 크게 물리적 저장방식과 화학적 저장방식 두 가지로 나뉩니다. 먼저 물리적 저장방식에는 수소를 기체상태로 고압 탱크에 압축하여 저장하거나, 초저온의 온도에서 액화시켜 저장하거나, 표면적이 넓은 흡착제에 수소 분자를 흡착시켜 저장하는 방법 등이 해당됩니다. 이러한 물리적 저장방식은 수소와 저장 매체간의 약한 상호작용으로, 수소를 꺼내는데 드는 에너지가 비교적 낮습니다. 반면 화학적 저장방식은 H₂ 수소 분자가 아닌 H 수소 원자를 저장 매개체와 강하게 상호작용을 가지게 하여 저장하는 방법으로, 금속 수소화물 (Interstitial metal hydride) 형태로 금속의 격자 사이에 수소 원자를 끼워 저장하거나, 특정한 구조의 착물 복합체를 (complex) 형성하거나, 암모니아, 포름산, Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHCs) 등 과의 화학 반응을 이용한 저장 방법이 해당됩니다. 이러한 화학적 저장방식은 대규모의 수소 저장에 적합하며, 비교적 안정적이지만, 물리적 저장방식 대비 수소를 꺼내는데 드는 에너지가 크기 때문에, 이용자가 적절한 수소 발생 촉매 재료나 공정을 개발하는 등의 준비가 필요합니다.

이처럼 다양한 수소 저장방식이 존재하며, 각 기술의 특징이 뚜렷하므로 용도에 맞는 적절한 방식을 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어 승용 수소자동차에는 고압 압축 수소가 적용되는 것이 현재 일반적이고, 선박을 이용한 대규모 수소 운송에서는 액화수소 혹은 암모니아, LOHC 등의 활용이 일반적으로 이용됩니다. 수소 사회는 에너지 공급이 수소로 이뤄지는 만큼, 다양한 환경에서 수소가 널리 이용될 수 있도록 다양한 수소 저장 기술이 개발되어야 합니다. 수소 사회가 이상적인 에너지 시스템으로 평가받는 주요 이유 중 하나는 수소의 저장 가능성 때문입니다. 신재생에너지는 간헐적으로 생산되므로 저장이 어려운 특성이 있지만, 이를 수소 분자의 화학적 결합에너지 형태로 변환하여 저장하면, 필요할 때 연료전지를 통해 전기에너지로 전환해 활용할 수 있습니다. 따라서 본격적인 수소 사회의 상용화를 위해서는 적절한 수소 저장 기술이 함께 개발되어야 하죠.

수소 저장 기술은 다양한데, 크게 물리적 저장방식과 화학적 저장방식 두 가지로 나뉩니다. 먼저 물리적 저장방식에는 수소를 기체상태로 고압 탱크에 압축하여 저장하거나, 초저온의 온도에서 액화시켜 저장하거나, 표면적이 넓은 흡착제에 수소 분자를 흡착시켜 저장하는 방법 등이 해당됩니다. 이러한 물리적 저장방식은 수소와 저장 매체간의 약한 상호작용으로, 수소를 꺼내는데 드는 에너지가 비교적 낮습니다. 반면 화학적 저장방식은 H₂ 수소 분자가 아닌 H 수소 원자를 저장 매개체와 강하게 상호작용을 가지게 하여 저장하는 방법으로, 금속 수소화물 (Interstitial metal hydride) 형태로 금속의 격자 사이에 수소 원자를 끼워 저장하거나, 특정한 구조의 착물 복합체를 (complex) 형성하거나, 암모니아, 포름산, Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHCs) 등 과의 화학 반응을 이용한 저장 방법이 해당됩니다. 이러한 화학적 저장방식은 대규모의 수소 저장에 적합하며, 비교적 안정적이지만, 물리적 저장방식 대비 수소를 꺼내는데 드는 에너지가 크기 때문에, 이용자가 적절한 수소 발생 촉매 재료나 공정을 개발하는 등의 준비가 필요합니다.

이처럼 다양한 수소 저장방식이 존재하며, 각 기술의 특징이 뚜렷하므로 용도에 맞는 적절한 방식을 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어 승용 수소자동차에는 고압 압축 수소가 적용되는 것이 현재 일반적이고, 선박을 이용한 대규모 수소 운송에서는 액화수소 혹은 암모니아, LOHC 등의 활용이 일반적으로 이용됩니다. 수소 사회는 에너지 공급이 수소로 이뤄지는 만큼, 다양한 환경에서 수소가 널리 이용될 수 있도록 다양한 수소 저장 기술이 개발되어야 합니다. 한국무역협회 정책 연구에 따르면, 세계 수소 저장 및 운송시장은 꾸준히 성장해 2030년에는 약 217억 달러, 2050년에는 5,660억 달러에 도달할 것으로 전망됩니다.

③ 운송

수소의 저장 뿐 아니라 운송 역시 중요한 요소입니다. 신재생에너지의 발전량은 지역별로 차이가 있기 때문에, 신재생에너지가 풍부한 지역에서 수소를 생산하여 에너지 수요가 높은 지역으로 운송해야 합니다. 특히 우리나라처럼 신재생에너지가 제한적인 국가는 청정 수소를 활용하기 위해 수소 운송 기술이 충분히 발전시켜야 합니다.

수소 운송 방식으로는 파이프라인, 선박, 트럭, 철도 등이 있습니다. 트럭과 철도는 소규모 또는 중단거리 수요에 대응할 때 유연한 방식이며, 최근 액화 수소의 경제성과 안전성이 개선되면서 수소 운송용 선박을 이용한 액화 수소 운송도 주목받고 있습니다. 최근 일본과 호주는 협력하여 액화 수소 운반선 ‘스이소 프런티어(Suiso Frontier)’를 운용하는 등 상업적 실증을 진행하고 있습니다. 액화 수소는 기체 수소보다 부피를 약 800배 줄일 수 있어 운송 효율이 높지만, 극저온 유지에 필요한 에너지가 많이 소모됩니다. 이를 해결하기 위한 단열 기술과 액화 공정의 효율 향상이 연구되고 있으며, 대형 액화 수소 터미널 구축도 병행되고 있습니다.

한편, 액화 수소 외에도 앞서 소개한 암모니아 및 LOHC 기반 선박 운송 기술이 발전 중입니다. 암모니아는 기존 인프라 활용이 일부 가능하고 수소 저장 밀도가 높아 주목받고 있으며, LOHC 방식은 상온·상압에서 안정적으로 수소를 저장·운송할 수 있어 장거리 운송에 유리하죠. 장기적인 관점에서는 파이프라인을 이용한 수소 운송이 가장 경제적이고 안정적인 운송 방식으로 평가받고 있습니다. 중국은 대규모 수소 파이프라인 구축에 박차를 가하고 있는데요. 중국 국가에너지국은 ‘석유·가스 전국 파이프라인 연계 시행 방안’을 통해 서부 지역에서 생산된 수소를 동부 지역으로 수송하는 ‘서경동송’ 파이프라인 건설 계획을 발표했습니다. 이는 네이멍구 자치구 우란차부시에서 베이징까지 약 400km에 이르며 허베이성 장자커우시에서 탕산시 차오페이뎬현을 연결하는 총 연장 972.7km의 그린수소 파이프라인 설계 작업도 진행 중에 있습니다. 유럽 역시 수소 운송을 위해 ‘하이드로젠 백본(Hydrogen Backbone)’ 프로젝트를 진행하고 있으며, 이 프로젝트는 기존 천연가스 파이프라인을 활용하거나 신규 파이프라인을 구축하여 유럽 전역에 수소 운송망을 형성하는 것을 목표로 합니다. 이처럼 향후 수소 운송 기술의 상용화는 기술 개발과 인프라 확충에 달려 있으며, 국가 간 협력을 통해 글로벌 수소 공급망 구축이 가속화될 수 있습니다.

청정 수소인 블루 수소를 시장에 저렴하고 안정적으로 공급할 수 있다면, 수소 경제의 실현은 더욱 가까워질 것입니다. 이를 위해서는 대규모 생산 인프라와 탄소 저감 기술의 도입이 필수적이기 때문에, GS칼텍스가 블루 수소 공급 사업을 계획대로 추진한다면, 우리나라의 탈탄소 전환과 수소 경제 활성화에 핵심적인 기여를 하게 될 것으로 기대됩니다.

수소 기술은 탄소 중립 달성을 위한 핵심이자, 지속 가능한 에너지 패러다임의 중심에 있습니다. 수소 경제는 더 이상 먼 미래의 비전이 아니라, 2025년을 기점으로 현실이 되어가고 있습니다. 하지만 수소 경제의 성공적인 안착을 위해서는 단순한 기술 개발을 넘어, 정책적 지원과 산업 생태계 조성이 필수적인데요. 특히 블루 수소를 중심으로 한 안정적인 공급망 구축이 초기 수소 시장 활성화의 열쇠가 될 것이며, 정부, 기업, 연구기관이 긴밀히 협력하여 지속 가능한 수소 산업을 정착시킬 때 비로소 수소 경제는 실현될 수 있습니다.

※ 본 콘텐츠는 임진규 가톨릭대학교 에너지환경공학과 조교수의 기고를 받아 작성되었습니다.