[ 수소(Hydrogen)는 주기율표의 첫 자리를 차지하고 있으며, 자연계에서 가장 가벼운 원소입니다. 우주 질량의 약 75%, 우주 분자의 90%를 차지하고 있는 이 원소가 지구를 살리는 아주 특별한 에너지로 주목받고 있습니다. ]

세계 곳곳에서 폭염, 폭우 등 심상찮은 현상이 발생하고 있다는 것은 조금만 눈을 돌려봐도 알 수 있는 사실입니다. 과학자들은 이상 기온과 기후 재난의 원인으로 이산화탄소를 지목합니다. ‘*탄소중립’이 인류의 생존이 달린 중대한 사안으로 떠오른 배경이죠. 세계 각국은 2050년까지 이산화탄소를 줄이는 데서 나아가 탄소를 전혀 배출하지 않거나, 포집해 온실가스 양을 ‘0’으로 만드는 것을 골자로 한 ‘넷 제로(Net-Zero)’를 선언했습니다. 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료를 태워 얻는 에너지 대신 태양광, 풍력 등 자연적으로 발생하는 재생에너지에 관심을 돌리는 것도 이 때문입니다.

*탄소중립: 경제활동으로 배출되는 이산화탄소의 양이 전혀 없는 상태.

글=박현희 / 인포그래픽=김수정

지구를 살리는 청정에너지 수소 - 재생에너지 저장과 운반을 위한 최적의 솔루션

자연적으로 발생한다니 이 보다 좋은 에너지가 있을까 싶지만, 재생에너지에는 한계가 존재합니다. 태양광은 일출과 일몰 사이에만 에너지를 공급 받을 수 있습니다. 저녁이나 흐린 날에는 출력이 급격히 감소되죠. 풍력 역시 바람이 불지 않는 날에는 에너지를 얻기가 어렵습니다. 전기는 모자라도 안 되지만 넘쳐도 문제입니다. 발전량이 사용량을 넘어서면 전기의 주파수가 불안정해져 발전기가 정지(정전)하기 십상이죠. 남는 전기를 고정된 에너지 저장장치(ESS‧Energy Storage System)에 저장할 수도 있지만, 비용이 비싸고 무거운 데다 자연적인 에너지 손실이 발생합니다.

“전기가 남을 때는 저장하고 모자랄 때는 꺼내 쓸 수 있는, 방전 걱정 없는 친환경 신에너지는 없을까?” 이 질문에 대한 답을 찾은 것이 바로 ‘수소’입니다. 수소는 재생에너지의 한계를 극복하는 핵심 수단이자, 세상에서 가장 가벼우면서도 간단한 구조를 가진 물질입니다. 남은 전력을 수소로 저장해두었다가 필요할 때 산소와 화학반응을 일으켜 전기 에너지로 활용하면 되는 거죠. 이때 나오는 것은 오직 물뿐, 온실가스는 전혀 배출하지 않습니다. 

수소는 저장과 운반이 용이합니다. 고압탱크에 압축해서 저장하거나, 영하 253도로 냉각해 액화시키면 부피가 800분의 1로 줄어들죠. 탱크나 수송관을 통해 운반할 수 있고, 수출입을 위한 장거리 이동 시에도 에너지 손실이 적습니다. 수소를 기반으로 하는 경제 체계인 ‘수소경제’가 이상적인 에너지 패러다임으로 자리 잡고 있는 것도 이러한 이유입니다. 

현대건설, 수소사회 ‘퍼스트 무버’로 첫 발 - 국내 최초 수전해 기반 그린수소 생산기지 구축

수소경제는 ▶생산 ▶저장‧운송 ▶활용의 세 가지 밸류체인(Value Chain)으로 구성됩니다. 현대건설은 탄소중립 시대의 핵심 에너지원인 수소가 미래 에너지‧플랜트 시장의 새로운 기회가 될 것이라는 판단에 따라 수소 생산부터 활용까지 전 단계의 기술 확보에 박차를 가하고 있습니다. 특히 수전해 기반의 수소 생산기술과 수소 저장‧운송 분야의 핵심기술을 보유하고, 수소 플랜트 관련 *FEED(Front End Engineering Design) 역량을 강화하는 데 매진하고 있죠.

*FEED: 플랜트 엔지니어링은 크게 개념설계→기본설계→FEED→상세설계→구매→시공→시운전→유지보수 단계로 이뤄집니다. 개념설계에서는 프로젝트의 콘셉트를 정하고 초기 계획을 수립합니다. 기본설계에선 플랜트 전체를 스케치하며 설계 방향을 수립하죠. 중요한 건 FEED입니다. FEED는 EPC(상세설계, 구매, 시공) 계약 전 공사의 기본 토대를 마련합니다. 견적 산출의 기준을 정하는 것으로 공사의 기반을 세우는 중요한 단계죠. 프로젝트 경험과 프로세스에 대한 높은 이해가 필요하기에 FEED를 계약하면 EPC 수주에서도 유리한 고지를 선점할 수 있습니다.

수소는 생산 원료에 따라 석유화학산업 공정 과정에서 부산물로 생성되는 『부생수소』, 천연가스 등에서 추출하는 『추출수소(개질수소)』, 잉여 재생에너지로 물을 전기 분해에서 생산한 『수전해수소』로 나뉩니다. 또 수소 생산 과정에서 이산화탄소 발생 유무로 ‘그레이수소’ ‘블루수소’ ‘그린수소’로 구분할 수 있습니다.

그레이수소는 석유, 코크스, 나프타를 분리‧정제할 때 자연스럽게 나오는 부생수소와 천연가스에서 ‘*수증기 개질’이라는 방법을 사용해 수소를 분리하는 추출수소를 말합니다. 이들 수소는 석유화학 정제용, 반도체 세정용 등 여러 산업 군에서 오래 전부터 활용돼 왔습니다. 비교적 가격이 저렴하다는 장점이 있으나, 천연가스 개질을 통해 1kg의 수소를 생산하는 데 약 10kg의 이산화탄소를 배출하기에 오히려 지구온난화를 가져온다는 치명적인 단점이 있습니다. 

*수증기 개질: 고온고압의 수증기와 천연가스를 니켈촉매와 반응시켜 수소를 생산하는 방법입니다. 

블루수소는 그레이수소와 생산 방식은 동일합니다. 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집해 저장‧활용하느냐, 하지 않느냐의 차이죠. 탄소배출량을 획기적으로 줄일 수 있기에 화석연료 사용을 중단할 수 없는 현재 가장 현실적인 대안으로 주목받고 있습니다.

그린수소는 수전해 기술(수전해수소)을 통해 얻을 수 있습니다. 수전해 기술은 재생에너지에서 얻은 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 것으로, 이 과정에서 온실가스가 전혀 발생하지 않아 탄소중립을 위한 궁극의 에너지원이라 불립니다. 아직은 그린수소 생산을 위한 인프라가 전 세계적으로 많지 않고 경제성을 확보하기 위한 노력이 좀 더 필요하지만, 최종적으로 나아가야 할 방향입니다. 

블루수소와 그린수소는 수소 생산과정에서 이산화탄소를 배출하지 않거나 현저히 적게 배출한다는 의미로 ‘청정수소’라는 공동의 이름이 붙습니다. 현대건설은 초기 기술력 확보가 중요하다는 판단에 수소사회의 ‘퍼스트 무버(First Mover)’가 되기 위한 로드맵을 수립했습니다. EPC 기업이자 디벨로퍼로서 단기적으로는 블루수소, 장기적으로는 그린수소의 역량을 키운다는 계획입니다.

지난 6월 2일 산업통상자원부의 ‘수전해 기반 수소 생산기지 구축사업’ 공모에 최종 선정된 것도 미리 세워 둔 로드맵에 따른 것입니다. 현대건설은 전라북도, 부안군, 전북테크노파크, 테크로스 워터앤에너지 등과 컨소시엄을 이뤄 하루 1t 이상의 수소 생산 및 저장‧운송이 가능한 인프라를 구축합니다. 전라북도 부안 신재생에너지단지 내에 조성되며, 2024년 5월 준공 예정입니다.

[ 전북 부안에 들어서는 수전해 기반 수소생산기지는 국내 첫 상업용 청정수소 생산기지입니다. 사진은 조감도. ]

전북 부안에 들어서는 수전해 기반 수소 생산기지는 국내 최초의 상업용 청정수소 생산기지라는 데 의미가 큽니다. 그동안 수전해 관련 연구시설은 있었으나, 상업적으로 사용할 수 있는 생산기지를 짓는 것은 국내에서 처음이죠. 현대건설은 수전해 설비와 튜브트레일러(수소 운송 전용차)를 통해 수소를 외부로 내보내는 출하 설비 및 전력공급 설비를 포함한 수소 생산기지의 ▶기본‧상세설계 ▶주요 기자재 구매 ▶시공 등을 맡았습니다. 이곳에서 생산한 수소는 수소 충전소 등과 연계해 수소 모빌리티에 활용할 예정입니다. 현대건설 수전해 전문가는 “대용량은 아니나 국내 최대 규모이고, 5년 동안 장기 운영한다”면서 “이 프로젝트가 향후 국내외에서 수주할 메가 수소 플랜트의 밑거름이 될 것”이라고 설명했습니다. 

현대건설이 선도해 나갈 미래 수소경제 - 고순도 수소생산 방식… 수소 메가 프로젝트 수주 완벽 준비

수전해는 물을 분해해 산소와 수소를 대규모 생산하는 기술로 청정수소의 핵심입니다. 수전해 기술은 수산화이온(OH-)과 수소이온(H+) 중 어떤 이온을 이동시키는지와 사용하는 전해질에 따라 알칼라인(AEC·Alkaline Electrolysis Cell)과 *고분자 전해질막(PEM·Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell)으로 구분합니다.

*고분자 전해질막은 양이온 교환막(PEM·Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell)으로도 불립니다.

AEC는 개발된 지 50년이 넘은 기술입니다. 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해하는 것으로 설비 투자비용이 낮다는 것이 장점이죠. 그러나 장치의 크기가 상당히 커서 넓은 부지가 필요하고, 전력 소모가 많은 데다 수소의 순도도 낮습니다. 가장 큰 단점은 기상 여건에 따라 달라지는 재생에너지의 변동성에 대응하기에 반응 속도가 못 미친다는 것입니다. 일례로 풍력발전소에서 바람이 불 때와 안 불 때에 맞춰 빠르게 수전해장치가 가동해야 하는데 AEC는 ON/OFF 시간이 오래 걸린다는 기술적 한계가 있습니다.