수소는 지각에 풍부한 원소지만 자연에서는 다른 원소와 결합해 있어, 수소 기체를 얻으려면 물이나 화석연료 같은 원료에서 분리하는 공정이 필요하다.[1] 생산에는 에너지가 들며, 지속가능성은 원료뿐 아니라 공정에 쓰이는 에너지의 출처에도 좌우된다.[1]
1. 개요
2. 화석연료 개질과 탄소 포집
화석연료 개질은 천연가스, LPG, 갈탄 등을 고온 수증기와 반응시켜 수소를 얻는 방법이다.[3] 천연가스 개질에서는 메탄과 물이 반응해 수소와 일산화탄소를 만들고, 이어 일산화탄소를 이산화탄소와 추가 수소로 전환한다.[3]
이 방식은 기술이 널리 사용되고 대량 생산이 가능하며 비교적 비용이 낮지만, 공정에서 상당한 이산화탄소가 발생한다.[3] 화석연료 기반 CCS 통합 생산은 탄소 포집·저장을 생산 경로에 결합한 방식으로, 청정수소 생산 기술의 한 갈래로 분류된다.[5]
국내 천연가스 기반 청정수소 생산은 이산화탄소 저장 인프라가 부족해 포집한 이산화탄소의 상당 부분을 해외로 수출해야 하는 제약이 있다.[5] 천연가스 도입 비용과 이산화탄소 저장 비용도 생산단가에 영향을 주는 변수로 제시된다.[5]
3. 수전해와 전해조 기술
수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 공정이다.[3] 따라서 생산 과정의 환경성은 전해조에 공급되는 전력이 어떤 배출 특성을 지니는지에 따라 달라진다. 재생에너지 전력을 사용하면 에너지 생산 과정에서 배출 없이 수소를 만들 수 있다고 소개되지만, 국내에서는 재생에너지 자원과 무탄소·저탄소 전력 공급 여건이 대규모 생산의 제약으로 제시된다.[3][5]
물 전기분해에는 알칼라인, 양성자 교환막(PEM), 고체산화물, 음이온교환막 방식이 있다.[6] PEM 전해조에서는 양극에서 물이 산화되어 산소와 양성자가 생기고, 양성자가 막을 지나 음극에서 전자와 결합해 수소가 된다.[6] PEM은 전력 변동에 빠르게 대응하는 특성이 있어 재생에너지 발전과 연계하기에 적합한 기술로 설명된다.[6]
4. 바이오자원 활용 전기화학 생산
5. 생산 배출량과 청정수소 인증
한국의 청정수소 인증 기준은 수소 1kg당 전주기 배출량 4kgCO₂e 이하다.[5] 인증제의 산정 경계는 원료 조달부터 수소 생산 시설의 출하지점까지이며, 미활용 폐열 등 일부 에너지와 수소 생산에 직접 관련이 없는 수송 활동의 배출량은 제외한다.[2]
생산 경로의 온실가스 감축 효과는 적용 기술과 환경에 따라 달라질 수 있다.[2] 그러므로 생산 배출량을 비교하거나 감축 기여도를 산정할 때는 전과정평가와 산정 기준을 함께 검토해야 한다.[2] 인증제는 현재 수전해와 천연가스·CCS 기반 수소의 산정 도구를 마련했으며, 바이오·청록·핑크 수소 등으로 확대할 계획이 제시돼 있다.[2]
6. 국내 생산 기반과 제약
국내 청정수소 생산 기술은 화석연료 기반 CCS 통합 방식과 무탄소 전원 기반 수전해 방식으로 나뉜다.[5] 천연가스 기반 방식은 국내에서 주로 증기개질과 자열개질을 사용하며, 보고서는 연간 약 25만 톤의 생산이 가능할 것으로 예상한다. 수전해는 약 10MW 전해조로 연간 최대 1,500톤을 생산할 수 있을 것으로 추정한다.[5]
보고서는 국내 생산 기술의 성숙도와 경제성이 해외 선도국 및 해외 도입 청정수소보다 낮다고 분석한다.[5] 핵심 소재·부품과 수소 생산 시스템 및 CCUS 기술의 해외 의존도도 과제로 제시한다.[5] 생산 기반 확대에는 천연가스 조달과 이산화탄소 저장 인프라, 저탄소 전력 공급 여건이 영향을 준다.[5]