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최근 고효율, 친환경의 신재생 에너지원, 수소에 대한 연구가 활발히 진행중입니다. 많은 기술이 개발되면서 자연스럽게 관련 용어도 사용되고 있는데요. 주로 그린 수소, 블루 수소처럼 수소의 이름 앞에 색깔을 붙이곤 합니다. 이 색깔이 정확히 무엇을 의미하는지 알아보도록 하겠습니다.

 

 

생산 과정에 따른 수소의 분류 ⓒ 이현수 기자

 

 

수소는 대기오염 물질을 배출하지 않으며 높은 발전 효율의 에너지원이지만, 안타깝게도 수소를 얻기 위한 대부분의 생산 과정에서 이산화탄소가 발생합니다. 수소를 만들 때 여전히 화석 연료를 사용하기 때문이죠. 그래서 신재생 에너지의 일환으로 개발된 수소는 기존 수소와 구분하기 위해 이산화탄소 배출량에 따라 그레이, 그린, 블루 수소로 구분됩니다. 그린·블루가 저탄소 배출, 그레이가 비교적 고탄소 배출 수소입니다.

 

이처럼 색깔로 수소를 분류하는 방식은 수소 경제를 일찍 준비하기 시작한 유럽에서 먼저 시작했습니다. 유럽 연합은 2016년부터 그린 수소 인증제도(CertifHy Guarantee of Origin)를 통해 수소의 친환경성을 인증하고 있으며, 세계 에너지기구(IEA), 세계재생에너지기구(IRENA)에서는 화석 연료 사용 수소를 블랙(석탄)/그레이(가스)/브라운(갈탄)으로 보다 세분화하여 구분하고 있습니다.

 

우리나라 정부도 ‘수소경제 활성화 로드맵’에서 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하면 그레이 수소, 수전해 기술을 사용하여 생산하거나 해외에서 수입한 수소는 그린 수소로 구분합니다. 근래에는 여기에 배출되는 이산화탄소를 포집하여 저장하는 방식의 블루 수소까지 분류하고 있죠.

 

 

ⓒ 클립아트 코리아

 

 

 

그럼 각 수소의 특징을 알아볼까요? 그레이 수소는 이산화탄소를 다량으로 배출하는 방식으로 생산됩니다. 보통 천연가스를 고온·고압 수증기와 반응시켜 물에 함유된 수소를 추출하는 개질 방식과, 석탄을 고온·고압에서 가스화하여 수소가 주성분인 합성 가스를 만드는 석탄 고온 가스화 방법이 많이 쓰입니다. 석유화학 공정 과정의 부산물인 부생수소도 여기에 포함되죠. 이러한 방법으로 만든 그레이 수소는 이산화수소를 많이 배출하지만 대량 생산이 가능하고 비용이 적게 든다는 점 때문에 현재 가장 많이 사용되고 있습니다.

 

그린 수소는 이산화탄소를 발생시키기 않는 재생 에너지 기반 수전해 방식으로 생산되는 수소입니다. P2G(Power-to-Gas) 기술로도 불리는 수전해는 재생 에너지원에서 생산된 잉여 전력으로 물을 전기 분해하여 수소로 전환하는 기술입니다.기술을 이용하면 전기 에너지를 수소로 바꾸어 손쉽게 저장할 수 있기 때문에 생산량이 일정하지 않은 재생 에너지의 단점도 보완할 수 있습니다. 하지만 장치 가격이 높고 전력 소모량도 상당해서 그린 수소 생산의 경제성은 아직 낮습니다.

 

블루 수소는 이산화탄소를 포집하여 분리, 저장하는 방식으로 생산됩니다. 화석 연료에서 추출되는 건 그레이 수소와 동일하지만, 블루 수소는 이때 발생한 이산화탄소를 CCS(Carbon Capture and Storage)로 저장하여 대기 중으로 배출하지 않습니다. CCS는 이산화탄소를 포집해서 압축한 후 지하에 저장하는 기술입니다. 저장된 이산화탄소는 산업 용도로 직접 사용할 수 있어 일석이조입니다. 블루 수소는 그레이 수소에 비해 보다 친환경적인 생산 방법인 동시에, 그린 수소에 비해서 경제성이 뛰어나 최근 주목받고 있습니다.

 

 

 

한국전력은 친환경 수소 생산 기술에 적극적으로 나서고 있습니다. 작년 9월, 전라남도 및 나주시와 ‘그린 수소 사업 업무협약’을 맺은 데 이어, 2020년 1월에는 전력연구원이 한국중부발전과 협력해 블루 수소 생산기술 개발 과제에 착수했습니다. 기존 LNG 연료전지 발전소의 낮은 효율과 높은 설비 비용, 이산화탄소 배출 등을 해결하기 위해 산화 환원 소재를 이용해 블루 수소를 생산하겠다는 계획입니다.

 

 

 

블루 수소 생산기술 개념 ⓒ 이현수 기자

 

 

전력연구원의 블루 수소 생산기술은 바이오 에너지나 천연 가스의 주성분인 메탄(CH4)과 물(H2O)을 이용한 산화 환원 반응을 이용합니다. 우선 고온 수증기를 물을 분해할 수 있는 금속과 반응시켜 물 분자로부터 수소를 떼어내면 금속 산화물(Fe3O4)이 남게 되죠.

 

다음 환원 단계에서 이 금속 산화물과 천연가스의 CH4가 반응하면 다시 순수한 금속이 되고, 물과 이산화탄소가 발생합니다. 그 결과, 단일 공정에서 순도 높은 수소와 이산화탄소를 분리할 수 있어 블루 수소 생산 기술이 마련된답니다.

 

전력연구원은 기술 효율을 높이기 위해, 높은 산화 환원 반응성을 가진 금속 소재를 개발중입니다. 구체적 목표는 2022년까지 20킬로와트(kW)급의 블루 수소 생산 시스템을 개발하고 한국중부발전의 연료 전지 발전소를 대상으로 실증하는 것입니다. 기술 개발과 실증이 완료되면 2025년부터 바로 연료 전지 발전소에 상용화될 예정이랍니다.

 

블루 수소는 이제 막 거론되기 시작했지만 세계재생에너지기구 등에서는 2050년쯤이면 블루 수소가 그린 수소와 함께 전 세계 수소 생산량의 30%~70%를 차지할 것으로 전망합니다. 현재 걸림돌이 되는 P2G 기술과 CCS기술의 비용 문제를 해결할 만큼 기술이 개발되고, 친환경 생산 방식의 인프라가 확충된다면 그 시기는 더 빨라질 수도 있습니다. 더욱 깨끗한 수소를 사용할 날이 얼마 남지 않은 것 같죠?

 


 

이현수 기자

 

 

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