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보이진 않지만 색깔은 확실한 수소! 탄소중립을 위한 미래의 수소에너지는?

미래의 대안 에너지로 떠오르는 수소!

수소는 화석연료와 달리 탄소배출이 없어 지구온난화와 이상기후 현상에 대비할 희망의 에너지원으로 여겨지고 있습니다. 특히 다양한 수소의 종류 중에서 ‘그린 수소’는 탄소 배출이 0(제로)여서 탄소중립 달성을 위해 전 세계가 주목하는 키워드입니다.

그런데 여기에 흥미로운 요소가 숨어 있습니다. 무색무취의 수소에 ‘그린’, ‘블루’와 같은 색상 이름이 붙어 있는 건데요. 팔색조 매력을 가진 수소의 매력을 S-OIL 인포그래픽과 함께 좀 더 깊게 살펴보세요!

1. 수소에너지도 색상이 있다

잘 알려져 있다시피, 수소는 원래 무색투명한 성분입니다. 그런데 수소에 ‘그린’, ‘블루’, ‘그레이’와 같은 색상명을 붙여 부르는 걸 들어 보셨을 겁니다. 사실 이 이름은 수소의 색깔을 의미하는 것이 아니라 수소를 구분하기 위해 붙은 이름이랍니다.

수소는 우주를 구성하는 물질의 전체 질량 중 75%를 차지하지만, 실온 상태에서는 대부분 다른 분자와 결합해 있기 때문에 수소를 사용하기 위해서는 수소를 따로 분리해 추출하는 과정이 필요합니다. 수소를 추출하는 방법은 매우 다양한데, 지금까지 알려져 있는 것만해도 30가지가 넘습니다. 어떤 방식으로 추출하느냐에 따라 비용이나 효율성, 배출되는 온실가스의 양이 달라집니다.

따라서 이를 한눈에 알기 쉽게 구분하기 위해 색상으로 분류를 하게 된 것입니다. 이용 원료와 공정 조건, 에너지 종류 등에 따라 수소는 블랙, 브라운, 그레이, 블루, 터키석, 옐로, 오렌지, 레드, 퍼플, 핑크, 그린 등 다양한 색상으로 나누어집니다.

이러한 수소의 독특한 분류 방식은 유럽연합의 수소연료전지협회(HFCE)가 환경 영향 정도를 나타내는 상징적 의미로 2004년에 처음 제시한 것인데요. 수소 생산 방법과 환경적 영향에 따라 수소를 알기 쉽게 색상으로 분류해 경제적 투자는 물론, 수소 산업 발전 유도를 기대할 수 있습니다.

2. 화석 연료와 고온 수증기의 만남, 그레이 수소

수소를 만드는 다양한 방법 중에서도 현재 가장 많이 활용되는 것으로는 화석연료(메탄)에서 수소를 추출하는 방식이 대표적입니다. 천연가스의 주성분인 메탄은 고온 고압의 수증기를 가열하면 수소와 이산화탄소로 분리되죠. 이렇게 천연가스 혹은 석탄으로 증기 개질(추출)을 통해 생산하는 수소를 ‘그레이(회색)수소’라고 합니다.

그레이 수소는 수소를 비교적 쉽고 싸게, 그리고 많이 얻을 수 있는 방법입니다. 다만, 이러한 과정에서 이산화탄소 역시 매우 많이 발생하게 됩니다. 1kg당 생산단가는 최소 0.86＄에서 최대 2.26＄이지만, 천연가스로 1kg의 수소를 생산할 때 배출되는 탄소는 10kg, 석탄으로 1kg의 수소를 생산할 때 배출되는 탄소는 20kg라는 맹점이 있죠.

따라서 그레이 수소는 현시점에서 가장 현실적으로 사용 가능한 수소이지만, 탄소 배출 절감을 위해 세계 각국은 이를 줄이고 있는 상황입니다.

3. 그레이 수소의 대안이 되다, 블루 수소

그레이 수소는 ‘블루(청색) 수소’ 활성화의 중요한 가교 역할을 하고 있습니다. 블루 수소는 그레이 수소와 같이 메탄으로 만들지만, 이때 발생하는 탄소를 ‘CCUS(Carbon Capture and Use & Storage: 탄소 포집·활용·저장 기술)’로 처리해 대기로 배출하지 않음으로써 그레이 수소에 비해 이산화탄소 배출량을 60%나 줄일 수 있습니다. CCUS는 수소 생산 공정 중에 발생하는 CO₂를 분리·포집하여 지하에 압축 및 저장하는 기술로, 전 세계에서 활발하게 개발이 진행 중입니다. 특히 이 기술을 통해 포집된 이산화탄소를 시멘트, 반도체 가스, 타이어 등의 소재로 활용할 수도 있습니다.

이처럼 블루 수소는 그레이 수소보다 친환경성과 기술 숙성도가 높아 현재 전 세계 수소 시장에서 현실적인 대안으로 주목받고 있습니다. 그레이 수소에서 ‘그린(녹색) 수소’로 넘어가야 하는 지금, 블루 수소가 합리적 비용의 수소를 생산할 수 있는 방법으로 떠오르고 있는 것입니다.

물론, 블루 수소 역시 언젠가는 고갈될 화석연료를 사용하고, 탄소 포집·저장에 비용이 많이 들어 궁극적인 해결책이 될 수는 없습니다.

4. 진정한 의미의 친환경을 향해, 그린 수소

그렇다면 다양한 수소의 종류 중에서 가장 친환경적인 수소는 어떤 것일까요?

그린 수소는 블루 수소와 함께 향후 수소 시장의 대부분을 차지할 것으로 전망됩니다. 이름에서 눈치챌 수 있듯이 재생에너지로 생산한 전기로 물을 분해해 만들어 탄소 배출이 전혀 없는, 100% 친환경 수소입니다. 이렇게 물의 전기 반응으로 수소를 생산하는 방식을 ‘수전해’라고 하는데, 전 과정에서 유해 물질의 개입이나 배출이 없고, 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지 전기를 사용해 더욱 환경 친화적입니다.

이렇게 물을 전기 분해하는 방법은 200년 전에 이미 발명됐지만 그린 수소가 아직까지 활성화되지 못하는 이유는 비용 때문입니다. 아직까진 생산 비용이 높고, 담수의 무제한 공급 여건 등 지역적 제한도 있으며, 대량 생산이 용이하지 않아 많은 연구와 개발이 필요합니다.

다행히 그린 수소가 친환경적인 대안 에너지로 주목받으면서 2000년대 들어 활발한 연구가 이루어져 2030년 무렵이면 생산단가가 현재의 3분의 1 수준으로 떨어질 것으로 예상됩니다. 2021년 기준 1kg당 생산단가는 최소 2.03＄에서 최대 11.81＄인데, 2030년부터는 최소 비용 기준 그린 수소가 가장 저렴해지고, 2050년에는 최소부터 최대값까지 그린 수소가 가장 저렴한 수소가 될 것이라는 전망이 나오고 있습니다.

5. 다양한 수소에너지와 떠오르는 화이트 수소

이 외에도 다양한 색깔의 이름을 가진 수소들이 존재합니다. 화석연료인 석탄을 가스화해 수소를 추출하는 ‘브라운(갈색) 수소’, 그린 수소와 같이 수전해 방식으로 만들어지지만 재생에너지가 아닌 기존 전력망을 이용하는 ‘옐로(황색) 수소’, 원자력 전기를 사용하는 ‘핑크(분홍) 수소’, 원자력 발전에서 발생한 열로 물을 분해해 만들어지는 ‘레드(적색) 수소’, 그리고 고온 반응기에 천연가스를 넣어 고체 탄소로 분해해 생산하는 ‘터키석(청록) 수소’ 등입니다. 이 수소들은 공정 과정이나 전력을 생산하는 과정에서 탄소 배출이 어느 정도 발생하기 때문에 100% 친환경 기술은 아닙니다.

이런 가운데 천연가스처럼 땅속에 모여 있는 순수한 수소를 뜻하는 ‘화이트(백색) 수소’에 대한 관심이 최근 커지고 있습니다. 복잡하고 비용이 많이 드는 화학 공정을 거치지 않고 자연에 존재하는 수소를 캐내는 방법이기 때문이죠. 화이트 수소는 땅 속에 어마어마하게 매장되어 있는 수소를 그대로 사용할 수 있고, 탄소가 전혀 없는 궁극의 친환경 에너지원이라 할 수 있습니다. 특히 석유와 가스를 시추·생산할 때 사용하는 장비와 방법을 활용하면 저렴하게 공급도 가능합니다.

그동안 천연 수소의 실체가 확인되지 않았으나 최근 프랑스, 미국, 러시아, 호주 등지에서 수소 매장 층이 대거 발견되면서 우리나라를 비롯한 전 세계의 기업들이 적극적으로 채굴에 나서고 있습니다. 머지않아 석유처럼 수소를 땅에서 끌어올릴 수 있는 날이 올지 기대됩니다!

이처럼 수소를 색상으로 분류하면 어떤 수소를 선택할지 결정하고 탄소 감축을 실천하는 데 유용합니다. 우리의 미래를 건강하고 밝게 비춰 줄 수소 에너지의 개발과 발전을 S-OIL과 함께 응원해 주세요!

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참고 · www.hankyung.com/article/2023101080291
          www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=108984
          www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=10933
          www.igasnet.com/news/articleView.html?idxno=21044
          www.newswatch.kr/news/articleView.html?idxno=59915
          www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=110299
          www.enetnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=4562
          biz.chosun.com/science-chosun/technology/2023/07/12/BSO5YVH6F5GV7IPC4UWJHWZSJA
          www.hani.co.kr/arti/economy/economy_general/990633.html
          repository.kisti.re.kr/bitstream/10580/17883/3/ASTI%20MARKET%20INSIGHT%20029%280712%29.pdf
          외교부 <호주 수소에너지 동향 – 유망 수소 생산지 보고서>