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에너지 전환에 따른 재생에너지 증가와 함께 에너지 저장 기술의 확대가 예상된다. 에너지 저장 기술은 전기화학적, 기계적, 화학적 또는 열적 방법 등 다양한 기술적 방안이 제시되고 있으며 이중 수소, 암모니아 등을 활용한 화학적 방법의 에너지 저장 기술은 재생에너지와 연계한 P2G(Power to Gas) 기술로서, 장기 에너지 저장 특성을 활용하여 재생에너지의 간헐성 및 변동성에 대응할 수 있고 CO₂ 배출이 없는 친환경연료로써 탄소중립 달성에 높은 기여가 예상된다.

관련하여 우리 정부에서는 ‘19년 1월 세계 최고 수준 수소경제 선도국으로 도약을 위한 ｢수소경제 활성화 로드맵｣에 이어 ｢수소기술 개발 로드맵, 2019｣, ｢제1차 수소경제 이행 기본계획, 2021｣등 정부 차원의 정책을 발표하였다. ｢제1차 수소경제 이행 기본계획｣의 주요 내용으로, ‘30년 기준 국내 총 수소 공급량은 3.9백만 톤, ‘50년 27.9백만 톤으로 재생에너지 자원이 부족한 우리나라의 특성상 해외 도입 수소가 많은 비중을 차지하고 있다(‘50년 기준: 국내 생산 500만 톤, 해외 수입 2,290만 톤). 이러한 해외 생산 수소 도입을 위해 정부에서는 수소 인수기지를 구축하고 기체, 액화 수소 및 암모니아 등 다양한 형태로 트레일러, 수소 배관망 등을 통해 수소를 공급할 계획이다. 수요 측면에서는 발전, 수송, 산업 분야가 중요 수요처로서 ‘30년까지 발전, 수송이 수요량 대부분을 차지하며, ‘50년에는 산업 및 발전 분야가 전체 수요 중 약 86%를 차지할 전망이다.^[1]

전 세계적으로 대규모 수소공급을 위한 다양한 공정이 현장 적용 또는 개발 중이다. 이를 수소의 생산방식에 따라 그레이, 블루, 그린, 브라운 및 청록수소 등으로 분류할 수 있으며 주요 특징은 다음과 같다. ①그레이수소(Grey H₂): 화석연료를 이용하여 생산되는 수소로, 가장 일반적인 수소생산 방법이나 수소생산을 위한 탄소 배출량이 높다. 그린수소나 블루수소 보다 수소 생산단가가 낮지만 공정에서 CO₂를 배출하므로 탄소중립 목표 달성을 위한 기술로서는 적합하지 않다. ②블루수소(Blue H₂): 천연가스와 같은 화석연료를 이용하여 생산되는 수소로, 천연가스 분해 공정시 발생하는 CO₂를 포집하여 분리한다. 그린수소와 비교하여 비교적 저렴하게 생산될 수 있지만, 화석연료를 사용한다는 단점이 있다. ③그린수소(Green H₂): 재생에너지를 이용하여 생산되는 수소로 가장 친환경적인 수소생산 방법이며 전기분해, 생물학적 방법 등을 이용하여 생산될 수 있다. 재생에너지를 사용하기 때문에 친환경적이며 또한, 지속 가능한 에너지 원료로써 중요성이 매우 높으나 초기 투자 비용이 높고 수소 생산량이 한정적인 단점이 있다. ④브라운수소(Brown H₂): 가장 비친환경적인 수소생산 방법으로 산업용 프로세스에서 발생하는 폐기물을 연료로 사용하여 생산되는 수소이다. 그린수소와 비교하여 수소 생산단가는 낮지만, 공정에서 부가적으로 발생하는 폐기물을 처리하는 데 추가적인 비용이 발생하며 CO₂를 다량 배출하므로 환경적이지 않다. ⑤청록수소(Turquoise H₂): 천연가스를 고온의 반응기에 주입하고 열분해하여 수소를 생산한다. 블루수소에 비해 생산과정에서 전력도 더 적게 소모하며, 수소생산 공정에서 포집된 고상의 탄소는 카본블랙이나 인조흑연 등의 원료로 활용될 수도 있다. 이와 함께 암모니아로부터 열(암모니아 크래킹) 혹은 전기화학적 방법(암모니아 전해 등)을 통해 수소를 추출하는 기술도 암모니아 자체의 유독성 및 가연성의 한계에도 불구하고 높은 수소생산 효율성과 경제성을 갖춘 기술로 주목받고 있다. 특히 비료 등 질소 산업에서 이미 축적된 인프라와 체계를 활용할 수 있어 경제성이 높고 운송과 저장이 용이하며 안정적 공급이 가능한 장점이 있다.^[2]

국내 수소생산 관련 연구는 대부분 한전 및 발전사 등이 참여한 정부 R&D 사업 기반의 P2G 기술 중심으로 진행 중이다(Fig. 1 참조). 대표 연구개발 사업으로 한전 전력연구원은 재생에너지 이용 극대화를 위한 2 MW급 하이브리드 수전해(알칼라인 및 고분자 전해질막 수전해) 기반 수소생산 기술개발 연구를 수행하였다(‘19~‘21).^[3] 또한, ‘21년부터 ‘그린수소 생산 시스템 신뢰성 제고 및 운영 기술개발’ 과제가 착수되어 전남 영광에 알칼라인 및 고분자 전해질막 수전해 신뢰성 평가 센터 구축을 진행 중이다.^[4] ‘22년에는 한국남부발전 주관 하에 총 12.5 MW급 재생에너지 연계 대규모 그린수소 실증장 구축 및 운영기술 개발 연구가 착수되었다. 본 기술개발을 통해 ‘26년까지 알칼라인 수전해(2 MW급), 고분자 전해질막 수전해(7 MW급), 음이온 전해질막 수전해(2 MW급), 고체산화물 수전해(1.5 MW급) 총 4가지 수전해 시스템이 제주도에 구축될 예정이다.^[5]

Fig. 1. 
Current status of hydrogen production project^[6]

이러한 기술개발과 함께, 향후 정부의 수소경제 이행 기본계획에 따른 친환경 수소의 생산 및 공급을 위해서는 다양한 기술별 투자(예산 및 인력 등) 우선순위 등을 포함하는 구체적인 기술개발 전략이 요구된다. 특히 효과적인 기술개발 및 사업 추진을 위해서는 실증 및 대규모 보급이 완료된 기술뿐만 아니라 초기 개발 단계에 있는 기술들을 포함하는 포괄적인 중장기 기술 전략 수립이 필요하다. 이를 위해서는 기술별 상이한 기술 수준과 기술 성숙도(Fig. 2 참조) 특성을 갖는 기술에 대해 세부적인 기술 타당성, 경제성 및 CO₂ 감축 측면의 환경적 타당성을 고려한 기술별 전주기 분석이 요구된다. 그러나 수소생산 관련 다양한 수준의 기술이 지속적으로 제안되어 개발되는 상황 하에서, 개별 기술의 세부 공정 모사를 통한 전주기 분석은 상당한 데이터와 시간이 소요될 뿐만 아니라 급변하는 시장･기술환경을 빠르게 반영하는 데에 한계가 있다.

Fig. 2. 
Hydrogen production technology: Technology readiness level^[7]

이의 대안으로서, 검토 대상 후보 기술의 핵심 성능지표를 바탕으로 기술 특성을 상대 비교하여 점수화함으로써 종합 타당성 측면에서 우수한 기술을 제시하는 연구가 제시되고 있다. 해당 방법론은 공개 또는 비공개된 기술 및 시장 데이터를 바탕으로 회사의 전략과 연계한 평가지표 및 가중치 설정을 통해 프로젝트 추진전략에 부합하는 현실적이고 효과적인 분석이 가능하다는 장점이 있다.^[8,9]

주요 사례 연구로 Acar and Dicer(2022)은 총 16개의 수소 생산 기술에 대해 에너지 및 엑서지 효율, 수소생산 비용 등 7개의 평가 항목을 바탕으로 최적 기술적 방안을 선정하는 연구 결과를 제시하였다.^[10] Khan et al.(2022)은 열분해, 광전해 및 광발효 등 10개 기술을 대상으로 기술 및 설치 부지의 지리적 특성을 고려할 수 있는 8개의 항목에 대한 상대 점수를 매긴 후 이를 바탕으로 분석 대상 국가(모로코)에 적합한 수소생산 기술을 제시한 바 있다.^[11]

이와 유사하게 Ourya and Abderafi(2023)은 최적 수소생산 입지 선정과 관련, 호주 내 41개 잠재 부지에 대해 재생에너지 잠재량, 위치 적합성, 수소 활용 및 저장 기회 등 총 14개 평가 항목에 대해서 상대적 점수를 평가하여 최적 입지를 선정하는 방안을 제시하고 있다.^[12] 상기 제시된 연구와 관련, 최적 수소생산 기술/실증 부지선정을 위해 활용된 평가 항목은 다음의 Table 1과 같다. 이에 따라, 본 연구에서는 상기 제시된 방법론을 바탕으로 정부의 수소경제 이행 기본계획^[1]을 참조하여 다양한 수소생산 기술 옵션별 우선순위를 선정하고 구체적인 투자 전략을 수립하는 방안을 제시한다. 구체적으로는 현재까지 제시된 다양한 수소생산 기술의 핵심 특성치, 잠재 시장 규모 및 수소공급 관련 정부 로드맵을 활용하여 후보 기술의 기술, 경제성 및 환경적 타당성을 종합적으로 분석하고 정부의 수소공급 목표 달성을 위한 기술적 방안과 우선순위를 제시한다.

2030 정부 수소공급 목표 달성을 위한 주요 수소생산 기술의 우선순위 분석결과, 탄소포집 및 저장 기술과 결합한 수증기 메탄 개질 및 수전해 기반의 그린수소 생산 기술이 유망한 것으로 분석되었다. 또한 재생에너지와 연계한 P2G 기술로서의 활용을 위해 초기 단계 그린수소 생산 기술에 대한 분석결과 인공광합성 및 광발효 기술의 우선순위가 높은 것으로 분석되었으나 현재 상용화된 수전해 기술과는 기술성숙도, 수소생산 비용 및 에너지 효율 등의 측면에서 상당한 격차가 있는 것으로 분석되었다.

‘21년 정부는 수소경제 전주기 생태계 구축을 위한 ｢제1차 수소경제 이행 기본계획｣을 발표하였으나 구체적 실행전략은 제시되고 있지 못하다. 이러한 상황에서 본 논문에서 제시하는 최적 친환경 수소생산 기술 선정 방법은 기술의 고유 특성과 시장 상황을 고려한 경제성 및 환경적 타당성에 대한 종합적 고려가 가능하여 향후 지속 가능한 수소 보급 확대 및 재생에너지 연계 ESS 프로젝트 발굴, 기술개발 로드맵 및 사업전략 수립 등에 활용이 가능할 것으로 기대된다. 관련하여 본 연구진은 연구 결과의 활용 및 확산을 위해 다양한 수소생산 기술에 대한 광범위한 문헌조사를 통해 완성도 높은 DB를 구축하고 이를 바탕으로 친환경 수소공급 및 재생에너지 연계 장주기 ESS 기술로의 활용을 위한 세부 추진전략 수립연구를 진행할 예정이다.