친환경 수소 생산 기술(그린·블루 수소)과 활용 방안

수소 경제와 친환경 수소의 필요성

전 세계가 탄소 중립(Net-Zero)을 목표로 설정하면서 화석 연료 의존도를 낮추고 친환경 에너지원으로 전환하려는 움직임이 활발하다. 그중에서도 수소(H₂)는 무한한 에너지원으로 활용될 가능성이 높으며, 연소 시 이산화탄소(CO₂)를 배출하지 않아 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 그러나 현재 대부분의 수소는 천연가스 개질(SMR, Steam Methane Reforming) 방식으로 생산되며, 이 과정에서 막대한 온실가스가 발생한다. 이를 해결하기 위해 그린 수소(Green Hydrogen)와 블루 수소(Blue Hydrogen) 등 친환경 수소 생산 기술이 개발되고 있다. 그린 수소는 재생에너지(태양광, 풍력 등)로 전력을 공급받아 물을 전기분해하여 생산하는 방식으로, 탄소 배출이 전혀 없는 가장 친환경적인 수소 생산 기술이다. 반면 블루 수소는 천연가스 개질 과정에서 발생하는 CO₂를 포집·저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage)하여 온실가스 배출을 줄이는 방식이다. 블루 수소는 기존의 화석 연료 기반 수소 생산 방식보다 탄소 배출량을 대폭 줄일 수 있어, 그린 수소로 완전 전환하기 전까지 중요한 대안으로 간주된다. 수소는 친환경 이동 수단, 발전, 산업용 연료 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 특히, 전 세계가 탄소 중립을 목표로 하는 상황에서 친환경 수소는 에너지 전환의 핵심 역할을 할 것으로 전망된다. 하지만 그린 수소와 블루 수소의 대규모 상용화를 위해서는 생산 비용 절감과 효율성 향상이 필수적이며, 이에 대한 기술 개발과 정책적 지원이 필요하다.

그린 수소 생산 기술과 도전 과제

그린 수소는 물을 전기분해하여 수소와 산소로 분해하는 방식으로 생산된다. 이 과정에서 재생에너지를 사용하면 탄소 배출이 전혀 발생하지 않으며, 궁극적으로 완전한 청정 에너지를 구현할 수 있다. 현재 가장 많이 사용되는 그린 수소 생산 기술은 알칼라인 전해조(AEL, Alkaline Electrolysis), 고분자 전해질 전해조(PEM, Proton Exchange Membrane Electrolysis), 고체산화물 전해조(SOEC, Solid Oxide Electrolysis) 등의 방식이 있다. 알칼라인 전해조(AEL)는 가장 오랜 역사를 가진 기술로, 상대적으로 저렴한 비용이 장점이다. 하지만 반응 속도가 느리고 효율이 낮아 대규모 생산에는 적합하지 않다. 고분자 전해질 전해조(PEM)는 높은 효율과 빠른 반응 속도를 가지지만, 촉매로 사용되는 백금과 같은 희귀 금속이 고비용 문제를 야기한다. 고체산화물 전해조(SOEC)는 높은 작동 온도에서 작동하여 전기 효율이 가장 뛰어나지만, 내구성이 낮고 초기 투자비가 크다는 단점이 있다. 그린 수소의 가장 큰 도전 과제는 생산 비용이다. 현재 그린 수소의 생산 단가는 킬로그램당 약 4~6달러 수준으로, 화석 연료 기반 수소(그레이 수소, Grey Hydrogen)의 2배 이상 비싸다. 따라서 그린 수소의 경제성을 확보하려면 전기분해 장치의 효율을 높이고, 재생에너지 비용을 낮추는 것이 필수적이다. 또한, 수소 저장·운송 기술 개발도 병행되어야 한다. 현재 수소는 기체 상태에서 저장이 어려워 액화 수소나 암모니아(NH₃) 등의 형태로 변환하여 운송하는 기술이 개발되고 있으며, 이를 통해 공급망 구축이 활발히 이루어지고 있다.

 

블루 수소의 역할과 기술적 발전

블루 수소는 기존 화석 연료 기반의 수소 생산 방식에서 발생하는 CO₂를 포집·저장(CCS)하거나 활용(CCU)하여 온실가스 배출을 줄이는 방식이다. 블루 수소는 완전한 탄소 중립을 실현할 수는 없지만, 기존의 그레이 수소 대비 탄소 배출량을 90% 이상 줄일 수 있어 친환경적인 대안으로 평가받는다. 블루 수소의 핵심 기술은 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage)**로, 이는 탄소 포집 후 이를 지하 저장소에 격리하거나, 산업 공정에 재활용하는 기술을 포함한다. 대표적인 블루 수소 생산 방식으로는 증기 메탄 개질(SMR, Steam Methane Reforming) + CCS 방식과 자가열 개질(ATR, Autothermal Reforming) + CCS 방식이 있다. SMR 방식은 현재 가장 널리 사용되는 기술이지만, CO₂ 배출량이 많아 CCS 기술을 반드시 병행해야 한다. ATR 방식은 수소 생산과 탄소 포집이 동시에 이루어지는 기술로, 기존 SMR 방식보다 CO₂ 포집 효율이 높다는 장점이 있다. 블루 수소는 현재 화석 연료 기반 경제에서 친환경 수소로 전환하는 가교 역할을 할 수 있다. 하지만 CCUS 기술의 높은 비용과 저장 공간의 한계, 그리고 장기적인 안전성 문제 등이 해결되어야 한다. 또한, CO₂를 저장하는 과정에서 누출 위험이 있으며, 일부 국가에서는 지질 구조상 CO₂ 저장이 어려운 문제가 있다. 따라서 블루 수소가 실질적인 저탄소 에너지원으로 자리 잡기 위해서는 CCUS 기술의 경제성을 높이고, 이를 활용할 수 있는 적절한 정책 지원이 필요하다.

친환경 수소 활용 방안과 미래 전망

친환경 수소는 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며, 특히 수소 연료전지, 수소 기반 발전, 친환경 운송, 산업 공정 등의 영역에서 혁신적인 변화를 이끌 것으로 예상된다. 첫째, 수소 연료전지는 전기를 생성하는 과정에서 오직 물만 배출되므로, 자동차, 열차, 선박, 항공기 등 다양한 운송 수단에 적용될 수 있다. 현재 도요타, 현대자동차 등의 기업이 수소전기차(FCEV)를 상용화하고 있으며, 대형 트럭과 선박, 항공기까지 수소 연료를 활용한 친환경 운송 수단이 확대되고 있다. 둘째, 수소 발전소는 태양광, 풍력과 같은 간헐적인 재생에너지의 단점을 보완할 수 있는 대체 에너지원으로 활용될 수 있다. 특히, 남아도는 재생에너지를 활용해 수소를 생산하고 이를 발전소에서 전력으로 변환하는 방식은 안정적인 전력 공급망 구축에 기여할 수 있다. 셋째, 산업용 수소는 철강, 화학, 시멘트 산업 등에서 화석 연료를 대체할 수 있는 중요한 에너지원으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 철강 생산 과정에서 발생하는 CO₂ 배출을 줄이기 위해 기존 석탄 기반 공정을 수소 환원 철강 공정으로 전환하는 시도가 이루어지고 있다. 미래의 수소 경제는 그린 수소가 주도할 것으로 예상되지만, 블루 수소 역시 전환 과정에서 중요한 역할을 할 것이다. 따라서 각국 정부와 기업들은 수소 기술 개발과 인프라 구축에 적극 투자해야 하며, 동시에 국제 협력을 통해 수소 경제를 빠르게 확산시킬 필요가 있다. 궁극적으로 친환경 수소는 탄소 중립을 실현하고 지속 가능한 에너지 체계를 구축하는 데 핵심적인 역할을 하게 될 것이다.