VII. 수소산업 육성에 따른 기대효과
1. 수소공급
제2절 권역별 수소산업 잠재력
자료: 한국수소산업협회, NH 투자증권 리서치 본부 [그림 Ⅲ-5] 전 세계 수소생산방식
국내 산업용 수소의 90% 이상은 천연가스, 석탄, 석유 등 탄화수소계 화 석연료를 촉매 반응하여 생산하고 있다.
인천광역시는 LNG 터미널을 보유하고 있어 대규모 천연가스 개질을 통 한 대량의 추출수소 생산이 가능하다. 수소생산비용의 측면에서 보면, 상 대적으로 제철소 및 정유공장에서 발생하는 부생가스가 가장 저렴하지만 공급량의 한계가 있어 현실적으로는 LNG, LPG 등의 개질로 추출하는 생 산방식이 가장 경제적인 대안이라고 볼 수 있다.
더욱 정부의 수소경제 활성화 로드맵에 따르면, 초기 수소경제 이행의 핵 심 공급원으로 추출수소를 활용하고, 천연가스 공급망에 대규모·거점형 수소생산기지를 구축해야 한다고 발표한 바 있다.
나. 부생수소
SK인천석유화학의 부생수소 활용 가능
부생수소란, 석유화학 및 철강제품 등의 제조공정에서 부수적으로 발생하 는 수소를 말한다. 일반적으로 부생수소는 가스회사에 판매하거나 생산 공정 내의 보일러 등 열원으로 사용되며, 제철소 부생가스 및 납사 분해 공정 등에서 발생하고 있다.
국내에서 발생하는 부생수소는 주로 석유 및 화학업체로부터 생산되고 있으며, 연간 생산량 164만톤(수소전기차를 연간 820만 대 운행할 수 있 는 양) 중 대부분은 석유 및 화학업체가 자가소비하고 약 23만 톤만 외
부로 유통되고 있다.
다음 [표 Ⅲ-30]에서 나타난 바와 같이 수소는 울산, 여수, 대산지역 등에서 생산되며 인천광역시는 SK인천석유화학에서 연간 50,000톤을 생산하고 있 다.
구분 생산량
(TON/년)
비율 (%)
외부유통 (TON/년)
비율 (%)
울산지역 816,167 49.7 95,883 42.0
여수지역 554,862 33.6 96,627 42.4
대산지역 180,666 11.0 31,126 13.6
기타지역 91,755 5.6 4,466 2.0
합계 1,643,452 100.0 228,102 100.0
자료 : 한국수소산업협회 내부자료(생산량은 연평균 가동시간 8,000시간 가정) [표 Ⅲ-30] 인천광역시에서 가능한 수소생산방법
전체 연료 중 95%는 화석연료 천연가스 열화학적 방식, 5%는 NaCI 전기 분해방식으로 연간 164만 톤의 수소가 생산되고 있다. 이 중 45%는 정 유업체에 공급되며, 40%는 화학업체, 15%는 기타 산업에 공급되고 있다.
부생수소의 가격 현황은 다음 [표 Ⅲ-31]과 같으며, 생산원가는 저렴하나 생산지로부터 먼 거리에서 공급받기 위해서는 파이프라인이나 튜브트레일 러 등을 이용하여 운송해야 하므로 이 과정에서 비용이 크게 증가하고 있 다.
구분 가격 범위 비고
부생수소
생산업체 150~200원/Nm³
석유화학단지의 부생수소를 정제 및 유통업체에
판매하는 가격
납사 및 천연가스 가격에 따라 변동
부생수소 정제 및 판매업체
파이프라인
170~220원/Nm³ 수소정제 및 유통업체에서 고순도 수소로 정제 후 소요처에 공급하는 가격
2,000~2,600원/kg (운송비 포함) 카드리지
600~700원/Nm³
7,100~8,200원/kg (운송비 포함) [표 Ⅲ-31] 인천광역시에서 가능한 수소생산방법
다. 그린수소
친환경 에너지 생산을 위해서는 그린수소 생산이 필수적
그린수소란, 재생에너지(태양광, 풍력발전)의 잉여전력을 활용해 수전해 설비를 이용하여 생산하는 수소이다. 이 과정에서 탄소가 배출되지 않아 생산과정에서 탄소가 배출되는 추출수소 대비 친환경적이다.
2030년까지 신재생에너지 공급 의무 비율을 20%로 조정하는 ‘신재생 3020 이행계획’에 따라 향후 태양광 및 풍력에너지를 이용한 신재생에너 지 개발이 가속화될 것이며 신재생에너지 도입 확대에 따른 잉여전력의 문제가 발생할 것으로 예상된다.
태양광 및 풍력에너지와 같은 재생에너지의 특성상 자연 조건과 시간에 따라 출력이 변동하는 간헐적 특성이 있어 생산되는 재생에너지 전부를 계통에 보낼 경우 계통 안정성이 크게 저하된다. 전력계통에 공급되지 못 한 잉여전력 문제를 해결하기 위한 방법으로는 피크부하를 커버할 수 있 는 전원을 확보하거나 전력그리드를 확장하여 수요를 분산시키는 방법, 스마트 그리드 등을 활용하여 수요를 조절하는 방법, 에너지저장장치를 활용하는 방법 등이 있다.
보통 피크전원 공급과 전력그리드를 확장시키는 방법이 일반적이지만 이 는 지역주민들로부터 민원을 야기하고 정부나 지자체가 많은 비용을 부 담하게 된다는 단점이 있다. 스마트그리드를 통한 수요조절방법 또한 그 리드를 안정화시킬 수는 있지만 수요에 대해 충분한 조절능력을 가지고 있지는 못하다. 따라서 잉여전력 발생 문제를 해결할 수 있는 가장 실용 적이고 현실적인 방안은 ‘에너지 저장’을 통한 전력의 수요 및 공급을 조 절하는 것이다.
인천광역시가 가지고 있는 신재생에너지 잠재량으로부터 발생된 잉여전 력을 가스 형태(수소 혹은 메탄)의 에너지로 변환하는 Power-to-Gas(P2G) 기술에 활용할 수 있다.
라. 바이오가스 활용
매립지의 바이오가스를 활용하여
수소생산클러스터 예타조사를 실시중
버려지는 바이오가스에서 에너지화하는 바이오가스를 정제하여 수소를 생산하는 추출 시스템이 바이오가스 활용 수소생산방법이다.
바이오매스는 화학적 에너지로 사용 가능한 식물/동물/미생물 등의 생물 체이며, 즉 바이오에너지의 에너지원을 의미한다. 바이오매스의 종류로는 곡물과 식물, 폐목재, 식물 줄기와 같은 목질계, 해조류, 동물의 분뇨나 음식물 쓰레기, 유기성 폐수 등이 있다.
이러한 바이오매스는 그냥 버려지는 것이 아니라 에너지자원으로 재활용 할 수 있다. 바이오매스를 열분해 또는 발효 과정을 거쳐 바이오에너지로 채취하거나 퇴비 및 사료, 각종 플라스틱과 같은 제품으로 전환해 사용한 다. 바이오매스로부터 얻어지는 에너지는 그 용도나 형태에 따라 바이오 가스, 바이오에탄올, 바이오디젤, 메탄올, 수소 등이 있으며 이는 난방의 원료나 자동차 및 발전의 연료, 산업용, 도시가스 등으로 이용할 수 있다.
2016년 말 기준 바이오가스를 생산 및 이용하는 시설은 90개소로 총 처 리용량은 5만 9,204톤/일, 처리량은 1,894만 9,000톤/년이다. 연간 바이오 가스 총 생산량은 3억 429만 3,000m³로 이중 약 80%가 발전 연료 등으 로 이용되고 있다.
구분 생산량
(천m³/년)
활용량(천m³/년) 미활용
(연소처리) 용도별 이용량
발전 외부공급 자체이용 소계
음식물 85,707 17,481 24,878 18,694 61,053 24,654
가축분뇨 3,202 2,655 - 393 3,048 154
하수슬러지 99,277 15,930 18,716 48,802 83,448 15,829 병합 116,107 17,133 28,611 47,264 93,008 23,099 합계 304,293 53,199 72,205 115,153 240,557 63,736 자료 : 환경부 폐자원에너지과 사전정보공표자료(2018.01.22.)
[표 Ⅲ-32] 국내 바이오가스 생산 및 이용 현황
국내에서 연간 생산된 바이오가스 중 약 20%는 미활용되어 방출이나 연소 를 통해 처리하는 실정이며, 이는 약 1만 5,000톤의 수소 생산(연간 수소전 기버스 약 2,000대 공급량)이 가능한 양이다.
수도권매립지관리공사는 지난 2006년 12월 세계 최대 규모의 50MW급 매 립가스발전소를 준공하고 지금까지 상업 운전을 하고 있다. 또한, 2011년 6 월 수도권매립지의 음식물 폐수로 생산한 바이오가스를 자동차 연료로 공 급하는 “자동차연료화시설”24)을 준공한 바 있다.
인천시는 수소융복합단지 지원사업을 통해 수도권매립지에서 발생하는 바 이오가스로 수소를 생산하는 예비타당성 조사를 수행 중이다.
24) 천연가스(CNG)와 바이오가스를 혼합해(77:23 비율) 자동차 연료로 제조, 인근 시내버스 및 청소차 등에
(2) 수소저장 및 이송
수소활용 부분 육성에 따른 생산 및 공급 확대
수소활용 부문이 충분히 육성 및 확대되면, 자연스럽게 파생 수요로서 ‘수 소’ 자체에 대한 신규 수요 역시 확대될 수밖에 없으며 이로 인해 수소에 대한 생산 및 공급이 확대될 것이다. 수소의 생산 및 공급 확대는 국내 유 통되는 수소의 물류 규모의 확대로 이어져 자연스럽게 수소를 저장하고 운 송해야 할 필요성이 커지며 수소저장 및 이송 부문의 확대도 유도될 것이 다.
수소저장은 고체, 기체 및 액체 저장으로 나눌 수 있으며, 이송 방법과 매 우 밀접하게 연계되어 있다. 기체 저장일 경우 기체 이송, 액체 저장일 경 우 액체 이송으로 연계되는 것이 일반적이다. 수소저장기술 중 가장 보편 적인 방법으로는 기체 상태로 저장하는 것이며, 수소저장방식별 내용은 다 음 [표 Ⅲ-33]과 같다.
구분 고압기체 액화 액상(암모니아)
특징 § 수소기체를 고압으로 압축 § 극저온 상태로 수소를
액체화
§ 암모니아(NH₃) 등 화합물 형태로 액상 저장
저장조건 700기압 -253℃ -33.4℃
수소저장
(wt, %) 100 100 17.8
저장밀도
(kg/m³) 39.6 70.8 120
운송방식 § 튜브트레일러 § 탱크로리
§ 수소 선박 등
§ 기존 가솔린 (디젤) 인프라, 선박 등
장점 § 기존 인프라 활용
§ 고순도 수소 저장
§ 고가 압축기 불필요
§ 고순도의 수소저장 및 대용량 운송가능
§ 기존 암모니아 인프라 활용 가능
§ 일반 압력용기 저장 가능
§ 직접 연료로 사용 가능
단점
§ 고압 저장에 에너지 소모가 큼
§ 낮은 에너지 저장 밀도
§ 액화에 에너지 소모가 큼
§ 장기간 저장 및 기화가스제어 어려음
§ 액화플랜트 설치비용이 큼
§ 수소발생에 에너지가 필요함
§ 유독·폭발 부식성이 있음
기술 수준
국내 § 실증단계 § 초기 개발 단계 § 초기 개발 단계
국외 § 실증단계(미국, 캐나다) § 상용화(독일, 프랑스, 미국
등) § 실증단계(일본, 호주 등)
[표 Ⅲ-33] 수소이송방식의 분류
수소이송 - 기체이송(T/T,
배관망)
- 액체이송(액화, 액상)
수소이송은 크게 기체이송과 액체이송으로 나눌 수 있으며 액체이송은 다 시 액화와 액상이송으로 나누어진다. 기체이송은 튜브트레일러로 운송하는 방법과 배관망을 이용해 운송하는 방법으로 나누어진다. 일반적인 이송방 법은 다음 [표 Ⅲ-34]과 같이 분류될 수 있다.
구분 이송방식 적합한 이송 조건
기체운송
튜브트레일러 § 중·소규모, 중·장거리에 간헐적으로 공급 할 경우 배관망 § 소규모, 단거리에 연속적으로 공급 할 경우
§ 대규모, 장거리에 연속적으로 공급 할 경우
액체 운송
액화 탱크로리
§ 액화 제조 및 저장시설과 연계될 경우
§ 중·대규모, 중·장거리에 공급 할 경우
§ 액화시 소요되는 전력에 의한 온실가스 배출량 증가 부분 고려 필요
액상 탱크로리
§ 액상물질(암모니아, 액체유기물질 등) 제조시설과 연계될 경우
§ 중·대규모, 중·장거리에 공급할 경우 [표 Ⅲ-34] 수소이송방식의 분류
근거리는 배관, 중장거리는 T/T를 활용하고 있음
아직은 대규모 수소가 필요하지 않은 국내 여건에서는 수소를 이송하는 방법으로 근거리의 경우 저압배관방식과 중장거리의 경우 고압 튜브 트 레일러(카트리지)로 운송하는 방법이 주가 되고 있다. 배관 이송 방식은 수소 운송량이 적고 소비자가 수소생산시설과 인접하여 배관 건설비용이 사용량 대비 효율성이 있을 때 주로 사용되는 방법이다. 튜브트레일러를 통한 이송은 강재로 만들어진 실린더(용기) 또는 카트리지에 담아 이송하 는 방식으로, 현재는 중장거리에 중소규모 단위로 공급하는 곳에 적합하 다.
(3) 수소활용
모빌리티와 연료전지를 통한 다양한 연계사업 추진 가능
인천의 수소 활용 분야는 큰 범위에서 모빌리티와 연료전지로 나눌 수 있 다. 모빌리티 분야는 수소를 동력으로 사용해 움직이는 장치로 인천에서는 차량, 선박, 드론 분야에 활용할 수 있다. 연료전지 분야는 수소연료전지를 통해 가정·건물용, 발전용으로 사용 가능하며 연료전지발전을 통해 발생되 는 전기와 열, 수전해를 통해 발생되는 산소를 활용해 스마트팜 및 휴양시 설에 활용할 수 있다.