요약

(개요) 수소가 세계적으로 기존의 화석에너지 의존에서 탈피할 수 있는 새로운 대안으로 인식됨에 따라, 수소의 생산・공급 능력에 대한 점검과 미래 공급 잠재력에 대한 점검이 요구되고 있음.

(수소 생산・공급능력) 2018년 기준, 세계 수소 생산 규모는 117백만톤(MtH

)에 달하고 있으며, 주로 화석에너지원에서 추출되거나, 물리・화학적 분해를 통해 생산・공급・

이용되고 있음.

- 수소는 천연가스 개질(SMR) 및 석탄 가스화공정(Coal Gasification)이나, 석유 정제・화학 공정의 부산물로 주로 생산되고 있기에 화석에너지 기반의 생산구조에 크게 의존하고 있음.

- 반면, 청정 수소(블루 수소 및 그린 수소)의 생산 비중은 0.7% 미만에 불과한 수준에 있으며, 그린 수소(Green Hydrogen)로 지칭되는 수전해 수소의 생산 비중은 0.1% 미만에 불과하였음.

(수소 수요 구조) 전 세계 순 수소(Pure Hydrogen) 수요 규모는 72백만톤(MtH

) 수준인 반면, 수소 합성가스(일산화탄소 및 기타 합성가스 포함)를 포함한 총 수소 수요 규모는 115백만톤(Mt)/년에 달하고 있음(IEA, 2019).

- 2018년 세계 총 수소 수요에서 순 수소(Pure Hydrogen) 비중은 76%에 달하고 있으며, 정제산업에 31%, 암모니아 생산 30%, 제철(coke/iron) 공정에 10%가 소요되었음.

- 수소는 수송부문의 자동차(FCEV) 연료로도 사용되고 있으나, 2018년 기준 수송용 수요 규모는 연간 0.01백만톤(MtH2)(=0.03Mtoe) 수준에 불과하였음.

(수소 생산과 CO

배출) 2018년 현재 세계 수소 생산에 따른 CO

배출 규모는 830백 만톤(MtCO

)에 달하고 있음.

- 2019년 말 기준 수소생산 목적으로 운영・개발 중인 CCS 프로젝트는 총 25개가 존재하며, 이중 9개의 프로젝트가 현재 가동 중이며, CO2 잠재 포집량은 최대 8.6백만톤(MtCO2)으로 추정되고 있음.

- 현재 운영 중인 CCS 기반 수소 생산 시설의 총 수소 생산 능력은 1일 약 4,140톤(tH2)으로 추정되고 있음. 이중 천연가스 개질(SMR) 방식을 통해 1일 최대 2,400톤, 석탄 가스화공정을 통해 1일 최대 1,740톤의 수소가 생산 가능할 것으로 추산되고 있음.

요약

(수소 생산・공급 능력 확대 전망) 세계 수소 생산・공급은 2018년 117백만톤(MtH

)에서 2030년까지 큰 변화를 보이지 않을 것이나, 2030년 이후부터 빠르게 증가할 것으로 전망되고 있음.

- 수소 생산・공급은 2030년까지 그레이 수소(천연가스 SMR, w/o CCUS) 기반으로 확충되다가, 2030년 이후 청정 수소(블루 수소 + 그린 수소) 생산 확대로 공급 구조가 변화할 것으로 보임.

- 세계 주요국의 수소 생산 확대 목표가 저탄소를 지향하기에 수소 공급 잠재력은 청정 수소(블루 수소 + 수전해 수소) 공급능력 확대를 통해 우선적으로 개발될 것이며, 특히 블루 수소 생산을 위한 CCUS역량 개발에 의존하게 될 것임.

- 블루 수소 공급은 2050년까지 세계 수소 수요의 24%를 충족시킬 것이며, 2070년에 공급 비중은 40%에 도달(210백만톤(MtH2) 공급) 할 것임.

- 세계 수전해 설비용량은 2020년 3.2GW에서 2030년까지 8.2GW까지 증가할 것으로 전망되고 있으며, 그린 수소 생산・공급은 2050년 이후에 본격화될 전망임.

- 2050년 이후 그레이 수소(천연가스-w/o CCUS, 부생 수소 등)는 수소 수급에서 극히 일부의 역할만을 할 것으로 전망되며, 세계 그린 수소의 생산 비중은 2070년까지 60%에 달하여, 블루 수소 비중 40%을 능가할 것으로 전망됨.

(수소의 에너지 특성과 역할 기대) 국제에너지기구(IEA)는 파리협약(2016)에서 설정한 온실가스 감축목표 달성을 위해서 청정에너지기술 개발・적용의 극적인 확장 필요성을 적시하였음.

- 수소는 2020년 현재 산업부문 원료로 사용되고 있는 한편, 수송・발전부문 연료, 가정・건물 부문 난방연료 등으로 이용범위가 확대되고 있음. 넓은 의미에서 수소는 세계 에너지시스템에서 현재 천연가스의 역할을 모두 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있음.

(수소이용 확대의 당위성) 수소가 미래 에너지시스템에서 필수적으로 역할을 할 수 있을 것으로 판단되는 근거는 다음과 같음.

- (에너지안보 제고) 지구상 거의 모든 지역에서 재생에너지 기반의 전력 생산능력은 그린 수소 생산으로 전환될 수 있기에, 수소는 에너지자원 빈곤국 일지라도 에너지 생산・공급 능력을 확보하는데 기여할 수 있음.

- (에너지 이동・비축 수단 확보) 수소는 재생에너지원이 풍부한 지역의 원격 및 전력망 비연계(off-grid) 위치에서 생산된 전력을 에너지 공급이 부족한 지역으로 이동될 수 있도록 하며, 대량으로 저장될 경우 에너지의 전략적 비축수단으로 역할 할 수 있음.

- (에너지전환의 점진적 경로) 수소는 에너지산업, 수송망(파이프라인), 냉・난방 설비, 발전설비(터빈), 제철산업 공정 등에서 천연가스 기반 인프라 대체에 요구되는 대규모 자본비용 회피를 가능하게 하는 장점을 보유하고 있음.

- (영역 결합 및 재생에너지 통합) 수소는 재생에너지를 유연하게 저장할 수 있는 저장시스템으로 사용 될 수 있으며, 재생에너지원 전력시스템의 간헐성 및 계절성 문제 해결에 기여할 것으로 기대되고 있음.

(해외 수소 생산・공급 잠재력 확대 및 대응) 세계적으로 수소 생산・공급 능력은 청정 수소(블루 수소 + 그린 수소) 중심으로 확대될 것으로 보이나, 향후 발전 속도는 CCUS 개발・적용과 수전해 설비확충 및 재생에너지 전원의 경제성 확보에 의해 결정될 것으로 보임.

- 세계 주요국이 수소의 역할을 강조하고 있는 이유는 수소의 탄소중립적 기능을 중시하고 있기 때문이며, 이에 향후 청정 수소 공급 능력은 CCUS기술 및 수전해 설비 확충 여부로 귀결될 것으로 보임.

- 세계 주요국의 청정 수소 개발계획은 CCUS 잠재력 개발, 재생에너지 전원의 경쟁력 확보 및 수전해 설비 비용경제성 확보 등을 주요 내용으로 하고 있으며, 동 부문에서 국제적 비교우위를 확보할 수 있는 국가들이 수소 생산・공급의 주도권을 확보할 것으로 판단되고 있음.

- 미국, 캐나다, 호주, 중동국가, 러시아 등 재생에너지 및 CCUS 잠재력을 보유하고 있는 국가들이 미래 수소 공급력에 우위를 확보할 수 있을 것으로 판단되고 있음.

- 상대적으로 우리나라와 같이 재생에너지 및 CCUS 잠재력에서 비교열위에 있는 국가들은 비교우위 잠재국들과 전략적 제휴를 통해 수소의 안정적 확보 노력을 경주해야 할 것으로 판단됨.

- 수소 생산・공급 능력 확충은 수소 공급목표의 국가정책 목표화에 더하여 개발, 이동・저장, 최종 수요지로의 수송에 이르는 전 분야의 역량발굴이 요구되기에 수소공급 잠재력을 보유한 국가와 협력활동을 전개하는 것이 필수적으로 요구되고 있음.

(정책 제안) 우리나라가 해외로부터 수소를 조기에 안정적으로 조달하기 위해서는 CCUS 잠재력과 풍부한 재생에너지 잠재력을 보유한 국가들과 체계적인 협력체제를 구축하여, 수소 생산・공급 프로젝트 개발을 추진해야 하겠음.

- 수소의 생산, 이동(육상), 저장, 변환(액화 등), 수송(해상)에 요구되는 기술・사업 영역의 특성과 포괄성 (Comprehensiveness)으로 인해, 재원조달(금융기관), 생산기술(에너지기업), 수송(해상수송 기업), 수소공급망(에너지공급망 기업) 등을 관장할 수 있는 경제활동 주체들이 컨소시엄 형태로 해외 수소 개발에 참여할 수 있도록 정책적 지원과 제도적 기반을 확충해야 하겠음.

01 개요

(세계 에너지・기후변화정책 방향) 세계 주요국은 탄소중립(Net Zero) 실현을 위해 에너지효율 증진(에너지 수요 감축)을 도모하는 한편, 에너지 공급부문에서 화석에너지에 크게 의존하는 기존 에너지시스템의 청정에너지 전환을 추진하고 있음.

- (정책 기조) 에너지시스템의 전환은 기존 화석에너지 시스템이 가지는 구조적 한계(기후변화 초래)를 극복하기 위해 대체 에너지원(재생에너지 및 수소 등) 공급・확대를 통해 추진되고 있음.

- (전력화 확대 및 전원 청정화) 세계 주요국은 전력의 최종에너지 분담률 제고를 위하여 전력 공급 역량(설비 및 발전) 확충을 도모하는 한편, 저탄소 전원(재생에너지 전원 등)을 확대하고, 온실가스 (CO2 등)의 대기 방출이 원천적으로 차단(CCS)될 수 있도록 발전부문의 기술・구조(탄소 多배출 발전 기술 및 전원 비중)를 개선하고 있음.

- (산업부문 에너지전환) 또한 산업부문의 화석에너지 소비 및 에너지 투입(feedstocks) 구조를 전환 하여, 산업부문의 CO2배출 구조를 원천적으로 개선하고자 하고 있음.

- (수송부문 연료전환) 화석연료에 절대적으로 의존하고 있는 수송부문의 연료전환을 위해서 수송 수단(Mobility)의 청정화(수송 에너지의 전력화 및 수소화 등)를 위한 다각적인 정책(연비기준 강화, 화석연료 자동차 판매금지; 전기 및 수소연료전지 자동차 보급 확대 등)을 시행하고 있음.

(수소 생산・공급 분석 배경) 세계 주요국은 기존의 화석에너지 의존에서 탈피할 수 있는 새로운 중요한 대안으로 수소경제

촉진을 도모하고 있음.

- (수소의 역할) 수소의 물질적・기술적 전환 특성(G2P, P2G, G2L 등)²⁾이 이상적으로 활용될 시, 수소는 에너지부문(발전, 수송, 산업공정 원료물질 등) 전 영역에서 중추적인 에너지매체(Energy Carrier)로 역할 할 수 있을 것으로 평가되고 있음.

- (수소 생산・공급 능력) 수소의 다양한 활용 가능성에도 불구하고, 세계적으로 수소를 대량으로 생산・

공급할 수 있는 기술・제도・시장 여건의 발전은 매우 초보적인 단계에 있음.

 기후변화 대응을 주도하는 선도국들 중심으로 수소 생산・공급 능력이 확충되고 있으나, 2020년 현재 기준, 세계적으로 수소의 생산・공급 능력에 대한 표준적・정량적 수급지표 조차도 정비되지 못하고 있는 것으로 판단되고 있음.³⁾

1) 수소경제는 수소가 에너지로서 중추적인 역할을 담당하는 에너지・경제 시스템을 의미함.

2) G2P(Gas-to-Power; 기체 에너지의 전력화, ex; 수소의 전력화), P2G(Power-to-Gas; 전력의 기체화, ex; 전력의 수소화), G2L(Gas- to-Liquid; 기체 에너지의 액상화, ex: 수소 등 합성가스의 액화) 등을 의미함.

- (분석 목표) 이에 본 이슈 페이퍼는 2020년 현재 기준, 전 세계 수소 생산・공급 규모와 수급 구조를 분석하여, 세계 에너지 수급에서 수소의 역할을 살펴보는 한편, 현재 세계 각국이 추진하는 수소경제 촉진 구상에 따른 수소 생산・공급 잠재력 확대 규모를 점검하는 것을 목표로 하고 있음.

3) 세계 주요국의 수소 생산능력 점검을 위해 다각적인 문헌조사 결과, IEA 자료(IEA, 2019)가 포괄적인 개요를 제시하고 있으나, 주요 수소 생산 국가들은 자국의 표준적인 수소 수급지표 조차 생성하지 않는 것으로 파악되고 있음. 이에 본 보고서는 세계 주요국별 수소경제 추진전략 및 주요 연구기관의 시장분석 자료를 종합하여, 세계 수소 생산원별 정량지표 내역을 점검하고자 함.

세계 수소 수급 현황

02

(총 수소 생산: 개질 수소 + 부생 수소 등) 2018년 기준, 전 세계 수소 생산 총 규모는 117백만톤(MtH

)에 달하고 있으며, 주로 화석에너지원에서 추출되거나, 물리・화학적 분해를 통해 생산・공급되고 있음.

- (수소 생산) 수소는 천연가스 개질(SMR) 및 석탄 가스화공정(Coal Gasification)이나⁴⁾, 석유 정제・

화학 공정의 부산물로 주로 생산되고 있으며, 수전해를 통한 수소 생산은 매우 미미한 수준에 불과 하였음.

- (수소 생산: 부생 수소 제외) 2018년 기준, 전 세계 수소 생산⁵⁾은 69백만톤(MtH2)에 달하고 있으며, 주로 화석에너지원에서 추출되거나, 물리・화학적 분해를 통해 생산되고 있음.

 (수소 생산 투입 에너지) 수소 생산의 주종 에너지원은 화석에너지(석탄, 천연가스, 석유 등)⁶⁾가 주종을 이루며, 화석에너지와 바이오매스 혼합물, 또는 수전해 방식을 통해서도 생산되고 있음.

* 수소 생산에 투입된 에너지 규모는 275백만TOE(2018년)에 달하고 있으며, 이는 세계 1차에너지 소비의 2%에 상당하는 규모임.

4) 천연가스 개질에는 SMR(Steam Methane Reforming; 증기메탄개질) 기술이 2020년 현재 가장 저렴한 수소 생산 방법으로 정착되어 활용되고 있음. SMR을 통해 천연가스(CH₄)에서 H2와 CO 또는 CO2를 분리하게 되며, CCS를 적용할 경우, 화석연료 기반의 청정 수소 (Blue Hydrogen)로 전환할 수 있음. 천연가스 개질기술에는 자열식(ATR; autothermal reforming), 수첨해(using water as an oxidant and a source of hydrogen), 산화법(partial oxidation: using oxygen in the air as the oxidant) 등이 있음. ATR은 화석에너지(천연가 스 등 탄화수소)원에서 수소를 추출하기 위해 개발된 기법으로, 원료물질에 산소와 증기를 공급하여 탄화수소 일부를 산화시킨 후, 촉매 개질을 거쳐 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 구성된 합성가스를 생산하고, 이후 합성가스에서 CO 및 CO2를 분리하여 순수 수소 를 생산하는 방식임.

5) IEA는 수소의 생산 경로를 2가지로 설정하고 있으며, 수소 생산(Dedicated Production)은 당초 수소 생산을 목적으로 수소 생산공정 (천연가스 개질, 석탄 가스화, 바이오매스 수소 및 수전해 등)을 통해 생산된 수소를 의미하며, 산업공정에서 부수적으로 생산된 수소 는 부생 수소(Byproduct Hydrogen)로 구분하고 있음. 본 이슈 페이퍼에서는 수소의 생산량을 수소 생산(Dedicated Production)과 부 생 수소(Byproduct Hydrogen)의 합계로 산정함.

6) 수소는 물질 특성상 자연상태에 독립적으로 존재하지 않으며, 주로 메탄(CH₄)과 물(H2O)의 형태로 결합하여 존재하기에 수소를 분 리・추출하는 기술을 적용하여 생산되고 있음.

[그림 1] 세계 수소 수급 구조(2018, IEA)

주: 1) 순수 수소(Pure Hydrogen)는 화학, 금속, 전자, 유리 산업 등에서 사용되는 수소를 포함.

2) 합성가스(CO 등) 수소는 제철산업의 열생산 공정에서 발생되는 혼합가스를 포함.

3) 재생에너지 기반 수소 생산 비중은 세계 발전부문의 재생에너지 전력에 기초하여 추산

4) 수소 생산(w/CCUS) 비중은 현재 구축된 설비(existing installations with permanent geological storage)에 85% 이용률을 적용 하여 산정

자료: IEA(2019), The Future of Hydrogen-Sezing Today's Opportunities, p. 32.

<표 1> 세계 수소 수급 구조(2018년)

수소 생산(Mtoe, MtH2) 수소 전환(MtH2) 수소 수요(MtH2)

계획 생산

천연가스

Mtoe

196 69

(=193.2Mtoe) (70.25%)

* (CCUS<0.4)

* (RE<0.1)

* 전환손실¹⁾: 29.75%

38 석유정제

순수 수소

석탄 75 31 암모니아

석유 2 0.01 수송

전력・기타 2 4 기타⁴⁾

총계 275 12 메탄올

수소/

부산물 합성가스

부생수소

MtH2

48

48

4 DRI³⁾

(-RE)²⁾ 0.3 26 기타⁴⁾

총 공급 117 115.01 총 수요

주: 1) 전환손실은 화석에너지・전력을 수소로 전환하는 과정에서 발생된 에너지 손실 비율을 의미함.

2) 부산물의 부생 수소 중 재생에너지(RE)는 바이오매스원 수소 생산량을 의미함.

3) DRI(Direct Reduced Iron)는 철강산업의 직접환원 공정을 나타냄.

4) 특정되지 않은 부문의 특성별 수소 수요를 의미함.

자료: IEA(2019), The Future of Hydrogen-Sezing Today's Opportunities에 기초하여 재구성

가. 생산원별 수소 생산 및 기술

천연가스 개질(SMR)

- (천연가스 투입) 2018년 수소 생산에 투입된 천연가스 규모는 205bcm(세계 천연가스 소비: 6%)에 달하였으며, 수소 생산에서 개질 수소의 비중은 76%에 달하였음.⁸⁾

 미국, 유럽국가 등 세계 주요 국가의 수소 생산은 천연가스 개질(SMR・ATR 등)을 통해 이루어지고, 특히, 천연가스 공급여건이 좋은 국가들이 높은 생산 역량을 보유하고 있음.

* 2020년 현재, 미국은 10백만톤(MtH2)(1차에너지 소비의 1%)⁹⁾ 규모의 수소를 생산하며(기존 천연가스 인프라 활용), 대규모 중앙집중식 천연가스 개질(SMR) 설비를 통해 수소의 95%를 생산하고 있음.

- (생산기술) 천연가스 개질(SMR)¹⁰⁾은 가장 일반적인 수소 생산방식으로 세계적으로 경제성과 대규모 수소 생산 기반에 적합한 기술로 평가되고 있음.

- (주요 활용부문) 개질 수소는 석유 정제・화학 산업의 중간원료(feedstocks)로 사용되어 주로 암모니아 (Ammonia) 및 메탄(Methane)으로 전환되었음.

석탄 가스화(Coal Gasification)

- (생산 규모) 2018년 기준 석탄 가스화공정을 통한 수소 생산 비중은 23%에 달하였으며, 투입된 석탄 규모는 세계 석탄 소비의 2%를 차지하였음.

- (생산 기술) 석탄 가스화공정은 석탄에서 합성가스를 추출, 고순도 수소로 전환하는 과정을 통해서 수소를 생산하는 방식임.

 석탄 가스화공정을 통한 수소 생산은 특히 갈탄의 가스화를 통해 이루어지며, 석탄가스화복합화력 발전(IGCC: Integrated Coal Gasifier Combined Cycle: IGCC) 기술이 활용되고 있음¹¹⁾.

* IGCC기술은 석탄을 고압・고온 상태에서 산소와 융합함으로서 합성가스(Synthesis Gas: Syngas)를 생산¹²⁾하고, 가스 정제공정을 거쳐 합성가스에서 수소를 추출하는 기술임.

부생 수소(Byproduct Hydrogen)

- (생산 규모) 2018년 부생 수소 생산은 48백만톤(MtH2) 수준(세계 수소 수요의 1/3 규모)으로 산업 공정에서 발생한 혼합가스에서 분리・추출되었음.¹³⁾

7) International Gas Union(IGU)(2020), Global Gas Report 2020, pp.49~65.

8) 수소 생산은 천연가스 개질(SMR)과 석탄 가스화공정(Coal Gasification), 수전해(Electrolysis) 생산량을 총량으로 하고, 이를 기준으로 생산 비중을 산정하였음. 부생 수소 생산량을 포함하고 있지 않음을 유의.

9) U.S. Department of Energy(2019), Hydrogen and Fuel Cells Program Record 19002. Current Hydrogen Market Size: Domestic and Global.

10) 천연가스 개질(SMR) 공정에서 일반적으로 천연가스 투입의 30-40%는 공정의 연료로서 CO2의 희석(CO2 diluting)에 소비되며, 결과로서 수소 생산과 농축(Concentrated) CO2가 배출됨.

11) 일본이 호주와 추진하고 있는 HESC 프로젝트는 호주의 갈탄에서 가스화공정을 통해 수소를 생산하고, 이를 액화하여 일본으로 수송하는 구조로 설계되었음.

12) 합성가스(Syngas)의 주성분은 수소(H2)와 일산화탄소(CO: carbon monoxide)이며, CO는 증기와 반응하여 이산화탄소(CO2: carbon dioxide)와 수소로 분리됨.

13) 부생 수소는 산업공정에서 부수적으로 수반되어 발생하는 합성가스를 고순도화하여 생산하기에 수소 생산량 산정 시, 부생 수소를 별도로 계상하는 한편, 부생 수소 생산을 위한 에너지 투입을 별도로 고려하지 않고 있음. 세계 전용 수소 생산은 천연가스 개질

- (생산 기술) 석유 정제・화학, 철강 등 산업 공정에서 발생하는 부산물 합성가스(Synthesis Gas)에서 탈수(Dehydrating) 및 고순도 공정을 거쳐 수소를 추출하는 방식임.

 부생 수소는 석유 정제・화학・제철 산업기반을 보유한 국가에서 생산되었고, 생산 규모는 해당 산업의 설비 규모에 의존하며, 수요가 존재할 경우에 한하여 부수적으로 생산 규모가 결정되는 특성을 보유하고 있음.

* 부생 수소의 수요가 충분하지 못할 경우, 산업공정에서 발생한 합성가스(Synthesis Gas)는 고순도 수소로 전환 되지 않고 기타 석유제품 및 석유화학 제품 생산에 투입되는 특성을 가짐.

청정 수소(Clean Hydrogen)

- (생산 규모) 2018년 현재 기준, 청정 수소(블루 수소 및 그린 수소)의 생산 비중은 0.7% 미만에 불과한 수준임.¹⁴⁾

 (블루 수소) 생산능력은 매우 제한적이며, 이는 천연가스 공급 여건(가격 및 수송망)을 보유하고, 동시에 CCS기반을 충족하면서 수소를 생산할 수 있어야 하기 때문임.

 2018년 현재 기준, 수소 생산에서 발생하는 CO2 규모는 830백만톤(MtCO2)¹⁵⁾에 달하며, 수소 생산의 98% 이상이 CCS기술 적용 없이 이루어지고 있음.¹⁶⁾

- (청정 수소 생산기술) 생산기술은 수소 생산과정에서 CO2가 발생하지 않도록 천연가스 SMR 공정과 CCS기술이 결합되었거나¹⁷⁾, 저탄소 수소 에너지원(바이오에너지) 또는 재생에너지 전원 기반의 수전해에 의한 생산방식을 의미함.

수전해(Water Electrolysis)

- (생산 규모) 2018년 현재 기준, 전 세계 수전해 수소 생산 비중은 0.1% 미만에 불과하였음.¹⁸⁾

 수전해 수소 생산 규모가 매우 미미한 수준(0.1% 미만)에 불과한 것은 수전해 공정의 높은 전력 비용으로 인하여 경제성이 충족되지 못하기 때문임.

- (수전해 기술)¹⁹⁾ 수전해 기술은 물에서 전기・화학적 변환을 통해 수소와 산소를 분리하는 방식이며, 특히, 재생에너지원 전력을 이용하여 수전해를 통해 생산된 수소는 생산・소비 과정에서 CO2를 유발 하지 않기에 그린 수소(Green Hydrogen) 기술로 명명되고 있음.

- (수전해 생산설비 능력) 2018년 현재, 세계 수전해 설비 규모는 1.3GW 규모이며, 단위 프로젝트의 일반적 규모는 2~3MW 수준이었음.

* 2018년 수소 생산량 규모(69백만톤(MtH2))를 수전해 방식으로 생산할 경우, 전력수요 규모는 3,600TWh(EU 총 발전량 규모)에 해당함.

(SMR)을 통해 76%, 나머지는 석탄 가스화 공정 및 수전해 수소(생산 비중은 0.1% 수준에 불과함)로 이루어졌음.

14) Global CCS Institute(2020), Global Status of CCS 2020; IEA(2019), The Future of Hydrogen-Sezing Today's Opportunities 15) 2018년 수소 생산(69MtH2)과정에서 배출된 CO2배출량(830백만톤(MtCO2)을 의미함.

16) IEA(2019), The Future of Hydrogen-Sezing Today's Opportunities

17) 블루 수소(Blue Hydrogen)는 천연가스 개질(SMR) 과정에 CCS기술을 적용함으로서 CO2배출이 차단된 수소로서 청정 수소(Clean Hydrogen)로 분류되고 있음.

18) IEA(2020), Energy Technology Perspective

19) 수전해 방식은 천연가스 개질 수소 생산이 본격화되기 전, 1920년대부터 1960년대까지 화학비료 생산을 위해 개발(특히, 알칼리성 전기분해 방식)되었음.

* 수전해에 요구되는 물 수요는 617백만M³ 규모(전 세계 에너지 생산부문의 물 소비량의 1.3% 해당)에 달하며, 수전해 공정은 천연가스 개질(SMR)에 의한 생산 시 보다 2배의 물 소요량이 요구됨.

[그림 2] 세계 수전해 생산 설비 규모(10MW 이상급 프로젝트: 2019년 7월 기준)

주: 응용 분야 범주에서 건물은 실내 온수난방을 의미. 산업 부문은 석유화학 제품과 기초 재료 생산을 포함.

자료: BloombergNEF・IEA(2019).

 2019년 중반 현재 발표된 21개의 수전해 프로젝트의 경우, 단위 프로젝트 규모는 10MW 이상에도 도달하였으며, 총 용량은 3GW로 증가하였음.

* 수전해 생산 설비 규모는 2019년 연말까지 1.7GW²⁰⁾ 증가한 것으로 추정되었음.

 2020년 현재 EU 국가들에서 수전해 시스템 생산 및 공급망 구축에 참여하는 기업은 약 280社에 달하고 있음.

암모니아(Ammonia) 생산

- 2019년 현재, 세계 암모니아 생산 규모는 142백만톤(MtAm)에 달하였음. 암모니아는 수소로 전환될 수 있는 물질로 수소 생산 능력을 암시적으로 대표하고 있으며, 일반적으로 석유 정제・화학 산업 역량을 보유하고, 수요(비료 등)가 많은 국가에서 생산・공급되고 있음.

 2019년 중국의 암모니아 생산은 38백만톤(MtAm) 규모로 전 세계 생산 비중이 26.8%에 달하였 으며, 중국, 러시아, 인도, 미국 4개 국가의 생산 비중은 55.4%에 이르렀음.

 중동 산유국으로 대표되는 사우디아라비아, 이란 및 오만 3국의 암모니아 생산 비중은 4% 내외에 불과하고, 우리나라의 암모니아 생산량은 별도로 계상되지 않을 정도로 소규모에 해당하는 점이 주목되고 있음.

- 전 세계 암모니아 생산 규모는 2015년 141백만톤(MtAm) 규모에서 2020년(추정) 144백만톤 (MtAm) 규모로 소폭 증가에 그쳤으며, 이는 암모니아 수요가 기존의 전통적인 수요 구조(비료제조용 및 화학산업 원료)에서 변화하지 않고 있음을 반증하고 있음.

20) IEA(2020), Energy Technology Perspectives, p.141.

21) 암모니아 생산능력은 향후 수소의 대량 수송망이 암모니아 중심으로 전환될 경우, 암모니아에 기반한 수소 공급망이 구축될 수 있기에 암모니아 생산・공급 잠재력을 점검하는 이유가 되고 있음.

<표 2> 세계 암모니아(Ammonia) 생산(2015-2020)

(단위: 천톤/Am)

2015 2016 2017 2018 2019 2020(추정)

중국 46,000 46,000 43,600 41,000 38,000 38,000

러시아 12,000 12,500 14,000 14,900 15,000 15,000

미국 9,590 10,200 11,600 13,100 13,500 14,000

인도 10,800 10,800 10,800 11,400 12,200 13,000

인도네시아 5,000 5,000 5,000 5,000 5,000 5,000

이집트 2,200 1,800 2,800 3,700 4,200 4,500

트리니다드 토바코 4,700 4,910 4,140 4,000 4,480 4,300

사우디아라비아 4,100 4,100 3,820 4,000 4,000 4,000

캐나다 4,000 4,140 3,750 3,830 3,940 3,900

이란 2,500 2,640 2,640 3,400 3,500 3,500

카타르 3,050 3,050 3,220 3,100 3,150 3,200

파키스탄 2,700 2,600 3,300 3,100 3,100 3,100

독일 2,500 2,500 2,500 2,600 2,420 2,400

알제리 1,000 1,130 2,100 1,600 2,200 2,200

네덜란드 1,800 2,300 2,300 2,400 2,200 2,200

폴란드 2,100 2,200 2,340 2,170 2,200 2,200

오만 1,700 1,700 1,700 1,700 1,700 1,700

호주 1,300 1,300 1,300 1,300 1,300 1,300

우즈베키스탄 1,200 1,200 1,100 1,200 1,100 1,100

기타 국가 23,060 24,220 19,560 20,570 19,000 19,600

세계 총 생산 141,000 144,000 142,000 144,000 142,000 144,000 자료: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries_Nitrogen(Fixed)-Ammonia

URL: https://www.usgs.gov/centers/nmic/nitrogen-statistics-and-information

나. 세계 수소 이용 구조

수요 측면에서 수소는 순 수소(Pure Hydrogen)

의 형태와 수소 혼합가스(Hydrogen mixed with other gas) 형태로 활용되고 있음.

- (총 수소 수요) 전 세계 순 수소(Pure Hydrogen) 수요 규모는 72백만톤(MtH2) 수준인 반면, 수소 합성가스(일산화탄소 및 기타 합성가스 포함)를 포함한 총 수소 수요 규모는 115백만톤(Mt)/년에 달하고 있음(IEA, 2019).²³⁾

 2018년 세계 총 수소 수요에서 순 수소(Pure Hydrogen) 비중은 76%에 달하고 있으며, 정제산업에 31%, 암모니아 생산 30%, 제철(coke/iron) 공정에 10%가 소요되었음.²⁴⁾

22) 순 수소(Pure Hydrogen)는 석유제품 및 암모니아(Ammonia) 생산을 위한 원료물질(feedstock)로 활용되기도 하며, 수송 부문 연료 전지자동차(FCEV)의 연료, 발전 부문의 연료전지용으로 사용되기도 함.

23) IEA(2019), The Future of Hydrogen-Sezing Today's Opportunities

- (합성 수소) 수소 합성가스 형태로 소비된 수소는 전체 중 24%에 해당하며, 주로 석유화학제품(메탄 올 및 에틸렌 등) 생산에 투입되었음.

[그림 3] 수소 생산(에너지원별) 및 소비(최종 용도별) 구조(2018년)

주: 계획 생산(Deliberate Production)은 수소 생산을 위한 에너지원 투입을 의미. 부생 수소(Byproduct)의 경우, 수소 생산산업(공정)을 의미함.

자료: IGU(2020), Global Gas Report 2020, p. 52.

- (수송 연료) 수소는 자동차(FCEV) 연료로 사용되고 있으며, 수요 규모는 연간 0.01백만톤(MtH2) (=0.03Mtoe)에 불과하였음.²⁵⁾

 수송용 수소는 주로 연료전지자동차(FCEV)에서 전기・화학적 전환을 통해 사용되기에 높은 순도 (Pure Hydrogen)가 요구됨.

24) 전 세계 수소 수요 규모는 자료에 따라 다소 차이(IEA(2020): 115백만톤(MtH2), IGU(2020); 105백만톤(MtH2))가 발생하고 있음. 본 절에서 설명하고 있는 소비구조는 총 소비 규모를 105백만톤(MtH2)으로 설정(IGU 2020)하고 분석하고 있음.

25) IEA(2019), The Future of Hydrogen-Sezing Today's Opportunities

세계 수소 생산發 CO ₂ 배출 및 처리(CCS)

03

(수소 생산과 CO

배출) 2018년 현재 세계 수소 생산에 따른 CO

배출 규모는 830백 만톤(MtCO

)에 달하고 있음.

* 수소 생산發 CO2배출 규모(2018년 기준)는 인도네시아와 영국이 배출한 CO2 배출량 합계에 해당함.

- (CO2 배출 구조) 세계 수소 생산은 주로 화석에너지(석탄, 석유・천연가스 등)에 기반하고 있기에, CO2배출이 필연적으로 수반되고 있음.

 수소 생산에 따른 CO2배출(tCO2/tH2)²⁶⁾은 화석에너지의 탄소집약도(tCO2/tEnergy²⁷⁾)에 의해 주 로 결정됨.

- (CO2 집약도) 수소 생산의 CO2 집약도(tCO2/tH2)는 화석에너지원에 따라 다음과 같이 차이가 있음.

* 수소생산 탄소배출 집약도(tCO2/tH2)는 천연가스 개질 수소가 10tCO2/tH2, 석유12tCO2/tH2, 석탄 19tCO2/tH2

등으로 분류됨.²⁸⁾

(세계 CCS 프로젝트 추진현황) 2019년 말 기준 전 세계적으로 운영 및 계획 중인 CCS 프로젝트는 137개 정도로 추산되며

, 이 중 현재 운영(상업운전 및 실증) 중인 프로젝트는 59개에 이르고 있음.

- CCS 프로젝트는 미주 지역에 가장 많이 가동되고 있으며, 아시아, 유럽, 중동 지역 국가에서도 일부 추진되고 있음.

 국가별로는 미국 21개, 캐나다 8개, 중국 9개, 호주 4개, 일본 3개, 영국 2개, 크로아티아 2개, 노르웨이 3개 프로젝트 외 브라질, 아이슬란드, 카타르, 사우디아라비아, 아랍에미리트, 스페인, 스웨덴에서 각각 1개의 CCS 프로젝트가 운영 중임.

26) CO2배출 집약도(tCO2/tH2)의 의미는 특정 에너지원을 기반으로 1톤의 수소(단위 톤)를 생산하는 과정에서 발생되는 CO2(단위 톤)를 의미함.

27) Energy는 수소 생산에 투입되는 석탄, 석유, 천연가스 등을 의미함.

28) IEA(2019), The Future of Hydrogen-Seizing Today's Opportunities

29) 본 보고서에서는 Global CCS Institute의 Co2re Database에 등록된 CCS 프로젝트 설비(2019년 10월 기준) 목록과 IOGP(2020)의 Global CCUS Projects에 소개된 프로젝트 목록을 비교하여, 최종적으로 137건의 CCS 프로젝트를 파악하였음. 137개 프로젝트는 상업용으로 가동되는 프로젝트와 실증 프로젝트를 모두 포함하고 있으며, 그 중 운영시기(예정) 및 잠재 이산화탄소 포집량을 확인 할 수 있는 프로젝트는 총 110개로 확인되었음.

30) 59개 프로젝트 중 잠재 이산화탄소 포집량이 확인되는 프로젝트는 총 49개로 파악됨.

[그림 4] 세계 CCS 설비용량(추진 단계별) 변화(2010-2020)

주: 현재 운영되지 않는 설비는 제외됨.

자료: Global CCS Institute(2020), Global Status of CCS 2020, p. 17.

[그림 5] 세계 CCS 프로젝트 추진(권역별 연도별) 전망(개)

주: 프로젝트 수는 현재 등록 및 파악된 137개 프로젝트 중 목표 시기가 명시된 프로젝트 128건에 대해서만 집계하였고, 2019년 현재 기준 운영 중인 59개 프로젝트에 2020년부터 운영 예정인 프로젝트의 수를 합산하여 막대그래프로 나타냄.

자료: Global CCS Institute(2021), Co2Re Database, https://co2re.co/FacilityData ; IOGP(2020), Global CCUS Projects를 기초로 작성함.

- 현재 가동 중인 59개의 CCS 프로젝트는 2019년 기준 연간 40백만톤(MtCO2)³¹⁾ 이상의 CO2 포집이 가능하며, 2020년대 초반까지는 주로 CO2 포집(Carbon Capture) 중심으로 가동될 것으로 보임.

- 2023년 이후부터 세계 각국에서 CCS가 확대될 전망이며, 개발 단계인 프로젝트들이 예정대로 운영 된다면, 2030년에는 166백만톤(MtCO2)³²⁾ 이상의 CO2 포집 능력을 갖출 것으로 전망되고 있음.

 특히, 유럽 및 아시아・테평양 국가의 CCS 프로젝트 확대는 전 세계 CO2 포집량 증가에 크게 기여 할 것으로 전망되고 있음.

[그림 6] 세계 권역별 CCS 프로젝트 기반 잠재 CO₂포집량 전망

주: 1) 이산화탄소 포집량은 현재 파악된 137개 프로젝트 중 목표 시기 및 잠재 포집량이 명시된 프로젝트 110건에 대해서만 집계한 수치여서 실제 운영 예정 프로젝트의 총 잠재 포집량 보다 낮게 추산됨.

2) 이산화탄소 포집량은 보수적 기준으로 집계되었음. 즉, 잠재 포집량은 프로젝트 설명자료에 명시된 수치의 최소값으로, 운영 목표 시점은 가장 늦은 연도를 기준으로 집계함. 목표 연도가 정확히 언급되어있지 않고 2020년대 초・중・후반으로 설명된 경우, 각각 2023년, 2026년, 2029년을 목표 운영 시점으로 간주하고 집계함. 또한, 단계적으로 포집량을 늘려가는 프로젝트의 경우 연도별 포집능력 증가 정도를 반영함.

자료: Global CCS Institute(2021), Co2Re Database, https://co2re.co/FacilityData; IOGP(2020), Global CCUS Projects를 기초로 작성함.

- 독립된 CCS 설비 외 포집・운송・저장의 연계성을 높이기 위한 CCS 허브 및 클러스터도 개발・운영되고 있음.

 CCS 클러스터³³⁾는 일반산업 클러스터(상호 연관된 산업의 지역적 통합)와 유사한 개념으로, 지리적으로 인접한 집약적 배출시설(에너지산업 및 발전설비 등)의 운영 효율성 제고를 위하여 CCS 프로젝트를 상호 결합한 것을 의미함.

31) 포집 가능 CO2량이 확인된 49개의 프로젝트에 대해서만 집계한 수치임.

32) 프로젝트 완료 시기 및 잠재 CO2 포집량이 명시된 110개의 프로젝트 중 2030년에 가동 가능한 109개의 CCS 프로젝트의 CO2 포집 능력을 합산한 수치임.

33) CCS 클러스터는 ‘포집 클러스터’ 혹은 ‘저장 클러스터’로 구분되어 형성될 수 있으며, CCS 허브가 CO2포집 설비(클러스터)와 저장 자원(클러스터)간의 조합(Matching)을 용이하게 하여 CCS의 잠재력을 증대시킬 것으로 기대되고 있음.

 CCS 허브는 CCS 클러스터에서 포집되는 CO2를 단일 집중지역으로 수집하고, 저장 클러스터로 분배하는 역할을 수행함.

 CCS 허브 및 클러스터 네트워크는 CCS 가치사슬(CO2 공급원, 포집, 운송, 주입, 저장 기술 등)에 따라 다양한 클러스터들이 결합하는 형태로 발전할 것으로 분석되고 있음.³⁴⁾

[그림 7] 운영・개발 중인 CCS 허브 및 클러스터 현황

자료: Global CCS Institute(2020), Global Status of CCS 2020, p. 23.

(수소 생산 목적 CCS 프로젝트 추진현황) 2019년 말 기준 운영 및 개발 중인 수소 생산 목적으로 등록된 CCS 프로젝트는 총 25개로, 9개

의 프로젝트가 현재 가동 중임.

- 수소 생산 목적의 CCS 프로젝트(9개)에서 발생하는 CO2 잠재 포집량은 최대 8.6백만톤(MtCO2)으로 추정되고 있음. 포집된 CO2는 파이프라인을 통해 지질학적 저장시설에 저장되거나, EOR(Enhanced Oil Recovery: 석유회수증진) 공정에 이용되고 있음.

- (미국) Great Plains Synfuel CCS 프로젝트³⁶⁾는 2000년부터 사전연소(Pre-combustion) 방식³⁷⁾으로 CO2를 포집하여 왔으며, 3백만톤(MtCO2/년) 규모의 CO2포집 설비를 갖추고 있음.

 포집된 CO2는 캐나다 서스캐처원(Saskatchewan州) Weyburn유전³⁸⁾ 및 Midale유전³⁹⁾으로 파이프

34) Global CCS Institute(2016), Global Status of CCS: Special Report: Understanding Industrial CCS Hubs and Clusters.

35) 9개의 프로젝트 중 일본의 Tomakomai CCS 실증 프로젝트의 경우 2019년 완료됨.

36) 동 프로젝트는 미국 Dakota Gasification Company(노스다코다州 소재)가 운영하는 세계 최대 수소 생산 프로젝트로 1988년부터 수소를 생산해왔으며, 갈탄의 가스화공정을 통해 하루 최대 1,300톤의 수소를 생산하고 있음.

37) 사전연소(Pre-combustion) 방식은 화석연료(석유, 석탄 등)에 포함된 탄소 성분을 연소 전에 사전 제거하는 기술임. 반대로 화석 연료를 연소할 때 발생하는 가스에서 CO2를 흡수제・흡착제를 통해 포집하는 방식은 사후연소(Post-combustion)기술에 해당함.

38) Weyburn유전은 캐나다 석유・가스 개발회사(Cenovus Energy社)가 운영하고 있음.

라인(총 연장: 320km)을 경유하여 운반되었음.

 동 프로젝트를 통해 처리(운반, 매장, EOR 투입)된 총 누적 CO2 규모는 2019년까지 380백톤 (MtCO2)에 이르고 있음.⁴⁰⁾⁴¹⁾

- 미국 Air-Products CCS 프로젝트⁴²⁾는 천연가스 SMR을 통해 최대 500톤(/일)의 수소를 생산하고 있으며, 연간 최대 1백만톤(MtCO2)의 CO2를 포집할 수 있음.

 동 프로젝트는 가동이 시작된 2013년부터 2020년 4월까지 누적 총 6백만톤(Mt)의 CO2를 포집・

저장하였음.

- (캐나다) 캐나다의 Quest CCS 프로젝트는 2015년부터 가동을 시작하였으며, 하루 최대 900톤의 수소를 생산하고, 최대 1백만톤(MtCO2/년)의 CO2포집 설비를 갖추고 있음.

 2020년 7월까지 누적 5백만톤(MtCO2)의 CO2를 포집하여 지질학적 저장을 수행하였음.⁴³⁾

현재 운영 중인 CCS 기반 수소 생산 시설의 총 수소 생산 능력은 1일 약 4,140톤 (tH

)

으로 추산됨.

- 천연가스 개질(SMR) 방식을 통해 1일 최대 2,400톤, 석탄 가스화공정을 통해 1일 최대 1,740톤의 수소가 생산 가능할 것으로 추산되고 있음.

 생산 수소는 비료 생산 및 합성 연료 생산에 주로 이용됨.

<표 3> 세계 CCS 기반 수소 생산 설비 규모 현황(운영)

국가 프로젝트명 수소 생산

용량(톤/일) 수소 생산 방식 수소 이용 CO2 포집량

(백만 톤/년)

운영시작 시기

미국 Enid Fertiliser 200 Methan Reformation 비료 생산 0.7 1982

미국 Great Plains Synfuel 1,300 Coal Gasification 합성가스 생산 3 2000

미국 Air products 500 Methan Reformation 정유 1 2013

미국 Coffeyville 200 Petroleum coke Gasification 비료 생산 1 2013

미국 PCS Nitrogen¹⁾ N/A Methan Reformation 비료 생산 0.2 2013

캐나다 Quest 900 Methan Reformation 합성 오일 생산 1 2015

캐나다 ACTL-sturgeon 240 Asphaltene residue

Gasification 합성 오일 생산 1.3 2020

캐나다 ACTL-Nutrien 800 Methan Reformation 비료 생산 0.3 2020

계 4,140 계 8.5

주: PCS Nitrogen Project는 Blue Hydrogen (Global CCS Institute, 2021)의 생산설비 목록에는 포함되지 않았으나, IEA Hydrogen Project Database에 등록되어 있어, 블루 수소 생산 가능 시설로 간주함. PCS Nitrogen의 일일 최대 수소 생산량은 제시되지 않고 있음.

자료: Global CCS Institute(2021), Blue Hydrogen.; Global CCS Institute(2021), Co2re Database, https://co2re.co/FacilityData.; IEA (2020), Hydrogen Projects Database, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/hydrogen-projects-database의 자료를 기초로 작성함.

39) Midale유전은 캐나다 석유・가스 개발회사(Apache Energy社)가 운영하고 있음.

40) Petroleum Technology Research Center(2015), International Energy Agency(IEA) Greenhouse Gas(GHG) Weyburn-Midale CO2

Monitoring and Storage Project Final Technical Report.

41) Global CCS Institute(2019), Global Status of CCS 2019

42) 미국 텍사스州 소재 Valero Energy Refinery에 구축된 CCS 프로젝트.

43) Global CCS Institute(2020), Global Status of CCS 2020 44) 미국 PCS Nitrogen의 수소 생산량은 파악 불가하여 포함하지 않음.

수소 생산·공급 잠재력

04

가. 수소 생산・공급 전망

세계 수소 생산・공급은 2018년 117백만톤(MtH

)에서 2030년까지 큰 변화를 보이지 않을 것이나, 2030년 이후부터 빠르게 증가할 것으로 전망되고 있음.

- 수소 생산・공급은 2030년까지 그레이 수소(천연가스 SMR, w/o CCUS) 기반으로 확충되다가, 2030년 이후 청정 수소(블루 수소 + 그린 수소) 생산 확대로 공급 구조가 변화할 것으로 보임.

 2030년 이후 2050년까지 블루 수소와 그린 수소는 유사한 생산 비중을 유지하다가, 2060년 부터는 그린 수소 생산이 블루 수소 규모를 능가할 전망임.

 부생 수소는 중・장기적으로 청정 수소로 대체될 전망이며, 수전해 수소 생산・공급이 2030년까지 크게 증가하지 않으나, 수소 수급 일부를 충당할 것으로 전망되며, 2040년대부터 수급 비중이 확대될 전망임.

[그림 8] 수소 생산・공급 전망: 지속가능발전 시나리오, 2019-2070

주: CNR = 부생 수소(Catalytic Naphtha Reforming in Refineries).

자료: IEA(2020), Energy Technology Perspective

- 세계 청정 수소 생산・공급을 위한 투자활동 변화는 “2019년 투자전망(Projection from 2020)”계획 대비 “2020년 투자전망”의 현격한 격차로서 시현되고 있으며, 이와 같은 투자활동의 가속화는 지속될 것으로 판단되고 있음.⁴⁶⁾

45) IEA(2020), Energy Technology Perspectives

[그림 9] 세계 주요 청정 수소 프로젝트 증설 계획(투자 단계별: ～2030년)

자료: Hydrogen Council(2021), Hydrogen Insights

주: 1) 사전 조사(preliminary studies) 및 언론발표 단계의 사업 포함.

2) 타당성 조사(feasibility study), 기초 설계(front-end engineering and design stage), FID프로젝트 및 상업운전・가동 프로젝트 포함.

나. 블루 수소 생산・공급 확대 전망

블루 수소 공급은 2050년까지 세계 수소 수요의 24%를 충족시킬 것이며, 2070년에 공급 비중은 40%에 도달(210백만톤(MtH

) 공급) 할 것임.

- 2050년까지 블루 수소 생산과정에서 CCUS를 통해 포집될 CO2 규모는 1.8GtCO2에 달할 것이며, 세계 수소 산업의 연간 매출액은 6,300억 유로에 달할 것으로 전망되었음.

세계 주요국의 수소 생산 확대 목표가 저탄소를 지향하기에 수소 공급 잠재력은 청정 수소(블루 수소 + 그린 수소) 공급능력 확대를 통해 우선적으로 개발될 것이며, 특히 블루 수소 생산을 위한 CCUS역량 개발에 의존하게 될 것임.

- 블루 수소는 화석에너지 기반 CCS 적용 여건 및 기술을 보유한 국가나, 바이오에너지 공급 여건이 풍부한 지역을 중심으로 생산・공급 능력이 확대될 것으로 전망되고 있음.

 블루 수소 생산은 미국, 캐나다, 중동, 북아프리카, 러시아 등 천연가스 생산・공급 기반과 CCS 잠재력을 보유하고 있는 지역 및 국가들이 주도할 것으로 보임.

46) Hydrogen Council(2021), Hydrogen Insights: A perspective on hydrogen investment, market development and cost competitiveness, February 2021

47) IEA(2020) Energy Technology Perspectives의 SDS(지속가능발전 시나리오)에 의한 전망.

2020년대 중반부터 미국, 영국, 유럽 등 각국에서 개발중인 CCS 프로젝트들이 가동 될 경우, 블루 수소 생산 규모와 CO

포집량이 증대될 것임.

- 2025년까지 12개의 프로젝트가 신규 가동되어 총 21개의 CCS 기반 수소 생산 프로젝트가 운영될 예정이며, 해당 프로젝트들은 연간 21.69백만톤(MtCO2)의 CO2 포집이 가능할 것으로 전망되고 있음.

[그림 10] 주요 국가별 수소 생산용 CCS 프로젝트(수: 누적) 전망

주: 일본 Tomakomai CCS 프로젝트를 포함하여 운영 예정 시기 확인 가능한 프로젝트 25개에 대해서만 집계함. 2019년 현재 기준 운영 중인 9개 프로젝트에 2020년 이후 연도별로 가동 예정인 프로젝트의 수를 합산하여 막대그래프로 나타냄.

자료: Global CCS Institute(2021), Co2Re Database, https://co2re.co/FacilityData; IOGP(2020), Global CCUS Projects를 기초로 작성함.

[그림 11] 세계 수소 생산목적 CCS 프로젝트의 잠재 CO₂포집량 전망

주: 일본 Tomakomai CCS 프로젝트를 포함하여 운영 예정 시기 확인 가능한 프로젝트 25개 중 시기별 이산화탄소 포집 목표치가 확인 가능한 프로젝트 22개에 대해서만 집계함.

자료: Global CCS Institute(2021), Co2Re Database, https://co2re.co/FacilityData; IOGP(2020), Global CCUS Projects를 기초로 작성함.

- (미국) 미국은 2021년 현재 수소 수요가 크지 않고 수소 공급가격의 경쟁력이 확보되지 않아, 수소 생산・공급 역량 개발이 촉진되지 않고 있으나, 막대한 규모의 블루 수소 잠재력을 보유하고 있는 것으로 평가되고 있음.

[그림 12] 미국 천연가스 개질(SMR) 수소 생산・공급 기반 구조도

자료: Lee, Dong-Yeon and A. Elgowainy. 2018. “By-product hydrogen from steam cracking of natural gas liquids (NGLs): Potential for large-scale hydrogen fuel production, life-cycle air emissions reduction, and economic benefit.”, USA DOE(2020), Department of Energy Hydrogen Program Plan

[그림 13] 미국의 CCS 프로젝트(저장능력) 분포도

자료: Szulczewski, Michael L., C. MacMinn, H. J. Herzog, and R. Juanes. "Lifetime of carbon capture and storage as a climate- change mitigation technology." Proceedings of the National Academy of Sciences April 3, 2012 109 (14) 5185-5189.

https://doi.org/10.1073/pnas. 1115347109

- (영국) 2023년부터 영국의 블루 수소 프로젝트들이 가동되기 시작하면, 2030년에는 미국과 함께 가장 많은 CCS기반 수소 생산 프로젝트를 운영할 것으로 전망되고 있음.

 영국의 H21프로젝트(H21, 2020)는 도시가스 네트워크를 활용하여 기존의 천연가스 공급을 수소로 100% 전환하는 것을 목표로 하고 있음.

- (캐나다)⁴⁸⁾ 2025년까지 연간 총 3백만톤(MtH2)의 수소 생산 목표를 설정하고 있으며, 2030년까지 4백만톤(MtH2)으로 확대, 2050년까지 20백만톤(MtH2)으로 생산 역량을 확대할 계획임.

 (수소 수요 창출) 캐나다는 자국의 수소 수요 확대를 위해 수소 발전 비중을 2025년까지 1.6%로 확대하고, 2030년까지 6.2%, 2050년에는 30%로 확대할 예정임.

 (탄소집약도 감축) 높은 탄소집약도(>36.4gCO2e/MJ)의 수소 생산방식을 점차 저탄소 수소 생산 방식으로 전환하여, 2025년부터는 낮은 탄소집약도의 수소 생산을 목표로 하고 있음.

 (수출 계획) 캐나다는 장기적으로 자국의 수소 생산능력이 내수 시장의 수소 수요를 능가할 것으로 전망, 수소 수출을 구상하고 있으며, 주요 수출 시장으로 미국, 일본, 한국, 중국, 유럽 국가 등을 염두에 두고 있음.

- (러시아) 뺷러시아연방 수소개발 계획(План мероприятий “Разви- тие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года”)뺸을 수립・발표하였음(2020.10.12.).

 2020년부터 2024년까지 수소 생산・수출 능력을 개발하기 위해 포괄적인 준비단계를 설정하였고, 단계별, 정부 부처별 세부 추진업무를 명시・배정하였음.

다. 그린 수소 생산・공급 능력 전망

IEA(지속가능개발 시나리오: SDS, 2019-70)

전망

- IEA(지속가능개발 시나리오)는 세계 그린 수소 설비 규모를 2070년까지 3,300GW 이상으로 확대 하는 것으로 설정하였음.⁵⁰⁾

48) Natural Resources Canada(2020), Hydrogen Strategy for Canada.

49) IEA(2020), Energy Technology Perspectives

50) 지속가능개발 시나리오는 2020년 이후 2070년까지 연평균 60GW 규모로 증가할 것을 전제하였음.

[그림 14] IEA(SDS: 2019-2070) 세계 수전해 설비 증설 전망

출처: IEA(2020) Energy Technology Perspectives

그린 수소 생산・공급은 2050년 이후 본격화될 전망

- 세계 그린 수소의 생산 비중은 2070년까지 60%에 달하여, 블루 수소 비중 40%을 능가할 것으로 전망됨.

- 2050년 이후 그레이 수소(천연가스-w/o CCUS, 부생 수소 등)는 수소 수급에서 극히 일부의 역할만을 할 것으로 전망되고 있음.

세계 수전해 설비용량은 2020년 3.2GW에서 2030년까지 8.2GW까지 증가할 것으로 전망되고 있으며

, 이 중 57%는 EU국가에서 증가할 것으로 전망되고 있음.

- 그린 수소 생산능력은 지역 여건에 따라 상이한 구조를 가질 것으로 분석되고 있으며, 특히, 전력망 및 전용 재생에너지 전원 기반 그린 수소 생산설비 구축이 동시에 확충되는 것을 전제하고 있음.

 그린 수소의 생산은 칠레, 중국, 유럽, 아프리카 및 중동과 같이 재생에너지 전력이 저렴한 지역 등에서 국가 주도로 이루어질 것으로 전망되고 있으며, 수전해 능력의 성장 속도는 설비 제조 능력 확장과 수전해 비용 감축 역량에 의존할 것임.

수전해 설비용량 확대 외에도 수소 생산에 투입될 전원확보를 위해 청정전원 설비 확대도 필요할 것으로 전망되고 있음.

- IEA(지속가능개발 시나리오)는 2070년까지 수소 생산에 약 13,750TWh(/년)의 전력이 투입될 것을 전제 하고 있으며, 이는 2070년 전 세계 발전량의 20%에 해당하는 규모임.

51) 2019년 11월부터 2020년 3월까지 계획된 글로벌 투자 리스트를 기준으로 한 전망.

52) FCH JU(2019), Hydrogen Roadmap Europe

2021년 현재 높은 전력비용으로 주요 국가의 그린 수소 생산능력은 미미한 수준에 머물고 있으나, 그린 수소 생산능력은 지속적으로 확충될 것으로 전망되고 있음.

- (EU) EU는 탄소중립 이행을 위해 수소의 에너지공급 기능을 필수적으로 판단하며, 에너지믹스에서 수소 비중을 2020년 현재 2%에서 2050년까지 최대 13~14%까지 확대하는 구상을 설정하고, 이를 위해 특히, 수전해 설비역량 확대를 도모하고 있음.⁵³⁾

- (일본) 일본의 후쿠시마(Fukushima) 프로젝트⁵⁴⁾는 현재 가동되고 있는 세계 최대 규모의 재생에너지 기반 수전해 프로젝트(NEDO, 2020)이며, 향후 생산된 수소는 주로 연료전지시스템(연료전지 발전소 및 자동차 등)에 공급할 구상임.

 同 프로젝트는 일본의 대표적인 그린 수소 프로젝트로 20MW의 태양광 발전설비(PV)와 연계한 수전해 설비(10MW)로 구성되어 있으며, 수소 생산능력은 2.4톤(/일)으로 설계되었음.

- (사우디아라비아) 네옴(NEOM) 프로젝트는 신도시 계획의 일환으로 그린 수소 및 암모니아 생산을 목적으로 추진되고 있음.

* 사우디아라비아는 美 AirProducts社와 합작(투자규모: 약 6조원)하여 재생에너지 전원(태양광・풍력: 4GW) 기반의 수전해 설비를 구축하여, 2025년부터 650톤(/일) 규모의 그린 수소 생산을 추진하고 있음.⁵⁵⁾

- (호주) 세계 최대 규모의 그린 수소 생산설비 건설을 계획 중이며, 동 프로젝트가 실현될 경우, 태양광・풍력 전원(23GW)에 기반하여 2028년부터 4,800톤(/일)의 그린 수소 생산능력을 보유하게 될 것임.⁵⁶⁾ - (미국) 미국은 州별로 청정에너지 생산・공급 역량 제고 차원에서 다양한 수소 프로젝트를 모색하고

있음.

* 유타州는 첨단 청정에너지 저장 프로젝트(10억 달러)를 추진하고 있으며, 플로리다州는 20MW 규모의 수전해 프로젝트, 워싱턴州도 수전해 프로젝트(5MW 규모) 추진을 구상하고 있음. 특히, 여러 州에서 원자력 전원 기반의 수소 프로젝트가 구상되고 있음.

<표 4> 대표적인 세계 그린 수소 생산 프로젝트 추진 내역

국가 프로젝트 명 수소 생산 용량

(톤/일)

수전해 설비 용량

재생에너지원 (발전 용량)

운영시작 시기

일본 Fukushima 2.4 10MW 태양광(20MW) 2020

사우디아라비아 Neom 650 N/A 태양광・풍력(4GW) 2025

호주 AREH 4,800 12GW 태양광・풍력(23GW) 2028

주: 호주 AREH의 수전해 설비 용량은 IEA(2020), Hydrogen Projects Database에서 발췌함.

자료: Global CCS Institute(2021), Blue Hydrogen., IEA (2020), Hydrogen Projects Database, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/hydrogen-projects-database

53) EU 집행위원회(2018. 11.), ‘EU 기후중립 전략’

54) 일본 NEDO(신에너지・산업기술종합개발기구)가 일본 후쿠시마현에서 추진하고 있는 수전해 프로젝트.

55) Qamar Energy(2020), Hydrogen in the GCC.

56) Global CCS Institute(2021), Blue Hydrogen.

결론 및 시사점

05

가. 수소경제 추진의 당위성

(수소의 에너지 특성과 역할 기대) 국제에너지기구(IEA)는 파리협약(2016)에서 설정한 온실가스 감축목표

달성을 위해서 청정에너지기술 개발・적용의 극적인 확장 필요성을 적시하였음.

- IEA는 전 세계 CO2 배출량의 절대 수준이 에너지부문에서 발생되므로 에너지시스템의 청정화가 무엇보다 중요하다는 점을 지적하고 있음.

 탄소중립(Net-Zero) 달성을 위해서는 에너지 공급, 에너지 전환부문(Transformation) 및 최종소비 단계에서 에너지시스템의 근본적인 변화가 요구되며, 이를 위해서 청정에너지 솔루션을 개발・확충 하고, CCUS 관련 응용기술 개발이 필요하며, 수소의 역할이 확대되어야 함을 주문하고 있음.

- IEA는 다음과 같은 수소의 특성을 기초로 수소가 에너지시스템 청정화에 크게 기여할 것으로 분석 하였음.⁵⁹⁾

 (물리적 특성) 수소의 에너지 특성은 청정에너지로서 매우 우월한 장점을 보유하고 있으며, 특히 가볍고 뛰어난 반응성을 보유하며, 무독성・무탄소 에너지원에 해당함.⁶⁰⁾

 (부존 특성) 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소로서 지구상 어디에나 존재⁶¹⁾하기에 개발・이용 역량을 확충할 시, 세계 모든 국가들이 활용 가능원 에너지원에 해당함.

(수소의 용도) 수소는 2020년 현재 산업부문 원료로 사용되고 있는 한편, 수송・발전 부문 연료, 가정・건물 부문 난방연료 등으로 이용범위가 확대되고 있음. 넓은 의미에서 수소는 세계 에너지시스템에서 현재 천연가스의 역할을 모두 대체할 수 있을 것으로 판단되고 있음.

57) 최악의 기후변화 위기를 피하기 위해서 세계 국가들이 금세기 중반까지 온실가스 순제로(Net Zero) 배출 수준에 도달해야 할 것을 요구.

58) IEA(2020), Energy Technology Perspectives.

59) 현재 수소 생산・공급방식은 CO2 배출의 주요 원인(화석에너지 기반 수소의 한계)으로도 지적되고 있음. IEA는 전 세계적으로 수소 생산과정에서 연간 830백만톤(MtCO2)의 온실가스를 배출하고 있는 것으로 추정하고 있음. 이는 2018년 전 세계 에너지소비에 의한 온실가스 배출량의 2.2%에 해당함(IEA(2019), The Future of Hydrogen).

60) Hydrogen Strategy Group(2019), Hydrogen for Australia’s Future.

61) 수소는 독자적인 에너원 형태로 존재하지 않고, 다른 물질에 결합하여 존재하는 특성으로 이를 활용하기 위해서는 수소 기술 역량이 요구됨.

- (수송・발전 연료) 수소는 발전부문의 전력 생산을 위한 연료로 사용되고 있으며, 수송부문의 대형 트럭 연료, 특히 배터리 기술이 적절하게 활용될 수 없는 소형 모빌리티(mobility)에도 사용되고 있음. 수소는 항공 및 해운용 수송수단의 연료로써 사용될 수 있음.

- (건물 냉난방 및 산업공정 연료) 수소는 건물 냉난방 에너지로서 이용되고 있으며, 산업공정에서 요구되는 고온의 열 생산・공급에도 활용되고 있음.

- (산업부문 원료물질) 석유 정제・화학 공정의 고순도 암모니아 및 메탄올 생산과 탈황 공정에 중간 투입물(Feedstock)로 사용되고 있으며, 철강공정의 환원제로서 제철 산업에서 활용될 수 있음.

* 수소는 화석연료(석탄 및 석유・가스)의 직접소비를 대체할 수 있는 에너지원으로 인식되고 있으며, 특히 세계 경제가 온실가스 감축에 어려움을 겪고 있는 산업공정 부문의 원료용 에너지투입 감소에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있음.

(수소이용 확대의 당위성) 수소가 미래 에너지시스템에서 필수적으로 역할을 할 수 있을 것으로 판단되는 근거는 다음과 같음.

- (에너지안보 제고) 지구상 거의 모든 지역에서 재생에너지 기반의 전력 생산능력은 그린 수소 생산 능력⁶²⁾으로 전환될 수 있기에, 수소는 에너지자원 빈곤국 일지라도 에너지 생산・공급 능력을 확보하는데 기여할 수 있음. 즉, 수소는 에너지빈곤 국가에 에너지 안보를 제고할 수 있는 순기능을 가지고 있음.

- (에너지 이동・비축 수단 확보) 수소는 재생에너지원이 풍부한 지역의 원격 및 전력망 비연계 (off-grid) 위치에서 생산된 전력을 에너지 공급이 부족한 지역으로 이동될 수 있도록 하며, 대량으로 저장될 경우 에너지의 전략적 비축수단으로 역할 할 수 있음.

- (기존 석유화학산업의 시너지 효과) 화학분자 기반 에너지 매체(energy carrier)로서 수소의 생산, 저장, 수송, 관리, 소비는 기존의 석유・가스 산업과 많은 유사점을 가지고 있음. 수소 생산설비는 기존의 화학 산업 및 기술공학 분야에서 중첩된 영역을 가지고 있으며, 산업기반 및 기술, 고용, 인프라, 자산 및 비즈니스 모델의 전환이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 장점을 보유하고 있음.

- (에너지전환의 점진적 경로) 수소는 에너지산업, 수송망(파이프라인), 냉・난방 설비, 발전설비(터빈), 제철산업 공정 등에서 천연가스 기반 인프라 대체에 요구되는 대규모 자본비용 회피를 가능하게 하는 장점을 보유하고 있음.

 수소는 기존 화석에너지(석탄・석유)에 의존하는 산업부문의 탄소배출량 감소에 대한 점진적인 접근법을 제공할 것으로 기대되고 있음. 즉, 천연가스 기반의 에너지시스템으로의 전환 이후, 이를 수소시스템으로 전환 시 비용경제성이 제고될 수 있음.

- (영역 결합 및 재생에너지 통합) 수소는 재생에너지를 유연하게 저장할 수 있는 저장시스템으로 사용될 수 있으며, 재생에너지원 전력시스템의 간헐성 및 계절성 문제 해결에 기여할 것으로 기대되고 있음.

 수소 생산에 필요한 국지적 전력 수요를 창출함으로서 재생에너지(풍력 및 태양광 등) 전원의 그리드 수요를 축소할 수 있는 잠재력을 보유하고 있음. 이는 수소가 전력 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 순기능에 해당함.

62) 2020년 현재 수전해를 통해 생산되는 수소(그린 수소)는 미미한 수준에 불과하지만, 그린 수소는 향후 세계 경제에 저탄소 에너지를 제공하는데 크게 기여할 것으로 주목하고 있음.