부생 수소 현황과 활용

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부생 수소 생산량·공급처 정확한 파악 급선무

지역 특성 고려한 수소 파이프라인 설치 경제성 검토돼야
저순도 부생 수소 정제 기술 확보로 수익성 제고시켜야

부생수소란

미래의 수소 에너지 사회를 논하지 않더라도 수소는 이미 산업 현장에서 대규모 생산과 소비가 이뤄지고 있다. 현재 공정에서 남는 수소를 부생 수소라고 통칭하고 있으며 이는 성격에 따라 두 종류로 구분되어야 한다.

첫째는 잉여 수소로 수소를 사용하는 공정에서 필요한 양을 모두 사용하고 남는 수소를 뜻한다. 또 하나는 부생 수소다. 이는 공정에서의 수소 사용여부와 상관없이 공정의 특성상 발생하는 수소를 뜻한다.

두 가지 종류의 수소 모두 공정에서 처리되어야 하는데, 대표적으로 외부 가스회사에 판매하거나 공정 내의 보일러 가동을 위한 연료로 사용하는 방법이 있다. 또 모든 것이 여의치 않을 경우에는 플레어 스택에서 연소시키게 된다.

잉여 수소를 다른 용도로 사용하기 위해서는 필요한 양만큼 추가로 수소를 생산하여야 하므로, 추가 수소를 생산하는 것에 대한 경제성을 검토하여야 한다. 부생 수소의 경우는 임의로 생산량을 늘릴 수 없는 반면, 부산물로 발생하는 수소이기에 제조 단가 측면에서 유리하다. 에너지원으로 수소를 확보하는 관점에서는 잉여수소보다는 부생 수소를 잘 활용하는 것이 더욱 중요하다.

부생 수소는 석유화학 산업과 제철 산업에서 주로 발생한다. 석유화학 공정 중 부생 수소가 발생하는 대표적인 공정은 납사로부터 에틸렌과 프로필렌을 생산하는 납사분해공정과 염소와 가성소다를 생산하는 클로르-알칼리 공정이 있다. 제철 산업에서는 철광석을 환원하기 위해 코크스를 사용하는데, 석탄을 고온의 가열로에서 건류하여 코크스를 생산하는 과정에서 다량의 수소를 포함하고 있는 COG(코크 오븐 가스)가 생산된다.

잉여 수소는 주로 정유 산업에서 발생한다. 정유 공장에서는 납사를 방향족 화합물로 전환하는 납사개질공정에서 막대한 양의 수소가 생산되지만 그만한 양의 수소가 수소첨가 탈황공정과 수소첨가 분해공정에서 소모돼, 수소를 외부에 공급할 여력이 부족하다. 정유 공장에서는 경우에 따라서는 부족한 수소를 공급하기 위해 별도로 납사 수증기 개질공정을 가동하거나 외부에서 수소를 공급받기도 한다.

부생 수소 현황

국내의 수소 총생산량은 연간 190만톤 가량이며, 이 중 판매되는 수소의 양은 약 14%에 해당하는 연간 26만톤 정도이다. 국내에서 생산되는 수소의 75%는 정유공장에서 발생하는데, 이는 잉여 수소에 해당하는 수소이어서 부생 수소 관점에서는 큰 영향을 미치지 못한다.

다음으로 많이 생산되는 곳은 납사분해 공정으로서 약 13%에 해당한다. (주)덕양이나 에어리퀴드코리아와 같은 가스회사에서는 부생 수소 거래뿐만 아니라 직접 수소를 제조하여 공급하는데, 그 양이 약 6.4%에 해당한다. 그 아래로는 염소 생산에 사용되는 클로르-알칼리 공정에서 약 2.8%, 기타 석유화학 공정에서 약 2.6%가 생산되고 있다. 마지막으로 제철소에서 발생하는 COG 가스 형태로 생산되는 수소가 약 0.6%를 차지하는데, 이는 수소 함량이 50~60%로 낮아 수소의 정제에 많은 노력이 필요하다.

국내 수소 판매량을 보면, 가스 회사에서 직접 제조하여 공급하는 수소의 양이 47 %를 차지하고 있다. 그 뒤로 납사분해 공정에서 나오는 수소가 33%, 클로르-알칼리 공정에서 나오는 수소가 12%, 기타 유화공정에서 나오는 수소가 6%를 차지하며, 나머지는 미미한 양이다. [그림 1 참조]

이처럼 산업별로 생산되는 수소의 양과 시중에 판매되는 수소의 양에는 많은 차이가 있으며, 이는 부생 수소 여부, 수소의 순도, 수소 판매 시의 운송비 부담에 따른 경제성 등이 영향을 미친다. 클로르-알칼리 공정에서는 매우 고순도의 부생 수소가 나오는데, 이 중 일부만이 자가 소비되고 나머지는 모두 판매되어 부생 수소의 가치와 활용도가 가장 높다.

부생 수소의 판매가격은 보통 2~600만원/톤이며, 이러한 가격의 차이는 일차적으로 운송비에 기인한다. 파이프라인을 통해 부생 수소를 판매할 경우에는 톤당 200만원이며, 튜브 트레일러와 같이 차량으로 공급할 경우에는 톤당 600만원으로 단가가 올라가게 된다. 현재 국내의 수소 운송은 파이프라인 운송이 88%, 튜브 트레일러 운송이 12%의 비중을 점하고 있다. 국내의 울산, 여수, 대산, 반월·시화 공업단지 등에 설치된 수소 배관의 총길이는 약 200㎞ 정도이며, 튜브 트레일러는 약 500대 정도가 운용되고 있다.

일본의 경우에 후지경제에서 지난 2015년에 발간한 보고서에 따르면 연간 부생 수소 발생량을 2만8천톤 정도로 추정하고 있으며, 우리나라의 산업 규모와 일본의 산업 규모를 비교할 때, 우리나라의 부생 수소 양이 일본보다는 많지 않을 것으로 추정할 수 있다.

특이하게 일본의 수소에너지 로드맵에서 부생 수소가 차지하는 비중은 크지 않은데, 이는 일본이 호주와 같은 해외로부터 수소를 생산하여 일본으로 해양 운송하는 대형 프로젝트를 고려하고 있기 때문이다. 일본은 이와 같은 방식으로 일본 내에 수소 연료전지 발전소와 수소 연료전지차를 보급하여 이산화탄소 발생량을 획기적으로 저감하고자 하는 계획을 추진 중이다.

미국은 연간 약 9백만톤의 수소를 생산하며, 이 중 부생 수소의 비중은 약 5%인 45만톤 정도이다. 캐나다는 연간 약 3백만톤의 수소를 생산하며, 미국과 동일하게 계산하면 약 15만톤의 부생 수소가 존재할 것으로 추정된다.

부생 수소 활용

현재 국내의 부생 수소는 소량 발생하는 곳은 주로 연료로 사용하여 자가 소비하고 있으며, 대량 생산되는 경우에는 자가 소비되거나 가스 회사에서 구매하여 정제한 후 산업용 수소로 공급되고 있다. 수소충전소용이나 연료전지 발전용으로의 수소 공급은 미미한 상황이다.

해외의 경우, 대부분의 부생 수소 활용은 연료전지 발전에 치우쳐 있다. 솔베이 사에서 벨기에의 클로르-알칼리 공장에 1㎿급의 고분자전해질 연료전지 발전시스템을 설치한 바 있으며, 이 외에도 다수의 수백 ㎾급 또는 ㎿급의 연료전지 발전시스템이 유럽 및 북미의 클로르-알칼리 공정에 설치되어 있다.

이는 클로르-알칼리 공정에서 고순도의 부생 수소가 대량으로 발생하고, 또한 공정 자체에서 수소의 수요는 없는 반면에 대량의 전력과 열을 소모하기 때문이다. 연료전지 발전 시스템 설치비용을 고려하면 기업에서 독자적으로 투자하기에는 어려움이 있으나, 정부와 관련 기업의 지원을 통해 설치 및 운영되고 있다. [그림2 참조]

독일을 필두로 하여 북유럽에서는 가스 배관 내에 수소를 2% 가량 첨가하여 공급하는 기술을 개발하고 있다. 이는 수소의 운송 비용을 현저히 절감할 수 있으며, 수요처에서는 수소를 추출하여 사용하거나 HCNG 형태로 활용하게 된다.

수소차 산업 발전 계획

앞에서 살펴본 것처럼 국내의 수소 총 생산량과 판매량을 확인할 수 있으며, 현재 국내의 수소 산업이 안정화되어 있는 것을 알 수 있다. 정부의 환경친화적 자동차 보급계획에 따르면 2020년까지 수소차 9천대, 수소충전소 80기 보급을 목표로 하고 있으며, 수소 충전소의 수소 판매 가격은 6000~8000원/kg으로 계획하고 있다.

시간당 300Nm³의 수소를 공급하는 수소충전소 1기를 운영하기 위해서는 연간 약 250톤의 수소가 필요하며, 만약 100기의 수소 충전소가 정상가동한다면 연간 약 2만5000톤의 수소가 필요하게 된다.

새로이 부상하는 수소차 산업을 뒷받침하기 위해서는 수소를 시장에 추가로 공급하여야 한다. 수십 기의 수소 충전소가 보급되는 초기에는 현재의 산업 현황에서 발생한 부생 수소를 최대한 효율적으로 활용하는 방안을 강구하여야 하며, 수백 기의 수소충전소가 운영되는 차후를 위해서는 대량의 수소를 적정한 가격으로 안정적으로 공급할 수 있는 방안을 고민해야 할 것이다.

부생 수소 활용 이슈

부생 수소의 활용을 위해서는 운송이 중요한 문제이므로 먼저 이용할 수 있는 부생 수소의 발생처와 정확한 양, 그리고 부생 수소를 공급하여야 할 곳이 정의되어야 한다. 그 이후로는 아래와 같은 노력들이 필요하다.

첫째로 수소충전소에서 부생 수소 활용을 촉진하기 위해서는 운송비의 저감이 중요하다. 현재의 튜브 트레일러 운송 방식은 180기압으로 충전된 타입1 용기를 사용하고 있는데, 이를 500기압으로 충전된 타입3 또는 타입4 용기로 대체하면 운송비를 1/3로 저감할 수 있다. 이를 위해서는 관련 법규의 개정 및 기술의 개발이 필요하다. 장기적으로는 지역적 특성을 고려하여 수소 파이프라인 설치의 경제성도 검토되어야 할 것이다.

다음으로 부생 수소를 현장에서 가장 효율적으로 사용하는 방안은 연료전지 발전에 사용하는 것이며, 해외에 다수의 사례가 있다. 문제점은 고가인 연료전지 발전 시스템의 설치비용인데, 이는 연료전지 시스템의 가격 저감, 연료전지 발전에서 발생하는 열에너지의 효율적 이용과 적절한 정부의 재정적 지원을 통해 해결할 수 있을 것이다.

마지막으로 부생 수소의 활용을 위해서는 저순도 부생 수소의 정제 기술 확보를 통해 정제 비용을 절감하고, 부생 수소의 양을 늘리는 것이 있으며, 이를 통해 관련 업계의 수익성 제고가 가능할 것이다.