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수소기술

일반특성

수소의 분류(원료 및 공정 기준)

❍ 수소를 생산하는 방법은 원료와 원료를 처리하는 방법에 따라 15가지로 구분하는데, 원료는 크게 화석연료(탄화수소)와 재생원료(바이오매스, 물)로 구분함

- 화석연료로 수소를 생산하는 방법은 공통적으로 탄화수소에 열을 가해 탄소와 수소를 분리하는 기법이 주로 적용되며, 세부적인 방식에 따라 4가지로 구분함

● 탄화수소 열분해* : 플라즈마 등을 이용하여 고온(750~2,000℃)의 열을 가하여 탄소와 수소를 분리하는 방법으로써, CO2 발생이 적다는 장점이 있음

* 상세 내용은 EG-TIPS의 수소 생산기술 ‘플라즈마 이용 메탄 열분해’ 참조

● 탄화수소 개질 : 탄화수소에 열과 수증기 또는 산소를 공급하여 수소를 분리하는 방법으로써, 스팀개질, 자열개질, 부분산화 3가지 방식*이 있음

* 상세 내용은 EG-TIPS의 수소 생산기술 스팀메탄개질, 자열개질, 부분산화를 참조

- 재생 원료 기반 수소 생산방법은 원료에 따라 바이오매스와 물로 구분할 수 있으며, 물을 이용해 수소를 생산하는 방법은 열분해, 광분해, 전기분해가 있음

● 물 열분해* : 물을 고온의 열을 가하여 수소와 산소로 직접 분리하는 방범임

* 상세 내용은 EG-TIPS의 수소 생산기술 ‘4세대 원자로를 이용한 원자력 수소생산’ 참조

● 광분해 : 태양광을 흡수해 전기를 생성하는 물질을 이용해 물의 전기분해를 통해 수소와 산소로 분리하는 방법임

● 전기분해* : 물에 전기를 가해 물을 수소와 산소로 분리하는 방법이며 전해질에 따라 알칼라인, 고체산화물, 고분자전해질로 구분할 수 있음

* 상세 내용은 EG-TIPS의 수소 생산기술 ‘알칼리수 전기분해에 의한 수소생산’, ‘고체산화물 전해조’, ‘고분자 전해질 막 전기분해’ 참조

• 수소의 생산 원료 및 공정 기준 분류

  

출처S. Shiva Kumar, V. Himabindu, "Hydrogen Production by PEM Water Electrolysis – A review", Materials Science for Energy Technologies, 2 (2019) 442–454

- 바이오매스를 이용해 수소를 생산할 수 있는 방법은 생물학적 방식과 열화학적 방식으로 구분할 수 있으며,생물학적 방법은 광분해, 발효, 광합성 발효가 있으며,

열화학적 방식은 가스화, 열분해, 연소, 액화 등이 있음

● 생물학적 광분해 : 광합성 메커니즘을 이용해 CO2는 고정하고, 수소를 생산하는 조류를 이용한 방법임

● 혐기 및 광합성 발효 : 혐기 발효는 빛과 산소가 없는 혐기적 조건에서 유기물을 분해하여 수소를 생산하는 방법이고, 광합성 발효는 빛이 있고 산소가 없는

혐기적 조건에서 유기물을 분해하여 수소를 생산하는 방법임

● 가스화 : 건조된 바이오매스를 저산소 환경에서 가열하여 수소, 일산화탄소 등으로 합성가스를 생성하고 이를 수성가스 전환반응을 통해 수소를 생산함

● 열분해 : 가스화 방식과 유사하며, 바이오매스를 무산소 상태에서 고온의 열을 가하여 탄소와 수소를 분리하는 방법임

수소의 분류(원료, 에너지원, CO2 배출 기준)

❍ 수소 생산에 사용하는 원료, 에너지원, CO2 배출량에 따라 10가지로 구분함

- 녹색 수소 : 재생에너지 전기를 이용하여 물 전기분해 공정을 통해 생산한 수소를 말하며, CO2 배출이 없음

- 청색 수소 : 화석연료를 원료로 하며, 증기 개질을 통해 수소를 생산하지만 CCS(탄소포집 및 저장) 기술을 적용하여 CO2를 포집 저장함으로써, 소량의 CO2만 배출함

- 회색 수소 : 화석연료를 원료로 하며, 증기 개질을 통해 수소를 생산하며, 개질 과정에서 발생하는 CO2는 대기 중으로 배출함

- 흑/갈색 수소 : 역청탄(흑색)이나 갈탄(갈색) 등의 석탄을 원료로 하며, 가스화 공정을 통해 수소를 생산하며, 가스화 과정에서 발생한 CO2는 대기 중으로 배출함

- 청록색 수소 : 천연가스 열분해로 수소를 생산하고, 탄소는 고체로 배출하기 때문에 일반적인 개질 방식보다 CO2 배출량이 적음

- 보라색 수소 : 원자력발전소에서 생산한 열과 전기로 물을 고온으로 가열한 다음 전기분해하여 수소를 생산하며, CO2 배출은 없음

- 분홍색 수소 : 원자력발전소에서 생산한 전기로 물을 전기분해하여 수소를 생산하며, CO2 배출은 없음

- 적색 수소 : 원자력발전소에서 생산한 열로 물을 열화학 분해하여 수소를 생산하며, CO2 배출은 없음

- 황색 수소 : 상용전기를 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하며, 상용전기의 전력배출계수에 따라 CO2 배출량은 달라짐

- 백색수소 : 자연적으로 발생하는 수소를 나타냄

수소의 분류-원료, 에너지원, CO2 배출기준

• 요소기술
• 관련기술
• 기술동향

국내 수소 수급 현황 및 전망

국내 수소 수급 현황

❍ ‘20년 국내 에너지다소비사업장 기준 수소 생산량은 2,560천톤 수준임
- 업종별 생산 비중은 정유 48%, 화학 52%를 차지하고 있으며, 생산 기술별 비중은 부생수소 52%, 개질수소 48%를 나타내고 있으며, 이외 다른 기술의 생산량은 미미함

❍ ‘20년 국내 에너지다소비사업장 기준 수소 사용량은 2,186천톤 수준임
- 업종별 비중을 보면, 정유산업 61%, 화학산업 39% 수준이고, 기타는 0.5% 미만임
- 정유·화학산업에서 수소는 대부분 원료(93%)로 사용하고 있고, 나머지는 연료로 사용하고 있으며, 소비하지 못한 수소는 외부로 유통 판매되고 있는 상황임

국내 수소 생산 현황 ('20년, 천톤)

출처EG-TIPS, 한국에너지공단, 다소비사업장 기준

국내 수소 사용 현황 ('20년, 천톤)

출처EG-TIPS, 한국에너지공단, 다소비사업장 기준

국내 수소 공급시설 현황

❍ 국내 수소 주요 공급사는 7개 회사가 있으며, 덕양이 150,000Nm3/h 생산시설로 국내 최대 생산 설비용량을 갖추고, 울산 산업단지에 수소를 공급하고 있음
- 전체 공급량 기준으로 볼 때, 시장 점유율은 덕양 50.1%, SPG Hydrogen이 21.7%, Air Liquid가 17.7% 수준으로 나타나, 상위 3사가 전체 공급량의 90% 정도를 차지하고 있음
- 수소 공급사의 위치는 주요 수요처인 석유화학 및 정유 업종의 생산시설이 밀집된 울산, 여수, 대산, 안산, 인천 지역에 있음

국내 주요 수소 공급사 및 설비 규모와 설치지역

출처The Hydrogen Economy South Korea(Market Intelligence Report), UK’s Department for International Trade (DIT), April 2021

국내 수소 수급 전망(~'50)

❍ 2050 탄소중립 시나리오에 따르면, ‘50년 기준 수소 수요량은 27.4~27.9백만톤으로 전망하고 있으며, 이는 ’18년 생산량(1.2백만톤)보다 약 23배 늘어난 수준임
- 분야별 수소 수요량을 보면, 전환부문 13.2~14.2백만톤, 산업부문 10.6백만톤, 수송부문 1.5~2.0백만톤, CCUS(탄소포집 및 저장·활용) 1.1~2.1백만톤 수준임
- 전환부문은 무탄소 가스터빈 및 수소연료전지 등에서 사용하며, 산업부문은 수소환원제철 등 산업공정에 사용되는 원료와 연료로 사용함
- 수송부문은 수소차, 대체연료(E-fuel) 생산 등에 사용하며, CCUS 부문은 CCU기술의 화학적 전환에서 사용함, 농·축·수산 부문은 농기계·어선 등의 연료전환용임

❍ 수소 공급 방법은 해외수입, 수전해, 추출 + CCUS, 부생수소 등이 있음
- 해외 수입이 21.9~22.9백만톤으로 가장 많고, 다음이 수전해 수소가 3.0~5.0백만톤, 블루수소가 1백만톤, 부생수소 1백만톤 수준임
- 수소 수입 대상 국가는 호주, 중동, 북아프리카 등이 검토되고 있음
- 블루수소를 통해 약 9백만톤의 온실가스가 발생하는데, 이는 CCUS기술을 적용하여 처리함으로써, 대기중으로 배출하지 않음

• 국내 수소 수요 및 공급 전망

  

출처2050 탄소중립 시나리오 세부산출근거, 탄소중립 녹색성장위원회, 2021.10

세계 수소 수급 현황 및 전망

세계 수소 수급 현황

❍ ‘21년 기준 전 세계 수소 생산량은 94Mt 수준이며, 원료는 대부분 화석연료임
- ’22년 IEA에서 발행한 ’Global Hydrogen Review‘에 따르면, ’21년 기준 수소 생산 원료는 천연가스 62%, 석탄 19%, 부생수소 18%, 석유 0.7%로 나타남
- 탄소포집 기술이 적용된 것은 0.7%, 수전해 방식은 0.04% 수준으로, CO2 배출이 적은 기술로 생산한 수소의 비중은 매우 낮은 상황임

❍ ‘21년 기준 수소 소비는 대부분 정유 및 화학산업(암모니아 생산)에서 이루어졌음
- 정유 및 화학산업 이외에 수송, 기타제조업, 발전 등에서 사용되었으나, 전체 사용량 대비 그 비중은 매우 적은 것으로 나타났음
- 다만 도로 수송에서 사용하는 수소의 양은 전년 대비 60% 증가한 것으로 나타나, 수소 차량 보급 수준에 따라 향후 수송부문의 수소 사용량이 변화될 것으로 전망
- 국가별 수소 소비량을 보면 중국이 28Mt으로 가장 많고, 다음으로 미국(12Mt), 중동(12Mt), 유럽(8Mt) 순이었음

• 세계 수소 생산 현황

  

출처Global Hydrogen Review, IEA, 2022

세계 수소 수요 전망(~'35)

❍ ‘35년 기준 수소 수요는 120Mt로 증가할 것으로 전망(STEPS 시나리오 기준)
- ’23년 IEA에서 발행한 ‘Toward hydrogen definitions based on their emissions’의 STEPS* 시나리오에 따르면, 세계 수소 수요는 현재 주요 수요처인 정유·화학 중심으로 사용량이 증가하여 ‘30년까지 115Mt 수준에 이를 것으로 예상함
* 현재까지 발표된 정책을 반영한 시나리오이며, 연료 용도의 암모니아 사용량도 포함
- ‘30년 이후 철강, 수송, 연료 등의 신규 분야의 사용량이 증가하면서 ’35년 기준 수소 수요량은 120Mt에 이르지만, 신규 분야의 비중은 2.5% 정도로 전망

❍ 탄소중립 시나리오(NZE) 하에서는 ‘35년 기준 수소 수요는 270Mt로 증가 전망
- 탄소중립 시나리오*의 신규 분야 수소 사용량이 큰 폭으로 증가하여, 전체 수소 수요는 ’21~‘30년 기간 2배, ’21~‘35년 기간 3배로 증가할 것으로 예상함
* 철강, 수송, 연료 분야에서 수소 사용량을 확대하는 정책을 반영한 시나리오
- 특히, 연료 용도*로 사용하는 수소의 비중은 ’35년 기준 18% 수준으로 전망
* 연료로 사용하는 암모니아 사용량 포함

참고 ○ STEPS 시나리오 기준 암모니아 수요는 ‘21년 190Mt에서 ’35년 230Mt으로 증가함
- 대부분 석유화학 제품 제조 용도에서 증가하고, 발전 수요는 일부 존재
○ 탄소중립 시나리오 기준 암모니아 수요는 ’35년 440Mt으로 증가함
- 발전, 선박 연료의 수요 증가에 기인하며, 각 용도별 사용량 비중은 발전 35%, 선박 연료 20% 수준

• 세계 수소 수요 전망

  

출처Toward hydrogen definitions based on their emissions, IEA, 2023

세계 수소 공급 전망(~'35)

❍ 35년 기준 저탄소 수소 생산기술 적용 비중은 9% 수준(STEPS 시나리오 기준)
- ’35년까지 수소 생산 기술별 비중은 화석에너지 기반 기술이 대부분을 차지할 것으로 나타났으며, 저탄소 수소 생산기술*의 비중은 선진국(G7)을 중심으로 확대되지만 ’30년 기준 6%, ‘35년 기준 9% 정도 차지할 것으로 전망
* CCUS 기술이 접목되거나, 저탄소 전력을 이용한 물 전기분해 수소 생산기술 등을 말함

❍ 탄소중립 시나리오(NZE) 하에서는 ‘35년 기준 저탄소 수소 생산기술 적용 비중은 74% 수준으로 증가할 것으로 전망
- 저탄소 전력을 이용한 물 전기분해 수소 생산기술의 생산량 증가에 힘입어 전체 저탄소 수소 생산기술을 통해 생산하는 수소의 양은 ’30년 90Mt, ‘35년 200Mt에 이를 것으로 나타나, ’21년 1Mt 대비 20배 증가할 것으로 예상함
- G7 국가의 경우 재생에너지 및 탄소저장설비의 부족으로 수입량이 증가하여 ‘30년 8Mt, ’35년 15Mt 정도에 이를 것으로 전망함

• 세계 수소 공급 전망

  

출처Toward hydrogen definitions based on their emissions, IEA, 2023