월간전기

그린·블루 중심의 청정수소 정책은 높은 비용과 인프라 제약 등으로 현실적인 한계에 직면해있으며, 민간 투자도 위축된 상황이다. ‘수소경제’가 정착되기 위해서는 기술중립적 체계와 민간 및 활용기업 중심의 시장 구조로 전환되어야 한다. 청록수소는 재생에너지나 CCS(탄소 포집 및 저장기술)에 대한 의존이 낮고 기존 산업 인프라와의 연계가 용이하다. 때문에 수소경제 패러다임에 적합하며, 산업에 따른 맞춤형 청정수소 생태계 조성이 가능하다.

참조 산업통상자원부, POSRI 외

‘수소경제’가 정착되기 위해서는 기술중립적 체계와 민간 및 활용기업 중심의 시장 구조로 전환되어야 한다. (이미지 : 한국에너지기술연구원)

청록수소는 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)을 고온의 열로 분해해 수소와 고체탄소(C)를 생산하는 기술이다. 생산 단계에서 CO2의 직접 배출이 없고, 간접 배출은 기술개발 및 친환경 전력 확대 등으로 점진적인 감소가 예상된다. 또한 활용 단계에서 그린 및 블루수소만큼 경제적이며, 고체 탄소의 자원화를 통한 부가가치 창출로 경제성 우위의 수소 생산이 가능하다.

대규모 재생에너지 부지 없이 산업단지 인근에서 생산이 가능하여 그린수소의 간헐성에 유연한 대응이 가능하다는 장점도 있다. 산업과 발전업계에서 수소 수요를 확대함에 따라 일부 LNG 물량을 청록수소 생산에 활용하면, 기존 LNG 장기계약 구조와 경제성 확보도 가능하다. 한편, 고체 탄소는 발전·건설 등 범용 산업뿐만 아니라 그래핀, 탄소나노튜브(CNT), 탄소섬유 등 미래 고부가 소재 산업 육성에도 기여할 수 있다.

해외 주요국은 청록수소를 중요한 ‘저탄소 수소’로 분류하고 전략적 지원을 강화하는 추세다. 미국은 트럼프 정권으로 바뀐 후에도 LNG와 연계된 수소에 대한 지원을 계속 유지하고 있으며, 청록수소를 저원가 생산 잠재력을 보유한 수소로 기대하며 주목하고 있다. 「IRA 45V」 최종안(’25.1)은 청록수소 생산 기술인 ‘메탄 열분해’를 지원 대상에 포함하고 있으며, 에너지부(DOE)는 청록수소가 “경제성과 환경성 측면에서 잠재력 있다”고 평가하면서 DOE 융자 프로그램 예산의 0.7%, 그린수소의 50% 수준을 청록수소에 배정했다.

우리나라와 마찬가지로 LNG 수입국가인 일본은 「수소 기본전략」을 통해 메탄 열분해를 ‘4대 혁신기술’로 명시하고 지원하고 있다. 이로 인해 일본 내 유력기업인 소지츠(Sojitz), 에바라(Ebara), 미쓰비시(Mitsubishi), 스미토모(Sumitomo), 미우라공업, 오키나와전력, 도쿄가스, 철강협회 등 다양한 산업계에서 연구개발을 확대하고 있다. 추후 실증단계에 진입하면 경제산업성의 ‘그린 이노베이션 기금’ 등을 통해 지원을 넓혀갈 것으로 전망된다.

유럽연합(EU) 또한 「저탄소 연료 위임법(Low Carbon Fuel Delegated Act)」을 통해 청록수소를 저탄소 수소에 포함시키고 지원 기반을 마련할 예정이다. 탄소 배출 기준(3.38kg-CO2/kg-H2)에만 부합한다면, 그린수소 중심의 지원체계에서 블루/원전/청록수소도 의무사용으로 규정하여 차액보전 지원 대상에 포함한다는 방침이다.

수소 생산 기술별 이산화탄소 배출량(WtG 기준)

현재 기술 수준으로 청록수소는 「청정수소 인증기준」을 초과하는 것으로 알려졌다. 해당 제도는 원료 채굴부터 수소 생산까지(Well-to-Gate, WtG) 배출되는 CO2가 산정 범위에 해당하는데, 청록수소는 열분해 과정에서 직접 배출되는 CO2(Scope 1)는 없지만, 열분해에 사용되는 전력에 포함된 CO2(Scope 2)와 천연가스 수출, 액화 과정에서 발생하는 CO2(Scope 3)까지 포함하면 청정수소 인증기준(4kg-CO2/kg-H2)을 초과한다.

그러나 ’30년까지 저에너지 촉매기술이 개발되고, 국가 에너지믹스에 무탄소 전원 확대가 예상되어 청정수소 인증 확보도 가능할 것으로 기대된다. 청록수소는 기술별로 소요되는 에너지가 다르기 때문에, 저에너지 촉매 및 저탄소 기반의 공정기술 개발을 통해 탄소 배출량 감축이 가능한 것이다. 저온 플라즈마 또는 용융 금속촉매 등 고효율 공정 및 촉매기술이 개발된다면 (고체탄소의 순도 이슈가 있지만) 에너지를 10kWh/kg-H2까지 사용하기 때문에 CO2는 4.7kg까지 배출을 감소시킬 수 있다.

’30년까지 국가 전력망(grid)의 온실가스 배출계수가 0.2kg-CO2/kWh까지 떨어지면 청록수소의 CO2 배출량은 청정수소 인증기준까지 감소할 수 있다. 「제11차 전기본」에 따르면 무탄소 발전 비중은 ’30년까지 53%까지 확대될 예정이다. 이때 배출계수가 약 0.24까지 하락하고, ’38년에는 0.2 이하로 하락하기 때문에 Scope 2 CO2는 0.2kg-CO2/kWh까지 하락할 것으로 기대된다.

또한 무탄소 전원을 확대하는 국가를 중심으로 LNG 수입 계약을 확대하는 등 전 세계적으로 청록수소 프로젝트를 어떻게 설계하느냐에 따라 업스트림 배출량(현재 약 3.7kg-CO2/kg-H2)을 10~70%까지 감축할 수 있다. 만약 위의 모든 조건들을 충족한다면, 청록수소는 블루수소보다 CO2 감축 효과에 있어 훨씬 우수하다.

[표 2] 청록수소 기술 개요 및 필요 에너지

그린수소의 경우 재생에너지 환경이 우수한 국가에서 경제적으로 생산할 수 있다. 그러나 생산지에서 암모니아로 변환해 운송하고, 다시 국내에서 변환하는 과정에서 생산비 이상의 비용이 발생하여 가격이 상승한다. 예를 들어, 중동(오만)에서 ’28년 프로젝트를 가동하면 수소를 4000원 이하에서 생산할 수 있지만, 국내에 구입하는 과정에서 비용이 7천원대로 상승한다. 이후 수소환원제철 등 산업용으로 수소를 활용하려면 승온하는 과정에서 추가 에너지가 필요하기 때문에 기업은 최소 7천원 중반대의 원가로 수소를 활용하게 될 것이다.

블루수소는 LNG 수입을 위한 인프라가 갖춰져 있어 운송비용 부담은 덜한 편이다. 그러나 LNG 구매 비용과 배출 CO2의 해외 저장 비용으로 최종 가격은 상승한다. 예를 들어, LNG를 10$/MMbtu로 수입하여 수소를 생산하고 배출탄소를 동해 등 국내 인근 매립지에 저장한다면 4천원 중반대에서 활용 가능하다. 그러나 국내 매립지 부족 및 사회적 수용성 이슈 등으로 해외 매립지 개발이 불가피하기 때문에, 현실적으로 최종 가격은 6천원에 육박한다.

반면, 청록수소는 CCS 비용은 불필요하지만 블루수소보다 천연가스를 2배 가까이 더 사용하기 때문에 활용 가격은 4~7천 원대로 상승한다. 그러나 개발단계의 기술(TRL 4~8)로 4천 원대에서 생산 가능한 기술이 등장했고, 부산물인 고체탄소를 정제하여 고부가가치 산업에 판매한다면 비용을 회수할 수 있어 2~3천 원대의 가격도 가능할 것으로 기대된다.

「제11차 전기본」에 따르면, 발전원에서 LNG 비중은 ’30년까지 25.1%로 유지되다가 ’38년에는 10.6%로 감소할 것으로 전망된다. 반면, ’30년 이후 LNG 가격은 꾸준히 상승할 것으로 예상된다. 수요 감소 시나리오의 영향으로 LNG의 장기·대량 계약을 축소하고 단기 계약 중심으로 체결 시 LNG를 높은 비용으로 수입하는 상황이 발생하게 된다.

청록수소의 생산은 LNG의 안정적인 수요처가 가능하여 장기계약 기반의 LNG 수급 구조를 유지하고 경제적으로 LNG를 도입하는 전략적 수단으로 작용할 것으로 기대된다. 철강산업은 저탄소 발전원으로서 LNG와 저탄소 스틸용 환원제에 청록수소가 필요한데, LNG 계약을 통해 경제적으로 LNG와 수소를 동시에 확보할 수 있다.

발전산업에서도 LNG와 수소 혼소발전을 위해 블루수소와 함께 청록수소라는 전략 옵션을 보유하면, 탄소중립 로드맵을 추진하는데 전략적 유연성을 확보할 수 있을 것이다.

수소 생산 기술별 생산-운송-활용 가격 (자료 : Roland Berger, IEA)

고부가 고체탄소 산업 생태계

청록수소와 함께 배출되는 고체탄소는 철강, 발전 등 청록수소를 활용하는 산업뿐만 아니라 건설산업 등에서도 연료 및 보강재로 활용할 수 있다. 향후 철강산업이 수소환원 제철로 전환된다고 해도, 탄소강 생산을 위해서는 탄소가 필요하기 때문에 고체탄소는 수소와 함께 핵심 원료로 활용될 것이다.

발전 부문에서도 일본을 중심으로 석탄 사용량을 일부 대체할 수 있는 혼합연료로의 응용을 검토 중에 있다. 콘크리트 산업에서는 보강재 또는 구조적 보조재로 활용 가능성이 제기되고 있으며, 일본은 연간 1.7억톤 규모의 콘크리트에 고체탄소 혼합의 실증을 검토하고 있다.

카본블랙은 타이어, 피그먼트, 플라스틱 등 전통적인 대량소비 산업군에서 광범위하게 사용된다. 고체탄소는 입자 크기를 정밀하게 조절해 카본블랙, 흑연, 탄소나노튜브(CNT) 등 고기능 소재로도 전환할 수 있는 잠재력을 보유하고 있다. 또한 이차전지, 전자소자, 의료기기 등 고부가 수익을 창출하는 차세대 소재로, 흑연(연간 수요 126천톤), CNT(연간 수요 5천톤) 등에 활용된다.

탄소섬유 시장도 고체탄소의 잠재적 활용처로 계속 성장하여 ’35년까지 3배로 증가할 것으로 전망된다. 탄소섬유는 스포츠·레저 산업을 넘어 항공우주, 풍력 블레이드, 수소저장용 실린더, 新 모빌리티 경량화 부품 등으로 수요가 확대되고 있다.

한 예로, 수직이착륙항공기(eVTOL)의 대표 제조업체인 미국 조비 에비에이션(Joby aviation)과 중국 이항(Ehang)은 동체를 탄소섬유로 채택했다. 엑손모빌(Exxon Mobil)은 열분해 공정에서 발생하는 고체탄소를 탄소섬유 생산에 활용할 수 있는 기술로 개발하고 있다. 이처럼 청록수소가 배출하는 탄소섬유의 고부가 활용처는 계속해서 개발될 것으로 기대된다.
「제11차 전기본」전원별 발전량 및 비중 전망 (출처 : 연합뉴스)

청록수소는 그린 및 블루수소의 한계를 보완하는 ‘제3의 수소’로서 환경성과 경제성 개선의 잠재력을 보유하고 있으므로, 전략적 육성과 제도적 기반이 필요하다. 그린수소 공급망 안정뿐만 아니라 고체탄소 신산업 육성에도 기여하기 때문에, 그린수소와 청록수소를 혼합하여 사용하는 조달체계를 구축한다면 경제적인 수소 공급망 구축이 가능할 것으로 기대된다.

아직 청록수소의 기술 주도국이 없는 상황이기 때문에 ‘국가전략기술’로 지정 시, 청정수소 생태계에서 리더십을 확보할 수 있다. 청정수소 인증기준 달성을 목표로 기술개발을 추진하면, 그린수소와 공존하면서 청정수소와 고체탄소 생태계를 리딩할 수 있을 것이다.
고체탄소의 주요 활용 산업 (출처 : POSRI)

청록수소는 고순도가 필요하지 않은 산업 및 발전용으로 적합하기 때문에, 산업단지와 연계된 실증사업을 통해 사업화 속도를 강화할 수 있다. 실증사업을 통해 청록수소와 고체탄소의 대량 생산기술을 확보하면, 활용업체가 수용할 수 있는 수준까지 생산원가가 하락할 수 있을 것으로 기대된다. 수소 시범도시 등과 연계, 기술개발을 넘어 실증-인증-상용화까지 이어지는 전주기 지원을 받는다면, 청록수소에 대한 글로벌 기술의 주도권을 선점할 수 있을 것으로 기대된다.