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수소

수소는 우주를 구성하는 원소 중 90%를 차지할 만큼 무궁무진한 자원이다. 지구 면적의 2/3를 덮고 있는 물 역시 수소원자를 포함하고 있어 부산물 없이 깨끗하게 쓸 수 있는 지속가능한 에너지인 셈이다. 수소와 산소의 화학반응을 이용해 에너지를 생산하며, 이 과정에서 오직 물만 배출하기 때문에 환경오염물질이 발생하지 않는다. 수소는 생산부터 소비에 이르는 전 과정을 고려해도 다른 에너지원에 비해 이산화탄소와 미세먼지 발생량이 훨씬 적다.

수소 (2021년 기준)

수소승용차 누적보급량 : 19,404대 (출처 : 국토교통부, Marklines)
연료전지 발전설비 : 767,5MW (출처 : 한국에너지공단)
수소충전소 : 170기 설치 (출처 : 환경부)

수소를 이용하는 다양한 방법 중 대표적인 것이 연료전지다. 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응을 통해 전기에너지로 직접 변환하는 장치다. 발전효율이 높으며 대형·가정·건물용 발전, 수송용, 휴대용 등 활용도가 다양하기 때문에 미활용 에너지나 재생에너지 등 값싼 자원으로부터 수소를 만들어 대체 에너지로 이용하면 에너지 비용을 낮추면서 에너지 조달처를 다변화하는 효과를 거둘 수 있다.

현재 전 세계 수소에너지의 50% 이상은 천연가스를 고온·고압에서 분해해서 얻는 ‘그레이 수소’이며, ‘블루수소’는 이러한 그레이수소를 만드는 과정에서 발생한 이산화탄소를 포집·저장하여 탄소 배출을 줄인 수소를 말한다. 반면 ‘그린수소’는 태양광이나 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기로 물을 분해하여 생산하는 방식으로 탄소배출이 없어 탄소중립 달성을 위한 미래 에너지원으로 각광받고 있다.

[네덜란드 센터 아일랜드 프로젝트] 지하수를 에너지원으로! ATES 개념 정복

이웃 여러분 오늘은 아주 ‘신박한’ 에너지원 이야기를 가지고 돌아왔습니다. 아직 널리 사용되지 않지만 네덜란드를 비롯한 유럽에서는 친환경 에너지 수단으로 새롭게 주목받는 기술이기도 한데요. 바로 지하수에서 물을 끌어와 에너지를 저장하는 ATES입니다. 아주 간단한 원리로 작동하는 ATES, 지금부터 아직은 조금 생소한 ATES의 이모저모를 살펴보겠습니다. 먼저 네덜란드의 ‘에이뷔르흐’라는 동네로 함께 순간이동을 해볼까요.

네덜란드 ‘센터 아일랜드 프로젝트’를 통해 보는 ATES 사례

암스테르담 센트럴역에서 트램을 타고 동쪽으로 15분만 가면 현대적인 디자인의 주택이 강변 따라 쭉 늘어선 고즈넉한 분위기의 동네가 나오는데요. 6개의 섬으로 구성된 에이뷔르흐(Ijburg) 지역입니다. 건물 냉난방과 전력 생산에 재생에너지를 사용하는 1단계 사업이 완료됐으며 에이뷔르흐 중 센터 아일랜드(Centrumeiland) 지역에서는 2018년부터 주거용 냉난방 에너지를 ATES로 구현하는 2단계 사업을 실시했습니다. 그 결과, 2020년부터 주택 입주가 시작돼 현재는 대부분의 가구가 ATES를 이용한 냉난방을 가동하고 있는데요. 어떤 원리인지 함께 살펴보시죠.

지하수는 열과 냉기를 보존하기에 아주 적합합니다. 물은 비열이 1kcal/(kg · °C)로 다른 물질보다 크기 때문이죠. 온도 변화가 잘 일어나지 않는 물의 성질 덕에 우리 몸도 체온 유지에 탁월한 것이고요. 센터 아일랜드의 중앙 히트펌프 설비실은 여름철엔 차가운 지하수를 끌어다 냉방과 냉수를 공급하고, 겨울철엔 상대적으로 따듯한 지하수를 끌어다 난방에 활용하는 구심점 역할을 합니다. 이 지역에서는 가정에서 샤워, 요리 등을 하며 쓰인 가정 폐수의 열까지 다시 재활용합니다. 지하수의 열을 저장하는 방식이다 보니 에너지원의 냉온 균형을 유지해야 하는데 이곳은 아이미어(Ijmeer) 호수가 인접해 있어 유리한 환경입니다. 너무 많은 열을 추출해냈을 경우 등 에너지의 냉온 균형이 맞지 않을 때 호수의 물을 활용해 적정 온도로 바로잡을 수 있기 때문입니다.

지하수 열에너지가 ATES의 에너지원

▲ATES 시스템 모식도 (출처 : 경남신문)

ATES는 지하수에서 물을 끌어와 에너지를 저장합니다. ATES는 ‘Aquifer Thermal Energy Storage’의 약자로, 풀이하자면 “지표층을 열 저장 매개로 이용한 ‘대수층(지하수층) 축열시스템”을 뜻하는데요. 여름엔 차가운 지하수를 겨울철엔 따듯한 지하수를 끌어다 냉난방에 활용하는 단순한 원리입니다. 이는 계절 간의 온도 차를 활용한 것으로 여름에는 지표 아래 지하수(7~10℃)로부터 냉기를 얻어 냉방을 하고, 열기는 온열 저장고로 이동시켜 열을 저장해둡니다. 겨울에는 반대로 온열 저장고에 있는 물(15~20℃)을 난방에 필요한 에너지원으로 사용합니다.

지하 2~5㎞ 아래 깊은 층을 시추해 지구의 열을 추출해 사용하는 지열과는 달리 지표 아래 150~500m 내외에서 대수층을 이용하기 때문에 ATES는 상대적으로 시공 과정이 안전하며 시추 비용 역시 저렴합니다. 건물 단위는 물론 지역 단위로 적용할 수 있는 것도 장점입니다. 센터 아일랜드 마을 사례에서 보듯이 말이죠.

ATES의 강점과 잠재력

ATES를 이용하면 냉난방에 필요한 천연가스와 전기 사용량을 최대 40% 정도 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 이외에도 ATES가 지니는 장점은 아주 많아요. 지표면 아래 알맞은 컨디션의 대수층만 있다면 태양광이나 풍력발전처럼 공간이나 부지를 필요로 하는 것도 아니고, 냄새나 소음을 생성하지도 않죠. 설비가 외관에 드러나지 않는 데다 특정 장소에 제한되는 기술이 아니기 때문에 인구와 건축물 밀도가 높은 도시 환경에서도 구현이 가능하고요. 대체 에너지원이 별로 없는 환경에서도 역시 가능합니다. 근접한 지역의 다른 에너지 시스템과 연결할 수 있는 허브로서의 역할도 충분히 수행할 수 있습니다.

암스테르담 지역은 지표로부터 150m 아래 50m 두께의 투과성 모래층(대수층)이 풍부한 지대입니다. 우리나라 지표면의 물, 강, 댐 등에서 얻는 수열에너지를 조사한 결과, 네덜란드보다 평균 5도 정도 높은 데다, 계절 간 기온 차가 네덜란드보다 뚜렷하기에 더 많은 열에너지 추출할 수 있다는 예측이 가능해집니다. 아이미어 호수에서 열에너지를 추출하는 센터 아일랜드의 수열 평균 온도는 15도 이하인 반면 한국은 20~25도 사이이기 때문에 열을 재활용하는 데에 있어 더 큰 혜택을 볼 수 있다는 견해입니다.

ATES는 아직은 우리나라에 잘 알려져 있지 않습니다. ATES를 지열에너지와 혼동하는 경우도 많고 아직은 법률 규정 상 대체에너지에 포함이 되지도 않았습니다. 아파트·빌딩의 냉난방은 전체 에너지 수요의 약 12%를 차지한다고 하는데요. 아직 상용화 전이지만, 전기 없이 냉난방을 할 수 있는 ATES가 새로운 친환경 재생 에너지원으로 주목받기엔 충분하지 않을까요?

:: 참고자료 ::

출처 한국에너지정보문화재단

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정책

제1차 수소경제이행기본계획

정부는 「수소선도국가 비전」의 실현을 위해, “청정 수소경제 선도국가(First Mover)”로의 도약을 목표로, 「제1차 수소경제 이행 기본계획」을 수립하였습니다.

의의 및 비전

금번 계획은 올해 2월 수소법 시행 이후 첫 법정 기본계획으로써, 「수소선도국가 비전」에서 제시한 △국내‧외 청정수소 생산 주도, △빈틈없는 인프라 구축, △모든 일상에서 수소활용, △생태계 기반 강화 등 4대 추진전략을 바탕으로 15개 과제*를 추진합니다.
* △그린‧블루수소 생산‧도입, △수소 유통인프라 확충, △수소발전‧모빌리티‧수소산업공정 확산, △수소 클러스터·도시·규제특구 육성, △수소안전‧기술개발‧국제협력 등
특히, 2050년 연간 2,790만톤의 수소를 100% 청정수소(그린‧블루수소)로 공급하고, 국내 생산은 물론 우리 기술·자본으로 생산한 해외 청정수소 도입으로 청정수소 자급률도 60% 이상 확대할 계획입니다.
* 청정수소 비중 / 자급률 목표 : (’20년) 0% / 0% → (‘30년) 75% / 34% → (’50년) 100% / 60%

주요 추진과제

1 국내·외 수소 생산을 ”청정수소 공급체계“로 전환합니다.
- 재생에너지와 연계한 수전해 실증을 통해 그린수소의 대규모 생산기반을 구축하고, 생산단가를 감축하겠습니다.
  * 그린수소 생산확대 / 단가 : (‘30년) 25만톤 / 3,500원/kg → (’50년) 300만톤 / 2,500원/kg
- 동해가스전 실증 등 탄소포집저장기술(CCS) 상용화 일정에 맞추어 탄소저장소를 ‘30년까지 9억톤 이상 확보하여, 이산화탄소 없는 청정 블루수소를 ’30년 75만톤, ‘50년까지 200만톤 생산하겠습니다.
  * ’25년 국내 블루수소 최초 생산(25만톤급, 보령)
- 아울러, 국내 자본·기술을 활용한 해외 재생에너지-수소 생산 프로젝트를 추진하여 ‘50년 40개의 수소공급망을 확보하겠습니다.
  * 블루 암모니아 해외 생산 개시(’25), 블루 암모니아 해외 도입 개시(‘27)
- 특히, 안정적인 수소 수급을 위해 비축기지 건설(’30) 및 국제거래소를 설립하고, 수소 생산국들과 협의하여 국제적으로 통용될 수 있는 청정수소 인증제 및 원산지 검증체계를 구축하겠습니다.
2 청정수소를 어디서나 편리하게 사용할 수 있는 인프라를 마련하겠습니다.
- 석탄·LNG발전소, 산단 인근에 수소항만을 구축하고, 항만시설 사용료‧임대료 감면 등 인센티브 부여를 통해 항만 내 선박·차량·장비 등을 수소 기반으로 전환해갈 계획입니다.
- 또한, 수소생산·도입 주요 거점을 중심으로 수소 배관망을 구축하고, 기존 천연가스망을 활용한 수소혼입도 검토(‘22~)하겠습니다.
- 주유소·LPG 충전소에 수소충전기를 설치하는 융복합 충전소 확대 등을 통해 수소충전소를 ‘50년까지 2,000기 이상 확보할 계획입니다.
  * 수소충전기 보급목표(기): (’22) 310 → (‘25) 450 → (’30) 660 → (‘40) 1,200 → (’50) 2,000 이상
3 발전‧모빌리티‧산업 등 모든 일상에서 수소를 활용할 수 있도록 하겠습니다.
- 수소연료전지에 더하여 석탄에 암모니아 혼소발전(‘27~), LNG 수소 혼소 등 수소발전을 상용화하고, 청정수소 발전의무화 제도(CHPS) 도입, 환경급전 강화 등으로 이를 뒷받침 하겠습니다.
  * 수소발전량 : (‘20) 3.5TWh → (’30) 48.2TWh → (‘50) 287.9TWh ('20년 대비 82배↑)
- 수소차 생산능력의 대폭 확충(’50년 526만대)과 함께 ‘30년까지 내연기관차 수준으로 성능을 제고하고 선박‧드론‧트램 등 다양한 모빌리티로 수소 적용을 확대하겠습니다.
4 수소산업 육성 저변 강화를 위한 제도 기반을 마련하겠습니다.
- 수소 관련 기술개발의 시너지 효과 제고를 위해 각 부처별로 개발 기술 규모를 상향, 범부처 통합실증을 실시하겠습니다.
- 아울러, 선제적 안전기준 수립, 국제표준 선점 지원 등을 통해 수소 산업 경쟁력을 강화하고, ’글로벌 수소 연합회‘를 출범하여 수소생태계 구축을 위한 국내·외 기업간 협력을 더욱 강화하겠습니다.