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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.

이제는 철강산업도 탄소에서 벗어난다, 수소환원제철

이제는 철강산업도 탄소에서 벗어난다, 수소환원제철

국가의 기간산업이자 문명의 토대인 철강산업은 말 그대로 꺼지지 않는 용광로입니다. 한국에너지기술연구원의 <철강산업의 탈탄소화> 보고서에 따르면 2020년 세계 철강 수요는 17억 7,200만 톤으로 연간 1~2% 증가하여 2050년에는 약 27억 4700만 톤에 이를 것으로 전망됩니다.

하지만 그만큼 철강산업은 탄소집약적인 산업이기도 하죠. 2018년 기준 세계는 조강(crude steel)을 생산하기 위해 33.6EJ(엑사줄)의 에너지를 소비했고, 이는 전 세계 산업 부문 에너지 소비량의 20%에 달합니다. 엄청난 양이죠? 탄소중립이 경쟁력이 된 지금, 철강산업계는 신공정 기술을 개발해 그린철강의 꿈을 꾸고 있습니다. 그 대표적인 것이 바로 화석연료 대신 수소를 사용해 철을 생산하는 기술인 ‘수소환원제철’인데요, 과연 어떤 원리일까요?

용광로 없는 제철이 가능하다?

수소 환원 반응과 기존 환원 반응의 차이. © 포스코

철강 생산 공정에서는 기본적으로 석탄에서 발생하는 가스인 일산화탄소를 환원제로 사용합니다. 자연 상태의 철은 적철광, 자철광과 같이 산소와 결합한 산화물 형태로 존재하기 때문에 제철 공정에서 환원 공정을 반드시 거쳐야 하죠. 탄소가 다량으로 배출되는 지점이 바로 이 환원 공정이기도 합니다. ‘고로’라고 하는 큰 용광로에 철광석과 석탄을 넣어 1500°C 이상의 고온에서 녹이면 일산화탄소가 발생해 철광석에서 산소를 분리하는데요, 이때 이산화탄소가 발생하게 됩니다.

친환경 철강인 수소환원제철은 ‘환원’이라는 이름에서도 알 수 있듯이 철광석에서 산소를 분리하는 환원 과정에서 석탄 가스가 아니라 수소를 활용하는 것입니다. 이 과정을 통해 물과 함께 철이 생성되는데, 이를 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)이라고 합니다.

환원제로 석탄 대신 수소를 쓴다는 것은 언뜻 보면 단 하나의 공정만이 변한 것 같지만 사실 엄청난 변화를 만드는 시발점이기도 합니다.

수소환원제철이 어떤 변화를 만들까요? 바로 우리가 제철소 하면 떠올리는 고로, 즉 용광로가 필요 없어진다는 것입니다. 과거에는 고로에서 석탄과 철광석을 한 데 녹이는 공정이 핵심이었는데 이 과정이 사라지니 용광로와 그에 따른 부속 설비도 없어지는 것이죠. 수소환원제철에서는 그 대신에 ‘유동환원로’와 ‘전기로’라는 설비에서 수소와 철광석의 환원 반응을 수행합니다. 먼저 환원로에서 철광석을 고온으로 가열된 수소와 만나게 하면 고체 철이 나옵니다. 이를 전기로에서 녹여 쇳물을 만듭니다.

그럼 전력은 어떻게 되는 걸까요? 기존 고로 방식에서는 환원 반응에서 나오는 부생가스로 다른 공정의 연료로 사용했는데, 수소환원제철에서는 100% 전기를 공급받아야 합니다. 100% 수소만 사용하기 때문에 부생가스가 발생하지 않기 때문이죠. 수소환원제철에서는 신재생에너지로 이 전기 공급을 해결하고자 합니다.

수소환원제철의 기본 개념은 ‘그린수소’입니다. 유동환원로에 투입되는 수소도, 설비를 구동하는 전기도 모두 무탄소 에너지여야 합니다. 그렇기 때문에 2020년 8월에 수소환원제철 시범 공장을 가동한 스웨덴 철강사 SSAB는 스웨덴 다국적 전력회사 바텐팔(Vatenfall)과 협력하여 신재생에너지를 공급받고 있습니다.

기술력 갖춘 우리나라, ‘그린 철강’ 선도할 수 있을까?

다만 아직 전 세계적으로 100% 수소만 사용해 환원철을 생산하는 환원로는 상용화되지 못했습니다. 현재 기술로는 석탄 또는 천연가스를 사용하는 과정에서 발생하는 수소를 일부 활용해 직접환원철(DRI)을 생산합니다.

우리나라는 100% 수소환원제철로 가는 기술 선도국가입니다. 포스코는 수소환원제철 고유 기술인 ‘파이넥스(FINEX, Fine Iron ore Reduction) 공정’을 보유하고 있습니다. 파이넥스는 가루 형태의 철광석과 석탄을 고로에 넣지 않고, 유동환원로와 용융로라는 설비를 통해 쇳물을 생산합니다. 파이넥스는 공정 중에 발생하는 수소 25%와 일산화탄소 75%를 환원제로 사용함으로써 현재까지 수소환원제철 구현에 가장 근접한 기술입니다.

포스코는 파이넥스에 적용된 유동환원로 기술을 바탕으로 수소를 100% 사용하는 하이렉스(HyREX) 기술 개발을 추진하고 있습니다. 정부 및 국내 철강사와 협업해 2028년까지 포항제철소에 연산(연간 생산 능력) 100만t 규모의 데모 플랜트를 건설할 예정인데요, 다가올 2030년에는 100% 수소환원제철을 볼 수 있을지 기대가 됩니다.

용광로, 즉 고로가 있는 기존 공정과 포스코만의 수소환원제철 공정의 차이 © 포스코

관련 링크 : https://blog.naver.com/energyinfoplaza/222948847836

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.