월간전기



『Trend Report』 미래 수소경제 이끌 게임 체인저

2024-07-15

미래 수소경제 이끌 게임 체인저, 바야흐로 액화수소 시대가 열렸다 액화수소(Liquid Hydrogen)는 수소 분자가 매우 낮은 온도에서 액체 상태로 변하는 것을 말한다. 수소는 보통 -252.87℃(-423.17℉)의 온도에서 액체로 변하는데, 이는 산소가 가장 높은 온도에서 액체로 변하는 온도인 -183℃보다 더 낮다. 기체수소를 극저온 상태로 냉각해 액화한 액체수소는 기체수소 대비 부피가 800분의 1로 줄어들고, 1회 운송량은 약 10배 수준이라 저장 및 운송 측면에서 매우 유리하다. 그래서 미래 수소경제의 게임 체인저로서 버스, 트럭 등의 수소상용차 보급촉진과 국가 간 대량 수소운송을 위한 핵심수단으로 기대를 모으고 있다. 정리 편집부 자료 산업통상자원부 외 인천 액화수소 플랜트 준공식 (출처: 대한민국 정책브리핑) 현재 전 세계적으로 미국, 독일, 프랑스, 일본, 중국 등의 국가에 40여개(하루 410t급)의 상용급 액화수소 플랜트가 건설되었다. 그중 미국, 일본, 독일 등은 250개소 이상의 액화수소 충전소를 운영하는 등 액화수소를 중심으로 수소생태계를 확장해가고 있다. 미국은 2023년 액화수소 연료전지를 장착한 수소전기트럭의 실증 테스트를 안정적으로 끝마쳤고, 독일에서는 세계 최초로 액화수소 항공기의 시험 비행에 성공하는 등 액화수소의 실제적인 활용 사례는 더 늘어날 전망이다. 에너지, 화학 등 다양한 분야의 글로벌시장 조사에 참여하는 리서치 전문 업체 〈Global Market Insights〉는 액화수소의 시장 규모가 2023년 379억 달러를 넘어섰고, 2024년부터 2032년까지 7%의 연평균 성장률을 기록할 것으로 분석했다. 그간 우리나라는 액화수소 플랜트가 전무한 ‘불모지’나 다름없었다. 그러나 올해 창원, 인천, 울산 등 3곳에서 연간 최대 4만t(톤) 규모의 액화수소 플랜트가 준공되어 액화수소 생산을 시작하면서 본격적인 액화수소 시대의 막이 올랐다. 이로써 우리나라는 세계 9번째 액화수소 생산국가가 되었다. <Global Market Insights>가 분석한 액화수소 시장 규모 (출처: SK E&S 미디어룸) 국내 액화수소 플랜트 지도 (출처: SK E&S 미디어룸) 정부의 액화수소 수요 창출 의지 정부는 2022년 11월 ‘제5차 수소경제위원회’를 통해 발전 및 수송 분야에서 대규모 수소 수요를 창출하겠다고 밝힌 바 있다. 수송 분야에서는 2030년 수소상용차 3만대 및 액화수소 충전소 70개소 보급목표를 제시했다. 이를 위해 수소버스 및 트럭의 구매보조금을 확대하고, 지자체를 대상으로 수소버스 및 수소충전소 보급 지원 시범사업(수소연료전지시스템 교체비용 지원), 경찰버스의 수소버스 전환, 수소버스 취득세 감면 및 고속도로 통행료 감면 연장 등을 추진한다고 밝혔다. 당시 정부는 연내 연간 4만t 규모의 수소를 액화할 수 있는 플랜트를 구축하고, 액화수소 충전소 구축 보조금 지원 규모를 확대하는 등 인프라 구축에도 집중하겠다고 발표했다. 또 기존 기체충전소를 액체충전소로 전환하기 위한 기술개발, 법적 기준, 시설 개조 등의 지원방안을 마련하는 한편, 지하 매몰형·이동형 액화수소 충전소, 버스 공영차고지 내 수소복합스테이션 등 액화수소 충전 모델을 다양화하겠다고 밝혔다. 창원 액화수소 플랜트 조감도 (출처: 창원시) 국내 3곳에 액화수소 플랜트 준공 ▷ 두산에너빌리티, 창원 액화수소 플랜트 올해 1월 31일, 두산에너빌리티 창원공장에서 국내 첫 액화수소 생산·공급시설인 ‘창원 액화수소 플랜트’ 준공식이 열렸다. 이 플랜트는 두산에너빌리티, 경상남도, 창원시가 공동투자해 구축됐으며, 연간 최대 1825t의 액화수소를 생산하여 인근 연구기관과 기업, 수소충전소 등에 공급한다. 창원 액화수소 플랜트 구축사업은 천연가스 개질을 통한 하루 5t 규모의 액화수소 생산설비를 구축하는 것으로, 창원시 성산구 귀곡동에 있는 두산에너빌리티의 1만9750.2㎡ 부지에 국비 170억원, 지방비 100억원, 민간 680억원 등 총사업비 950억원을 투입해 건설, 운영한다. 창원산업진흥원과 두산에너빌리티가 공동 출자한 합자SPC인 하이창원(주)가 주관기관을 맡아 2020년 3월부터 2052년 12월까지 구축 및 운영한다. 창원 액화수소 플랜트의 액화수소 운송·저장설비 등에는 국내 기술이 활용됐으며, 동 플랜트와 연계하여 국내기업이 개발한 액화 트레일러를 함께 운영한다. 하이창원(주)는 플랜트 준공식에서 한국교육학술정보원(KERI), 한국재료연구원(KIMS), 한국기계전기전자시험연구원(KTC), 한국조선해양기자재연구원(KOMERI) 등의 연구기관과 효성중공업, 코하이젠 등의 기업들과 액화수소 구매협약을 맺고 2025년 상반기부터 수소충전소에 액화수소를 공급할 것으로 보인다. 인천 액화수소 플랜트 (출처: SK E&S 미디어룸) ▷ SK E&S, 인천 액화수소 플랜트 인천 액화수소 플랜트는 인천 서구 원창동 SK 인천석유화학 부지 내에 위치하고 있다. 플랜트 규모는 약 5만㎡(약 1.5만평)로, 필요한 부지면적이 작아 국토 면적이 좁은 국내 환경에 적합하다. 2021년 3월 기본설계(FEED)에 착수한 인천 액화수소 플랜트는 같은 해 7월에 착공하여 2023년 말 기계적 준공을 마쳤다. 이후 시운전 기간을 거친 뒤 2024년 5월 8일 본격적인 가동을 시작했다. 인천 액화수소 플랜트는 SK E&S가 약 7천억 원의 사업비를 투입해 구축했으며, 하루 30t의 액화수소를 생산할 수 있는 설비 3기와 20t급 저장설비 6기 등을 갖추고 있다. 플랜트에선 인근 SK 인천석유화학에서 발생하는 기체 상태의 부생수소1)를 활용해 연간 3만t의 액화수소를 생산하게 된다. 이는 수소 전기버스 5000대를 충전할 수 있는 양으로, 액화수소 생산 단일시설로는 세계 최대 규모다. 인천 액화수소 플랜트에서는 △정제 △액화 △저장 △출하의 순서로 액화수소를 생산하고 유통한다. SK E&S 미디어룸에서 제공하는 자료를 바탕으로 액화수소 생산 및 유통 과정을 소개한다. 정제설비 모습 ▷ 플랜트의 첫 구간에는 액화수소 생산의 첫 단계라고 할 수 있는 정제설비가 있다. 여기서는 SK 인천석유화학에서 매입한 부생수소를 고순도로 정제하는 과정이 이루어진다. 총 10개의 원기둥 모양으로 이루어진 정제설비에서는 연간 4만2,000t의 수소를 정제할 수 있다. 정제는 부생수소가 설비 내부에 있는 흡착제를 통과하며 불순물이 걸러지는 방식으로 진행된다. 각 설비 내부의 압력이 올라가면 흡착제가 불순물을 흡수하고, 압력이 내려가면 불순물을 내보낸다. 이 과정을 거치며 순도 91.9%였던 수소는 순도 99.999%로 정제된다. 액화설비 모습 ▷ 정제를 마친 수소는 파이프를 통해 액화 설비로 이동한다. 하루 30t급 생산능력을 보유한 액화 트레인 3개가 나란히 설치되어 있으며, 하루 최대 90t의 액화수소를 생산할 수 있다. 기체 상태였던 수소는 액화 설비에서 두 번의 냉각 과정을 거쳐 액체가 된다. 액화 트레인에 있는 2개의 컴프레셔가 냉매를 순환시키며 냉각이 이루어지는 원리다. 예비냉각기기에서 액체질소를 통해 수소를 1차로 냉각(-196℃)한 후, 액화기에서 수소를 냉매로 활용해 한 번 더 냉각(-253℃)하여 액화수소가 생산된다. 저장설비 모습 ▷ 액화 트레인 옆에는 20m 길이의 저장 탱크 6개가 위치하고 있다. 생산된 액화수소를 저장하는 설비로 탱크당 20t, 총 120t의 액화수소 저장이 가능하다. 액화수소는 기체 형태보다 부피가 800분의 1로 줄어들어 저장 및 운송 시 공간 효율성이 뛰어나다. 액화수소 출하 모습 ▷ 플랜트의 가장 마지막 부분에는 출하설비가 자리 잡고 있다. 12대의 출하기에서 액화수소가 수소탱크로 옮겨지고, 액화수소를 실은 탱크 트레일러는 정해진 일정에 따라 운송지로 출발하게 된다. 탱크 트레일러로 한 번에 운송할 수 있는 액화수소의 양은 약 3t이다. 기체수소를 운송하는 튜브 트레일러(250kg 기준)의 약 12배 분량을 한 번에 운송할 수 있는 것이다. 또한 액화수소는 대기압과 유사한 압력에서 저장과 운송이 이뤄져 안전성 측면에서도 우수하며, 빠른 충전 속도와 짧은 충전 대기시간 등의 강점이 있다. SK E&S는 대규모 액화수소 생산뿐만 아니라 액화수소 충전소 사업도 함께 추진해 가고 있다. 미국 플러그파워와의 합작법인인 ‘SK 플러그 하이버스(SK Plug Hyverse)’를 중심으로 전국에 약 40개소의 액화수소 충전소를 구축할 계획이다. 올해에는 약 20개소의 액화수소 충전소 운영 개시를 목표로 하고 있다. SK는 지난 2021년 1월 미국의 글로벌 수소 기업플러그파워에 1조6천억원을 투자하여 합작법인을 설립했다. SK㈜와 자회사 SK E&S는 각각 8천억원을 출자해 15억달러(약 1조6천억원)를 공동 투자하여 플러그파워의 지분 9.9%를 확보해 최대 주주로 올라섰다. 1997년 설립된 플러그파워는 수소 사업 밸류체인 내 차량용 연료전지, 수전해 핵심 설비인 전해조, 액화수소 플랜트, 수소충전소 건설 기술 등 다수의 핵심 기술을 보유하고 있다. SK는 플러그파워의 기술력을 활용해 국내에 수소생태계 조성을 앞당기고, 아시아 수소 시장에 공동 진출한다는 계획이다. 플러그파워와의 합작법인 설립 이후 SK는 에너지 관련 자회사인 SK E&S, SK건설, SK이노베이션 등 관계사 전문 인력 20여명으로 구성된 수소사업 전담 조직 ‘수소사업 추진단’을 신설했다. 이로써 국내에서 2025년까지 총 28만t 규모의 수소 생산능력을 갖추고, 수소의 생산-유통-공급에 이르는 밸류체인을 통합 운영해 수소 사업을 차세대 주력 에너지 사업으로 집중 육성해 나가겠다는 방침이다. 미국 수소기업 플러그파워의 탱크로리 ▷ 효성-린데, 울산 액화수소 플랜트 효성중공업은 2020년 산업용 가스 전문 세계적 화학기업인 독일의 린데그룹(Linde Group)과 액화수소 밸류체인을 구축하기 위한 협약을 체결했다. 그리고 이듬해 효성과 린데 합작법인 ‘린데하이드로젠’(생산법인)을 통해 울산 효성화학 용연3공장에 액화수소 플랜트 건립을 추진했다. 당시 린데하이드로젠이 발표한 사업 계획은 2023년 초까지 해당 부지에 연간 1만3000t 규모 액화수소 공장을 세우고 2023년 5월부터 본격 가동하는 방안이었다. 그러나 당초 계획보다 미뤄져 아직까지 본격적인 양산에 들어가지 못하고 있다. 올해부터 국내에서 본격적으로 상업가동 되는 액화수소 플랜트 3곳의 규모는 △SK E&S 3만t △효성중공업 1만3000t △두산에너빌리티 1700t 순으로, 현재로서는 SK E&S의 규모가 가장 크다. 그러나 효성중공업은 향후 5년간 1조원을 투자해 액화수소 생산 능력을 3만9000t까지 늘리겠다고 발표했다. 효성그룹은 (주)효성과 효성중공업 등 핵심 계열사를 활용해 지난 16년간 기체수소 사업을 운영하며 축적한 원천기술과 경륜을 토대로 액화수소 사업으로 빠르게 전환할 수 있다는 자신감을 내보이고 있다. 액화수소 플랜트 구축을 마친 효성중공업은 현재 효성하이드로젠(판매법인)을 통해 전주, 광양, 경산 등에 액체수소 충전소 구축을 추진 중이다. 또 해상 실증 등 다양한 분야에 액화수소를 공급하는 방안도 검토하고 있다. 2021년 6월 효성-린데의 수소사업 비전 선포식 및 액화수소 플랜트 기공식 (출처: HYOSUNG 블로그) 액화수소 사업에 박차 가하고 있는 국내 업체들 본격 상업가동을 시작한 플랜트 3곳 외에도 GS칼텍스가 한국가스공사와 협업해 LNG기지 내에 1만t 규모의 액화수소 플랜트 구축을 추진하고 있으며, SK가스가 2026년 운영을 목표로 울산 LNG 터미널 내에 1만2000t 규모의 액화수소 플랜트를 구축하고 있다. HD현대는 글로벌 에너지 기업 쉘(Shell)과 협력해 해상 액화수소 운송 기술을 개발 중이다. HD현대의 조선 계열사인 HD한국조선해양과 HD현대중공업은 최근 쉘과 액화수소 운반선 개발을 위한 기술공동개발협약(JDA)을 체결했다. 이번 협약에 따라 HD현대와 쉘은 2030년 상용화를 목표로 대형 액화수소 운반선 공동 개발을 진행, 향후 본격화될 액화수소 해상운송 시장을 선점하겠다는 계획이다. HD한국조선해양은 독자 기술을 활용해 대형 액화수소 탱크와 수소화물 운영 시스템 등 핵심 기술을 연구·개발하고, HD현대중공업은 수소엔진 개발과 액화수소 운반선 설계를 담당한다. 쉘은 자체기술 개발 및 운반선 운영 등에 대한 노하우를 공유하고 액화수소 운반선 설계에 대한 타당성을 검토할 예정이다. HD한국조선해양이 2030년을 목표로 개발에 나선 대형 액화수소 운반선 조감도 (제공: HD한국조선해양) 수요처 확보 및 충전소 확대가 관건 액화수소 공급의 핵심은 수요처 확보와 액화수소 충전소 확대에 있다. 그러나 아직 국내 수소유통업계의 사정은 녹록지 않다. 액화수소 플랜트 준공 속도에 비해 이를 활용할 액화수소 충전소가 턱없이 부족하기 때문이다. 이로 인해 하이창원, SK E&S, 효성·린데 모두 당초 계획보다 상업운전 가동이 늦어졌다. 창원 액화수소 플랜트는 지난해 8월 준공 이후 시운전에 돌입했지만, 액화수소를 공급할 충전소 마련이 미비하고 액화수소 주요 소비처인 수소버스 생산도 지지부진하여 올해 1월에야 상업운전에 돌입했다. 인천 액화수소 플랜트는 지난해 10월 생산 플랜트를 완공하고 시운전에 돌입했지만, 올해 5월 8일에서야 상업운전을 시작했다. 린데수소에너지도 지난해 5월부터 울산에서 생산에 나설 계획이었으나, 지난해 12월로 연기된 것에 이어 올해 3월에 한 차례 더 밀리면서 아직 본격 생산에 들어가지 못하고 있다. 액화수소 생산공장이 준공됐음에도 가동을 못하는 가장 큰 이유는 물건을 받아 쓸 액화수소 충전소가 없어서였다. 액화수소 충전소 구축 지연은 액화수소에 대한 한국가스안전공사 KGS 코드 등 설치기준이 정립되지 않은 점이 영향을 끼쳤다. 국내 액화수소 충전소는 한국가스기술공사, SK E&S, 효성중공업만이 규제 샌드박스를 통해 구축하고 있다. 액화수소 충전소는 액화수소 저장설비와 차량에 다시 충전하기 위한 기화설비 등 새롭게 도입돼야 할 설비가 많다. 현재 정부는 2030년까지 액화수소 충전소 70개소 보급을 목표로 하고 있다. 이를 위해 환경부는 2022년부터 지난해까지 ‘수소충전소 설치 민간자본 보조사업’을 통해 총 40개소의 액화수소 충전소 구축 보조금을 지원해 전국 각지에서 충전소 구축이 이루어지고 있다. 현재까지 완공된 액화수소 충전소는 7개소(16기)에 불과하지만, 올해 안에 40기의 충전소 완공을 목표로 하고 있다. 또한 정부는 2030년 수소차 30만대 보급을 목표로 지자체와 협력하여 시내버스, 단거리 시외버스, 광역버스를 수소버스로 전환하고, 공공부문 직영버스 교체를 유도하는 등 수소버스 보급을 확대하겠다는 방침이다. 특히 2023년 기준 651대 보급된 수소버스를 2025년 5000대, 2027년 9000대, 2030년 2만1200대 수준으로 늘려간다는 계획이다. 이를 위해 수소충전소도 2023년 300기에서 2025년 450기, 2027년 550기, 2030년 660기까지 확대할 계획이다. 국내 첫 액화수소 충전소인 인천 가좌 충전소가 4월 17일 문을 열었다. (출처: 인천시) 액화수소 사업 추진 과정에서 ‘민관 협력’은 필수불가결한 요소다. 지금까지 국내에 액화수소 활용 사례가 없어 현행법에 안전·기술기준 등이 부재했고, 신규 법령 제정에만 2~3년이 소요되는 어려운 상황이었지만 최근 민관 협력이 빛을 발했다. 지자체들이 액화수소 플랜트와 액화수소 충전소 적기 준공을 위해 인허가 절차 간소화 등 힘을 보태고 있다. 올해부터 본격 가동되는 액화수소 플랜트를 통한 액화수소 공급이 지지부진하던 수소산업계에 활력을 불어넣는 ‘게임 체인저’가 될 수 있을지 귀추가 주목된다. < Energy News >