에너지원으로서 탄화수소를 기반으로 한 ‘탄소경제(Carbon Economy)’를 대신해, 이러한 수소를 기반으로 운영되는 경제체계를 의미하는 ‘수소경제(Hydrogen Economy)’라는 개념이 등장한 1970년대부터 대안적 이상향으로 주목 받아왔다.

수소경제’의 개념 자체도 시간이 지나면서 구체화되어 왔으며, 최근에는 재생에너지를 활용하여 수소를 생산하고, 에너지 수요와 공급 사슬 전체 영역에서 수소와 전기를 주요한 에너지 유통수단(energy carrier)으로 사용하는 경제체제로 인식되고 있다.

수소경제의 구체적인 정의는 2005년 미국 국립과학원(The US National Academy of Science)에 의해 내려진 바 있으며, ‘석탄, 천연가스, 원자력, 신재생에너지를 이용하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 운반하고 저장하는 인프라를 구축하고, 수소를 직접 연소하거나 연료전지를 이용하여 전력을 생산하여 최종적으로 소비하는 에너지수급시스템에 기반 한 경제’로 정의된다.

수소경제의 정의

세계적인 대기업이 지구온난화를 방지하기 위해 결성한 수소위원회(Hydrogen Council)에 따르면, 현재 세계에서 이용되고 있는 수소는 비용적인 면 때문에, 주로 메탄가스를 사용하는 ‘수증기 개질(SMR)’이라 불리는 방법으로 생산된다.

SMR은 비용 대비 효과가 가장 높은 수소 제조 방법으로서, 전 세계 생산량은 연간 약 5,500만 톤으로 비교적 안정적이지만, 생산 과정에서 CO2를 배출하는 ‘그레이 수소’이기 때문에 배출 절감에는 도움이 되지 않는다.

또한 수소의 소비 용도는 비료용 암모니아의 생산 및 금속 가공, 석유 정제 등 공업 분야에서의 에너지로 사용되는 경우가 대부분이며, 현재 에너지로서 수소를 이용하는 비율은 총 소비량의 1~2% 정도로 추정된다.

수소는 아직 연구 중인 것이 많기 때문에, 세계적인 수요가 아직 확립되지 않았으며, 기술적인 면에서도 해결해야 하는 문제가 여전히 남아 있어, 산업계에서 수소의 수요가 증가하는 것은 에너지로서의 이용이 확대된 후인 2030년 이후가 될 것으로 추정된다.

미래의 수소 수요와 관련해서는, 국제에너지기구(International Energy Agency : IEA) 등 세계 각국의 다양한 기관이 여러 시나리오를 바탕으로 예측하고 있는데, 주요 이용 용도는 전기화 등에 의한 탈탄소화가 어려운 교통 부문을 중심으로 제철 등의 산업 자원, 건물 등의 전력, 발전 등이 있을 것으로 전망된다.

수소경제의 기대효과

맥킨지는 향후 전세계 수소 수요가 급증하여 2050년 경에는 수소산업이 연간 2.5조 달러의 부가가치와 누적 3,000만개의 신규 일자리 창출하는 산업으로 성장할 것으로 전망하고 있다.

이에 덧붙여 2050년경에는 에너지부문의 수소 활용을 통해 하루 2천만 배럴의 원유 소비를 절감하여, 연간 약 6G톤의 이산화탄소(CO2) 배출량을 저감하는 효과를 기대할 수 있을 것으로 전망했다.

특히, 맥킨지는 에너지로 수소를 활용하는 부문에서 수소차 부문이 초기시장 수요 확대를 견인하고, 향후 연료전지 보급도 빠르게 성장하여 수소 소비를 촉진하게 될 것으로 전망했다.

2050년 운송 수단의 평균 20∼25%를 차지하는 4억대의 승용차와 1,500∼2,000만대의 트럭 및 500만대 이상의 버스가 수소 활용부문으로 편입될 것으로 예측했다.

또한, 선박의 25%, 기차의 20% 및 일부 항공기 등에서 수소기반 연료가 사용될 것으로 예측했다. 이와 함께 2050년 건물에서의 전세계 열 수요의 약 10%가 수소를 통해 충당될 것으로 예측했다.

수소 에너지 활용 기술의 적용 가능성은 폭넓게 연료전지자동차나 이미 실용화되고 있는 가정용 연료전지 시스템뿐만 아니라, 선박 및 철도 등 다른 운송 분야, 수소 발전 등 많은 에너지 소비 분야에 대응할 수 있는 가능성을 가지고 있다.

이러한 다양한 분야에서 수소의 활용을 근본적으로 확대함으로써 대폭적인 에너지 절약 및 환경 부하 저감, 에너지 보안 향상에 크게 기여함과 동시에 새로운 시장을 개척할 수 있을 것으로 기대된다.

글로벌 시장전망

전 세계의 온실가스 감축 의무로 인해 수소에너지와 수소연료전지의 시장이 지속적인 성장이 있을 것으로 전망되고 있으며, 지역적으로 우선 일본은 수소차 상용화에 대비하여 도쿄, 오사카, 나고야, 후쿠오카 등 4개 대도시를 중심으로 수소스테이션 100기를 건설하는 계획을 추진하고, 수소차는 2025년까지 200만대까지 확대시킨다는 전략이다.

유럽에서는 신ㆍ재생에너지 분야에서 가장 발전한 국가 중 하나인 독일은 정부 차원에서 수소를 미래 주력 에너지원으로 보고 있으며 장기 로드맵 수립 및 예산 편성을 통해 수소에너지에 대한 경제성 확보에 주력하고 있다.

수소연료전지협회(NOW)는 2008년 출범 이후 10년간 14억 유로의 예산을 확보하여 다양한 수소에너지 관련 교통프로그램을 운용하며 수소 경제를 준비 중이다.

독일의 또 하나의 대표적 수소프로젝트는 클린 에너지 파트너쉽(CEP)의 수소전기차 인프라 구축 사업이다. 현재 독일의 수소전기차 보급 전략은 수소스테이션을 포함한 수소인프라를 선 구축한 뒤 수소전기차 수요에 대응한다는 것이다.

영국 역시 수소연료전지에 대한 연구와 확산에 관한 파트너십을 통해 2030년까지 160만대 보급 로드맵을 내놓으며 보급 활성화를 위해 전력을 다하고 있다.

미국의 경우 캘리포니아를 중심으로 수소전기차 실증 및 수소인프라 구축사업으로 CaFCP (California Fuel Cell Partnership)이 운용되었으며, DOE 주관의 National Hydrogen Light Duty Program 등 수소전기차와 인프라 실증 사업 역시 추진되었다.

2014년에는 Sandia National Lab.과 NRE(National Renewable and Energy Laboratory) 등이 참여한 H2FIRST 프로젝트가 수소전기차 사용자에 대한 수소충전경험, 안전, 신뢰성에 대한 긍정적인 영향을 제공하기 위한 목적으로 출범되었다.

국내시장 동향

정부는 5년간의 법정계획으로 수소충전소 배치계획을 최초 수립하고, 국민들이 언제ㆍ어디서든 편리하게 수소충전소를 이용할 수 있도록 전국 권역별로 인프라를 균형 있게 확대해 나갈 계획이다(4차 수소경제위원회, ‘21.10.07.).

2025년까지 전국 226개 시ㆍ군ㆍ구에 원칙적으로 1기 이상의 수소충전소를 구축하며, 2030년에는 주요 도시에서 20분 이내, 2040년에는 15분 이내에 수소충전소 이용이 가능도록 할 계획이다.

수소차 보급 초기단계(~‘25년)에는 정부가 마중물 역할을 수행할 수 있도록 거점지역 중심으로 충전소 구축을 지원하고, 수소차 보급 성숙기(～‘40년)에는 민간주도로 충전소 확충을 유도할 계획이다.

연료전지는 연료인 수소와 공기 중의 산소와의 전기 화학 반응에서 전기 에너지를 직접 생산하기 때문에 발전 효율이 높다. 또한 전기와 열을 모두 활용하기 때문에 종합적으로 에너지 효율을 높일 수가 있다.

수소의 미래전략과 경쟁력

이에, 연료전지의 활용 확대는 대폭적인 에너지 절약으로 연결될 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 연료전지차의 CO2 배출량은 수소 제조의 원료에 따라 다양하기는 하지만 기존의 가솔린 차량에 비해 높은 에너지 효율을 갖는 연료전지 기술은 전기자동차와 마찬가지로 에너지 소비 및 환경 부하의 저감에 크게 공헌할 것으로 기대된다.

또한, 수소의 제조시 이산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS : Carbon dioxide Capture and Storage)을 결합하거나 재생 가능 에너지로부터 수소를 제조하는 등 수소의 제조 방법에 따라 CO2 배출량을 크게 줄일 수 있으며, 또한 CO2 제로 에너지원으로 수소를 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

 본고는 IRS글로벌이 최근 발표한 [2023 글로벌 수소경제 밸류체인별 시장·기술 동향과 사업화 전략] 및 [글로벌 수소산업 전주기(全週期) 기술개발 동향과 대응사례 분석] 보고서의 주요내용을 요약, 정리한 것이다.