최근 기후 변화에 대한 대응이 전 세계적으로 중요한 과제로 떠오르면서, 산업 공정에서의 탈탄소화는 지속 가능한 경제 발전을 위한 필수 요소로 인식되고 있습니다. 탈탄소화란 산업에서 발생하는 탄소 배출을 줄이거나 완전히 제거하는 과정을 의미합니다. 그중에서도 수소는 청정한 에너지원으로 각광받으며, 다양한 산업 분야에서 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 방법으로 주목받고 있습니다.
수소는 연소 과정에서 이산화탄소(CO₂)를 배출하지 않기 때문에, 철강, 화학, 정유, 시멘트 등 많은 탄소를 배출하는 산업에서 이상적인 에너지 전환 수단이 될 수 있습니다. 특히 재생 에너지를 활용해 생산된 '그린 수소'는 탄소 배출 없이 생산될 수 있어, 산업 전반에서의 탈탄소화를 가속화할 수 있습니다.
이 글에서는 수소를 활용한 산업 공정 탈탄소화의 필요성, 적용 사례, 그리고 수소 경제를 구축하기 위한 도전과 과제를 심도 있게 살펴보겠습니다.
수소의 종류와 특징
수소는 생산 방식에 따라 다양한 이름으로 분류됩니다. 그중 대표적인 수소 종류는 아래와 같습니다.
그린 수소
그린 수소는 재생 가능 에너지를 사용해 물을 전기분해하여 생산되며, 생산 과정에서 탄소 배출이 없습니다. 이는 수소 경제의 핵심이자, 탈탄소화를 이루기 위한 가장 이상적인 방식입니다. 풍력, 태양광, 수력 등을 사용해 전력을 얻기 때문에 생산 과정에서 탄소 발자국을 최소화할 수 있습니다.
블루 수소
블루 수소는 화석 연료에서 생산된 수소로, 이 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS) 기술을 통해 대기 중에 방출하지 않는 방식입니다. 탄소 배출을 일정 부분 억제할 수 있지만, CCS 기술의 효율성과 비용 문제로 인해 완벽한 해결책은 아닙니다.
그레이 수소
그레이 수소는 천연가스나 석탄 등 화석 연료를 사용해 수소를 생산하는 방식으로, 현재 전 세계 수소 생산의 약 95%가 그레이 수소 방식으로 이루어지고 있습니다. 그러나 이 과정에서 다량의 이산화탄소가 배출되기 때문에 탈탄소화에는 부적합합니다.
핑크 수소
핑크 수소는 원자력을 이용하여 수소를 생산하는 방식입니다. 이 경우, 원자력 발전에서의 전기를 사용해 물을 전기분해하므로, 그린 수소와 마찬가지로 이산화탄소를 배출하지 않습니다. 하지만 원자력 발전의 안전성 및 방사성 폐기물 처리 문제가 수반됩니다.
수소를 이용한 산업 공정의 탈탄소화 필요성
세계적으로 산업 부문에서 배출되는 이산화탄소의 비율은 매우 큽니다. 철강, 시멘트, 화학, 석유 정제 등의 주요 산업은 고온의 열을 필요로 하고, 이 과정에서 대부분 화석 연료가 사용됩니다. 이로 인해 대규모의 이산화탄소가 배출되고 있으며, 이러한 산업에서의 탈탄소화는 기후 목표 달성에 있어 매우 중요한 과제가 되고 있습니다.
특히 철강 산업에서는 고로(용광로) 공정에서 코크스와 석탄을 사용하는데, 이를 대체할 수소 기반의 철강 생산 방식이 주목받고 있습니다. 이 기술을 활용하면, 철강 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있습니다.
화학 산업에서는 암모니아, 메탄올 등의 생산 과정에서 수소가 중요한 원료로 사용되며, 이때 그린 수소를 도입하면 전체 공정의 탄소 배출을 크게 줄일 수 있습니다. 암모니아는 비료 생산의 핵심 성분이며, 메탄올은 연료 및 화학 제품의 기초 원료로 사용되기 때문에, 이들 생산에서의 탈탄소화는 산업 전반에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
수소 기반 탈탄소화 기술의 적용 사례
1. 수소 기반 철강 생산
전통적인 철강 생산 공정은 철광석을 코크스와 반응시켜 철을 추출하는 방식입니다. 이 과정에서 막대한 양의 이산화탄소가 발생합니다. 그러나 수소를 환원제로 사용하면 철광석에서 산소를 제거하는 과정에서 이산화탄소 대신 물(H₂O)이 생성됩니다. 이를 통해 철강 생산의 탄소 배출을 거의 없앨 수 있습니다.
대표적인 사례로는 스웨덴의 HYBRIT 프로젝트가 있습니다. HYBRIT는 수소 기반 철강 생산을 목표로 하며, 2026년까지 상업화가 예상되고 있습니다. 이를 통해 스웨덴의 철강 생산은 약 90%의 탄소 배출 저감 효과를 기대하고 있습니다.
2. 암모니아 생산
암모니아는 비료 생산의 주요 성분으로, 현재 주로 그레이 수소를 사용한 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정을 통해 생산됩니다. 이 공정에서 그린 수소를 사용하면 암모니아 생산 과정에서 발생하는 탄소 배출을 대폭 줄일 수 있습니다. 일본의 JERA는 그린 암모니아를 사용한 발전 실험을 진행 중이며, 이는 수소 경제 구축의 중요한 이정표로 평가받고 있습니다.
3. 정유 공정
정유 산업에서도 수소는 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 원유에서 불순물을 제거하고 고급 연료로 정제하는 과정에서 수소가 필요합니다. 그레이 수소 대신 그린 수소를 사용할 경우, 정유 공정의 탄소 배출을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
4. 시멘트 생산
시멘트 산업은 석회석을 고온에서 처리하는 과정에서 다량의 이산화탄소를 배출합니다. 수소는 고온을 유지하기 위한 연료로 사용할 수 있으며, 그린 수소를 활용하면 시멘트 생산 과정에서의 탄소 배출을 상당 부분 줄일 수 있습니다.
수소 경제 구축을 위한 과제
수소를 산업 공정에 적용하여 탈탄소화를 이루기 위해서는 몇 가지 중요한 도전 과제가 있습니다. 그중에서도 가장 큰 문제는 비용과 인프라입니다.
1. 수소 생산 비용
현재 그린 수소의 생산 비용은 여전히 높은 수준입니다. 이를 낮추기 위해서는 재생 에너지의 가격 하락, 전기분해 기술의 발전, 그리고 대규모 생산 설비의 구축이 필요합니다. 수소가 경쟁력 있는 에너지원으로 자리 잡기 위해서는 정부의 정책 지원과 연구 개발 투자도 필수적입니다.
2. 수소 저장 및 운송
수소는 가볍고 부피가 크기 때문에 저장 및 운송이 까다롭습니다. 이를 해결하기 위해 액화 수소 기술과 고압 저장 기술이 개발되고 있지만, 상용화에는 여전히 많은 연구와 투자가 필요합니다.
3. 수소 인프라 구축
수소 경제를 본격적으로 발전시키기 위해서는 대규모 인프라가 필요합니다. 수소 충전소, 파이프라인, 생산 및 저장 시설 등이 적절하게 갖춰져야 하며, 이를 위해서는 장기적인 계획과 투자, 국제적인 협력이 필수적입니다.
4. 정책 및 규제 지원
정부의 강력한 정책 지원과 규제 완화가 필요합니다. 수소 경제의 성장을 촉진하기 위해서는 각국 정부가 재정 지원, 세제 혜택, 기술 개발 지원 등을 통해 수소 사용을 촉진해야 합니다.
결론: 수소를 통한 지속 가능한 산업 전환
수소는 청정하고 풍부한 에너지원으로, 산업 공정에서의 탈탄소화를 이루기 위한 핵심적인 역할을 할 수 있습니다. 수소 기반의 철강, 화학, 정유, 시멘트 산업은 물론이고, 다양한 응용 분야에서 수소는 탄소 배출을 줄이고 지속 가능한 미래를 구축하는 데 기여할 것입니다.
하지만 수소 경제로의 전환을 위해서는 비용 절감, 기술 발전, 인프라 구축, 정부의 정책적 지원 등이 동시에 이루어져야 합니다. 이러한 과제를 해결해 나가며 수소가 우리 삶에 더욱 깊숙이 자리 잡는다면, 우리는 기후 변화에 대응하는 데 있어 중요한 진전을 이룰 수 있을 것입니다.