규모·범위의 성장(Scale-Up)에서는 발전·수송 분야에서 대규모 수소 수요를 창출하고, 글로벌 수소 공급망을 구축해 청정수소 생태계를 확장할 계획이다. 또한 수소, 암모니아 혼소 발전을 실현하고, 수소버스·트럭 등 대형 모빌리티 보급을 확산시키고 국내 뿐만 아니라 해외에 대규모 생산기지를 구축한다는 방침이다. 

인프라·제도 성장(Build-Up)의 경우 청정수소 활용 촉진을 위한 유통 인프라와 제도적 기반을 마련하여 세계 최대 수준의 액화수소 플랜트를 구축하고 액화충전소를 확대할 계획이다. 이에 따라 암모니아, 액화수소 인수기지를 건설하고, 수소 전용 배관망을 구축할 예정이다. 또한 수소발전 입찰시장 개설, 수소 사업법 제정, 청정수소 인증제 도입 등 제도적 기반을 마련하겠다는 방침이다. 

산업·기술의 성장(Level Up)에서는 세계 1등 수소산업을 육성하고, 이를 뒷받침하기 위한 기술도 혁신할 계획이다. 수소 활용 분야 뿐만 아니라, 생산, 유통 전주기의 핵심기술을 확보하고 7대 전략분야(수전해, 액화수소 운송선, 트레일러, 충전소, 연료전지(모빌리티/발전), 수소터빈)를 육성하면서 기술력 있는 수소기업을 발굴해 지원을 강화할 예정이다. 

​1) 블루수소와 그린수소의 융합

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우선, H2Biscus 프로젝트에서도 블루수소와 그린수소를 동시에 생산할 예정이다. H2Biscus 프로젝트에서 생산될 예정인 친환경 수소 (블루 및 그린수소)는 연간 20만톤 규모인데, 각각 10만톤가량이 블루수소와 그린수소로 생산될 전망이다. 블루수소는 Sarawak 지방에 풍부하게 매장되어 있는 천연가스를 바탕으로 개질을 통해 수소를 생산하는 한편, 그 과정에서 포집한 이산화탄소를 천연가스를 추출하고 남은 지반의 빈 공간에 저장하는 것이 목표다. 한편, 그린수소는 인근에 풍부한 친환경 전력인 수력발전전력 (최소 900MW 이상 예정)을 활용해 수전해를 통해 생산할 예정이다. 기존의 자원과 설비를 최대한 활용해 블루와 그린수소를 함께 생산하면서 전체 생산량을 빠르게 늘려가는 것이 가능할 것으로 보인다.

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2) 생산설비의 대형화

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한편, 수소 생산 프로젝트의 대형화라는 점도 주목할 만한 부분이다. H2Biscus 프로젝트는 연간으로 청정수소 20만톤을 생산하는 것이 목표인데, 이는 2020년 연간 글로벌 청정수소 생산량 780만톤의 2.6%에 해당한다. 이 780만톤에 그린수소 생산 규모는 거의 미미하다는 점을 감안하면, 연간 10만톤의 그린수소 생산은 작지 않다. 아직 전해조의 규모가 결정된 것은 아니지만, 목표 생산량만 놓고 봤을 때 H2Biscus 프로젝트의 청정수소 생산량은 유의미한 수준이다.

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3) 생산과 활용의 동기화

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마지막으로, H2Biscus 프로젝트 또한 시작 단계에서 생산된 친환경 수소를 수요로 하는 활용처를 미리 확보하고 있다. SEDC (Sarawak Economic Development Corporation)는 2022년 1월 포스코홀딩스, 롯데케미칼, 삼성엔지니어링 등과 함께 H2Biscus 프로젝트 개발을 위한 MOU를 체결했다. H2Biscus 프로젝트에서 생산된 청정 암모니아 약 120만톤은 포스코홀딩스와 롯데케미칼이 탄소배출 감축을 위해 국내로 수입해 공정 과정에 활용할 예정이다. 현지에서 사용될 그린수소 7,000톤 또한 Sarawak 지방에 구축되고 있는 수소기반의 모빌리티 네트워크 등에 활용될 예정이다.

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한국가스공사는 국내 수소경제가 발전하면서 기존 사업 부문과 신규 사업 부문, 두 가지 측면에서 기회를 포착할 수 있을 것으로 판단한다.

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한국가스공사는 2030년까지 국내에 83.7만톤의 그레이 및 블루수소와 20만톤의 그린수소를 공급하는 것을 목표로 하고 있다. 여기서의 핵심은 국내 LNG 생산기지를 기반으로 한 수소 생산 인프라와 최종 수요처까지의 수소 운송 및 유통 인프라가 될 것으로 판단한다.

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그레이 및 블루 수소는 천연가스를 개질해 만들어지는 만큼 원료인 LNG의 값싼 조달 및 효율적인 유통이 비용 하락의 관건이다. 한국가스공사의 경우

1) 글로벌 시장에서 대규모로 국내에 도입되는 LNG를 조달하는 만큼 도입 계약 규모가 크기 때문에 상대적으로 높은 협상력을 통해 낮은 가격으로 LNG를 확보할 수 있다. 또한,

2) 기존의 LNG 저장소 및 유통용 배관 인프라를 활용하여 관련 비용을 절감할 수 있다는 점에서 유리하다.

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한국가스공사는 국내에 저탄소 수소 생산 및 유통 인프라를 구축하기 위해 2030년까지 4개 거점 도시에 수송용 수소생산기지를 건설하고, 전국에 모빌리티용 수소 충전소를 확충할 예정이며, 2025년부터는 LNG 배관에 수소를 혼입해 수소 혼소발전소에 공급할 계획이다.

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한편, 향후 그린수소의 비중이 높아지면서 한국가스공사는 해외로부터의 대규모 그린수소 생산 및 조달을 통해 시장을 주도할 수 있을 것으로 전망한다.

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한국가스공사는 2030년까지 해외에 신재생발전설비를 구축한 뒤 2028~2030년 중 해외에서 저탄소 (블루/그린) 수소 20만톤을, 2040년까지 121만톤의 해외 그린수소를 도입하는 계획을 제시했다. 호주, 중동 등 신재생에너지가 풍부한 곳에 17.1GW 규모의 신재생 발전설비를 구축하고, 현지에서 수전해를 통해 그린 수소를 생산한 뒤 국내에 선박으로 도입해 공급하는 것이 목표다.

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이를 위해 한국가스공사는 100MW급 수전해 기반 그린수소 플랫폼의 설계, 재생에너지 연계 5MW급 SOEC 수전해 실증 추진 등의 노력을 하고 있다.

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기업개요

Air Liquide는 1902년 설립된 프랑스의 산업용 가스 제조 기업이다. 프랑스 파리에 본사를 두고 있고, 일본, 미국, 독일, 중국, 두바이를 비롯한 전세계 75개국에 사업체를 영위하고 있다. 기후 및 에너지 전환에 대한 솔루션 및 관련 연구 개발을 진행하고 있으며, 사업 현장에서 산소, 질소, 수소를 이용할 수 있도록 제품&서비스를 제공하고 있다. 또한 금속 열처리, 유리 제조 기업 등 가스 사용량이 비교적 적은 중소 기업들에게 가스를 병에 담은 액체 형태나 드라이아이스와 같은 고체 이산화탄소 형태로 제공한다. 

- 한국의 경우, 수소 시장에 대한 관심이 전체 수소 산업 밸류체인 중 주로 다운스트림 (활용) 영역에 집중

- Air Liquide의 경우 생산 – 운송 및 저장 분야를 중심으로 활용 부분까지 수소 산업 전체 밸류체인에 걸쳐 사업을 영위하고 있음

- 아울러, 수소 산업 확장 의지가 있는 다양한 분야의 고객 들과 JV설립을 통해 수소 산업에 대한 노출도를 지속적으로 증가시키고 있음

​- 주요 국가들의 탄소중립 목표가 당겨지면서 친환경 수소 시장은 향후 10~50년간 비약적으로 성장할 것으로 전망

- 중국, 한국 등 주요 국가들이 2050년까지 탄소중립을 달성할 것이라는 목표를 제시

- 초기에는 기존화석연료에 CCUS (탄소 포집/활용/저장 기술)를 조합한 블루수소와 그린수소의 동반성장, 이후 그린수소 위주의 성장이 전망됨

- Air Liquide는 노르망디 산업단지의 탈탄소화를 목표로 친환경 수소 생산/공급 및 탄소 포집 네트워크를 구성

- 아직까지는 연료전지 원료로 투입되는 수소는 천연가스 기반의 그레이 수소가 대부분을 차지하고 있어 탄소중립을 위한 수단으로서의 발전용 연료전지 수요가 적다

- 향후 유럽 및 중국 등 풍부한 신재생에너지원을 바탕으로 생산한 그린 수소를 전력으로 전환하는 수요가 증가하며 발전용 연료전지에 대한 수요도 확대될 것으로 전망한다.

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- 발전용 연료전지에 대한 수요는 중국에서부터 확대될 것으로 전망한다. 중국은 정부 주도로 청정 에너지 기지를 확대 중인데, 청정 에너지 기지는 태양광·풍력·수력 발전 시설을 결집한 초대형 청정에너지 클러스터를 조성하는 것이다.

- 하지만 현재 연료전지를 개발하여 상업화 수준까지 다다른 중국 연료전지 업체는 많지 않으며, 그마저도 대부분 PEMFC 제조사로 발전용으로는 적합하지 않다. PEMFC가 PAFC 대비 수명도 짧고 kg 당 전력 생산량도 낮기 때문이다. 따라서 중국 발전용 연료전지 시장에 해외 업체들의 공략 속도가 빨라질 것으로 예상되며, 특히 현재 글로벌 발전용 연료전지를 가장 많이 설치해 운영하고 있는 두산퓨얼셀의 중국향 수출이 기대된다.

- 원자력 수소는 원자로에서 생성되는 열과 전기를 활용하여 생산 가능하다. 생산 방법에 따라 레드 수소, 퍼플 수소, 핑크 수소 등으로 구분되는데 현재 기술로는 원전에서 생산한 전력을 활용하여 저온(≤100℃)의 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 핑크 수소만 생산 가능하다.

- 원자력 수소 생산에 활용되는 원자로는 크게 경수로형(LWR)과 비경수로형 원자로로 나눌 수 있으며, 비경수로형 원자로는 소듐냉각고속로(SFR), 용융염원자로(MSR), 초고온가스로(VHTR) 등이 존재한다. 핑크 수소는 경수로형(LWR)에서 PEMEC 기술을 활용해 생산할 수 있다

- 이 경우 수소 생산에 사용된 전력의 단가가 낮고, 운영율이 높기 때문에 재생에너지로 만든 그린수소 대비 경제성이 있는 것으로 전망되고 있다. 또한 향후 SOEC 기술이 상용화된다면 고온열을 이용하여 퍼플수소도 생산 가능하다.

- 초고온가스로(VHTR)를 이용할 경우 가장 높은 에너지 효율을 기대할 수 있으나 VHTR의 기술성 및 경제성 실증이 선제적으로 이루어져야 한다. 또한, VHTR에서 발생하는 열에너지를 천연가스 수증기 개질에 활용한다면, 천연가스 연소를 통한 열에너지 공급 과정을 거치지 않기 때문에 기존 대비 효율적으로 탄소 포집이 가능하다.

알칼라인 방식: 기술 성숙도는 가장 높지만, 효율성 추가 개선은 한계

현재 상용화된 수전해 기술 중 가장 대표적인 알칼라인 방식은 NaOH, KOH 등과 같은 알칼리성 용액을 전해질로 투입한다. 가장 일찍 상용화된 만큼 기술 성숙도가 높고, 100 도 이하의 온도에서 작동해 단위당 투자비용이 낮다. 그러나 전류밀도가 낮아 설비 크기가 클 수 밖에 없고, 설비작동 반응시간이 느리다는 단점이 있다. 또한 알칼라인 방식은 변동성 흡수능력이 낮아 안정적으로 전력공급이 되어야 하나 수전해설비에 전력을 공급하는 재생에너지는 간헐적이고 에너지출력이 불규칙하다. 그린수소는 신재생에너지의 간헐성을 해결하기 위한 수단이기 때문에 궁극적으로 알칼라인 방식의 효율성이 향상되기에는 한계가 있다

PEM 방식: 재생에너지와의 시너지는 크지만, 고가촉매 사용으로 가격 부담이 문제 

반면, 최근 점점 사용 비중이 확대되고 있는 PEM 기술은 전류밀도가 높아 전해조 소형화가 가능하고, 에너지 효율성 역시 상대적으로 우수하다. 특히 최소부하에서 최대부하까지의 반응시간이 약 10 초 이내로 빨라 부하변동에 유연하게 대응할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이다. 그러나 Platinum, Iridium 등 고가의 촉매를 재료로 활용해야 한다는 점에서 아직까지는 알칼라인 대비 생산비용이 약 2 배 이상 높다.

고체산화물 방식: 효율성은 가장 좋지만, 아직 기술 상업화가 부족 

약 1,000 도 내외의 고온에서 발생한 증기로 물을 전기분해하는 고체산화물 방식은 기존 알칼라인 기술 대비 전력 사용량이 30% 내외에 불과하고, 생산효율도 가장높다. 그러나 세라믹 등 고온에서도 견딜 수 있는 한정된 소재를 사용하는 특성상 비용이 너무 비싸 경제성이 떨어지고, 무엇보다 아직 기술은 연구개발 단계에 있다.

AEC과 PEMEC은 상업적 수준에서 사용 가능하며, 현재 생산 능력으로는 AEC이 가장 많이 설치되고 있다. AEC은 1920년대부터 1세대 기술 개발이 시작되었으며, 현재는 재생에너지 연계를 위한 운전범위 확대 및 전류밀도 향상에 초점을 맞추어 2세대 기술개발이 진행중이다. 안정화된 기술을 바탕으로 AEC은 현재 설치비가 800~1,500$/kWh로 가장 낮으며, 상업용 기준으로 AEC은 최대 750Nm3/h(약 75kg/h) 수소 생산이 가능해 PEMEC(0NM3/h(약 3kg/h)) 수소 생산율이 높다.

PEMEC은 높은 전류밀도와 출력을 가지고 있어 소형화가 가능하지만, 수전해 장치 내부의 강한 부식 환경에 대응하기 위한 촉매 개발, 내구성 향상 등 기술 개발이 아직 더 필요하다. 또한, 산화전극 촉매로 주로 쓰이는 Ir 계는 가격이 비싸고, Ru계는 활성이 높지만 부식 문제가 있기 때문에 Ir-Ru 합금을 활용한 성능 향상 연구가 진행되고 있다. PEMEC은 유럽을 중심으로 밀도 및 압력 향상, 대용량 시스템 구축을 위한 프로젝트가 진행 중이다. 독일의 Rhineland는 REFHYNE 실증 프로젝트를 통해 ITM Power의 10MW급 수전해 장치를 빌딩 블록 방식으로 설계하여 100MW 급 규모의 PEMEC 시스템을 구축할 예정이다.

하지만 향후에는 PEMEC 설치 속도가 빠르게 증가할 것으로 전망된다. 간헐성 이슈로 부하 추종이 필요한 신재생 에너지 발전원과 연계하여 진행되는 프로젝트는 시동 소요시간이 짧아(10초이내) 유연성 측면에서 AEC 대비 강점을 보유하고 있기 때문이다.

차세대 기술로 불리는 SOEC의 경우 700℃ 이상의 고온에서 운전 가능하며 세라믹 등 이온전도성 고체산화물을 전해질로 사용하여 수증기를 분해하는 기술로 대형 수전해 시스템에 적용 가능하다. 따라서 높은 에너지 효율과 높은 전류 밀도를 가지지만, 아직 실증단계의 소규모 시스템만이 운영 중이다. 또한 AEC 및 PEMEC 대비 시동에 긴 소요시간이 필요해 재생에너지 연계 프로젝트보다는 원자력 발전 전기를 활용한 프로젝트에 사용될 가능성이 높다