 |
| 자료제공 = 포스코 |
포스코가 제시한 그린수소 사업모델은 풍력·태양광 발전 등 재생에너지로 물을 분해해 수소를 생산하고, 이에 대한 효율을 높이기 위해 암모니아로 합성해 운송 및 저장 뒤 다시 암모니아에서 수소를 추출해 에너지원으로 활용한다는 것이다. 이를 위해서 우선 호주 최대의 전력회사인 오리진 에너지사와 업무협약을 맺고 호주 현지에서 생산된 수소를 암모니아로 합성하고 포스코가 이를 도입하여 수소를 추출, 공급하는 시스템 구축에 나섰다.
사실 호주에는 수소를 저렴하게 생산할 수 있는 여건을 보유하고 있어 대량으로 수소를 추출하기에 용이하다. 즉 갈탄을 많이 보유하고 있으면서 넓은 사막을 보유하고 있어 태양광발전으로 저렴하게 전력을 생산할 수 있다. 이를 활용하여 값싼 수소를 대량으로 생산하고 이를 암모니아로 전환하여 저장, 운송하겠다는 전략이다. 특히 수소를 암모니아로 전환할 경우 1.5배나 되는 효율을 상승할 수 있어 간편하게 수소충전소를 구축하는데도 도움이 된다는 것이다. 따라서 암모니아가 수소경제시대를 이끌어나갈 핵심적인 저장, 운송수단으로 부각되고 있다고 할 것이다.
한편 지난 2019년 10월, 정부는 2040년까지 연간 수소 수요량 526만t에 대응해 화석연료 수준의 가격인 1kg당 3000원의 경쟁력을 확보하는 ‘수소 기술개발 로드맵’을 확정했다. 현재 수소는 석유화학 공정에서 부산물로 나오는 ‘부생수소’나 천연가스에서 정제하는 ‘개질수소’가 주로 활용되나 이들 기술로는 정부가 2040년까지 수소 가격을 화석연료 수준으로 낮추는 데 현재로서는 한계가 있다. 그래서 남북한 경제협력이후 북한과 러시아에서 대량 생산되는 갈탄을 이용한다면 저렴하게 그린수소생산체제를 구축할 수 있다는 계획이다. 즉 석탄 중 발열량이 낮아 화석연료로 잘 쓰이지 않는 갈탄을 고온·고압 환경에서 가스화한 뒤 생긴 합성가스를 후처리하면 고순도 수소를 저렴하게 만들 수 있다는 것이다.
EU에서는 현재 수소생산의 95%를 화석연료에서 추출하는 방식을 이용하고 있고 5%만이 재생에너지를 이용한 수전해방식으로 생산하고 있다. 그런데 2020년 7월, 현재 2%에도 미치지 못하는 수소 사용 비중이 2050년에는 13~14%로 확대한다는 수소전략을 수립하고 있다. 이를 위해서 2050년까지 재생수소에 1,800억~4,700억 유로, 저탄소 화석연료 기반 수소에 30억~180억 유로의 투자를 추진한다는 계획이다.
일반적으로 화석연료의 개질에 의해 생산되는 수소의 경우 1kg생산하는데 7kg 이상의 이산화탄소가 배출되고 있다. 보통 화석연료를 활용하여 생산된 수소를 그레이(Grey)수소이라고 하고 화석연료를 사용하지만 탄소포집저장장치(CCS)를 부착하면 블루(Blue)수소라고 부른다. 그리고 재생에너지를 사용하여 생산된 수소를 그린 수소라고 부른다. 그런데 탄소중립을 달성하기 위해서는 탄소가 배출되지 않는 재생에너지를 사용하는 그린수소이어야 한다,
EU에서 실제로 그레이수소 생산비용은 1.5€/kg (38€/MWh)인데 반해 화석연료 기반에 CCS설비를 추가한 블루수소 2€/kg(50€/MWh), 재생에너지에 기반한 그린수소 생산비용은 2.5~5.5€/kg(65~135€/MWh)이어서 재생에너지를 기반으로 하는 그린수소의 생산비용이 아직도 많은 비용이 요구되고 있다.
지난 10여 년간 전기분해장치 비용이 60% 하락하였으며, 향후 10년간에도 현재 수준의 절반으로 하락될 전망이어서 그린수소의 경제성은 크게 개선될 것으로 전망하고 있다. 그린수소는 화석연료와 달리 환경오염물질이 전혀 배출되지 않으며 화석연료를 사용하던 그대로 이를 대체하여 나갈 수 있다는 강점을 보유하고 있아 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다.
국내에서도 수소법을 제정하여 수소경제 구축을 위한 단계적 수소 기술개발 로드맵을 발표하었다. 이에 따라서 우리나라의 수소시장은 석유화학, 전자, 재료, 반도체 산업 등 기존 산업뿐만 아니라 수소 발전, 수소차, 수소 선박 등의 친환경 에너지 연료로 수소에너지가 부각되고 있다.
수소는 가장 가벼운 기체이므로 부피가 너무나 커서 저장·운송하는데 고압 수소나 액화 수소로 전환하여야 가능한데 이 때 많은 비용이 요구된다. 즉 수소는 -253°C 로 냉각하면 기체 대비 부피가 1/800로 줄어들어, 대량으로 수송 할 수 있는 액화수소가 된다. 그렇지만 액화 수소를 담는 탱크가 -253°C를 견뎌야 하는 극저온강이어야 하는데 이를 수송할 선박은 아직까지도 건조해본 경험이 없다. 따라서 수소전기차에 주유해야 될 수소충전소 구축에 큰 애로사항으로 남아 있었다. 그런데 이를 해결하기 위한 방안으로 암모니아를 활용하는 방안이 제시되면서 수소충전소 구축문제는 상당부문 해결방안이 마련된 것이라고 할 것이다.
암모니아의 화학식은 NH3로 수소만 있다면 대기중에 많은 질소를 포집해 비교적 쉽게 액화시킬 수 있다. 더욱이 암모니아에서 수소를 생산하는데도 고압수소나 액화수소 공정보다 약 100°C 낮은 450°C에서 약 40% 더 많이 수소를 생산할 수 있어 앞으로 암모니아를 널리 활용하게 될 것이다.
정부는 2019년 1월 수소 경제 활성화 로드맵을 발표하면서 오는 2040년까지 수소차를 누적 620만대 생산하고 수소 충전소를 1,200개 구축하겠다는 목표를 제시했다. 이를 위해서 먼저 수소로 생산한 전력을 의무적으로 구매하는 수소 발전 의무화 제도(HPS)를 도입하고 있다.
그동안 수소 발전은 신·재생 에너지 의무 할당제(RPS)에 포함돼 왔는데, 태양광·풍력 에너지 중심인 RPS로는 수소 발전 확산에 한계가 있었다. 때문에 정부는 수소 발전량을 2040년까지 8기가와트(GW)로 확대할 계획이란다.
암모니아 합성법을 이용하려면 우선 원료가 될 질소와 수소를 구하는 공정이 우선되어야 한다. 질소는 대기로부터 손쉽게 채취할 수 있지만 수소는 주로 천연 가스에서 추출해서 얻어지게 된다. 그런데 암모니아 생산 공정에 투입될 천연 가스는 탈황 과정을 거친 천연 가스이어야 하고 수증기와 함께 니켈 촉매를 채운 관을 통과하는 과정을 거쳐서 수소가 생산된다.
암모니아는 무색의 가벼운 기체로 녹는점은 -77.7℃이며 끓는 점은 -33.4℃이다. 자극적인 강한 냄새가 나는 독성물질이면서 물에 잘 녹는 특성을 갖고 있다.
암모니아의 끓는점은 다른 기체에 비해서 비교적 높은 편이고 압축할 경우 쉽게 액화되는데다가 기화열이 비교적 크기 때문에 냉장고와 공기 조절 장치 등의 냉각제로 널리 쓰여왔다. 그러나 암모니아의 유독성 때문에 가정용 냉장고 등에서는 암모니아를 대신해서 프레온이 주로 사용되었다. 하지만 프레온은 오존층 상공에서 오존을 분해한다는 사실이 밝혀져 전 세계적으로 사용을 금지하고 있어 다시 암모니아를 냉각제로 사용하게 되어 현재 상용 냉동기의 80%가 암모니아를 냉각제로 사용하였다.
한편 암모니아는 독성물질이라서 피부에 접촉할 경우 타는 느낌을 주고 장기간 노출될 경우 진물이 나는 등 피부 조직이 손상될 수 있다. 두피에 접촉할 경우 머리가 빠질 수 있고 마실 경우 입 안과 목에 통증을 느끼고 위통, 구역질, 허탈 상태에 빠질 수 있다. 암모니아 액체는 점막을 강하게 자극하고 흡입할 경우 후두 경련, 후두염, 기관지염 등을 일으키고, 신속하게 처치하지 않는 경우 질식사에 이르는 위험성 물질이기도 하다.
암모니아가스는 공기 속에서는 타지 않으나 산소 속에서는 노란 불꽃을 내면서 불에 타 질산화물을 생성한다. 이 때 촉매를 써서 산화시키면 질산이 생기므로 이 반응은 질산 제조에 이용된다. 또한 암모니아를 연료로 하는 엔진개발이 이뤄지고 있어 앞으로 수소와 함께 떠오르는 차세대 에너지원으로 자리잡게 될 것이다.
암모니아는 질소비료로 사용하여 농작물 생산성을 크게 향상시키는 밝은 면이 있는가 하면 이를 폭약으로 사용하여 많은 생명을 앗아가는 폭탄이 되기도 하는 양면성을 갖고 있다.
1907년, 암모니아 합성에 성공한 프리츠 하버는 질소와 수소를 촉매(산화 철과 약간의 세륨 및 크로뮴) 존재 하에 530℃, 290atm에 반응시켜 암모니아를 생성시켰다. 이에 1913년 칼 보슈는 하버의 방법을 공업적으로 적용하여 질소비료를 제작하게 되어 19세기 말 세계 인구는 16억에서 2020년 7월 현재 78억으로 4.8배나 늘었는데 6배나 많은 농산물을 생산해 식량걱정을 하지 않게 만들었다. 따러서 하버는 인류가 식량 걱정없이 살아갈 있도록 질소비료를 개발하여 노벨상을 받았다. 그런데 제1차 세계 대전 중에 폭발물을 만드는데도 가담하여 결국에는 전범자 명단에 올려 도망자 신세가 되어 외롭게 고독사 하는 운명이 되었다.
이와 같이 암모니아는 질소비료, 냉각제, 항공기의 엔진에너지 등 인류의 건강과 복지를 기여하고 있으나 다른 한편으로는 많은 생명을 앗아가는 폭약이 되기도 하고 축산 폐기물에서 나오는 암모니아는 2차 미세먼지의 핵심요인이 되어 인류의 생명을 위협하는 요소가 되기도 한다.
이런 양면성을 가진 암모니아는 최근에는 수소에너지를 저장, 운송하는 수단으로도 활용되어 수소경제시대에 차세대 에너지원으로 부각되고 있다. 수소경제시대를 개막시켜 나가기 위해서 수소생태계 조성이 필수적인데 여기에서 암모니아가 저장, 운송을 하는 역할을 담당하고 있어 성공적인 2050 탄소중립에 크게 기여할 것을 기대해 본다.
김종서 기자 jongseo2477@viva100.com
