[2024 국제그린에너지엑스포 후기] H2MI 수소 마켓 인사이트

[2024 국제그린에너지엑스포 후기] H2MI 수소 마켓 인사이트

대학생신재생에너지기자단 24기 이지혜, 25기 노정연, 이예영

[자료 1. 제4회 수소 마켓 인사이트(H2MI)]

출처: ⓒ 25기 노정연

2024년 4월 25일부터 26일까지 이틀 간 2024 국제그린에너지엑스포에서 ‘제4회 H2MI 수소 마켓 인사이트’가 진행됐다. “수소-미래로 도약하는 혁신동력”라는 슬로건 아래 글로벌 수소 시장 동향과 전망을 비롯해 영국, 독일, 호주 등의 수소경제 활성화 정책, 그리고 국내 수소 산업 및 인프라 구축 전략에 대해 집중적으로 토론하고 공유할 수 있는 행사이다. 수소산업 분야에서 미래 전략 수립을 이끄는 국내외 전문가들이 모여 수소 산업 및 경제 발전 방향을 모색하고, 공유할 수 있는 인사이트이다.

[자료 2. 제4회 수소 마켓 인사이트 세부 프로그램 일정]

출처: 국제그린에너지엑스포 수소마켓인사이트

본 행사에서는 ‘세션 1: 글로벌 수소 정책 및 시장동향’, ‘세션 2: 청정수소 활용 인사이트’, ‘세션 3: 청정 수소도시 구축과 미래전략’, 총 3가지 세션이 개최됐다. 세션 1과 세션 2 중 ‘덴마크의 수소경제 이행사례와 한국의 시사점 : 그린분산에너지의 가능성’, ‘현대엔지니어링 청정수소 전략’, ‘두산에너빌리티 청정수소 전략’ 에 대한 내용을 전달하고자 한다.

 

[SESSION I : 글로벌 수소 정책 및 시장동향]

덴마크의 수소경제 이행사례와 한국의 시사점 : 그린분산에너지의 가능성

[자료 3. 2024 제4회 수소 마켓 인사이트 현장]

출처: ⓒ 25기 노정연

2020년, 덴마크 정부는 성공적인 녹색 전환을 위해 “The Climate Agreement for Energy and Industry”를 발표했다. 해당 협정은 수소 경제 달성을 위한 수전해, 신재생에너지, PtX, 인프라 보조금에 대한 내용을 포함하고 있다. 이중 PtX(Power-to-X, P2X, 섹터커플링)는 전력을 다른 형태의 에너지로 변환하여 사용 및 저장하는 기술로, 어떤 형태의 에너지로 변환하는지에 따라 P2G(Power to Gas), P2H(Power to Heat), P2M(Power to Mobility) 등으로 나뉜다. 덴마크 정부는 전력을 수소나 메탄 등의 연료로 변환하는 P2G 기술에 집중했는데, 이는 수소, e-메탄올, 바이오가스 등의 연료가 산업 및 운송 부문에서 폭넓게 사용될 수 있기 때문이다. 

PtX는 장기간 전력을 저장하여 재생에너지의 간헐성과 변동성을 해결하고 에너지 시스템 전반의 유연성을 확대한다는 장점이 있지만, 직접 전기화에 비해 효율이 떨어진다. 따라서 덴마크 정부는 가능한 경우 직접 전기화를 사용하되, 직접 전기화가 어려운 경우 PtX 기술을 적용하는 전략을 수립했다. 

[자료 4. 덴마크 PtX 밸류 체인]

출처: The Government’s strategy for POWER-TO-X

위 사진은 The Denmark Energy Agency에서 발표한 PtX 밸류 체인이다. 생산된 재생에너지를 수전해하여 나온 열은 지역난방으로, 수소는 산업 및 운송에 사용된다. 또한 수소에 질소, *생물 유래 이산화탄소를 결합하여 만들어진 메탄올과 SAF는 해운, 항공, 플라스틱과 화학물질 제조에 쓰인다. ( *생물 유래 이산화탄소: 바이오매스로부터 나오는 이산화탄소)

정부의 전폭적인 지원 덕에 덴마크에는 현재까지 총 44개의 PtX 프로젝트가 발표되었으며, 연간 9GW 이상 규모의 전력 용량이 축적되고 있다. 본 기사에서는 덴마크 PtX 프로젝트 중 3가지 사례를 소개한다. 

1. Kassø Project : E-메탄올 활용

세계 최초이자 덴마크 최대 규모의 상업적 E-메탄올 프로젝트이며, 2024년 9월부터 연간 32,000톤의 E-메탄올 생산이 예정되어 있다. 신재생에너지 잉여전력의 수전해를 통해 생산된 수소, 즉 녹색 수소에 생물 유래 이산화탄소를 결합하여 E-메탄올이 만들어진다. 본 프로젝트는 Novo Nordist(유명 제약 회사), LEGO(장난감 회사), Maersk(컨테이너 물류 회사), Circle K(주유 회사)처 다양한 분야의 제품구매자와 계약을 성사했다.

2. E-methane Project : E-메탄 활용

덴마크 최초이자 최대 규모의 E-메탄 프로젝트이며, 시간 당 400㎥의 E-메탄을 생산하고 있다. 바이오가스에서 CO2를 분리해 내면 바이오메탄과 생물 유래 이산화탄소로 나뉘는데, 여기서 바이오메탄은 가스망으로 주입되어 산업 및 가정에서 이용된다. 또한 생물 유래 이산화탄소는 녹색 수소와 결합하여 E-메탄을 만들어내며, 이는 가스망으로 주입된다. 본 프로젝트는 한국이 녹색 전환 과정에서 가스 인프라를 재건하거나 바꿀 필요 없이 기존 그대로 사용해도 됨을 보여준다.

3. Greenlab Project : 바이오가스 활용

덴마크의 Skive라는 작은 지역에서 진행된 프로젝트로, 해당 지역은 청년층 인구 감소 및 고령화 문제를 겪고 있었다. 이에 지방 자치체는 다량의 바이오매스를 활용하여 바이오가스와 수소, 열, 전기를 생산하기로 결정했다. 이후 지역 산업 복합체에 포함된 기업에 수소와 전기를 판매하였으며, 지역 공동체에 열을 공급하기도 했다. 본 프로젝트는 2019년 시작되어 현재까지, 초기에 비해 규모를 늘려 성공적으로 운영 중이다. 일자리 창출, 관광사업의 부흥, 지역난방 공급을 통한 고령 지역 사회의 부흥을 보여주는 좋은 예시이며, 이는 한국의 매립지, 농촌 지역에도 적용 가능할 것으로 예상된다.

이와 같은 덴마크의 사례는 한국의 수소, 메탄, 암모늄 대량 생산을 위한 해상 풍력 활용이라는 시사점을 제공한다. 한국은 해상 풍력에 적합한 4개의 지점을 가지고 있으며, 현재 24GW에 달하는 프로젝트들이 개발되고 있다. 이처럼 국내 지리적 조건과 투자 확대 추세를 고려했을 때, 해상 풍력 잉여 전력을 활용한 녹색 수소의 생산은 수소 경제로의 전환에 이바지할 것으로 보인다. 또한 앞서 언급된 E-메탄 활용 사례와 같이 생물 유래 이산화탄소의 결합을 통해 생산한 메탄을 가스망에 공급하여 도시 가스로 사용하거나, 수송 부문에서 E-fuel를 활용하는 것과 같이 기본적인 녹색 수소 생산 공정에 추가 공정을 덧붙여 가지고 있는 인프라를 최대한 활용하는 방안을 덴마크의 사례에서 확인할 수 있다. 마지막으로 덴마크의 Danish Energy Island는 각각의 도시가 고유한 수요/공급 시스템을 갖추고 있는 분산 전원을 갖추고 있다. 한국의 경우에도 태양광, 풍력과 같은 신재생에너지와 더불어 바이오매스를 활용하는 방향으로 분산 전원 체계 구축을 추진한다면 직접 PPA 등의 제도 적용이 용이해질 것으로 예상된다.

 

[SESSION II : 청정수소 활용 인사이트]

1. 현대엔지니어링 청정수소 전략

[자료 5. 현대엔지니어링 사업영역]

출처: 현대엔지니어링

친환경/신재생 분야 사업영역을 확대 중인 현대엔지니어링은 제4회 수소마켓 인사이트에서 초소형모듈원자로(MMR) 사업을 중심으로 전반적인 사업 개요, 청정수소 전략 등을 소개하고 질의응답을 진행했다.

① 고온가스로(HTGR) 연계 고온수전해

고온가스로(HTGR)와 고온수전해를 연계하게 될 경우, 수전해 효율이 증가된 고온수전해 기술을 통해 수소를 생산할 수 있다. 

고온가스로(HTGR, High Temperature gas-cooled reactor)는 헬륨 냉각재, 흑연 감속재에 93% 농축 우라늄을 사용하는 원자로로, 700도 이상의 고온에서 작동한다. 주로 헬륨 기체로 냉각되고, 흑연이 중성자 감속재 역할을 한다. 고온수전해 기술(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)은 수소를 생산하기 위한 기초적이고, 친환경적인 방법으로 낮은 에너지 수요와 높은 열효율을 지니는 기술이다. 열과 전기의 공급이 필요하며, 열원 온도가 높을수록 수전해 효율이 증가한다는 특징이 있다.

[자료 6. 원전을 이용한 수소생산공정 개념도]

출처: 열린뉴스통신 

따라서 고온수전해 기술과 고온가스로를 연계할 경우, 원자력의 안정적인 출력과 높은 공정열 공급을 바탕으로 효율적이고 안정적인 수소 생산이 가능할 것이다. 원자력 발전은 자연조건의 제약이 없는 안정적인 출력 공급이 가능하며, 미국과 유럽연합 또한 원전을 이용한 수소 생산 및 실증을 계획하고 있다.

② 고온가스로 MMR 개발사 USNC(Ultra Safe Nuclear Corporation)

USNC(Ultra Safe Nuclear Corporation)는 미국 워싱턴주 시애틀에 본사를 두고 있는 2011년에 설립된 회사로 8개국(미국, 캐나다, 영국, 프랑스, 한국, 폴란드, 호주, 남아프리카 공화국)에서 원자력 관련 사업을 추진 중이다. 현대엔지니어링과는 2012년부터 협업해 왔으며, 캐나다 극지·오지·광산·Off-Gride 시장을 목표로 한 초소형 모듈 원전(MMR), 우주 시장을 목표로 한 원자력 열 추진체(NTP), 1~5MWe~5Mwe의 초소형 원전 등의 제품군을 갖고 있다.

[자료 7. 캐나다 초크리버 초소형모듈원전 조감도]

출처: 한겨레신문 

2015년 8월 현대엔지니어링은 USNC와 GHP(Global First Power)와 MOU를 체결했다. MMR 기술 실증 및 청정에너지 공급을 목표로 한 ‘캐나다 실증 플랜트 건설 프로젝트’에 참여했고, 2028년 상업운전을 목표로 진행 중이다. MMR 모듈화를 통해 현장 작업을 최소화하고 설치기간을 단축한 것이 특징이다. 또한 영국 에너지안보 및 넷제로 부(DESNZ, Department for Energy Security and Net Zero)이 2050년 Net-Zero 목표 달성을 위한 일환으로 진행 중인 ‘USNC 영국 Heysham-H2 프로젝트’에도 참여하고 있다. 해당 프로젝트는 국가 지원 연구사업으로 기존 원전부지를 활용하며, 영국 수소 파이프라인 사업 연계성이 높을 것으로 예상된다.

③ 원자력수소 협력 MOU

[자료 8. 원자력 청정수소 사업 육성을 위한 현대엔지니어링-울진군 MOU 체결]

출처: 뉴데일리경제

현대엔지니어링은 울진군과 원자력 청정수소 사업 육성을 위한 업무협약을 2022년 9월 27일에 체결했다. 울진군 측에서는 대규모 원자력 청정수소 실증단지 조성을 위해 현대엔지니어링의 청정수소 활용 사업이 원활하게 추진되도록 인허가 등 행정적인 지원을 약속했다. 현대엔지니어링에서는 MMR을 활용한 고온수전해 청정수소 생산 플랜트, SOEC 스택 생산 플랜트를 구축하고 원자력 활용 수소생산 국가산업단지 조성에 적극적으로 참여할 것을 약속했다.

2023년 4월 20일에는 SK에코플랜트, USNC와 “원자력 연계 청정 수소 생산”을 위한 MOU를 체결했다. 현대엔지니어링에서는 MMR-SOEC 연계 통합 플랜트 연구개발을 진행하고, SK에코플랜트에서는 고온 수전해 SOEC 시스템을 구성하고 제공한다. USNC는 MMR 시스템을 구성하고 제공한다. 해당 MOU를 통해 통합 수소생산 플랜트, 원자력 활용 수소 생산 플랜트를 구성하고 실증하여 국가 산업 단지 조성에 참여할 계획이다.

④ 기타 수소사업

[자료 9. 충남 보령 그린암모니아 생산사업]

출처: 조선비즈

위의 사업과 더불어 충청남도에 수소활용 발전사업, 그린암모니아 생산사업이 확대될 예정이다. 현대제철과 현대오일뱅크가 발주한 ‘가스터빈 수소혼소(30%) 발전’, 산업통상자원부가 발주한 ‘그린암모니아 생산사업’이 대표적이다. 현대엔지니어링은 기존 사업에서 수소 및 재생, 원자력 에너지를 활용하여 사업영역을 확대해 나갈 예정이다.

 

2. 두산에너빌리티 청정수소 전략

세션2의 두번째 순서, 두산에너빌리티이다. 이전 두산중공업에서 청정한 에너지를 공급하는 기업이라는 의미인  ENERGY+SUSTAINABILITY= “ENERBILITY” 담아 이름을 바꾼, 두산에너빌리티의 수소사업 추진현황 및 방향성에 대해 박성구 팀장이 발표했다. 

과거 중공업이었던 만큼, 수소 관련 분야 발전기자재 공급에 주력한 모습을 볼 수 있었다. 수소 생산과정부터 수소를 저장하고 운송하고 활용하기까지에 이른 전방향에 걸친 개발을 진행 중이다. 국책과제를 통한 정부 지원을 받으며 기술 국산화라는 측면에서의 노력을 기울이고 있다. 하지만 국내의 한정된 신재생에너지 자원과 CO2 저장 가능 공간의 제약 등을 고려할 때, 국내에서 생산 가능한 청정 수소로 모든 수요를 대응하기는 어려우니, 해외 청정수소 수입에도 관심을 갖고 있다. 앞으로 30년 간, 암모니아를 해외에서 수입하는 암모니아 트랙킹 사업을 진행 중이며 이를 위한 인프라 개발에 대한 필요성도 언급하였다. 

[자료 10. 해외 청정수소 수입] 

출처: 두산에너빌리티

탄소 중립을 위한 주요 사업 전략으로는 4대 주력 성장분야인 가스터빈, 신재생, 원자력, 수소와 신사업인 순환경제, AM(3D 프린팅)도 이루어지고 있다. 가장 주목하고 있는 분야는 수소이며 수소 발전과 생산, 공급을 통해, “무탄소 에너지 유통 및 공급 솔루션 제공을 위해, 수소 사업 적극 추진하여 탄소 중립 및 국가 산업 발전 기여하겠다”라는 방향성을 제시하고 있다. 

[자료 11. 그린수소 사업] 

출처 : 두산에너빌리티

원자력 수소 생산 분야에서도 힘쓰고 있다. 원자력발전을 통해 생산되는 증기 및 전기와 수전해기를 결합한 원자력 수소 생산 방식은 블루 수소의 경제성과 그린 수소의 친환경성(CO2-free)이라는 장점을 가지면서 재생에너지의 간헐성을 보완하는 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다. 두산에너빌리티는 지난 40년 간 국내 및 글로벌 원전 기자재 및 서비스를 공급해 온 경험을 바탕으로 원자력수소 사업에 역량을 집중하여 수소경제 구현에 앞장서겠다는 포부를 밝혔다. HyAxiom, 퓨얼셀 등과 협력하여 수전해 시스템 최적화 역량을 확보하고, 제주 및 동해 그린수소 생산과 원자력 수소 기반 연구를 진행하고 있다. 

국내 유일의 대형 가스터빈 기술을 보유하고 있는 두산에너빌리티는, 이를 활용하여 수소 겸용 무탄소 발전을 추진하고 있다. 국책과제로 수소 혼소 가스터빈 연소 기술 개발 분야에서는 50% 혼소를, 암모니아 혼소 보일러 연소 기술 개발 분야에서는 20% 혼소(24년), 100% 혼소(~27년)를 목표로 두고 있다. 수소 터빈 국산화를 통해서, 미래 무탄소 발전원 기자재 포트폴리오를 구축한 모습도 볼 수 있었다. 무엇보다 환경적 부분과 탄소 배출 저감 효과를 고려하여, 실증 사이트나 정부 지원을 연계해 현실가능성을 높인 부분이 인상깊었다.

[자료 12. 수소액화플랜트 및 블루수소 생산]

 출처: 두산에너빌리티

박성구 팀장은 “결국은 수소가 잘 운영되기 위해서는 경제성이 가장 큰 이슈가 된다”, “실증과제를 위한 인프라, 경제성을 높이기 위해 협업하며, 고정된 수요 이후의 수소 공급 인프라를 효율적으로 대비해야 한다”라고 언급하였다. 두산에너빌리티는 2020년 11월 국내 첫 수소액화 플랜트 건설 계약을 체결 후 2024년 완공에 목표를 두고 있으며 현재는 수요를 찾고 있는 상황이다. 이 플랜트에는 CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage, 이산화탄소 포집-활용-저장) 기술을 적용, 이를 통해 청정 블루수소를 생산하는 최적의 방안을 검토하고 있다.

이외에도 바이오가스 기반 수소 생산 기술과, 수소 저장 및 운송 인프라에 관한 부분에 대한 개발도 진행 중이다.

최종, 두산에너빌리티는 여러 국책과제들을 수행하며 핵심 기술 확보를 통한 에너지 안보 및 저렴한 탄소 저감 달성을 위해 노력하고 있다. 무엇보다 두산은 인사이트 내내 ‘탄소배출’과 ‘청정 발전’이라는 키워드를 많이 언급하였는데, 이를 통해 환경에 대한 중요성을 인식하고 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 단순히 한 분야만이 아닌, 점차적인 탄소제로의 로드맵을 구성하고 있다. 이를 통해 ‘현실적인 탄소제로사회로의 도모’를 위한 두산에너빌리티의 노력을 느낄 수 있었다. 이러한 환경의 중요성을 알고 현실성과 목표를 잃지 않으며 끝없이 개발하고 있는 기업인 두산에너빌리티를, 앞으로도 주목해 볼 만 하다고 생각한다.

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수소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1."청정(Clean)수소, 너 정말로 깨끗해?", 23기 김경훈, 24기 변지원, https://renewableenergyfollowers.org/4417

[취재]청정(Clean)수소, 너 정말로 깨끗해?

2. "수소법과 알록달록 수소 이야기", 22기 김혜윤, 박주은,  https://renewableenergyfollowers.org/3975

수소법과 알록달록 수소 이야기

 

참고문헌

[SESSION I : 글로벌 수소 정책 및 시장동향]

1) 한국중부발전, 에너지정책소통센터, 재생에너지&수소, https://www.e-policy.or.kr/info_2022/list.php?admin_mode=read&no=12507&make=&search=&prd_cate=2

[SESSION II : 청정수소 활용 인사이트]

1. 현대엔지니어링 청정수소 전략          

1) 김한빈, 현대엔지니어링-SK에코플랜트-USNC, 수소 생산 위한 MOU 체결, 열린뉴스통신, 2023.04.20, https://www.onews.tv/news/articleView.html?idxno=162690

2) 김용환, 안전하고 다양한 에너지공급원 초고온가스로, 한국물리학회, 물리학과 첨단기술 제 31권 제 6호, 2022.06

3) 고온 가스 냉각 원자로, 국방과학기술용어사전, 2021.05.31., https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2752870&cid=50307&categoryId=50307

4) 박지영, 현대ENG, 원자력 청정수소 산업육성 박차...울진군과 업무협약, 뉴데일리 경제, 2022.09.28, https://biz.newdaily.co.kr/site/data/html/2022/09/28/2022092800144.html

5) 조은임, 현대엔지니어링, 충남 보령에 ‘수전해 기반 수소생산기지’ 구축, 조선비즈, 2023.08.29, https://biz.chosun.com/real_estate/real_estate_general/2023/08/29/U3S263QXXFF4FK2LZUEJFE2GOU/

6) 최종훈, 현대엔지니어링, 캐나다 '4세대 초소형모듈원전' 플랜트 짓는다, 한겨레, 2022.08.28, https://www.hani.co.kr/arti/economy/economy_general/1056499.html

7) 한경호, “고체 산화물 수전해 시스템(SOEC)에서 전기화학적 특성의 온도 의존성에 대한 수치 모델링”, pp. 1-9, Journal of energy engineering, v.29 no.2, 2020, https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO202025863754224

2. 두산에너빌리티 청정수소 전략

1) 두산에너빌리티 홈페이지, https://www.doosanenerbility.com/kr/business/hydrogen_energy 

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