수소 경제 활성화를 위한 LCOH 최적화

수소 경제 활성화를 위한 LCOH 최적화

대학생신재생에너지기자단 23기 김태현, 26기 김예은, 27기 김계환, 27기 이대현, 27기 이희원

 
수소 경제의 핵심 과제: 그린 수소와 생산 비용
기후 위기가 가속화되면서 ‘탈(脫) 화석연료’가 세계 경제의 핵심 과제로 떠오르고 있다. 이에 따라 탄소 배출량을 줄이면서도 안정적인 에너지원이 될 수 있는 대안으로 수소 에너지가 주목받고 있다. 이미 여러 국가와 기업이 수소 기술 개발과 인프라 구축에 박차를 가하고 있으며, 수소를 기반으로 한 산업 전환이 가속화되는 중이다.

[자료 1. 생산 방법에 따른 수소 분류]

출처: Qcells Korea

수소는 생산방법에 따라 크게 그린수소, 블루수소, 그레이수소 등 색깔별로 구분된다. 그린수소는 태양광·풍력 등 신재생에너지를 활용해 물을 전기분해하여 생산되는 방식으로, 탄소 배출이 거의 없다는 점에서 가장 친환경적인 수소로 평가된다. 반면 그레이수소는 천연가스를 개질해 만들지만, 탄소 배출을 저감하는 기술이 없어 친환경적이지 않다는 한계가 있다

블루수소는 그레이수소에 이산화탄소를 포집·활용 및 저장(CCUS)하는 기술을 추가하여 탄소 배출을 최소화한 방식이다. 
이 중 그린수소는 탄소를 배출하지 않는 청정 에너지원으로, 장기적으로 탄소 중립 실현에 가장 이상적인 대안으로 꼽힌다. 이러한 장점 덕분에 각국 정부와 기업은 그린수소 기술 개발에 집중적으로 투자하고 있으며, 생산 효율성을 높이기 위한 연구도 활발히 진행 중이다.

그러나 그린수소는 신재생에너지 발전단가가 여전히 높고, 변동성이 커 추가적인 저장·송전 비용이 발생한다는 점에서 생산 단가가 높다는 문제점이 있다. 이에 따라 수소 경제 활성화를 위해서는 LCOH(Levelized Cost of Hydrogen, 균등화 수소 원가)를 최적화할 필요성이 제기되고 있다.
 
수소 종류별 LCOH 현황
LCOH(Levelized Cost of Hydrogen, 균등화 수소 원가)는 수소 생산단가의 경제성 분석 방법으로, 총 발생하는 비용의 현재 가치를 수소의 총 생산량의 현재 가치로 나누어 계산하는 수치이다. 이때 이용률, 자본비, 운전유지비가 주요 변수로 작용한다.

[자료 2. 2023년 주요 28개국 수소 종류별 LCOH 현황]

출처: 한전경영연구원

태양광, 풍력 등 재생에너지로 생산된 전기를 통해 물을 전기 분해해 생산되는 수소인 그린수소의 LCOH가 높은 이유는 다음과 같다. 첫째, 재생에너지의 높은 간헐성과 낮은 발전효율 때문에 발전단가가 높다. 둘째, 수전해 기술의 높은 초기 투자비용 탓에 지본 비용이 상승한다. 셋째, 그린수소는 아직 상용화 초기 단계이기 때문에 대규모 생산시설이 많지 않고, 관련 산업이 규모의 경제를 이루지 못하였다. 반면, 블루소수와 그레이수소는 기존 인프라가 구축돼 있고 발전단가가 상대적으로 낮아 LCOH가 낮게 형성된다.

그린수소가 상용화되려면 LCOH를 낮춰 블루수소 및 그레이수소와 비슷한 수준이거나 더 저렴해져야 한다. 현재는 그린수소의 LCOH가 높은 탓에 상용화가 어려운 상황이며, 비용 절감이 필수이다.
 
그린수소 생산  LCOH 최적화를 위한 최근 연구 동향 탐색
CO2  배출을 최소화하고, 미래의 지속가능한 에너지원으로 그린수소를 사용하는 것은 수소 경제 활성화에서 가장 핵심적인 문제일 것이다. 그러나 LCOH(Levelized Cost of Hydrogen, 균등화 수소 원가)는 그린수소의 가장 큰 도전 과제 중 하나로, 생산 과정에서의 비용을 크게 좌우한다. 특히, 그린수소는 재생 가능 에너지를 통해 생산되기 때문에 전력 생성 비용이 중요한 요소로 작용한다. 이에 따라, 여러 연구는 2050년까지 LCOH를 1.5~2.0USD/kg 이하로 내리는 목표를 설정하고, 이를 달성하기 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

그린수소 생산 시 LCOH 최적화를 위한 최근 연구 동향에서 두 가지 주요 기술을 살펴보자.

1) 음이온 교환막 수전해(AEMWE)
수전해 방식으로 대표적인 알칼라인 수전해(AWE)와 양이온 교환막 수전해(PEMWE)는 각각 장단점이 존재한다. 알칼라인 수전해(AWE)는 가장 상업화된 수전해 방식으로, 안정성과 긴 수명을 제공하지만, 전력 효율이 상대적으로 낮고, 고온에서 효율성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 고순도의 수소 생성에는 한계점을 갖기 때문에 관련 연구가 지속해서 이뤄지고 있다. 양이온 교환막 수전해(PEMWE)는 높은 전류밀도로 운전할 수 있으며, 에너지 효율이 높다는 장점이 있지만, Pt, Ir와 같은 비싼 귀금속 촉매를 사용해 수소를 생산하기 때문에 고려사항인 LCOH 최적화에 적합하지 않다.

음이온 교환막 수전해(AEMWE)는 LCOH 최적화에 가장 적합하다는 평가를 받는 수전해에 해당한다. 기본적인 원리로는 KOH, NaOH 용액 내에 존재하는 OH⁻ 이온을 투과시킬 수 있는 막을 사용하여 수전해를 가능하게 한다. 이 방식은 저가 촉매(예: Ni, Fe)를 사용하여 수소 생산 비용을 낮출 수 있으며, 고순도의 수소를 얻는 데 유리함을 가진다. AEMWE는 비록 기술 성숙도가 낮고 상업화에는 시간이 필요하나, 저가 촉매와 고순도 수소 생산이라는 장점 덕분에 LCOH 최적화에 중요한 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 활발히 진행되는 연구들은 이 기술을 상업화하는 데 중요한 전환점을 맞이하고 있으며, 앞으로 상업화가 이뤄지면 수소 경제에서 중요한 역할을 할 것이다.

2) 고효율 풍력 터빈 기술
그린수소 생산을 위한 전력은 신재생에너지원에서 생산돼야 하며, 풍력은 그 중요한 역할을 한다. 그러나 신재생에너지의 전력 생성 단가는 상대적으로 높아 그린수소 생산의 LCOH 최적화에는 어려움이 있을 수밖에 없다. 이에 따라, 고효율 풍력 터빈 기술이 최근 큰 주목을 받고 있다. 고효율 풍력 터빈은 에너지 변환 효율을 높이는 방식으로, LCOH 최적화에 중요한 기여를 할 수 있다. 주요 기술 중 하나는 고속 회전 및 저속 회전 터빈 기술로, 바람의 속도에 따라 최적화된 효율을 제공한다. 또한, 자기 부상 풍력 터빈은 마찰을 최소화하여 효율을 극대화할 수 있다. 이러한 고효율 풍력 터빈은 특히 해상풍력 발전에서 두각을 나타내고 있으며, 높은 전력 생산 효율을 제공한다.

고효율 풍력 터빈은 다양한 풍속에서도 높은 전력을 효율적으로 생산할 수 있어 그린수소 생산을 위한 전력 비용 절감에 기여할 수 있다. 그러나 대규모 설치 시 높은 수준의 비용이 유지되며 이는 LCOH 최적화를 위해 해결해야 할 과제로 손꼽힌다.

 

미국의 수소 지원 정책

그렇다면 세계 여러 나라는 수소 경제를 활성화하기 위해 어떤 노력을 하며, 어떤 정책이 등장하고 있을까? 가장 먼저 알아볼 것은 IRA(인플레이션 감축법)다. 이는 물가를 안정화하기 위해 만든 인플레이션 감축 법으로, 환경친화적 에너지 사업에 관한 지원을 통해 자원이나 에너지 관련 물가를 안정화하려는 조항을 포함하고 있다. IRA는 완전히 청정 에너지원으로 여겨지는 것에만 보조금을 지원하는 것으로 보이지만, IRA를 통한 보조금 지원 범위는 우리가 생각하는 것보다 넓다. 그린수소뿐 아니라 핑크수소나 블루수소도 IRA에 의한 보조금을 받을 수 있어 이에 의한 LCOE 격차는 크게 영향을 받지 않으리라고 생각한다.
 

수소 지원 정책: Section 45V

청정수소 하면 그린수소를 떠올리기 쉽지만, 청정수소는 수소의 색깔에 의해 정해지는 것이 아니다. 즉, 그린수소도 청정수소가 되지 않을 수 있으며, 블루수소나 핑크수소도 청정수소가 될 수 있다는 것이다. 청정 수소 생산 시 세액공제를 받을 수 있으며, 이러한 청정수소의 기준은 수소의 색깔이 아닌 온실가스를 배출하는 양에 의해 결정된다.

[자료 3. 출범 당시 Section 45V]

출처: Norton Rose FULBRIGHT

이에 관해서는 2022년 8월 IRA가 발의됐을 때 ‘Section 45V’가 같이 등장하며 구체화했다. 이때의 Section 45V는 수소 1kg을 생산할 때 배출하는 CO2의 양이 4kg 이하면 10년 동안 kg당 3달러나 설비의 30%를 감면해주는 방식을 담고 있었다. 위 자료와 같이 4kg 이하 영역에서도 온실가스 생산량에 따라 세액공제 정도가 달랐다. 다른 온실가스는 환경에 영향을 끼치는 정도를 기준으로 CO2의 양으로 환산했다. 이는 2023년 Section 45V에 대한 잠정 가이던스가 발표되며 구체화했다. 이전에는 세액공제 기준과 정도에 초점을 뒀다면 이후에는 이를 더 명확히 하기 위해 정책의 주요 용어를 정확하게 정의했다. 이외에도 향후 온실가스 배출에 관한 기준 모델을 설정했으며, 수소 에너지를 공급했음을 인증하는 에너지 속성 인증서를 받는 필요한 속성과 방법을 정의했다. 이처럼 2023년 발표된 잠정 가이던스는 수소 에너지 관련 세액공제가 원활히 일어날 수 있도록 정책의 여러 부분을 구체화했다.

2025년 Section 45V에 관한 최종 규칙이 발표됐다. 여러 전문가와 정부의 의견을 반영해 완성도가 높아진 것이 특징이다. 법률과 연관 지어 정책의 당위성을 강화했으며, 청정수소의 요구량을 시간대별로 맞출 수 있도록 하는 시간대별 전력 매칭에 관한 내용이 추가됐다. 수소 생산 에너지원이 최근 3년 이내에 가동되고 2033년 이내에 착공하는 설비에만 지원한다는 내용도 찾을 수 있었다. 생산 방식에 관련 없이 1kg당 온실가스 배출량으로 지원 여부를 결정한다는 것도 두드러지는 방식이다. 이처럼 세액공제를 통해 청정수소 생산을 장려하려는 움직임을 확인할 수 있었다. 미국이 제안한 정책이기에 다른 나라도 이런 기조로 수소 산업을 장려할 것으로 봤던 사람이 많았다. 그러나 정권이 바뀌며 이 정책이 그대로 유지될지는 누구도 알 수 없다. 그렇지만, 한 가지 확실한 것은 정유사 등 탄소를 배출하는 사업을 담당하는 여러 기업도 친환경 산업에 세금을 빼 주는 IRA 폐지에 반대하고 있다는 사실인데, 이는 앞서 언급했듯 IRA가 청정에너지 기술뿐만 아니라 저탄소 에너지 기술에도 적용되기 때문이다. CCUS 기술 개발, 바이오 연료 대체 등 화석 연료 고갈 위험, 화석 연료에 관한 부정적인 시선 등의 이유로 정유사는 여러 저탄소 기술을 개발하고 있다. 이 역시 IRA를 통해 보조금을 받을 수 있어 정유업계에서도 IRA 폐지를 반대하고 있다. 이처럼 복잡하게 얽힌 의견 때문에 수소 산업의 행방은 알 수 없다고 생각한다.
 
유럽의 수소 지원 정책과 한국의 수소

[자료 4. 독일은 국가 차원으로 수소에 힘쓰고 있다.]

출처: AI타임스

유럽의 사례를 알아보도록 하자. 독일은 수소 산업의 대표 선두 주자다. 독일은 국가 차원으로 수소 활성화를 위해 노력하고 있으며, 주요 산업단지에 수소 공급망을 구축하고 있다. 8년 내로 그린수소나 블루수소 발전소로 전환해야 하는 발전소 건설을 위해 입찰하는 움직임도 보이고 있다. 이는 수소 발전 비율을 장기적으로 늘리기 위한 노력으로 보인다. 2024년 10월에는 한국과 수소 경제로 나아가기 위한 협약을 맺었다. 독일은 수소 수요를 급격하게 늘리고 있으며 이를 위해 효과적인 수소 수입을 위한 전략도 짜고 있다. 그러나 이러한 수요를 만족하기 위해 보조금을 투입하기로 했으나 무산되는 등 여러 부정적인 측면도 확인할 수 있다.

스페인에서는 그린수소 산업이 활발히 진행되고 있다. 그린수소 관련 사업만 46개로, EU의 목표치를 뛰어넘는다. 마요르카섬에서는 수소 배관을 이용해 천연가스 그리드에 그린수소를 혼입하는 그린수소 혼소가 유럽의 최대 규모로 일어나고 있다. 이 외에도 스페인 내부에서는 여러 기업이 수소차 충전소를 적극 설치하고 여러 기업이 협력해 수소 네트워크를 형성하기 위해 노력하고 있다. 국가 측면에서도 많은 노력이 이뤄지고 있다. 2024년 7월, 스페인 총리는 그린수소를 생산하는 설비 지원을 위해 23억6000만원을 쓰는 등 재정적 지원도 아끼지 않고 있다. 이 외에도 스페인은 전해조 설치 확장 및 그린수소 대량 생산을 위한 계획을 세우고 있다. 이처럼 스페인은 기업과 정부가 수소 경제를 만들기 위해 많은 노력을 하고 있다.

이 외에도 네덜란드에서는 바이오가스만으로는 국가의 에너지 사용량을 충족시키지 못할 것으로 보고 그린수소와 블루수소의 중요성을 강조했다. 또한, 수소 생산 목표를 구체적으로 설정하고 현재 있는 가스망을 수소 산업에도 사용할 수 있는지를 조사하고 있다. 또한, 수소 안전에 관한 인증이 모든 국가에 필요하다고 판단해 다른 국가와 협업하며 수소에 관한 의지를 표현하고 있다.

우리나라도 청정수소와 수소화합물을 통해 생산한 전기를 거래하는 청정수소발전 입찰시장이 5월부터 열릴 예정이다. 그러나 여기서도 남부발전만이 우선협상 대상자로 선정되는 등 상황이 좋지 않다. 현재 수소 관련 대기업은 적극 참여하지 않고 관망함에 그치며, 중소기업은 여러 사업에서 발을 빼고 있다.

그렇다면 한국은 왜 수소 산업에 소극적일까? 금전적 문제를 가장 먼저 떠올리겠지만, 지금은 그 외 이유를 작성해보겠다. 첫 번째로는 불확실성이라고 생각한다. 먼저 트럼프 2.0 시기에서 나오는 불확실성이다. 미국의 산업의 방향성을 파악하기 어려워 우리나라 기업도 적극적으로 나서기가 어려운 상황이다.

두 번째는 산업 규모라고 생각한다. 한국의 수소 시장은 다른 나라의 수소 시장과 비교했을 때 규모가 작은 편으로 생각한다. 이는 앞서 언급한 불확실성과 연관되는데, 작은 사업 규모에 따라 위험성과 손해의 정도가 커져 조금 더 망설이는 경향이 있을 것이다.

세 번째는 구체성 부족이다. 미국의 Section 45V와 달리 국내 청정수소 관련 정책에 구체성이 부족하다고 생각한다. 인증, 당위성 부여 등 여러 측면에서 상세함을 갖춰야 한다. 계획도 구체적이면 좋을 것이다. 막연한 계획은 사업이나 투자를 진행할 동기를 떨어뜨린다. 한 정책에서 어떤 측면이든 구체성을 더하면 정책의 완성도도 높을 것이고 더 많이 신경을 썼다는 것을 보여주는 지표다.

한국의 수소 관련 시장이 아직 잘 성장하지 못한 데는 여러 이유가 있겠지만, 모든 이유가 유럽이나 미국과 한국과의 환경 차이에서 기인한 것은 아닐 것이다. 많은 재정 지원이 있으면 문제를 해결하기 쉬워지지만, 예산을 투입하는 데는 한정돼 있고 돈으로만 해결하려 한다면 비효율적인 투자가 될 수 있다. 예산 외 조금 더 주의를 기울이는 것도 하나의 해결책이 될 수 있을 것으로 생각한다.

 

수소 에너지의 미래

수소 에너지가 미래 환경을 책임지는 친환경 에너지로 발돋움하려면 LCOH 최적화가 필수이다. 생산 단가가 너무 높고 효율이 낮으면 다른 에너지와 비교했을 때 가격 경쟁력을 가질 수 없다. 현재 구축된 인프라를 재활용할 수 있는 블루수소, 그레이수소와 다르게 그린수소는 현재 재생에너지 인프라 구축이 필요한 상황이고, 완전히 신재생에너지를 에너지원으로 하여 생산해야 하므로 상대적으로 생산 단가가 높아 LCOH 최적화에 어려움이 있다. 이를 위해 음이온 교환막 수전해 기술, 고효율 풍력 터빈 기술 등이 개발돼 연구되고 있지만, 아직 최적화를 위해서는 연구가 더 필요한 상황이다.

또한 정책적인 지원도 필요하다. 트럼프 2.0 시대 도래 후 트럼프는 재생에너지보다 화석 연료에 집중하겠다는 의사를 밝혔고, 이는 수소 에너지 상용화에 큰 걸림돌이 될 수 있다. 미국의 이러한 정책 변화에 따른 수소 산업의 불확실성을 해소하기 위해 국내외 수소 산업 동향에 대한 지속적인 모니터링이 필요하고, 구체성이 부족한 한국의 현 수소 관련 정책의 구체성을 강화해야 한다. 인증, 당위성 부여 등 상세함을 갖출 필요가 있고, 구체적인 목표치를 설정하고 단계별 로드맵을 제시하는 등 세부적인 정책 목표와 실행 계획을 마련해야 한다.

수소 에너지를 통해 탄소 중립과 지속 가능한 미래로 나아가기 위해서는 정책적인 지원과 기술 연구가 뒷받침돼야 할 것이다. 수소 생산과 유통을 위한 인프라를 구축하고 LCOH 단가를 낮추기 위한 기술에 대한 R&D 지원 등을 통해 수소 시장의 경쟁력을 갖추기 위해 나아가야 한다. 이러한 노력으로 LCOH 최적화를 극복하고 수소 경제가 활성화될 수 있기를 기대해본다.

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수소 경제에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소경제활성화로드맵부터 청정수소 발전시장까지", 23기 김경훈, 24기 이지혜,  https://renewableenergyfollowers.org/4697

수소경제활성화로드맵부터 청정수소 발전시장까지

2. "[세계 수소 여행] 이탈리아 : 미래를 향한 수소 에너지의 잠재력", 25기 이예영 , https://renewableenergyfollowers.org/4680

[세계 수소 여행] 이탈리아 : 미래를 향한 수소 에너지의 잠재력

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참고문헌
[수소 경제의 핵심 과제: 그린 수소와 생산 비용]

1) 조민수, Qcells Korea, "신재생에너지의 중심에 있는 ‘그린 수소에너지(Green Hydrogen Energy)’", 2020.09.01, https://qcells.com/kr/blog/blog-detail?blogId=BLG231221155334013

[수소 종류별 LCOH 현황]

1) 김태현, 우종하, 이다한, 박종배. "수전해법으로 생산된 수소의 LCOH 추정", 한국에너지학회 학술발표회, 2021년도 추계학술발표회, 148쪽, 2021.11.03.

2) KEMRI 한전경영연구원, “글로벌 균등화 수소 생산원가(LCOH) 현황 및 전망”, 2023.09.15, https://home.kepco.co.kr/kepco/KR/ntcob/ntcobView.dopageIndex=1&boardSeq=21063520&boardCd=BRD_000518&menuCd=FN3119  

[그린 수소 생산  LCOH 최적화를 위한 최근 연구 동향 탐색]

1) 김현제, “그린수소 생산 비용 전망 및 경제성 확보를 위한 정책 과제”, 한국에너지경제연구원 에너지 이슈 페이퍼, 2021.07,  https://www.keei.re.kr/keei/download/KEIB_210913_3

[미국의 수소 지원 정책]

1) 최진홍, “[트럼프노믹스 2.0] IRA 폐지될까?…“전기차·배터리 산업 큰 영향”, 이코노믹리뷰,  2024.11.14, https://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=672617 

2) 윤수은, “美, 청정수소 보조금으로 글로벌 수소시장 판도 변화 예고”, 이코리아, 2025.01.15, https://www.ekoreanews.co.kr/news/articleView.html?idxno=77440

[수소 지원 정책: Section 45V]

1) Keith Martin,“Hydrogen Tax credits” Norton Rose Fulbright, 2022.10.25, https://www.projectfinance.law/publications/2022/october/hydrogen-tax-credits/

2) “미국 재무부·국세청, IRC Section 45V(청정수소 세액공제) Proposed Regulations 발표”, 법률신문, 2025.01.28, https://www.lawtimes.co.kr/LawFirm-NewsLetter/195437

[유럽의 수소 지원 정책과 한국의 수소]

1) 김연지, “독일, 수소경제 전환 잰걸음…EnBW, 청정수소 10억 달러 투자”, ESG경제, 2024.07.26, https://www.esgeconomy.com/news/articleView.html?idxno=7291

2) 김동규, “청정수소발전 입찰시장 5월 개설…산업부, 업계와 운영방안 논의”, 경향신문, 2025.02.12, https://www.yna.co.kr/view/AKR20250212071400003?input=1195m