그레이 수소는 천연가스(주로 메탄)를 고온의 수증기와 반응시키는 방식인 ‘수증기 개질(SMR, Steam Methane Reforming)’을 통해 생산되는 수소입니다.
이 방식은 기술적으로 성숙하고 생산 단가가 비교적 낮아 현재 전 세계 수소 생산량의 대부분을 차지하고 있습니다.
그레이 수소
그레이 수소의 생산 방식과 문제점을 분석하고, 개선 방안을 제시하고자 한다.
서론
현대 사회에서 수소는 에너지 전환 시대를 이끄는 핵심 자원으로 주목받고 있다.
수소는 연소 과정에서 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않아 청정 에너지로 불리며, 전기, 산업, 교통 등 다양한 분야에서 활용될 잠재력을 가진다.
그러나 현재 생산되는 수소의 약 96%는 화석연료를 기반으로 한 그레이 수소(grey hydrogen)이다.
이는 스팀 메탄 개질(SMR)과 같은 공정을 통해 주로 천연가스를 사용하여 생산된다.
그레이 수소는 높은 생산 효율성과 경제성을 자랑하지만, 대량의 탄소 배출 문제를 동반하며 지속 가능성 측면에서 한계를 드러낸다.
1. 그레이 수소의 생산 방식
그레이 수소는 화석연료로부터 수소를 생산하는 과정에서 대량의 이산화탄소를 배출한다.
대표적인 방식은 스팀 메탄 개질(Steam Methane Reforming, SMR)이다.
이 방식은 천연가스를 고온의 증기와 반응시켜 수소와 일산화탄소(CO)를 생성하고, 이후 일산화탄소를 추가로 처리해 더 많은 수소를 생산한다.
SMR은 비교적 단순한 공정으로 대량 생산이 가능하며, 기존 화석연료 기반 에너지 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 이 과정에서 화석연료를 연소하며 발생하는 CO2 배출은 기후변화 문제를 가속화하는 주요 원인 중 하나이다.
예를 들어, 1톤의 수소를 생산하는 데 약 9~10톤의 CO2가 배출된다고 보고되고 있다.
이는 그레이 수소가 현재까지 수소 시장에서 높은 점유율을 차지하고 있지만, 기후위기를 고려할 때 장기적으로는 지속 가능하지 않음을 보여준다.
2. 그레이 수소의 문제점
2.1 탄소 배출 문제
그레이 수소는 생산 과정에서 다량의 탄소를 배출하여 지구온난화를 가속화한다.
특히, 화석연료 연소 시 발생하는 이산화탄소와 메탄 누출은 환경에 심각한 악영향을 미친다.
메탄은 이산화탄소보다 25배 이상 강력한 온실가스 효과를 가지며, 천연가스 채굴 및 운송 과정에서 다량 누출될 수 있다.
2.2 자원 고갈
그레이 수소는 천연가스와 석탄 등 화석연료에 의존하기 때문에 자원 고갈 문제를 야기한다.
이러한 의존성은 장기적인 에너지 안보를 위협하며, 화석연료의 가격 변동은 수소 생산 비용의 불안정성을 초래한다.
2.3 경제적 취약성
화석연료 가격 상승은 그레이 수소의 생산 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 이를 사용하는 산업 전반에 걸쳐 경제적 부담을 가중시킨다.
또한, 탄소 배출량에 따라 부과되는 탄소세가 도입되면 그레이 수소의 경쟁력은 더욱 약화될 가능성이 있다.
2.4 지속 가능성 부족
그레이 수소는 탄소 배출 문제와 자원 의존성으로 인해 지속 가능한 에너지 전환의 방향성과는 맞지 않다.
이는 각국 정부와 기업이 블루 및 그린 수소로의 전환을 모색하는 주요 이유 중 하나이다.
3. 개선 방안
3.1 블루 수소로 전환
블루 수소는 그레이 수소 생산 과정에서 발생하는 탄소를 포집 및 저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization, and Storage)하여 배출량을 줄인 방식이다.
CCUS 기술은 탄소를 대기 중으로 방출하지 않고 저장하거나 활용함으로써 탄소 배출 문제를 완화할 수 있다.
블루 수소는 기존 SMR 공정에 CCUS를 결합하여 생산할 수 있어, 비교적 낮은 비용으로 탄소 감축 효과를 얻을 수 있다.
3.2 그린 수소로의 전환
그린 수소는 재생 가능 에너지(태양광, 풍력 등)를 이용해 물을 전기 분해하여 생산된다.
이는 탄소 배출이 전혀 없는 가장 이상적인 수소 생산 방식이다.
그러나 현재로서는 높은 생산 비용과 인프라 부족이 과제로 남아 있다.
이를 해결하기 위해 다음과 같은 노력이 필요하다.
재생 가능 에너지 생산 확대
전기 분해 기술의 효율성 향상
대규모 투자와 정부 지원
3.3 정책 및 규제 강화
정부 차원에서 탄소 배출 규제를 강화하고, 탄소세를 도입하거나 재생 가능 에너지를 기반으로 한 수소 생산에 보조금을 지원해야 한다.
또한, 국제적인 협력을 통해 수소 경제를 발전시키기 위한 표준화된 규제와 협정이 필요하다.
3.4 기술 혁신
기존의 SMR 공정을 개선하여 탄소 배출을 줄이거나, 메탄을 활용한 새로운 저탄소 수소 생산 기술을 개발하는 등 기술 혁신이 필요하다.
예를 들어, 메탄 열분해(Pyrolysis)는 탄소를 고체 형태로 분리하여 배출을 최소화할 수 있는 신기술로 주목받고 있다.
4. 국내외 사례 및 현황
4.1 주요 국가들의 수소 전략
독일: 재생 가능 에너지를 활용한 그린 수소 생산에 집중하며, EU의 수소 전략을 주도하고 있다.
일본: 블루 수소와 그린 수소를 병행하여 도입하며, 수소 연료 전지 기술 개발에 역할을 하고 있다.
중국: 세계 최대 수소 생산국으로, 저비용 생산을 기반으로 한 그레이 수소에 중점을 두고 있다.
4.2 한국의 수소 경제 로드맵
한국 정부는 2040년까지 세계 최고의 수소 경제 강국으로 도약하기 위해, 그린 수소 생산 기술 개발과 블루 수소 상용화를 목표로 설정했다.
또한, 수소 차량 및 연료 전지 발전소를 확대하며, 관련 산업 생태계를 구축하고 있다.
결론
그레이 수소는 현재 수소 경제의 주요 자원을 제공하지만, 탄소 배출 문제와 지속 가능성의 부족으로 인해 장기적으로는 한계에 봉착할 수밖에 없다.
블루 및 그린 수소로의 전환은 기후 변화 대응과 에너지 전환의 핵심 요소이며, 이를 위해 기술 개발, 정책적 지원, 국제 협력이 필수적이다.
각국은 수소 생산 및 활용 기술의 혁신을 통해 지속 가능한 에너지 미래를 만들어가야 할 것이다.
