만들기도, 저장하기도 어려운데…왜 기업들은 수소에 주목할까

만들기도 어렵고, 저장하기도, 수송하기도 어렵습니다. 수소 얘기입니다. 수많은 난제에도 불구하고 수소는 석탄 에너지를 대체할 미래 자원으로 평가받고 있습니다.
수소는 어떤 방식으로 에너지로 활용되고, 우리 삶을 어떻게 바꿀까요. 김태호 유비쿼스인베스트먼트 팀장이 한경 긱스(Geeks)를 통해 수소경제의 기회와 도전에 대해 설명합니다.

원소기호 1번 수소(Hydrogen)의 이름은 그리스어로 물을 뜻하는 ‘hydro’와 생긴다는 의미의 ‘genes’에서 유래됐습니다. 1783년 물을 수소와 산소로 분해하는 데 성공한 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에가 ‘물을 만들어내는 신비한 원소’라는 의미로 붙인 이름이죠. 수소는 폭탄을 만들 수 있을 정도로 고에너지 원이면서, 우주의 75%를 차지할 정도로 풍부한 자원입니다. 무엇보다 친환경적입니다. 전 세계가 여러 산업에 이 수소를 에너지원으로 활용하기 위해 노력하는 이유죠.

수소를 에너지원으로 활용하는 것은 쉽지만은 않습니다. 풍부한 자원이지만 수소는 자연 상태에서 혼자 순수하게 존재하는 경우가 거의 없습니다. 물을 전기분해 하거나 다른 에너지원을 투입해야만 순수한 수소를 얻을 수 있습니다. 산업에 활용될 정도로 다량의 수소를 뽑아내는 일은 그만큼 많은 자원과 시설이 필요합니다. 결국 수소 경제의 핵심은 수소를 생산하고, 이를 안전하게 운송하는 ‘인프라’로 귀결됩니다.

수소경제의 밸류체인은?

누구나 지구온난화로 인한 기후 위기에 대해서는 잘 알고 있습니다. 지구의 평균기온이 1.5도 상승하면 인류의 생존을 위협받을 수 있기 때문이죠. 이 지구 온도 상승에 가장 큰 영향을 미치는 변수가 탄소배출입니다. 현재 우리가 사용하는 탄소 중심의 에너지 패러다임이 근본적으로 변해야 하는 이유죠. 그 대안 중 가장 합리적인 방안이 ‘수소’입니다.

현재 수소 산업의 밸류체인은 크게 생산, 저장, 운송, 충전, 사용의 다섯 단계로 분류합니다. 올해 2월 시행된 수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률 제2조에서도
‘수소 산업’은 수소의 생산·저장·운송·충전·판매 및 연료전지와 이에 사용되는 제품·부품·소재 및 장비의 제조 등 수소와 관련한 산업으로 일컫고 있습니다. 밸류체인에서 알 수 있듯이 수소 산업이 자리를 잡기 위해서는 생산, 저장, 운송이 먼저 해결돼야 합니다.

수소를 만드는 세 가지 비법

수소를 만드는 방법은 크게 세 가지로 분류할 수 있습니다. 천연가스를 분해하는 ‘개질(추출)수소’, 공장의 폐가스를 활용하는 ‘부생수소’, 물을 분해해서 얻는 ‘수전해 수소’ 방식입니다. 현재는 천연가스를 물과 반응시켜 얻는 개질수소 방식이 많이 사용됩니다. 단가가 비교적 저렴하고 대량생산이 가능합니다.

하지만 개질수소는 치명적인 단점이 있습니다. 생산과정에서 이산화탄소가 발생한다는 점이죠. 수소 1kg 생산을 위해서는 이산화탄소가 5~10kg이 발생합니다. “이게 어떻게 친환경적이냐”는 이야기가 나오는 이유죠. 그래서 이렇게 생산된 수소를 ‘그레이수소(Grey hydrogen)’라 부릅니다. 그레이수소는 환경 관련 문제도 있지만 천연가스와 같은 기존 자원에 의존해야 하는 것도 단점입니다. 러시아-우크라이나 사태와 같이 천연가스 수급에 차질이 생기면 단가가 크게 상승할 수밖에 없습니다.

그래서 여러 가지 기술들이 개발 중입니다. 대표적인 기술이 탄소포집저장 활용(CCUS) 기술입니다. 그레이수소를 생산하면서 나오는 이산화탄소를 포집하고 저장해 재활용하는 방식이죠. 이처럼 CCUS를 활용하면서 생산되는 수소는 ‘블루수소’라 부릅니다. 현재 CCUS 기술은 빠르게 성장하고 있습니다. 글로벌 시장조사기관인 인더스크리아크에 따르면 2026년 글로벌 CCUS 시장 규모만 253억 달러(한화 약 28조원)로 추정되고 있습니다.

완벽하게 친환경적인 방법으로 수소를 생산할 방법은 없을까요? 물에서 수소를 분리하는 ‘수전해’ 방식이 100% 친환경 수소 생산방식입니다. 물에서 수소를 분리하려면 ‘전기’가 필요합니다. 여기서 전기를 태양광, 풍력 등 친환경 에너지원으로 생산된 전기를 활용한다면? 어디에서도 이산화탄소 발생 없는 친환경 수소를 얻을 수 있습니다. 그래서 이런 수소를 ‘그린수소’라 부릅니다. 문제는 효율이죠. 많은 전기를 투입해야 해서 경제적 효익이 떨어집니다. 또 친환경 전기를 그대로 사용해도 되는데, 굳이 수소를 뽑는데 써야 하냐는 비판의 목소리도 있습니다.

만들면 뭐 하나 … ‘운송 인프라’도 큰 걸림돌

수소를 만들기도 어렵지만 수소를 저장하고 운송하는 것도 쉽지 않습니다. 수소는 정말 흔한 원소이지만 가연성이 높고, 폭발의 위험이 매우 큽니다. 그런데 일상생활에서는 수소를 볼 수 없습니다. 일반적인 온도(상온)와 압력(상압)에서는 기체로 존재하기 때문이죠. 그만큼 에너지 밀도가 높으면서 부피가 큽니다.

일단 수소를 지금 당장 모아서 저장하려면 기체 상태로 용기에 담아야 합니다. 부피를 줄이려면 상당한 압력이 필요합니다. 현재 수소저장용기가 고압 상태를 유지하는 이유입니다. 기체의 부피를 줄이기 위해서는 액체로 만드는 것도 하나의 방법입니다. 액화된 수소는 대기압 수준에서 저장할 수 있어서 저장 용기의 안전성 부분에서 기체 수소보다 안전합니다. 그런데 수소가 액체가 되려면 영하 253℃라는 극저온 상태를 유지해야 합니다.

기체 수소는 고압, 액체수소는 초저온의 걸림돌이 있다 보니 수소를 화합물 형태로 변환해서 저장 및 운송하는 방법도 주목받고 있습니다. 생산지에서 추출한 수소를 화합물로 변환해 저장하고 운송한 뒤 사용처에서 다시 수소를 뽑아내는 방식입니다. 대표적으로 거론되는 화합물이 암모니아(NH3)입니다. 질소(N)와 수소(H)로 이뤄진 화합물이죠. 생산지에서 만들어진 수소를 질소와 반응시키는 공정을 통해 암모니아를 만들어내고 운송 뒤 다시 수소와 질소를 분해하는 과정을 거칩니다. 암모니아 외에도 개미가 뿜어내는 개미산(포름산)이나 액상 유기화합물 등 다양한 물질들이 수소 운반체로 연구되고 있습니다.

수소를 위한 스타트업과 대기업의 협업

어렵긴 하지만 많은 기업이 현재 수소 산업의 정착을 위해 노력하고 있습니다. 국내에서는 대기업들이 특히 빠르게 움직입니다. 삼성엔지니어링, 롯데케미칼은 블루수소를 위한 CCUS 기술 개발에 한창이고, SK E&S도 최근 수전해 설비를 공개했습니다. 현대건설은 하루 1톤 이상의 수소생산 및 운송이 가능한 수전해 기반 수소생산기지 구축사업을 진행할 예정입니다.

걸림돌마다 이를 해결할 수 있는 기술과 스타트업의 신사업도 지속해서 등장하고 있습니다. 그리고 이들 스타트업이 대기업과 활발하게 협업하고 있습니다. 현대엔지니어링은 울산 스타트업 GT, AAR과 협업해 암모니아 기반 수소 생산 기술, 이산화탄소 포집 등의 기술을 개발하고 있습니다. 두산은 해외 스타트업과 협을 진행 중입니다. 최근 미국 수전해 시스템 스타트업인 베르소겐에 투자해 관련 기술 확보에 나섰다는 소식이 전해졌죠. 국내 스타트업인 하이리움산업의 경우 액체수소 저장 용기 및 액체수소 충전소 시스템을 개발하고 있습니다. 국내 주요 대학과 대기업, 여러 중소기업과 연합해 현재 액체수소 기반 수소스테이션 구축을 준비 중입니다.

거대한 에너지 패러다임의 전환은 국내뿐 아니라 전 세계가 함께 풀어가고 있는 숙제입니다. 2015년 파리협정에서 제시된 약속을 지키기 위해서 수소시대로의 전환은 필수적인 과정이죠. 수소 인프라가 구축되고 조금씩 우리 생활에 수소가 스며들기 시작하면 참 많은 변화가 일어날 수 있습니다. 철강, 시멘트, 석유화학 등 대규모 산업에서 수소를 에너지원으로 사용하면 환경 오염 없는 청정산업으로 변할 수 있습니다. 자동차는 물론 우주로 향하는 길도 보다 빠르게 열릴 수 있습니다.

김태호 | 유비쿼스인베스트먼트 투자본부 팀장
신기술사업금융전문회사인 유비쿼스인베스트먼트에서 스타트업 투자를 담당하고 있습니다. 다양한 산업 영역에서 일어나는 혁신을 관찰하고, 이를 주도하는 스타트업을 발굴해 성장 마중물을 공급합니다. 그래서 매일 스타트업을 만나 혁신적인 트렌드에 대해 이야기 나누는 일이 즐겁습니다. 한국경제신문에서는 벤처캐피털의 투자와 스타트업의 성장 스토리에 대한 기사를 썼습니다. 여러 경험에서 쌓은 넓고 얕은 지식이지만 스타트업 성장에 조금이나마 도움을 주기위해 매일 노력하고 있습니다.