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■ 집필일시：2019년 1월 18일 카테고리：수소, 풍력발전, 태양광발전
[ 수소의 미래를 생각해보다 (제 1부) ]
이번 블로그에서는 중국 수소 산업의 미래에 대해 이야기를 나눠보고 싶습니다. 중국이 현재 국가 전략으로 장려하고 있는 산업이라는 위치의 수소 및 연료 전지산업, 그리고 이 10년 이상 세계의 최고를 달리는 재생 에너지의 도입량, 이 3가지의 거대한 움직임은 어떤 관련상이 있는 걸까요. 또한, 중국이 그리는 장래의 재생 에너지, 수소 경제는 어떠한 모습일까요. 지금까지 해 온 중국 재생 에너지, 수소산업의 조사로부터 얻을 수 있던 정보, 관점으로 문제 에대해 고찰해보기로 했습니다. 제 1부에서는 수소가 주목을 받고 있는 배경, 중국의 수소 제조, 용도, 중국 정부의 의도에 관하여, 제 2부에서는 수소의 저장 및 운송에 관한 수소 서플라이체인의 상황에 대하여 생각을 적어보고 싶습니다.
먼저 큰 그림으로써 설명 드리겠습니다. 원래 재생 에너지・수소경제 추진의 근본적인 동기는 화석연료에 의존에 의한 이산화탄소 등의 온실효과 가스의 배출을 억제하는 것, 또 이것에 의한 지구 온난화의 억제, (중국에서는 특히) 대기오염의 완화를 도모하고 있습니다. 일본의 경우에는 그 외의 이유로서 에너지 안전보장의 관점에서도 수소에 거는 기대가 크며, 이애 대해서는 제 2부에서 설명하도록 하겠습니다.
아래의 그래프는 IRENA가 2018년에 발표한 2010년 〜 2050년의 세계 CO2 배출량의 예측입니다. 녹색선의 정점은 파리 규약에 의한 목표를 달성하기 위해 세계가 지구 온난화에 대해 대책을 실시할 경우의 CO2양, 황색은 현행대책의 유지할 경우의 CO2양입니다.
분야별로 보면 발전, 교통, 산업 섹터에서 배출된 CO2는 특히 많고 발전소와 교통 분야에 관하여 재생 에너지가 화석연료를 대체되어 삭감이 될 여지가 가장 크게 보여집니다. 그리고 삭감 가능한 CO2 배출량의 가운데, 94％가 재생 에너지의 도입에 의해 삭감이 될 수 있다고 봅니다(그림 1).
그림 1. IRENA（2018년）2010년 〜2050년 세계 CO2 배출량의 예측
（출처：IRENA(2018)）
이 통계는 세계적으로 2020년경 CO2 배출량의 정점을 맞고 재생에너지의 세계 에너지 소비량을 차지하는 비중은 현재 18%에서 2050년에는 65％에 달할 필요가 있음을 보여줍니다(그림 2). 또한, 재생 에너지 발전 가운데 풍력 발전과 태양광 발전이 큰 비중을 차지하고 있습니다.
그림 2. IRENA(2018) 2015년 〜 2050년 전소비전략의 재생 에너지 비율 예측
（출처：IRENA(2018)）
어떻게 해야 이 정도로 방대한 양의 재생 에너지를 화석 연료와 대체하여 경제에 안정적으로 공급할 수 있을까요.
재생 가능 에너지의 발전은 화석연료에 의한 발전과 달리, 발전량이 기후 조건이나 시간대에 의해 크게 변동하는 특징이 있습니다. 때문에 에너지 수요지에 가까운 곳에서 발전된 재생에너지는 현지에서 필요한 만큼 안정적으로 발전한다고 할 수 없고, 이대로는 잉여 전력이 생기거나 전력 부족이 생길 우려가 있습니다. 이 문제를 해결하려면 재생 에너지 발전으로 남은 에너지를 저장해 필요한 때에 공급할 수 있는 에너지 캐리어(エネルギー・キャリア: 수소를 효과적으로 저장, 운반하는 장치)가 필요합니다. 이러한 에너지 캐리어로서 종래 활용되고 있는 것이 "전지"입니다. 그러나 전지는 체적당 저장할 수 있는 에너지량이 화석연료 등에 비해 훨씬 작기에, 크기가 대형이 되어 편리함이 떨어집니다. 또 전지는 시간의 경과와 함께 자연 방전하기 때문에 에너지의 장기적 보존을 할 수 없고, 열화가 빠르고, 수명이 짧고, 재사용이 어렵다는 등의 문제도 있습니다. 최근에는 전지도 진화하여 납축전지로부터 현재는 리튬 이온 배터리 등 축전 용량, 수명이 큰폭으로 향상되었지만, 상업 · 공업시설 등 중 · 대형 에너지 수요지에서 MW급의 재에너지 발전을 실시하는 경우에는 역시 충분하다고 할 수 없습니다.
여기서 드디어 "수소"가 등장합니다. 수소는 기체 연료 중에는 체적 에너지 밀도가 가장 크고(그림 3), 배터리와 다르게 자연 방전 등의 에너지 손실이 없기 때문에 대용량의 에너지를 장기 저장할 수 있습니다.
그림 3. 전지와 수소 에너지의 체적 밀도
또, 다른 기체 연료와는 달리 에너지를 꺼내는 과정에서 일절 탄소가 배출되지 않습니다. 이런 특징이 장차 엄청난 양의 재생 에너지를 "전력 그리드"와 "수소 그리드" (그림 4)를 통해서 에너지 수요지에 공급하기 위한 이상적인 에너지 · 캐리어로서 수소가 국제적으로 주목 받는 이유입니다.
그림 4. 분산형 재생에너지는 "전력 그리드"와 "수소 그리드"를 통해 전력 수요 지역으로 옮겨져 소비됨
(출처: Toyota Global Site 공개정보)
이러한 배경 속에 중국은 세계 굴지의 수소 생산 자원을 타고남과 동시에 세계 최대의 재에너지 발전 설비 도입량을 가지는 나라(자세한 내용)이기도 합니다. 그런데 중국은 어떻게 수소를 눈여겨보고, 어떻게 수소를 활용해 나갈 생각일까요. 서론이 길어졌습니다만 여기에서는 중국의 수소 제조 실태에 대해 살펴보겠습니다.
중국 표준화 연구원(中国標準化研究院)과 전국 수소 에너지 표준화 기술 위원회(全国水素エネルギー標準化技術委員会)가 "중국 수소 에너지 산업 기초 시설 발전 블루 북(中国水素エネルギー産業基礎施設発展ブルーブック)"에 발표한 데이터에 따르면 2016년 중국 수소 생산량은 2100만톤에 달합니다(그림 5). 상세하게 보면, 석탄 가스화가 1위로 1302만톤, 이어 천연 가스의 수소 전환화가 399만톤, 수전해가 21만톤, 기타 378만톤입니다. IRENA에 따르면 2016년 세계의 수소 제조는 천연 가스에서 유래가 가장 많고(48%), 다음으로 석유(30%), 석탄(18%)이므로 석탄 생산 대국인 중국의 실태를 알 수 있지요. 또한 다른 포스트에서 수소 기술 제조에 대해 다룬 적이 있으니 각 수소 제조 기술 소개를 참고 바랍니다.
이렇게 생산된 수소는 화학공업(암모니아, 폴리마, 레진 등), 석유정제(수소 크래킹, 수소 처리), 철강(환원(Reduction), 블랭킷(Blanketing) 등)을 주로 소비되고 있습니다. 석탄 가스화나 천연가스 전화에 의해 생성된 수소 가스는 그대로로는 순도가 낮고, 일산화탄소, 이산화탄소, 유황 성분등의 불순물이 섞여 있기 때문에, PSA라고 불리는 (촉매를 사용해 혼합물로부터 수소만을 꺼내 순도를 올리는 방법) 처리가 필요하게 됩니다. 그러나 연료 전지차나 정치형(定置型) 연료 전지에 사용되는 연료 전지(특히 PEMFC)는 일산화탄소, 유황 등에 지극히 민감하고, 적은 양으로 쉽게 부식 열화를 일으키므로 이러한 방법으로 제조된 수소는 이상적이지 않습니다. 또, 수소 가스의 제조 단계에서 다량의 탄소가 발생해 버리는 것도 우려 사항입니다. 이 과정에서 발생하는 이산화탄소는 CCS라고 하는 기술에 의해 혼합 가스 중에서 회수되고, 압축해 액체 상태가 된 후, 땅 속 깊은 암반층에 저장됩니다.
현재 중국에은 연료 전지용에는 통상 공업 부산 가스(유황이 포함되지 않은 공장의 것)를 PSA법에 의한 고순도 처리한 수소가 사용되는 경향이 있습니다. 또 중국은 세계 최대 기풍, 기광, 기수 (상세한 내용 참고)의 나라이기dp, 이러한 재생에너지 잉여 전력을 활용한 수전해수소가 장래의 연료 전지의 주요한 수소원이 될 것으로 기대하고 있습니다.
그림 5. 2016년 중국의 분야별 수소 생산량(만톤)
(출처: 중국 수소 에너지 산업 기초 시설 발전 블루 북(2018년)을 참고하여 저희 회사가 작성)
이처럼, 제조된 수소는 수요 측의 순도 요구에 따라 사용이 나뉘며, 미래에는 다른 수소 조달원마다 소비 용도가 구분될 것으로 예상됩니다(그림 6).
그림 6. 다른 수소 조달원 제조방법마다 소비 용도가 다름
(출처: 중국 수소 에너지 산업 기초 시설 발전 블루 북(2018년))
또 중국 수소 에너지 산업 기초 시설 발전 블루 북에 따르면 2017년 중국의 석탄 가스화로 인한 잠재적 생산 능력은 24.38억톤/년, 천연 가스 수소 전화(転化)는 5.01억톤/년, 공업 부산 가스에서 유래한 수소가 67.3만톤/년(이 가운데 코크스로가 56.64만톤/년, 프로판 탈수소가 2.25만톤/년, 가성소다에서 온 부산 가스가 8.41만톤/년)이라 발표하였습니다.
또한 기수, 기풍, 기광 재생 에너지에서 온 수전해 수소에 대해서는 현재 기수, 기풍, 기광량을 산출할 수 있는 이론적인 제조량은 179.82만톤/년까지 달한다고 발표(그림 7)하였습니다. 만약 이 20%인 36만톤이 수소 연료 전지 차에 소비된다고 가정하면 연간 약 15만대의 연료 전지 상용 차량의 수요를 감당할 수 있게 됩니다(1대당 평균 수소 6.5Kg/일 소비한다고 가정). 중국 정부는 2030년까지 수소 연료 전지 차량을 100만대 보급하는 것을 목표로 삼고 있지만 앞으로도 재생 에너지 발전 설비의 도입은 아직도 늘어날 것을 감안하면 이러한 재생에너지에서 온 수소만 해도 상당수의 연료 전지 차량에 대해서 수소를 공급할 수 있습니다.
이와 같이 풍족한 재생에너지 자원을 가진다는 관점에서도 중국 정부가 수소에 굉장히 관심을 갖는 이유를 알 수 있습니다. 2019년 허베이성 장베이시 구위안(河北省張北市沽源)에 세계 최대인 10MW풍력 발전용 전기 분해 수소 제조 실증 프로젝트가 스타트할 예정이며, 저희 인테그럴은 2018년에 실증 시험장을 시찰했으며, 설비 등의 자세한 내용은 조사 보고서를 참고하시길 바랍니다. 이 프로젝트에서는 연간 약 1500톤의 수소가 생산되고, 장자커우(張家口) 겨울 올림픽을 앞두고 개발이 진행되고 있으며 장자커우 재생 가능 에너지 모델 지구와 장자커우 시내의 수소 충전소에 공급될 예정입니다.
그림 7. 2017년 중국의 수소제조 자재능력(석탄, 천연가스 유래를 제외함)
(출처: 중국 수소 에너지 산업 기초 시설 발전 블루 북(2018년)을 참고하여 인테그럴이 그림 작성)
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