부생수소

부생수소(副生水素, by-product hydrogen)는 납사의 개질이나 분해, 제철 등의 공정에서 발생하는 부산물 중에 수소가 많이 포함되어 있는 혼합가스를 압력순환 흡착공정(PSA: Pressure-Swing Adsorption) 등으로 정제해 순도를 높여 생산하는 수소를 말한다. 현재까지는 국내에서 가장 경제적인 수소 제조방법이다. 수소생산 방식별 생산단가를 보면 2018년 기준 부생수소가 kg당 2,000원 미만으로 가장 저렴하다. 천연가스 추출방식은 2,700~5,100원, 수전해 방식은 9,000~1만원 수준이다.

정유산업은 납사 개질 공정에서 국내에서 생산되는 75%의 수소가 생산되지만 정유공장 내부에서 수소첨가 탈황 공정이나 수소첨가 분해공정 등에 직접 사용하고, 정유공장 외부로의 공급은 사실상 없다. 오히려 자체 소비량이 모자라 석유화학업체에서 추가로 구매하는 상황이다.

석유화학산업은 납사에서 에틸렌과 프로필렌을 생산하는 납사 분해공정이나 염소와 가성소다를 생산하는 클로르-알칼리 공정에서 수소가 부산물로 발생한다. 부생수소 공급 여력이 가장 많은 산업으로 꼽힌다.

제철산업은 철광석 환원 시 사용하는 코크스를 생산하는 과정에서 다량의 수소를 포함하고 있는 COG(코크 오븐 가스)가 발생하는데 대부분 연료로 자체 소비하고 있다.

개요

부생수소는 석유화학이나 철강 공정 등에서 부수적으로 나오는 수소로, 나프타를 분해해 에틸렌·프로필렌 등 석유화학제품의 기초 원료로 만드는 과정에서 발생한다. 즉, 수소를 일부러 만들어 내는 것이 아니라 석유화학 공정 등에서 발생하는 것으로, '튜브 트레일러'라고 부르는 수소 전용 화물차로 운반해 수소 탱크에 보관하게 된다.

순수한 수소를 얻기 위해서는 보통 세 가지 방법이 사용되는데, ① 석유화학 공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 나오거나(부생수소) ② 천연가스를 고온·고압에서 분해하거나(개질수소) ③ 물(H2O)을 전기분해(수전해)하는 방법이 이에 해당한다. 현재 전 세계에서는 개질수소 생산법이 가장 높은 비율을 차지하고 있는데, ▷수전해의 경우 가장 친환경적이지만 생산 비용이 높고 ▷부생수소는 저렴하지만 생산량이 제한돼 있다는 단점이 있기 때문이다. 다만 석유화학 공업이 발달한 우리나라의 경우 부생수소가 약 90%로 높은 비율을 차지하고 있다. 부생수소는 생산량에 한계가 있으나, 수소 생산을 위한 추가설비 투자비용 등이 없어 경제성이 높다는 장점이 있다.

한편, 2020년 7월 28일 우리나라의 충남 서산시 대산석유화학단지에 부생수소를 연료로 사용하는 세계 최초의 상업용 수소연료전지 발전소가 가동을 시작했다. 대산 수소연료전지발전소는 지난 2018년부터 2,550억 원을 들여 한화토탈 내 2만㎡ 부지에 건립됐으며, 설치된 연료전지 114대를 통해 연간 16만 가구가 사용할 수 있는 규모의 40만MWh의 전력을 생산하게 된다.

특징

수소 산업에서 자주 거론되는 부생수소는 석유화학 공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 나오는 수소다. 부산물을 활용한다는 점에서 생산량에 한계가 있으나, 수소 생산을 위한 추가 설비나 투자 비용 등이 적어 경제성이 높다는 장점이 있다. 부생 수소도 열분해 과정에서 적지 않은 양의 온실가스가 배출된다. 이덕환 서강대 명예교수(화학)는 "저탄소·탈탄소의 대안이라는 수소에 대한 열기가 지나칠 정도로 뜨거운데, 수소 생산 기술을 고려할 때 수소의 친환경성은 보장된 것이 아니다"라고 말한다.

부생수소 현황

국내는 현재 울산, 여수, 대산 등 석유화학단지를 중심으로 부생수소를 생산 중이다. 2017년 국내 수소생산능력은 연간 192만 톤(울산 50%, 여수 34%, 대산 11%, 기타 5%) 정도로, 실제 생산량은 약 164만 톤(정유공장, 석유화학업체 등 자체 소비 141만 톤 + 외부 활용 23만 톤)이다. 주요 수소생산 업체는 덕양, SPG, 에어리퀴드, SDG, 에어리퀴드, 린데 등이 있다.

외부 활용 물량은 제강산업(철강 압연 시 표면처리, 비철금속 환원용 가스, 스테인리스 냉연 가공 시 표면처리)이나 반도체(실리콘 반도체, 디스플레이, 실리콘웨이퍼 제조 공정에 사용), 용접·절단, 광섬유, 유리제조, 식품산업 등에서 사용되며, 덕양이 약 50%를 유통하고 SPG, 에어리퀴드가 그 뒤를 잇고 있다.

부생수소의 판매가격은 보통 2~600만원/톤이며, 이러한 가격의 차이는 일차적으로 운송비에 기인한다. 파이프라인을 통해 부생 수소를 판매할 경우에는 톤당 200만원이며, 튜브 트레일러와 같이 차량으로 공급할 경우에는 톤당 600만원으로 단가가 올라가게 된다. 현재 국내의 수소 운송은 파이프라인 운송이 88%, 튜브 트레일러 운송이 12%의 비중을 점하고 있다. 국내의 울산, 여수, 대산, 반월·시화 공업단지 등에 설치된 수소 배관의 총길이는 약 200㎞ 정도이며, 튜브 트레일러는 약 500대 정도가 운용되고 있다. 울산·여수·대산 등 석유화학단지 내에서 산업체 사용(외부 활용) 수소(23만 톤)의 93% 정도(약 21만 톤)를 공급한다.

외부 유통물량 중 7% 정도(약 1만7,000톤)가 총 500여 대의 튜브트레일러를 통해 공급된다. 수소경제가 추진되면서 외부 유통물량 중 일부가 수소충전소에 공급되고 있다. 현재 전국에서 운영 중인 수소충전소는 총 32기로, 이 중 덕양이 가장 많은 충전소에 수소를 공급하고 있는 것으로 알려졌다.

국내 여유 생산 능력은 연간 약 5만 톤으로, 이는 수소전기차 약 25만 대에 필요한 양이다. 석유화학 공정의 가동률과 연계되는 부생수소의 특성을 고려했을 때 부생수소의 생산량은 큰 변동이 없을 것으로 예상된다. 장기적으로는 외부 유통량 중 일부를 수소경제 분야로 전용해서 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

일본의 경우에 후지경제에서 지난 2015년에 발간한 보고서에 따르면 연간 부생 수소 발생량을 2만8천톤 정도로 추정하고 있으며, 우리나라의 산업 규모와 일본의 산업 규모를 비교할 때, 우리나라의 부생 수소 양이 일본보다는 많지 않을 것으로 추정할 수 있다.

특이하게 일본의 수소에너지 로드맵에서 부생 수소가 차지하는 비중은 크지 않은데, 이는 일본이 호주와 같은 해외로부터 수소를 생산하여 일본으로 해양 운송하는 대형 프로젝트를 고려하고 있기 때문이다. 일본은 이와 같은 방식으로 일본 내에 수소 연료전지 발전소와 수소 연료전지차를 보급하여 이산화탄소 발생량을 획기적으로 저감하고자 하는 계획을 추진 중이다.

미국은 연간 약 9백만톤의 수소를 생산하며, 이 중 부생수소의 비중은 약 5%인 45만톤 정도이다. 캐나다는 연간 약 3백만톤의 수소를 생산하며, 미국과 동일하게 계산하면 약 15만톤의 부생 수소가 존재할 것으로 추정된다.

부생수소 활용사례

이수화학의 부생수소 활용을 통한 온실가스 감축

이수화학㈜온산공장은 부생수소를 활용하여 2017년부터 2019년까지 연간 26,000톤의 온실가스를 감축하였으며, 이를 환경부로부터 인정받아 배출권거래제 제3차 계획기간 동안 총 13만톤 CO2-eq(이산화탄소 상당량톤) 규모의 온실가스 배출권을 인정받았다. 이를 최근(5월말) 온실가스 배출권 거래가격인 톤당 17,000~18,000원으로 추산하면 약 22~23억원 수준이며, 향후 배출권 가격 상승 시 추가적인 경제적 부가가치를 얻을 수 있다.

대산 수소연료전지 발전소

2020년 7월 28일, 충남 서산시 대산산업단지에 '부생수소 연료전지 발전소' 준공식이 열렸다. 특히 금번에 준공된 대산 수소연료전지 발전소는 부생수소를 에너지원으로 활용한 세계 최초의 상업용 발전소로, LNG에서 추출한 수소를 사용하던 기존의 연료전지 발전소와 달리 인근 석유화학 공장의 공정에서 부산물로 발생하여 공정에서 태워지거나(혼소) 버려지던 부생수소를 직접 투입함으로써, 추가적인 온실가스 배출이 없는 친환경 발전소이다.

아울러, 대산 수소연료전지 발전소는 발전기에 장착된 미세 필터를 통해 공기중의 초미세먼지까지 정화하여 성인 약 35만명이 숨쉴 수 있는 깨끗한 공기를 발전소 인근지역에 공급하고, 16만 가구가 사용할 수 있는 연간 40만MWh 전력을 안정적으로 생산하여 근처의 전기 수요지에 공급하게 되므로, 전기생산지와 수요지를 인접시키는 분산형 전원의 취지에 부합하는 발전소이다. (자료: 국무조정실 보도자료)

당진 부생수소 출하센터

2021년 4월 26일, 산업통상자원부와 충청남도, 당진시는 이날 '당진 수소차용 수소 공급 출하 센터(하이넷) 준공식'을 열고, '부생수소 출하 센터'가 준공되면서 이달부터 현재 가격보다 최소 20% 이상 싼 수소를 충전소에 공급할 수 있게 됐다고 밝혔다. 행사에는 현대제철, 현대글로비스, 수소융합얼라이언스 등 업계와 유관기관 관계자들이 참석했다. 이 센터는 수소 생산 공장(현대제철)에서 만들어진 수소를 저장하고 다시 수소튜브트레일러에 고압(200bar)으로 옮겨 싣는 역할을 담당한다. 연간 최대 2000t의 수소를 서울, 경기, 충남 전역과 충북, 전북 일부 지역에 공급할 예정이다. 이는 수소 승용차 1만3000대가 사용할 수 있는 양이다.

센터 운영은 하이넷이 맡고 운송과 유통 자문은 각각 현대글로비스, SPG수소 등에서 담당하기로 했다. 개별 기업들이 보유한 전문성을 기반으로 수소 생산부터 유통, 공급에 이르는 새 유통망이 구축되는 것이다.

참고자료

• 〈부생수소〉, 《시사상식사전》
• 이종수 기자, 〈부생수소에 주목한다 ① 수소경제 포문 연 ‘부생수소’〉, 《월간수소경제》, 2020-07-02
• 홍대선 기자, 〈수소경제는 친환경?…문제는 수소 생산방식이다〉, 《한겨레》, 2021-04-12
• 박진남 경일대학교 교수, 〈(기고) 부생 수소 현황과 활용〉, 《가스신문》, 2016-05-18
• 김한결 기자, 〈(기고) 부생수소의 활용사례〉, 《이미디어》,  2021-06-02

같이 보기

• 그린수소
• 그레이수소
• 블루수소
• 브레인수소
• 개질수소
• 수소연료
• 수소경제

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