- 독일 그린 수소 생산 설비 투자 증가 -

- 독일 기업 및 연구소와의 수소경제 관련 R&D 협업도 기대 -

독일은 수소경제 선도 및 수소 설비 수출국으로 도약을 준비하고 있다. 특히 친환경 전력으로 수소를 생산하는 녹색 수소를 통해 미래 수소경제에서의 선도적 지위를 확보하기 위해 노력 중이다. 수소경제 인프라 확장 및 설비 투자 증가로 인해 전력망 확장을 위한 고압 전선, ESS, P2X 장치 등 독일 수소경제 관련 품목의 수요 증가가 예상되며, 독일 기업과의 기술 협업, 학계의 R&D 협력도 확대될 전망이다.

석유를 사는 오늘, 수소를 구매하는 미래

19세기에 석탄, 20세기에 석유 생산과 개발에 투자가 몰렸다면 2021년 수소경제에 투자가 집중되고 있다. 기후 변화에 대한 해결책으로 이산화탄소의 발생량을 줄이는 정책이 강화되고 있고, 이를 충족하는 에너지원으로 수소가 주목받기 때문이다. 수소는 이미 제조업에서 필수적으로 사용하던 첨가물이었으나 이제는 자동차 연료, 발전소 연료로 사용하는 시대에 이르렀다. 석유의 자리를 수소가 빠르게 대체할 기세다. 에너지기술연구소(KIER)에 따르면 열역학적 열량 기준으로 수소는 약 33kWh/kg을 생산할 수 있어서 약 10~13kWh/kg의 도시가스보다 효율적이다.

수소를 원료로 움직이는 자동차와 전기를 생산하는 발전소를 준비하는 독일의 수소 전략은 결과적으로 수소의 생산과 수소의 수입에 맞춰져 있다. 유일한 조건은 이산화탄소 발생을 최소화하여 기후 변화 및 환경 문제 이슈에서 자유로운 방법이어야 한다는 점이다. 이를 위해 독일 정부, EU는 신기술을 찾아 투자하고 있다, 이로 인해 독일에서도 수소 설비를 더 빠르게 구축하기 위한 경쟁이 치열하다. 부분적으로 수소경제가 시작됐지만 독일 전역은 아직 많은 설비 투자가 필요하다.

독일, 부족한 수소를 수입으로 대체

수소경제에서의 수소 수요와 공급은 수소를 전력 생산의 원료로 사용하는 것을 전제한다. 이전에도 수소는 화학산업에서 필수 원자재로 필요했고 이를 위해 회색 수소 등이 생산되었으나 부족한 수소를 충당하기 위해 많은 양을 수입해왔다. 즉, 수소를 전력 생산의 원료로 활용할 정도의 여력은 없는 상황이다. 독일 환경연구소의 발표에 따르면, 2020년 독일 화학산업에서 암모니아 생산과정에 20.2TWh, 메탄올 생산을 위해 12.6TWh, 정제과정에서의 탈황 작업을 위해서 21.1TWh의 수소 수요가 있었다. 2020년 독일 수소 생산량은 약 57 TWh로 화학산업 이외의 차량용, 난방용 수소를 위해 약 670만 유로 상당의 수소를 수입해 이용했다. 독일 그린피스가 2020년 12월에 발표한 보고서에 따르면, 독일은 청색 수소의 수입을 통해 산업 수요를 충당한다고 하고, 독일 경제연구소(IW) 전망에 따르면, 2030년 수소 수요는 334TWh에 이를 것이라고 한다.

2020년 독일의 수소(HS코드 280410) 수입량 및 수입액 분석

(단위: 만m3/ 백만 유로)

자료: GTA(2021.04.)

탄소 포집(CCS) 관련 수요 증가와 포집 된 탄소의 지하 저장 금지법

수소를 생산할 때 이산화탄소가 배출되지 않는 방식을 이용한 경우 생산된 수소를 그린 수소, 녹색 수소라고 칭한다. 탄소가 배출되지만, 공기 중에 방출되지 않아 기후 변화에 악영향을 주지 않는다고 판단되는 경우를 블루 수소, 청색 수소라 한다. 탄소가 배출되는 경우는 그레이 수소, 회색 수소라고 한다. 독일 정부는 2020년 ‘국가 수소 전략(National hydrogen strategy)’을 통해 2030년까지 녹색 수소 생산 목표를 5GW로 설정하고 90억 유로를 투자할 계획이다.

유럽 경제연구소인 Prognos에 따르면, 2020년 독일의 수소 생산량에서 녹색 수소를 생산하는 수전해 방식은 5%에도 미치지 않았다. 그 이외의 비수전해 방식으로 생산된 수소가 전체 생산량에서 차지하는 비율은 전체 57TWh 중에서 약 95%로 압도적이다. 2020년 국가 수소 전략에 맞추기 위해서는 회색 수소 생산시설에 탄소포집 장치를 설치하여 회색 수소를 청색 수소화해야 한다. 그러나 독일은 ‘포집된 탄소의 지하 저장 운영법(CCS-Gesetz 2012)’을 통해 2016년 이후 독일 전역에 400만t의 저장시설을 운영할 수는 있지만, 그 이외의 기본적으로 지하 시설을 통한 반영구 보관을 금지했다. 누출 사고의 경우 안전성 우려 때문이었다.

2020년 독일의 수소 생산량 및 생산방식 분석

(단위: TWh)

자료: Prognos(2020.05)

이에 따라 독일에서는 탄소 포집 기술, 탄소 저장 기술 및 탄소 저장시설에 필수 법적 요건인 모니터링 기술에 대한 연구가 주목받지 못했다. 포집된 탄소의 처리가 독일에서 어려워 보인 까닭이다. 헬름홀츠 지질연구소(Geo-Forschungsinstitut)의 휘틀(Huettl) 연구원은 해저 저장시설을 준비하는 노르웨이와 본인이 실험한 독일 지하 저장 연구를 예로 들며 독일의 지하 저장 금지가 잘못된 정책이었다고 비판했다. 동시에 독일의 과도기 정책으로 CCS 기술 적용과 탄소 저장 시설 활용이 도입될 가능성이 높다는 전망을 했다.

녹색 수소의 생산을 위한 전력망 확대와 MANA(중앙아시아 및 북아프리카) 지역 수소 수입 전략

독일의 수소 생산은 개질 방식과 전기 분해 방식으로 나뉜다. 개질은 성질을 바꾸거나 개선한다는 의미로 대표적으로 석유의 정제 처리 과정에서 부산물로 수소를 얻는 방식이다. 이는 회색 수소와 청색 수소 모두에 사용될 수 있다. 전기분해 방식은 물을 분해해서 수소를 얻는 방법으로 이때 사용하는 전기가 친환경 전기일 경우 녹색 수소라 부르게 된다. 독일은 녹색 수소를 통해 수소경제 주도권을 쥐려고 하고 있다. 그러나 녹색 수소 생산을 위한 전력은 친환경 전력을 사용하기 때문에 전력 생산 단가가 높은 편이다. GECC에 따르면, 2020년 녹색 수소의 kg당 생산 단가는 회색 수소의 2.8배, 청색 수소 2.6배에 달한다. 연방 경제 에너지부에 따르면, 녹색 수소를 생산하는 데 사용하는 재생 전력은 풍력과 태양열 발전이 우선 추진 대상이고 그 다음으로 바이오매스(Biomass)가 차지하고 있다.

2020년 독일의 수소 생산단가 분석

(단위: 유로)

자료: GECC(2021.04.)

녹색 수소를 생산하기 위해서는 친환경 전력이 확보되어야 하는데, 독일의 전력망은 친환경 전력망을 따로 구분하고 있지 않다. 화석연료에 의해 생산된 전력과 풍력 및 태양광 발전에 따라 발전된 전력을 같은 송·전압선을 통해 운반하고 있다. 이 경우 친환경 전력이 운반 전력의 50%가 넘으면 해당 전력은 친환경 전력인 것으로 정의한다. 따라서 친환경 전력의 확보를 통한 녹색 수소의 생산 증가를 위해 북유럽의 수력발전을 통해 생산된 친환경 전력을 수입하고 있다.이를 위해 전력망 확장 사업이 지속해서 진행될 것으로 보인다. 실제로 2020년 223만 유로 규모의 한국산 고압 전선(HS코드 854460)이 독일에 수입되었고, 수입 물량 기준으로 전년 대비 10% 증가했으며, 그 외 변압기 등 전력망 관련 부품도 증가 추세이다. 독일은 친환경 전력 수급 문제의 해결에 따라 녹색 수소 생산 증가도 점진적으로 가능할 것으로 보고 시범 시설을 운영하고 있다.  2020년 6월 독일 북동부 멕클렌부르크-포어폼머른(Mecklenburg-Vorpommern) 라게(Laage) 지역에 아펙스(Apex) 기업의 녹색 수소 발전소가 시범 가동을 시작했다. 유럽 최대 규모로 2023년 본격 상업 가동을 하면, 연 300t의 녹색 수소를 생산할 수 있다고 한다.

독일의 Apex사의 녹색수소 발전소

자료: apex-group.de(2021.4.)

독일은 녹색 수소의 생산을 바로 늘리기 어려운 문제를 타결하기 위해 수소 수입을 준비하고 있다. 수소경제가 활성화되어 산업전력의 생산과 운송수단의 연료가 석유나 천연가스 같은 화석연료가 아닌 수소로 대체될 경우 수소 수요는 더 늘어날 것이기 때문이다. 우선적으로 주목하는 지역은 MANA 지역으로 이는 이란 터키 등 중앙아시아와 알제리 등 북아프리카 지역을 의미한다. 해당 지역에서 수소를 생산하여 유럽으로 가져오는 방법이다. 최근에 연방 경제에너지부는 호주와 사우디아라비아에서 수소를 수입하기 위한 MOU 체결을 발표했다. 이 경우 주목받는 기술 및 장비 품목이 수소 운송과 보관 분야이다.

액화수소와 액상수소, 그리고 파이프라인과 해상수송선 개발

독일의 수소 저장과 운반 전략은 크게 기체형태 수소 운반, 액체형태의 수소 운반으로 나뉜다. 기체 형태의 수소 운반은 수소를 압축해서 강화 탄소섬유 용기(ESS)*에 담아 운반하는 방식이다. 또한 2020년 12월 EU 에너지 장관 이사회는 기존 가스 수송관을 수소 운반에 전용할 방안을 논의했고 장거리 가스운송 연합(FNB Gas)은 최대 75%의 전용 가능성을 시사했다.

  * 한국산 ESS 저장장치(HS Code 850440)는 2020년 800만 유로 상당의 수출 성과와 더불어 전년 대비 136%에 이르는 증가세를 시현했다. 

기체 수소 수송관 예상도

자료: fnb-gas.de(2021.04.)

액체 형태의 수소 운반은 액체 수소와 액상 수소로 나뉜다. 액체수소(LH2)는 순수한 수소가 영하 253°C 이하에서 액화하는 성질을 이용하여 액체 형태로 운반하는 것이다. 이와 달리 액상 수소(LOHC) 방식은 수소를 다른 물질과 결합시킴으로써 액체 수소보다 보관이 용이한 온도에서 운반하는 것으로 보통 영하 30-40°C에서 액체 형태로 운반하는 기술이다. 해당 분야는 이와 관련해서 운반선이나 수송관은 시범 운영 단지만 조성되고 있고, 본격적인 상업화 단계는 아니다.

다운스트림으로서의 지역난방 및 엔진 연료로의 사용

수소를 생산하는 과정에서 전력사용으로 인해 에너지 손실률이 약 30%인 것으로 알려져 있다. 이를 줄이는 방안으로 생산 과정에서 발생하는 열을 지역 난방에 활용하는 방안이 있다. 이를 위해 에너지 효율 인센티브 프로그램(APEE)을 통해 2024년까지 7억 유로를 투자한다고 한다. 또한 저장된 수소는 수소 기반 운송수단이나, 수소 기반 발전소에서 전기 발전을 위해 사용되게 된다. 수소 차량을 위한 충전소는 2021년 4월 기준으로 92개소가 운영 중이다. 수소 차량의 경우에는 현대자동차 등 몇몇 기업이 상용화에 성공했으나 수소 선박, 수소 항공기는 아직 기술 개발 단계이다. EU 차원의 Flightpath 2020과 독일의 수소 및 연료 전지 기술 혁신 프로그램(NIP)을 통해 항공 분야 수소 연료 장치 장착 등 관련 기술이 연구 중이다.

2020년 독일의 수소 충전소 현황

자료: h2.live(2021.04.)

전망 및 시사점

독일은 한국보다 선발주자로서 2025년까지 수소경제 관련 설비투자에 집중하고, 그 이후 2030년까지 녹색 수소 5TWh 생산 달성에 집중할 것으로 보인다. 한국도 수소경제와 관련하여 수소 자동차를 상용화했고, 수소 연료 전지를 수출하기도 했다. 독일 기업이 한국 수소차 및 차량용·발전소용 연료 전지와 관련해 한국 기업에 러브콜을 보내는 상황을 활용하면 수소 생산을 위한 업스트림 분야 및 인프라, 설비투자 분야에서도 다양한 협력이 가능할 것이다. 린데(Linde), 메서(Messer), 튀센크룹(Thyssenkrupp), 지멘스(Siemens), 잘츠기터(Saltzgitter), 보쉬(Bosch) 등  독일 수소경제 선도기업과의 기술 협업, 독일 학계의 R&D 협력을 통해 수소 생산 인프라 시장을 공략하는 것도 좋은 전략으로 판단된다.

자료: KIER 홈페이지, 독일 환경연구소 홈페이지, 그린피스 홈페이지, 경제 연구소 IW 홈페이지, GTA 홈페이지, Prognos홈페이지, 헬름 홀츠 지질연구소(Geo-Forschungsinstitut) 홈페이지, 경제 에너지부 홈페이지, GECC홈페이지, apex-group홈페이지, 장거리 가스운송 연합(FNB Gas) 홈페이지, fnb-gas홈페이지, h2.live홈페이지, 프랑크푸르트 무역관 자체 정보