[월간수소경제 성재경 기자] 산업부가 올해 추진하는 수소 신규 과제 중에 주목할 분야가 있다. 바로 ‘수소혼입’이다. 혼입(混入)은 기존 연료를 이송하는 배관에 적정량의 수소를 섞는 것을 이른다. 블루수소나 그린수소를 도시가스 배관에 혼입하면 탄소배출량을 줄이는 데 일조할 수 있다.

 

올해 시작되는 수소혼입 과제는 크게 두 가지다. ‘수소혼입 도시가스 배관 수소취성 평가 및 수명예측 안전기술 개발·실증’에 55억 원, 통합형 과제 ‘도시가스 배관망 수소혼입 전주기 안전성 검증 기술개발·실증 등’에 225억 원이 투입된다.

 

사업 기간은 2025년까지 3년으로 잡혀 있다. 올해는 도시가스 배관의 수소 호환성과 안전성 검증 연구개발에 착수하고, 한국가스공사가 보유한 평택 LNG인수기지에 시험설비를 구축할 예정이다. 이를 기반으로 내년부터는 본격적인 실증에 들어간다. 

 

 

수소혼입량은 최대 20%로 보고 있다. 기존 배관의 수소취성 문제를 확인하고 배관의 열화, 가스누출 여부 등을 확인하게 된다. 또 금속 안에 수소가 흡수되어 금속의 기계적 성질이 취약해지는 수소취성 문제나 수명 감소 등을 확인하게 된다. 

여기서 나온 결과물을 토대로 2026년에는 도시가스사업법 개정을 통해 배관시설 교체에 필요한 지원 근거를 마련하고 수소혼입 사업을 제도화하는 것을 목표로 하고 있다.
 
유럽·영국 등 수소혼입 실증 활발
수소혼입에 대한 연구와 논의는 오래전부터 있어왔다. EU의 지원을 받아 네덜란드의 가스니 리서치(Gasunie Research)가 2004년 5월부터 5년간 진행한 ‘NaturalHy 프로젝트’가 대표적이다. 가정용 보일러 용도로 수소를 혼입하는 경우 최대 70%까지 가능하지만 안전성을 고려해 20% 미만으로 혼입하는 것이 좋다는 결과를 제시한 바 있다.

네덜란드에서 2008년에 시작된 ‘Ameland 프로젝트’도 있다. 아멜란트섬의 아파트 단지에 거주하는 14가구에 수소를 공급하는 실증사업이었다. 이들 가정에 공급하는 기존 천연가스 봄베에 수소를 최대 20%까지 혼입했다. 향후에는 수전해 설비를 구축해 현장에서 생산한 수소를 공급하는 방식으로 전환하기도 했다.  

 

가장 최근에 이뤄진 대표적인 실증 사례로는 영국의 ‘Hydeploy 프로젝트’를 들 수 있다. 1단계 사업은 지난 2019년에 킬 대학의 100가구와 30개 대학 건물에 최대 20%의 수소가 혼합된 천연가스를 공급하면서 시작됐다. 이 사업은 18개월 동안 진행해 2021년 3월에 끝이 났다.

수소 20% 혼입 시에도 기존의 조리기구나 난방기구 사용에 별 문제가 없었다. 수소 100%, 메탄 100%, 수소 20% 혼합물로 6주간 테스트를 진행한 결과 배관 재질이 주철인 경우에만 수소전입(全入)일 때 유해한 영향을 미친 것으로 나타났다.

곧바로 HyDeploy 2단계 사업이 시작됐고, 작년 8월에 두 번째 프로젝트가 성공적으로 마무리됐다. 영국의 윈라톤과 게이츠헤드에 있는 668개 주택, 교회, 학교에 11개월간 최대 20%의 수소를 혼합한 천연가스를 공급하는 시범사업이었다.

마을 주민들은 기존의 가스기기를 바꾸지 않고 연료를 그대로 사용했다. 현재 영국의 가스기기는 최대 23%의 수소혼합에도 작동이 되도록 설계가 되어 있다. 이에 가스보일러나 가스레인지, 가스배관을 교체하지 않고 사업을 진행했다.

2단계 실증사업이 진행된 게이츠헤드에는 케이던트(Cadent)와 북부가스네트워크(NGN)가 구축한 쌍둥이 수소주택이 세워져 있다. 영국 비즈니스에너지산업전략부(BEIS)의 지원을 받아 구축한 견본 시설로 무공해 수소연료 주택을 체험하는 교육장으로 활용되고 있다.

Hy4Heat 프로그램의 지원을 받아 보일러, 가스레인지와 오븐, 난로를 포함한 다양한 수소 공급기기를 제작해 수소주택에 설치했다. 수소보일러의 경우 네덜란드 ‘BDR 써미아 그룹’의 보일러 제조사인 박시(Baxi)와 영국의 우스터 보쉬(Worcester Bosch)에서 개발했다. 

 

영국 최대의 가스 유통업체인 케이던트는 잉글랜드 북서부와 웨일즈 북부를 탈탄소화하기 위한 수소이송 파이프라인 사업인 ‘HyNet North West’ 사업도 진행하고 있다. 2025년부터 스탠로우(Stanlow) 정유공장에서 천연가스를 저탄소 수소로 전환할 예정으로, 이 과정에서 포집한 이산화탄소를 리버풀 베이 가스전 지중에 저장하는 CCS 사업을 병행하게 된다.

영국의 전체 탄소배출량에서 난방 부문이 차지하는 비율은 약 4분의 1이다. 여기에 수소를 혼입해서 쓰면 탄소배출을 줄여 2050 탄소중립 목표 달성에 기여할 수 있다.

영국의 에너지 규제기관인 오프젬(OFGEM)은 약 2,000개의 건물에 천연가스 대신 수소를 공급하는 수소마을 시범사업을 추진하고 있다. 시범사업은 오는 2025년부터 약 2년간 추진된다. 영국 북동부 티스사이드에 있는 레드카(Redcar), 북서부 엘즈미어포트의 휘트비(Whitby) 지역을 대상지로 정했다. 

하지만 이 사업에 대한 주민들의 태도가 우호적인 것만은 아니다. 케이던트가 주도하는 휘트비 수소마을 시범사업만 해도 주민들의 반대 목소리가 만만찮다. 수소로 가열하는 조리기구나 난방기기에 대한 안전성 여부가 명확히 규명되지 않았고, 수소 연소에 따른 질소산화물(NOx) 배출량 기준도 마련되지 않았다. 또 블루수소나 그린수소를 혼입할 경우 연료비 상승에 대한 우려가 큰 것이 사실이다. 
 
美 캘리포니아의 수소시범주택 사업
미국 캘리포니아의 천연가스 공급업체인 소칼가스(SoCalGas: Southern California Gas)가 ‘H2 혁신 체험 프로젝트’의 일환으로 다우니에서 진행한 수소시범주택 사업도 눈길을 끈다. 조립식으로 완성된 이 주택은 태양광 패널, 배터리, 수전해 설비, 연료전지를 갖추고 있다. 

맑은 날 태양광에서 나오는 잉여전력으로 수소를 생산해 저장하고, 필요할 때마다 이 수소로 연료전지를 구동해 전기를 사용할 수 있다. 또 수소를 천연가스에 최대 20%까지 혼합해 가정용 온수, 가스스토브, 벽난로, 바비큐그릴 등에 사용할 수 있다. 

소칼가스는 주택 건설 과정에도 신경을 썼다. 조립식 수소주택을 현장으로 운송할 때 수소트럭을 활용했다. 캘리포니아 대기자원위원회(CARB)와 캘리포니아 에너지위원회(CEC)의 지원을 받아 추진 중인 ‘NorCal ZERO’ 프로젝트에 참여하고 있는 현대차의 엑시언트 수소트럭이 현장에 동원되기도 했다.

 

2,000㎡ 규모의 이 주택은 미국녹색건축위원회의 친환경 건축물 인증인 LEED 플래티넘 표준을 준수하고 있다. 1년 365일 하루 24시간 동안 재생에너지에 기반한 그린수소를 활용할 수 있다는 점에서 미래 친환경 주택에 대한 현실적인 비전을 보여준다. 

소칼가스가 구축한 수소주택은 태양광, 수소, 천연가스 시스템이 복합된 마이크로그리드에 속해 있다. 최소 100가구와 연계한 분산형 그리드 안에서 에너지 혁신을 체험할 수 있는 견본주택 역할을 하고 있다.

미국은 지난해 8월에 제정된 인플레이션 감축법(IRA)으로 청정수소 생산에 대한 세액공제(0.6~3달러/kg) 지원 근거를 마련했다. 세부 규정을 보면 미국 안에서 생산된 청정수소(1kg 생산 시 이산화탄소가 4kg 이하로 배출되는 수소)에 대해 1kg당 최대 3달러의 세액공제 혜택을 제공한다. 

 

수소혼입 사업은 바로 이 청정수소의 생산·수요 확대와 연계해서 추진될 가능성이 높다. 한국가스공사만 해도 지난해 3월 한국남부발전과 ‘그린수소 배관 혼입’을 위한 기술개발 협력을 맺었다. 남부발전은 제주에서 진행 중인 12.5MW급 그린수소 생산 실증사업을 주관하고 있다. 

제주시 구좌읍 동복리 일대에서 진행되는 풍력 연계형 P2G 사업으로 수전해 시스템 기술을 대표하는 알칼라인(AEC), 고분자전해질(PEM), 고체산화물(SOEC), 음이온교환막(AEM) 제품을 현장에 설치해 연간 1천 톤 이상의 그린수소를 생산하게 된다. 이 수소는 수소전기 버스와 청소차의 연료뿐 아니라 남부발전에서 운영 중인 한림의 빛드림발전소 배관에 수소를 혼입하는 시범사업에도 활용될 전망이다. 

수소혼입 사업은 가정용에 국한되지 않는다. 발전용, 산업용, CNG버스 같은 운송용 등 광범위한 분야에 연료로 사용될 수 있다. 국내 연간 천연가스 사용량은 4천만 톤으로, 수소를 10볼륨(vol)%만 혼입해도 연간 129만 톤의 천연가스 사용량을 줄여 연간 355만 톤의 이산화탄소 감축 효과를 볼 수 있다. 

수소혼입은 기존 인프라와 사용기기를 그대로 활용하면서 탄소배출량을 낮출 수 있는 데다, 대규모 수소 수요처를 확보할 수 있다는 점에서 글로벌 에너지 기관이나 기업들의 관심이 매우 크다. 

다만 여기에 대한 비판의 목소리도 있다. 혼소 발전만 하더라도 수소는 LNG와 비교해 같은 부피일 때 발열량이 낮아 50% 수준으로 섞어도 탄소저감률은 20%대에 불과하고, 혼소 설비 운영에 따른 신뢰성과 비싼 수소 가격 등을 이유로 당분간은 그 비율을 높이기가 쉽지 않기 때문이다. 가스 공급업체들이 기존의 사업을 영위하거나 연장하는 명분으로 수소를 활용하고 있다는 지적은 새겨들을 필요가 있다.

그럼에도 소칼가스의 ‘H2 혁신 체험 프로젝트’는 주목할 가치가 있다. 분산형 마이크로그리드 안에 수전해 설비, 연료전지 등 각종 수소기술을 적용해 재생에너지의 간헐성과 저장성을 보완하고 있다. 또 안정적인 에너지 공급 차원에서 기존의 천연가스 인프라를 함께 적용한 점도 현실적으로 유용해 보인다. 

미국 캘리포니아처럼 태양광 효율이 좋고 부지 확보도 비교적 쉬운 지역에서는 하나의 혁신 모델로 충분한 경쟁력이 있어 보인다. 

 

이 사업에 대한 미국 내 현지 평가도 좋다. 작년 10월에는 로이터 이벤트(Reuters Events)가 주최한 2022 Responsible Business Awards에서 ‘비즈니스 혁신상’을 받았고, 12월에는  세계에서 가장 지속 가능한 50개 기업과 가장 영향력 있고 혁신적인 환경 이니셔티브를 선정하는 SEAL Awards에서 상을 두 개나 받았다. 

소칼가스는 젖소의 분뇨나 일반폐기물에서 나온 바이오가스로 생산한 재생 천연가스(RNG)로 수소를 생산하는 기술개발도 진행하고 있다. 캘리포니아 사우전드 팜스에 있는 선라인교통(SunLine Transit Agency)의 연료보급소에서 린데와 함께 RNG로 수소를 생산하는 두 가지 기술을 실증하고 있다. 

이렇게 생산한 수소는 선라인의 수소버스 운행에 사용된다. 기존의 천연가스 공급업체가 청정수소 생산기술을 확보해서 분산형 저탄소 에너지 공급망을 구축한 셈이다. 국내 도시가스 사업자들도 발전용 연료전지 사업이 아닌 새로운 수소사업 모델 개발에 나설 필요가 있다.
 
수소배관망 구축…혼입 비율 확대
수소혼입 사업은 수소생산량이 늘어난다는 가정에서 출발한다. 20년 전만 해도 기업들은 수소생산과 유통에 별 관심이 없었다. 특히 가정용 수요는 천연가스를 개질하는 연료전지가 보급되면서 수소가 주목을 받기 시작했고, 이 시장을 성공적으로 안착시킨 나라가 이웃나라 일본이다. 

일본은 2009년 세계 최초로 가정용 연료전지(Ene-Farm)를 판매하기 시작했고, 지난해 초 누적 30만 대를 보급하면서 보조금 지급을 종료했다. 연료전지 시장이 정부의 보조금 없이 성장할 수 있는 자립단계로 진입한 유일한 시장이라 할 수 있다. 

재생에너지 자원이 풍부한 호주에서 하이브리드 수소에너지 저장시스템을 개발한 라보(LAVO)란 스타트업이 있다. 라보는 옥상의 태양광을 통해 일반 가정에서 이틀 동안 사용할 수 있는 40kWh의 전기를 저장할 수 있는 통합 하이브리드 수소전지를 출시했다. 

태양광 전력으로 인앱터의 음이온교환막(AEM) 수전해 장치를 돌려 수소를 생산하고, 이 수소를 ‘스펀지’라 부르는 금속수소화물에 저장하게 된다. 또 전기가 필요할 땐 금속수소화물에 저장된 수소로 연료전지를 돌려 전기를 얻는다. 연료전지 기술은 네덜란드의 PEM 연료전지 회사인 네드스택(Nedstack)에서 제공한다. 일반 가정용 연료전지보다 진일보한 제품이라 할 수 있다.

 

국내 가정용 연료전지 시장은 사정이 좋지 않다. 전기료가 상대적으로 저렴해 도시가스를 연료로 하는 가정용 연료전지 수요는 크게 위축돼 있다. 

국토부 수소도시 사업에 선정된 남양주만 해도 3기 신도시인 왕숙2지구를 수소도시로 조성할 예정이지만, 연료전지 사업보다는 음식물쓰레기에서 나오는 바이오가스를 활용한 수소생산 쪽에 초점을 맞추고 있다. 

남양주시는 바이오가스로 생산한 수소를 배관으로 이송해 인근의 공공임대주택(1,200세대)과 남양주체육문화센터, 공공청사 등에 공급할 계획이다. 바이오가스를 쓸 경우 원가 부담, 즉 수소생산에 드는 비용이 크게 줄어 경쟁력이 있다. 재생에너지 사업 환경이 좋지 않은 국내 사정에 잘 맞는 사업이다.

지난해 수소도시 사업에 선정된 평택, 당진, 광양, 포항 등의 세부 사업을 들여다보면 수소 인프라 구축의 핵심에 ‘수소배관’이 있다는 걸 알 수 있다. 포항시만 해도 포항제철소에서 나오는 부생수소를 인근의 LH 행복주택(408가구), 포항테크노파크 테크노빌(60가구) 등에 연료전지 연료로 공급할 예정이다. 물론 이 수소는 배관으로 이송한다.

해외에서 대량 수입한 청정수소를 시중에 유통할 때도 배관이 중요한 역할을 한다. 한국가스공사는 LNG 인프라 구축 경험을 바탕으로 2029년까지 10만 톤 규모의 해외 액화수소 도입 인프라 구축에 나선다. 또 한국석유공사는 청정수소의 대표적인 운송 수단인 암모니아 유통 인프라 구축을 추진한다. 석유공사는 암모니아 인수기지 인근에 크래킹 설비를 구축하고 2027년부터 LNG·수소 혼소 발전을 위한 수소를 공급할 계획이다.

이렇듯 거점형 수소생산기지나 청정수소 수입기지가 있는 항만을 중심으로 수소배관망이 갖춰지면 수소혼입 사업에 유리하다. 전문가들 또한 “도시가스 공급 인프라를 적극 활용하면서 연차적으로 수소 전용 배관망을 늘려가는 방식이 효율적”이라고 조언한다.

국내 도시가스 배관은 PLP(폴레에틸렌 피복강관) 배관과 PE(폴레에틸렌) 배관으로 이뤄져 있는데, 이 중 PE 배관이 수소를 혼입하기에 적합하다고 보고 있다. 

수소혼입에 대한 논의는 영국과 유럽이 가장 활발하다. 이미 체계적인 실증을 통해 많은 데이터를 확보하고 있다. 특히 유럽은 러시아-우크라이나 전쟁 이후에 ‘REPower EU’ 계획을 내고 러시아산 화석연료를 수소로 대체하려는 움직임을 보이고 있다. 

청정수소를 생산해서 유통하는 공급망의 핵심은 배관이다. 스페인 바르셀로나와 프랑스 마르세유를 잇는 해저 수소가스관 건설사업인 ‘H2Med’에 독일도 합류하기로 했다. 배관망이 갖춰지면 수소혼입 사업을 벌이기가 더 쉬워진다.

일본의 가스기기 전문업체인 린나이는 지난해 5월 가정용 수소 전용 콘덴싱 보일러 개발을 완료했다. 수소는 연소속도가 천연가스보다 8배 빠르지만 저부하에서는 분출 속도가 느려 버너 내부에 화염이 들어가는 역화현상이 일어나기 쉽다. 린나이는 화염안정범위를 넓히면서 역화에 대한 안정성을 확보한 시제품을 개발해 호주 빅토리아주의 수소하우스에서 실증을 진행 중이다.

 

국내 업체로는 경동나비엔이 한국과학기술원(KAIST), 인하대와 협업해 수소만 연료로 사용하는 콘덴싱 보일러를 개발 중이다. 경동나비엔은 100% 수소기체가 공급되는 환경에서도 기존 보일러를 사용할 수 있는 전환 키트도 함께 개발하고 있다. 경동나비엔은 올해 영국 정부로부터 콘덴싱 가스보일러에 대한 ‘수소연소 가능(H2 Ready)’ 인증도 받은 것으로 전해진다. 

보일러 업계 관계자는 “수소보일러 제품 출시보다는 배관망 구축 등 인프라 구축이 선행돼야 한다”고 말한다. 정부가 2026년에 제도 개선을 추진하기로 했지만, 수소혼입 비율이나 인프라 구축 시점, 제도 개정 등을 감안하면 시간이 더 걸릴 수 있다. 

국제에너지기구(IEA)는 가스보일러에 100% 수소를 사용해 탄소배출을 제로로 만들 수 없다면 2025년부터 화석연료용 보일러 판매를 금지해야 한다고 제안했다. 그러자 유럽에서 가스보일러 판매 금지 시기를 두고 논란이 일었다. 수소보일러보다는 자연 열원(지열, 수열, 공기열)을 활용하는 히트펌프가 탄소배출도 적고 더 효율적이라는 의견도 많다.

국내에서도 조만간 수소혼입 실증이 시작된다. 현재 콘덴싱 보일러에 20% 수소를 혼입해도 연료 사용에는 무리가 없다고 보고 있다. 수소가 천연가스와 손잡고 가정으로 들어올 ‘워밍업’에 들어간 것만은 분명하다.