▲ 창원시 성주동 ‘수소에너지 순환시스템(HECS) 실증단지’에 구축된 수소생산 연계 이산화탄소 포집·활용 설비.

[월간수소경제 이종수 기자] 지난 4월 국내에서 처음으로 수소생산기지와 연계한 이산화탄소 포집·활용(CCU) 시설이 창원에서 준공되어 국내 청정수소 생산 기반시설 확대의 가능성을 보여주고 있다. 

이번에 준공한 ‘수소생산 연계 국내 1호 CCU 설비’는 국내 기업이 제작한 국산 설비로 기존 수소생산기지에서 천연가스로 하루 1톤의 수소를 생산할 때 발생하는 7~8톤 상당의 이산화탄소를 포집해 액화 상태로 저장·공급해 정수장의 원수 PH 조정, 이산화탄소 용접 및 소화기 원자재, 드라이아이스 및 탄산음료 재료, 폴리카보네이트 및 폴리우레탄 원료 등 다양한 용도로 활용될 것으로 보인다.  

이를 통해 한국형 블루수소 생산 모델과 이산화탄소 활용이 연계된 수소 밸류체인 비즈니스 모델을 창원에서 국내 최초로 선보이게 되어 큰 관심을 받고 있다.  
 
창원 HECS 실증단지 완성 ‘눈앞’
이번 이산화탄소 포집·활용 설비는 창원시가 수소산업 정책의 역점 사업으로 추진해온 ‘수소에너지 순환시스템 실증단지(창원시 성주동)’ 조성사업의 일환으로 구축됐다. 

창원시와 창원산업진흥원은 창원 및 국내 수소기업이 개발한 수소 전주기 설비 및 국산화 기술 실증이 가능한 ‘수소에너지 순환시스템(HECS) 실증단지’ 조성사업을 계획해 2018년 11월 1단계 사업인 성주 수소충전소를 준공했다. 

산업부의 융복합 수소충전소 특례 고시로 창원지역 도시가스 공급기업 경남에너지가 운영하는 CNG충전소와 복합 형태로 지어진 성주 수소충전소는 처음에는 울산과 여수에서 튜브트레일러로 수소를 받아왔다. 이후 창원산업진흥원은 정부 과제로 수소추출기를 국산화한 제이엔케이히터와 협약을 맺고 하루 500kg급 수소생산설비 1대를 구축해 실증을 진행했다. 

▲ 창원시 성주동에 조성된 ‘수소에너지 순환시스템 실증단지’에는 수소충전소, 수소출하시설, 이산화탄소 포집·활용 설비 등이 구축되어 운용 중이다.

창원산업진흥원은 HECS 실증단지 2단계 사업으로 산업부가 공모한 수소생산기지 구축 사업에 선정되어 수소생산설비 1대를 추가 설치해 하루 1톤 규모로 수소출하설비인 저장동과 출하장까지 겸비한 국내 1호 수소생산기지를 2021년 4월 준공했다.    

또 성주 수소충전소는 외산 모델로 구축했지만 HECS 실증단지의 취지에 맞게 국내 압축기·디스펜서 등의 수소기업들과 컨소시엄을 맺어 정부 과제로 국산 버스용 수소충전소를 짓고 지난 2021년 8월 실증을 완료했다. 이 충전소는 외산 대비 가격은 3분의 2로 낮고, 성능은 2배 정도 향상된 시스템으로 구축됐다. 이 충전소에 적용된 국산 수소충전시스템은 코하이젠의 수소충전소에 납품된 바 있다. 

후속 과제로 단일 압축기로는 세계 최대 용량의 수소충전소용 압축기를 개발해 올해 6월부터 버스용 수소충전소에서 실증 운전에 들어갈 예정이다.  

HECS 실증단지 내에 구축된 수소생산기지에서 생산된 수소는 온사이트(배관) 방식으로 동일 부지 내에 설치된 성주 수소충전소와 국산 버스용 수소층전소에 공급되고 있다. 또 튜브트레일러를 이용해 창원산업진흥원이 구축·운영하는 9개 충전소 중 3개 충전소에 수소를 공급하고 있다. 

▲ ‘수소에너지 순환시스템 실증단지’ 내에서 생산된 수소는 튜브트레일러를 통해 창원산업진흥원이 운영하는 수소충전소에 공급된다.

HECS 실증단지 내 수소생산기지는 SMR 방식으로 메탄(도시가스 주성분)을 활용해 수소를 생산하기에 이 과정에서 이산화탄소가 발생한다. 이에 따라 창원산업진흥원은 2022년 1월 3단계 사업으로 블루수소 생산을 위한 CO2 포집·재처리 사업에 착수해 지난 4월 준공하게 됐다.

마지막 4단계 사업으로 한국수력원자력, SK에코플랜트, 경남에너지, 부경환경기술 등과 함께 수소를 이용해 전기에너지를 생산하는 분산형 연료전지발전 기반 에너지공급시스템을 구축해 2.4MWh의 전력 생산·자급을 실증할 예정이다.  

이로써 수소의 생산·이송·저장·활용 등 수소 전주기 신기술을 개발·실증하는 수소실증단지가 세계 최초로 창원에서 완성된다. 

강영택 창원산업진흥원 수소산업본부장은 “수소에너지 순환시스템 실증단지는 수소의 생산-저장·운송-활용 등 수소 전주기를 실증하는 곳이면서 배관으로 연결된 온사이트 방식과 외부로 수소를 공급하는 출하장 역할까지도 겸한 국내 최초의 마더스테이션”이라며 “여기에다가 최근 이산화탄소를 포집·활용하는 설비까지 준공해 한국형 블루수소 생산 모델과 이산화탄소 활용이 연계된 수소 밸류체인 비즈니스 모델을 창원에서 국내 최초로 선보이게 됐다”고 설명했다. 
 
국내 최초 수소생산 연계 CO2 포집·활용
블루수소 생산을 위한 이산화탄소 포집·활용 설비는 환경부와 창원시의 시범사업으로 구축됐다. 환경부 15억 원, 창원시 15억 원을 합쳐 총 30억 원이 투입됐다. 수소를 생산할 때 나오는 전체 이산화탄소를 포집할 예정이다. 1톤 수소생산 시 7~8톤의 이산화탄소를 포집할 것으로 예상하고 있다. 포집한 이산화탄소는 정제 과정을 거쳐 압축·냉각시켜 ‘액화탄산’으로 제조해서 수요처에 판매할 예정이다.   

▲ 창원시 ‘수소에너지 순환시스템 실증단지’ 내에 구축된 수소생산설비.

HECS 실증단지 내 설치된 수소생산설비 옆에 회색 관이 아래위로 두 개가 있다. 각각 수도와 도시가스가 들어오는 관이다. 수소생산설비에 공급된 도시가스는 압축기로 승압되어 배관(퓨얼가스관, 피드가스관)을 따라 반응기로 들어가게 된다. 퓨얼가스관은 연료를 데우는 곳이며, 피드관은 원료가 되는  도시가스가 들어가는 관이다. 이렇게 들어가는 두 개의 가스는 모두 메탄가스가 된다. 하나는 반응을 통해서, 다른 하나는 열원에서 열화되어 각각 이산화탄소가 발생한다.    

“SMR 방식은 천연가스(도시가스)와 물을 이용해 수소를 만듭니다. 도시가스를 열원으로 해서 물을 수증기로 만들죠. 도시가스와 수증기를 고온에서 반응시키면 일산화탄소와 수소 세 분자가 나옵니다. 또 ‘워터 시프트’ 반응이라고 해서 일산화탄소를 물과 한 번 더 반응시키면 이산화탄소와 수소가 나옵니다. 이렇게 최종 2단계 반응을 거치면 메탄 한 분자와 물 두 분자가 만나서 네 분자의 수소와 한 분자의 이산화탄소가 만들어지죠. 그런데 이산화탄소는 분자량이 크기 때문에 무게비로 치면 화학반응 시 수소 1kg당 5.5배 정도의 이산화탄소(5.5kg)가 나오고, 스팀을 만드는 메탄가스(반응온도 850℃ 정도를 유지하기 위한 보일러에 들어가는 메탄가스)에서도 이산화탄소가 나와 실제 발생하는 이산화탄소는 더 많아집니다.” 

강영택 창원산업진흥원 수소산업본부장의 부연 설명이다.    

▲ 수소생산설비 상부에 설치된 배기구. 수소생산 과정에서 나오는 이산화탄소, 수분 등을 포함한 배기가스를 대기 중으로 방출하는 곳이다.
 

퓨얼가스관과 피드가스관 위로는 배기구가 보인다. 수소생산 과정에서 나온 이산화탄소, 수분 등을 포함한 배기가스를 대기로 방출하는 곳이다. 그러나 앞으로는 이런 배기구가 필요하지 않다. 배기가스가 배기구로 나오기 전에 이를 포집하는 배관을 설치했기 때문이다. 포집된 배기가스는 수소생산설비가 두 대(각 500kg 규모)라서 두 개의 배관을 통해 흘러나온 후 하나의 관으로 통합되어 정제설비로 들어가게 된다.

▲ 수소생산설비 옆에 설치된 이산화탄소 포집관. 위의 두 개관에서 모아진 이산화탄소가 아래의 하나의 관으로 통합되어 정제설비로 흘러간다.
▲ 수소생산설비에서 포집된 이산화탄소를 정제설비로 보내는 배관(위).

수소를 생산한 후 나온 배기가스에는 이산화탄소만 있는 게 아니라 수분 등의 불순물이 포함되어 있어서 이를 걸러내야 한다. 배기가스에는 이산화탄소와 물이 많이 포함되어 있어 기체와 액체를 분리하는 기액 분리기를 통해 액체 상태의 물을 걸러낸다. 이후에 기체 상태에서 불순물을 PSA 정제기에서 걸러낸다. 이를 통해 순도가 높아진 이산화탄소를 버퍼탱크에 저장하게 된다. 여기에 저장된 이산화탄소는 압력이 낮은 상태다. 이후에 버퍼탱크 앞에 있는 냉각기와 압축기를 통해 압축·냉각을 시켜 최종 제품인 ‘액화탄산’을 만들게 된다. 

▲ 이산화탄소 포집·활용 설비 중 정제설비(뒤)와 버퍼탱크(앞).
▲ 이산화탄소 포집·활용 설비 중 압축기(좌)와 냉각기(우).  
▲ 포집된 이산화탄소가 정제 과정을 거쳐 냉각·압축 후 최종 액화탄산으로 제조되어 수요처에 출하하기 위한 배관.

냉각기와 압축기 바로 옆에 있는 액화탄산 저장 탱크(1기)는 약 20톤을 저장할 수 있다. 약 2~3일 정도의 분량을 저장할 수 있는 셈이다. 시설이 본격 상업운전을 하게 되면 액화탄산 수요 업체가 와서 탱크로리로 실어가게 된다. 

이번에 구축된 이산화탄소 포집·활용 설비는 질소가스분리장치와 압축공기 청정화 시스템을 전문적으로 개발·생산하는 하나플랜트가 국산 기술로 개발·설치했다.  

강 본부장은 “수소에너지 순환시스템 실증단지의 취지에 맞게 이산화탄소 포집·활용 설비의 국산화를 추진키로 하고 국내 업체를 찾았지만 이산화탄소 포집부터 액화까지 할 수 있는 기업이 드물었고, 플랜트의 규모도 작다 보니 대기업들이 꺼렸다”라며 “대기업들은 대형 플랜트에 관심을 갖고 있지만 아직 수소생산 연계 대형 플랜트가 국내에는 없다. 한국가스공사가 구축하는 하루 5~10톤 정도의 수소생산기지는 하루 최대 80~100톤 정도의 이산화탄소가 나오는 정도다. 화학 플랜트에서 이보다 훨씬 많은 이산화탄소가 나와 기업들이 대규모 화학 플랜트를 위주로 하는 상황이라 사업 시작 당시에는 설비를 구축할 기업을 찾기가 어려웠지만 설비 구축이 가능하다는 국내 중소기업들을 찾아 입찰한 결과 하나플랜트로 최종 선정했다”고 설명했다. 

창원산업진흥원은 시범운영을 통해 배기가스에 포함된 수분과 각종 불순물을 잘 정제할 수 있는지, 배기가스에 포함된 이산화탄소 포집량과 순도를 얼마나 높일 수 있는지, 수소생산기지에 무리를 주지 않는지 등을 확인할 예정이다. 

창원시는 최종 만들어진 액화탄산을 우선 정수장으로 이송해 원수에 떠 있는 부유물질을 처리하기 위한 응집보조제로 활용할 예정이다. 원수에 투여된 이산화탄소는 중화되어 온실가스로 배출되지 않기에 탄소중립에 기여할 것으로 기대하고 있다.  

환경부는 이 설비의 시범운영을 통해 온실가스 감축 효과 등을 지속 살펴보고 천연가스를 이용한 수소생산시설을 운영하는 수소충전소에 확대하는 방안을 검토할 예정이다. 
 
청정수소 인정받기 위한 CO2 수요처 확보 
창원산업진흥원이 이번에 준공한 ‘수소생산 연계 이산화탄소 포집·활용 설비’는 국내 최초로 블루수소를 생산하고, 포집한 이산화탄소를 활용한다는 점에서 의미가 크다. 그간 국내에서는 청정수소(그린, 블루 등)에 대한 기준이 없어 단순히 수소생산 시 이산화탄소를 포집·활용하는 것만으로도 블루수소로 인정받았지만 청정수소인증제가 도입되면 상황이 달라진다. 

산업통상자원부는 청정수소 생산·활용을 확대하기 위해 2024년 청정수소인증제도 시행을 목표로 관련 연구용역을 통해 한국 특성에 맞는 청정수소인증제 설계를 진행 중이다. 지난 4월 17일 서울 코엑스에서 개최한 ‘청정수소인증제 설명회’에서 한국에서 청정수소로 인증받기 위한 온실가스 배출량 기준을 4kgCO2eq/kgH2로 제시했다.  

수소생산 방식 중 천연가스와 물을 이용한 SMR 방식은 수소 1kg 생산 시 8~10kg 정도의 이산화탄소가 나오므로 청정수소인증제가 시행되면 블루수소로 인정받을 수 없다. 

강 본부장은 “블루수소로 인정받으려면 포집한 이산화탄소 중 4kg은 재배출시키고, 나머지는 다시 배출되지 않도록 땅에 저장하던지, 이산화탄소를 플라스틱으로 만드는 데 활용토록 해 공기 중으로 다시 방출되지 않도록 해야 하는 상황”이라며 “즉 최소 4kg까지는 재배출되는 곳으로, 나머지는 재배출되지 않는 곳으로 포집한 이산화탄소를 판매해야 블루수소로 인정받을 수 있을 것”이라고 설명했다.   

이에 따라 창원산업진흥원은 블루수소로 인정받기 위한 수요처 확보에 노력할 계획이다. 

강 본부장은 “이산화탄소는 실제 음용 쪽에 제일 많이 사용되는데, 탄소를 재배출을 할 수 있다”라며 “그래서 첫 수요처로 정수장을 선택한 것이다. 정수장의 부유물질을 처리하기 위해 투여한 이산화탄소는 중화되어 온실가스로 배출되지 않기 때문”이라고 설명했다. 

강 본부장은 “창원의 단점은 화학 관련 업체들이 거의 없다는 점인데, 가능하면 울산 등 화학 플랜트가 있는 기업과 업무협약이나 구매계약을 맺어 이산화탄소를 플라스틱 제조나 다른 용도로 사용할 수 있게끔 제공하게 되면 블루수소 기준을 맞출 수 있을 것”이라고 밝혔다. 
 
산업부, 탄소포집형 수소생산기지 공모
한편 정부는 지난 2021년 11월 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’을 통해 2050년 연간 2,790만 톤의 수소를 100% 청정수소(그린·블루수소)로 공급하고, 국내 생산은 물론 우리 기술·자본으로 생산한 해외 청정수소 도입으로 청정수소 자급률도 60% 이상 확대한다는 계획을 밝혔다.   

이를 위해 LNG 인수기지 인근에 블루수소 클러스터 조성, 울산지역 산업단지 내 수소생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집해 동해 가스전 고갈 저류층에 저장하는 CCS 전주기(포집·수송·저장) 연계 통합 실증, 국내 저장소 확대 및 해외 저장소 발굴 등을 추진할 예정이다. 

지난해 11월 9일 개최한 ‘제5차 수소경제위원회’에서는 국내 블루수소 생산기반 확충의 일환으로 민간주도 공급망 구축 전에 소규모 수소생산기지를 구축하는 계획을 제시했다. 이에 따라 산업통상자원부는 지난 4월 27일 ‘2023년도 수소생산기지구축사업 신규과제’ 공고를 통해 수전해를 활용한 수소생산기지 2개소와 천연가스 개질 탄소포집형 수소생산기지 1개소의 구축 사업자를 모집하고 있다.

산업부 관계자는 “탄소포집형 수소생산기지 구축은 올해 새롭게 추진하는 사업으로 인근 지역 수소충전소에 공급할 수소를 생산할 뿐만 아니라 이산화탄소를 포집·액화해 조선·식음료 업계에 제공하는 등 국내 탄산수급 안정화에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

산업부는 평가위원회 평가 등을 거쳐 선정된 컨소시엄(민간기업+지자체)에 3년에 걸쳐 수전해 생산기지는 55억 원, 탄소포집형 생산기지는 68억 원을 지원할 계획이다.

이번 공모에 참여하고자 하는 민간기업 및 지자체는 6월 30일까지 수소융합얼라이언스 홈페이지(h2korea.or.kr)를 통해 신청서를 제출하면 된다.

▲ SK E&S의 ‘보령 블루수소 생산기지’ 예상 조감도.

민간기업 중 SK가 블루수소 생산에 가장 적극적으로 나서고 있다. 

SK E&S와 한국중부발전은 약 5조 원을 투자해 보령LNG터미널 인근 중부발전 보령발전본부 유휴부지에 추출수소 생산설비, 액화플랜트, 탄소포집 설비, 수소연료전지 등의 생산·유통·활용 설비를 포함하는 세계 최대(연간 25만 톤) 규모의 블루수소 생산기지를 구축해 오는 2025년부터 블루수소를 생산하는 사업을 추진 중이다.

 
SK E&S는 해외 이산화탄소 저장소(바유운단 폐가스전)도 확보해 호주 바로사 가스전에서 천연가스를 생산하는 과정에서 발생하는 CO2뿐만 아니라 국내 블루수소 생산 과정에서 나오는 이산화탄소를 포집해 바유운단 폐가스전에 매립할 계획이다.

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