경제·인문사회연구회 녹색성장 종합연구 총서 10-02-35

기본연구보고서 10-29

미래 수소경제 실현을 위한 기반 구축 연구:

수소경제 이행의 산업 및 국민경제

파급효과 분석

노 동 운

부 경 진

조 상 민

녹색성장 종합연구

총서일련번호

연구기관 고유

일련번호연 구 보 고 서 명 연구기관

10-02-25 10-35 자동차 연비 및 온실가스 규제방안 연구

10-02-26 10-15배출권거래제도와 신재생에너지 공급의무화 제도 연계방안 연구

10-02-27 10-16자유무역협정(FTA)의 에너지수급구조 및 온실가스 배출 파급효과 분석

10-02-28 10-17 2012년 이후 국제 탄소시장 전망 및 활용전략 연구

10-02-29 10-18 탑-러너 제도의 친경쟁적 도입 방안 연구

10-02-30 10-13 광역경제권 신재생에너지 선도산업의 육성방안 연구

10-02-31 10-9 에너지효율시장 조성방안 연구

10-02-32 10-14신재생에너지 부품ㆍ소재 산업 육성을 통한 수출산업화 전략 연구

에너지경제연구원

10-02-33 10-12스마트그리드 구축을 위한 시장참여자의 역할과 정책방향

10-02-34 10-28미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구: 가정 ․상업 및 발전부문의 수소공급 인프라 구축

10-02-35 10-29미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구: 수소경제 이행의 산업 및 국민경제 파급효과 분석

10-02-36 10-30바이오에너지산업 육성을 통한 FTA 대응전략 연구: 유기성 폐자원의 에너지화에 따른 기후변화 대응 잠재력 연구

10-02-37 10-31바이오에너지산업 육성을 통한 FTA 대응전략 연구: 축산물과 쓰레기를 이용한 바이오가스 생산의 환경적 가치 추정

10-02-38 10-32저탄소 경제시스템 구축 전략 연구: 상․ 하향식 통합모형 개발 및 저탄소 정책효과 분석

2010년 경제·인문사회연구회 녹색성장 종합연구 총서

미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구:

수소경제 이행의 산업 및 국민경제 파급효과 분석

1. 녹색성장 종합연구 총서 시리즈

녹색성장 종합연구

총서일련번호

연구기관 고유

일련번호연 구 보 고 서 명 연구기관

10-02-39 10-33저탄소 경제시스템 구축 전략 연구: 저탄소 경제체제 구축전략 수립

에너지경제연구원

10-02-40 10-26에너지부문의 기후변화 대응과 연계한 녹색성장 전략 연구: 녹색성장 정책수단의 효과 분석

10-02-41 10-27에너지부문의 기후변화 대응과 연계한 녹색성장 전략 연구: 기후대응 녹색에너지산업의 시장 확대방안 분석

10-02-42 10-25 시장친화형 에너지 가격체계 구축 종합 연구

10-02-43 10-20저소비ㆍ고효율 경제사회 구축을 위한 국가 에너지효율화 추진전략 연구

2. 참여연구진

연구기관 연구책임자 참여연구진

주 관연구기관

에너지경제연구원

노동운 선임연구위원

부경진 선임연구위원

조상민 책임연구원

김진나 위촉연구원

한국에너지기술연구원 김종원 박사

한국에너지기술연구원 김창수 박사

한국원자력연구원 장종화 박사

협 력연구기관

순천대학교 이상호 교수

요약 i

1. 연구 필요성 및 목적

화석연료 자원고갈과 기후변화 문제 해결을 위한 방안의 하나로 수

소에너지에 대한 관심이 증대되고 있다. 저탄소 에너지에 의해 수소에

너지가 생산될 경우에는 온실가스 배출 문제도 해결될 수 있는 장점이

있다.

기존의 화석연료를 중심으로 한 탄소경제에서 수소경제로의 이행은

당면한 지구온난화에 대응하기 위한 유력한 대안이 될 것으로 보인다.

그러나 수소에너지 도입에는 비용이 수반될 것으로 예상된다.

따라서 지속적인 경제성장과 수소경제로의 성공적인 이행을 동시에

달성하기 위해서는 수소경제 이행에 대비한 기반구축 연구가 착실하게

수행될 필요가 있다.

본 연구는 수소경제로의 이행을 위한 정책대안 개발을 목적으로 3개

년(2009년~2011년)에 걸쳐 수행되고 있는 수소경제 기반구축 연구이

다. 이번 연구는 두 번째 단계인 2차년도(2010년) 연구이다.

1차년도(2009년) 연구에서는 수소에너지 도입이 에너지 수급과 온실

가스 배출에 미치는 영향을 분석했다. 이번 연구(2010년)에서는 수소에

너지 도입이 국내 산업 및 경제전반에 미치는 영향을 분석했다. 분석기

간은 2005년부터 2050년으로 설정했다.

ii

2. 내용 요약

수소 시나리오의 수소 수요는 기준수요, 고수요, 저수요 등 세 개의

시나리오가 설정되었다. 기준 수요는 수소에너지가 2015년에 도입되기

시작하여 2031년에 5%의 시장 점유율이 확보되는 경우이다. 2050년에

는 수소 수요가 포화상태에 달하여 12,191천 톤에 이를 전망이다. 수송

부문이 가장 높은 수요 비중(48.4%)을 차지할 것으로 전망된다.

고수요 시나리오는 수소에너지 도입시기와 5% 시장점유율 시기가

앞당겨지는 경우이며 저수요 시나리오는 늦춰지는 경우이다. 저수요안

은 2050년에도 수소 수요가 포화상태에 이르지 않는 경우이다.

최소걸침나무(MST) 해법을 이용하여 수소공급 시나리오를 설정했

다. 전국을 165개 지역으로 구분하여 수소 수요량을 배분했다. 수소제

조원은 석탄, LNG, 부생수소, 신재생(바이오, 풍력)의 6개로 한정했다.

수소에너지를 생산하는 시스템은 화석연료를 이용하는 방법(수증기

개질, 이산화탄소 개질, 부분 산화법, 자열 개질, 직접분해법)과 물을

이용하는 방법(전기분해, 열화학, 광화학적 방법 및 생물학적 제조 방

법)으로 구분했다.

수소의 약 97%는 천연가스나 나프타 등의 화석연료로부터 제조되고

있다. 천연가스를 이용한 수증기 개질법이 가장 많이 사용되고 있으며

원료(천연가스) 가격에 의해 가장 큰 영향을 받는다. 천연가스 가격이

$7.9/MM Btu일 경우 수소 생산단가는 $1.69/kg로 추정된다.

석탄 가스화법은 자본비 영향을 가장 크게 받으며 760 T/D규모와

석탄가격($67/ton)의 경우 수소 생산단가는 $1.38～1.64/kg으로 추정된

다. 원자력에 의한 수소생산(전기분해법, 열화학법, 수증기개질법) 비용

요약 iii

은 화석연료 수증기개질법 대비 2.5, 1.5 및 0.9배로 추정된다.

연료전지는 용융탄산염, 인산형, 고체 산화물 연료전지가 주로 사용

되고 있다. 발전용 연료전지의 스택 가격은 $1200~1500/kW, 가정/상업

용 연료전지의 목표(2015년)는 5백만원/KW, 승용차용 연료전지는 스

택이 41,000원/KW, 운전장치가 5백만원/대로 나타나고 있다.

수소도입의 경제적 파급효과를 분석하기 위하여 다국 일반균형모형

(CGE)을 사용했다. 주요 변수는 분배모수, 탄력성모수, 가격변수, 생산

및 여타변수이다.

국가는 우리나라와 여타 국가, 생산요소는 노동과 자본 및 에너지로

구분하고 생산부문은 석탄, 석유제품, 전력, 천연가스, 수소, 수송, 여타

산업 등 7개 부문으로 설정했다.

발전, 가계, 수송부문에 수소에너지가 도입될 경우, 첫째, 전력수요는

모두 증가할 것으로 분석되었다. 발전부문의 기본 시나리오 전력수요는

기준 균형 대비 2050년에 0.024% 증가하고 나머지 부문에서도 전력수

요가 증가할 것으로 전망되었다.

둘째, 발전, 수송 및 가계부문의 에너지 시스템에 수소가 도입되면

대부분의 경우 화석연료 수요는 감소할 전망이다. 발전부문에서는 석탄

수요가, 수송부문과 가계부문에서는 석유수요가 가장 크게 감소하여 수

소 에너지가 화석연료를 대체시키는 것으로 분석되었다.

셋째, 수소 에너지 도입에 대한 보조금($2/H2kg) 지급으로 모든 부문에

서 총수요는 감소하지만 점차 완화될 것으로 분석되었다. 보조금 재원마

련에 따른 가계 소득 감소로 총수요가 감소하지만 국내총생산(GDP)

증가 효과로 인해 총수요 감소추세는 일정 시점이후에는 완화될 전망

이다.

iv

넷째, 수소에너지의 의무할당을 위한 가격보조는 생산비용을 낮추는

효과를 가지며, 이를 통해 각 부문의 생산량이 증대할 것으로 분석된다.

다섯째, 에너지 시스템에 수소가 도입될 경우 기존 연구와 달리 GDP

가 증가하는 것으로 분석되었다. 총수요는 감소하지만 투자증가에 따른

산출이 증가하고, 이는 투입-산출효과를 통해 전후방 연쇄 유발효과를

발생시킬 것으로 기대된다.

여섯째, 발전부문에서는 온실가스 배출이 감소하지만 수송과 가계부

문에서는 배출이 증가하는 것으로 분석되었다. 발전부문에서는 화석연

료가 수소에너지로 대체되지만 수송과 가계부문에서는 석유수요 감소

에 비해 석탄수요 증가 효과로 온실가스가 증가하기 때문이다.

3. 연구결과 및 정책제언

이러한 분석결과는 우리나라 정부가 수소에너지 시대를 대비하기 위

해 준비해야 할 몇 가지 정책적 시사점을 말해주고 있다.

첫째, 수소 에너지가 도입되더라도 전력수요는 지속적으로 증가할 것

으로 분석됨에 따라 수소에너지가 전력수요 감소에는 기여하지 못할

것으로 예상된다.

그러나 화석에너지 수요, 특히 석탄수요가 가장 크게 감소할 것으로

전망된다. 따라서 수소에너지는 석탄수요를 가장 크게 대체할 것으로

보여 향후 수소에너지 시대에 대비하여 석탄수급을 변경할 필요가 있

을 것이다.

둘째, 수소에너지 도입은 총수요를 감소시키지만 투자증가 및 생산비

요약 v

감소로 인해 경제성장(GDP)에 기여하는 효과를 나타낼 것으로 예상된

다. 이는 통상 수소에너지가 기존 화석에너지에 비해 비용이 높기 때문

에 오히려 경재성장을 저해할 것이라는 기존 연구결과와 다른 것인데

이는 본 연구에서 수소에너지에 대한 보조금($2/H2kg) 지급을 전제로

분석했기 때문에 나타난 결과이다.

따라서 수소에너지가 지속적인 경제성장 및 녹색성장에 기여하기 위

해서는 보조금 지급이 필수이며 이는 향후 수소시대를 대비하기 위해

서는 수소에너지 비용이 시급한 해결과제라는 점을 말해주고 있다.

장기적인 관점에서는 보조금 지급보다는 수소에너지 보급목표를 보

조금 지급에 해당되는 수준으로 낮추는 연구개발이 선행될 필요가 있

다. 이는 수소에너지 연구개발에 대한 정부의 지속적인 투자가 필요하

다는 점을 말해주고 있다.

셋째, 수소에너지 도입은 부문별 온실가스 감축에 차별적으로 기여할

것으로 나타났다. 즉, 수소에너지가 대체할 에너지원에 의해서 온실가

스 배출이 영향을 받을 수 있다는 점을 말해주고 있다.

그러나 이러한 점은 근본적으로 수소에너지가 생산되는 에너지원에

대한 선택의 문제를 의미한다고 할 수 있다. 즉, 수소에너지 사용에 의

한 온실가스 감축효과를 극대화하기 위해서는 수소에너지 생산이 비화

석에너지로부터 이루어져야 한다는 점을 의미하고 있다.

신재생에너지를 이용한 수소에너지 생산이 가장 이상적인 방안이라

고 할 수 있다. 그러나 수소에너지 도입에 따른 비용문제를 극복하기

위해서는 기존 화석에너지와 경쟁할 수 있는 수준까지 기술개발이 지

속적으로 추진될 필요가 있다는 점을 말해주고 있다.

Abstract i

ABSTRACT

1. Research Purpose

The transition from carbon economy based on fossil fuel to

hydrogen economy is necessary to ensure energy security and combat

climate change. The introduction of hydrogen energy is expected to

entail substantial costs compared to fossil energy. Thus, in order to

pursue the transition to hydrogen economy while achieving sustainable

economic growth, a preliminary study on establishing infrastructure for

the future hydrogen economy needs to be performed.

This research, which will be done over three years from 2009 to

2011, mainly aims to estimate the economic effect of hydrogen which

is introduced in electricity, residential and tranport sectors.

After analyzing the effects of the introduction of hydrogen energy,

especially on primary energy demand and GHG emissions, in the first

year(2009), we will focus on the analysis of economic effect and

cost-benefit analysis in the second year(2010). The period for the

analysis is from 2005 to 2050.

ii

2. Summary

Hydrogen demand scenarios are classified as a base demand, high

demand, low demand according to hydrogen demand. Under the

baseline demand scenario, hydrogen energy will be reach 5% market

share in 2031. Hydrogen demand is expected to reach 12.19 million

ton in 2050 and transport sector has the largest share(48.4%) of

hydrogen demand. High demand scenario has the earlier timing of 5%

market share, and low demand scenario has the delayed 5% market

share compared to base scenario.

In the supply side of hydrogen, energy sources for hydrogen energy

are coal, LNG, unclear, renewables(bio-energy and wind energy).

Hydrogen is made either by electrolysis of water, or by fossil fuel

reforming. Currently, hydrogen is mainly produced (97%) from fossil

sources such as natural gas or naphtha, and steam reforming of natural

gas is the most commercial method to produce hydrogen.

The global CGE model is used to estimate economic effect of

hydrogen on energy demand, GHG emissions and macroeconomic

indicators.

Demand for electricity is expected to increase, due to the

introduction of hydrogen energy into the power sector. But, demand

for fossil fuel decreases, especially for the coal. In addition,

introduction of hydrogen energy in the power sector helps reduce CO2

emission, but CO2 emission in transport and household sector will

Abstract iii

increase slightly due to the increased demand for fossil fuels such as

coal and carbon intensive fuels. Due to the increased investment on

hydrogen, GDP will be increased when hydrogen is introdued in

electricity, residential and transport sector.

3. Research Results & Policy Suggestions

This research shows that demand for electricity continue to increase

in spite of introduction of hydrogen energy. That means hydrogen

energy does not take effect on the demand for electricity. However,

introduction of hydrogen leads to the decreased demand for fossil

fuels, mostly coal demand. Thus, a need for adjustment of coal

demand and supply is recognized to prepare for the hydrogen

economy.

Introduction of hydrogen leads to the increase of the investment in

hydrogen production and the reduction of production cost, and

eventually it will bring GDP growth. The result of this analysis is

differ from other studies that conclude introduction of hydrogen

energy is expected to hinder economic growth since its production

cost is much higher than cost of existing fossil fuels. This is because

we assume the subsidies from the government for the hydrogen

industry. Therefore, implementing of the subsidy program is essential

for the successful transition to hydrogen economy.

As expected, it is analyzed that introduction of hydrogen helps

iv

reduce CO2 emission. That means hydrogen energy need to be came

from non-fossil fuel sources to reduce greenhouse gas effectively.

Thus it seems to be necessary to strengthen substantial policy supports

and related researches for the production of hydrogen energy from the

renewable energy.

차례 i

제목 차례

제1장 연구 필요성 및 목적 ··························································· 1

1. 연구 필요성 ··················································································· 1

2. 연구 목적 ······················································································· 2

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 ········································· 4

1. 수소수요 전망 ··············································································· 4

2. 수소공급 전망 ············································································· 12

제3장 수소에너지 생산 및 사용 비용 ······································· 22

1. 수소 에너지 생산 시스템 비용 분석 ········································ 22

2. 수소 에너지 사용 시스템 비용 분석 ········································ 71

제4장 분석모형 및 자료 ······························································ 104

1. 환경 CGE 분석모형 ·································································· 104

2. 분석자료 ····················································································· 123

제5장 수소도입의 경제적 파급효과 ········································· 126

1. 기준안 분석 ··············································································· 126

2. 발전부문 수소도입의 효과 ······················································· 133

3. 수송부문 수소도입의 효과 ······················································· 146

4. 가계부문 수소도입의 효과 ······················································· 158

5. 수소도입의 전체 효과 ······························································ 170

ii

제6장 결 론 ····················································································· 188

1. 주요 분석 결과 ········································································· 188

2. 정책적 시사점 ··········································································· 190

참 고 문 헌 ····················································································· 192

부 록 ······························································································· 206

차례 iii

표 차례

시나리오별 부문별 시장도입 지표 ··········································· 7

기준안의 수소수요 전망 ························································· 8

고수요안의 수소수요 전망 ····················································· 10

저수요안의 수소수요 전망 ····················································· 11

수소공급입지 및 단위 공급용량 ············································ 13

집중형 수소 제조 비용 ··························································· 14

국내 수소 파이프라인의 연간 비용 ······································· 15

가정/상업, 발전부문 수소제조원별 수소 공급량-기준안 ······· 16

수송부문 수소제조원별 수소 공급량-기준안 ·························· 16

수소제조원별 수소 공급량(종합)-기준안 ······························ 17

가정/상업, 발전부문 수소제조원별 수소 공급량-고수요안 ·· 18

수송부문 수소제조원별 수소 공급량-고수요안 ···················· 18

수소제조원별 수소 공급량(종합)-고수요안 ··························· 19

가정/상업, 발전부문 수소제조원별 수소 공급량-저수요안 ·· 20

수송부문 수소제조원별 수소 공급량-저수요안 ···················· 20

수소제조원별 수소 공급량(종합)-저수요안 ··························· 21

수소생산기술 분류 ································································ 23

공정에 따른 촉매 비교 ························································· 29

천연가스로부터 수소제조법의 비교 ····································· 30

물의 전기분해법의 특징 ······················································· 39

단가 산정 시 사용된 기준과 산정 범위 ································ 51

천연가스 개질 및 석탄가스화의 수소생산 비용(760 T/D) ·· 52

iv

천연가스 개질 및 석탄가스화의 수소생산 비용(200 T/D) ·· 53

생산방식에 따른 수소생산 비용 비교 ·································· 56

원자력 수소 생산비용(NERI) ················································ 58

주요 원자력수소생산 방식의 현황비교 ······························ 60

미래의 수소 공급 가격 ······················································· 61

수소 생산단가 비교(2020년 미래옵션기준, NAS 보고서) ···· 65

수소운송방법에 따른 용량 ·················································· 68

연도별 발전용 연료전지 시장규모 전망 ····························· 73

발전용 연료전지 기술수명 및 비용 ···································· 78

가정용 고분자 연료전지 시스템 기술적 목표 ···················· 83

가정 및 상업용 연료전지 기술수명 및 비용 ······················ 84

가정용 고분자 연료전지 시스템 가격 목표 ······················· 85

미국 에너지성 기술 목표 (2007): 연료전지 시스템 ············· 92

미국 에너지성 기술목표 (2007): 연료전지 스택 ·················· 93

미국 에너지성 기술목표 (2007): 전해질막 ··························· 93

미국에너지성 기술목표 (2007): 촉매 ···································· 94

미국 에너지성 기술 목표 (2007): 전극막 ····························· 94

미국 에너지성 기술 목표 (2007): 분리판 ····························· 95

일본 NEDO의 가격 및 성능 목표 (2006): 연료전지 차량 ··· 96

일본 NEDO의 가격 및 성능 목표 (2006): 연료전지 시스템 ··· 97

일본 NEDO의 가격 및 성능 목표 (2006): 연료전지 스택 ··· 97

일본 NEDO의 가격 및 성능 목표 (2006):

가스확산층(GDL)/전극막(MEA) ··········································· 98

차례 v

일본 NEDO의 가격 및 성능 목표 (2006):

가스확산층(GDL)/전극막(MEA) ··········································· 98

일본 NEDO의 가격 및 성능 목표 (2006): 전해질막 ·········· 99

일본 NEDO의 가격 및 성능 목표 (2006): 촉매 ·················· 99

일본 NEDO의 가격 및 성능 목표 (2006): 분리판 ··········· 100

한국 연료전지 자동차 성능 타겟 및 목표가격 ················ 101

환경 CGE모형의 분배모수 설명 ········································· 109

환경 CGE모형의 탄력성모수 설명 ····································· 110

환경 CGE모형의 가격변수 설명 ········································· 111

환경 CGE모형의 생산 및 여타변수 설명 ··························· 112

기준안의 최종에너지 수요 전망 ··········································· 127

기준안의 부문별 에너지 수요 전망 ···································· 128

기준안의 온실가스 배출 전망 ·············································· 130

기준안의 거시경제 전망 ······················································· 132

발전부문 수소도입에 따른 전력 수요 변화(%) ···················· 133

발전부문 수소도입에 따른 석탄 수요 변화(%) ·················· 135

발전부문 수소도입에 따른 천연가스 수요 변화(%) ············· 136

발전부문 수소도입에 따른 석유 수요 변화(%) ···················· 138

발전부문 수소도입에 따른 산업 산출 변화(%) ·················· 139

발전부문 수소도입에 따른 총수요 변화(%) ······················· 140

발전부문 수소도입에 따른 총투자 변화(%) ······················ 142

발전부문 수소도입에 따른 GDP 변화(%) ························· 144

발전부문 수소도입에 따른 이산화탄소 배출량 변화(%) ·· 145

수송부문 수소도입에 따른 전력 수요 변화(%) ················ 146

vi

수송부문 수소도입에 따른 석탄 수요 변화(%) ················ 148

수송부문 수소도입에 따른 천연가스 수요 변화(%) ········· 149

수송부문 수소도입에 따른 석유 수요 변화(%) ················ 150

수송부문 수소도입에 따른 산업부문 산출 변화(%) ········· 152

수송부문 수소도입에 따른 총수요 변화(%) ······················ 154

수송부문 수소도입에 따른 총투자 변화(%) ······················ 155

수송부문 수소도입에 따른 GDP 변화(%) ························· 156

수송부문 수소도입에 따른 이산화탄소 배출량 변화(%) ·· 158

가계부문 수소도입에 따른 전력 수요 변화(%) ················ 159

가계부문 수소도입에 따른 석탄 수요 변화(%) ················ 160

가계부문 수소도입에 따른 천연가스 수요 변화(%) ········· 161

가계부문 수소도입에 따른 석유 수요 변화(%) ················ 162

가계부문 수소도입에 따른 산업부문 산출 변화(%) ········· 163

가계부문 수소도입에 따른 총수요 변화(%) ······················ 166

가계부문 수소도입에 따른 총투자 변화(%) ······················ 167

가계부문 수소도입에 따른 GDP 변화(%) ························· 168

가계부문 수소도입에 따른 이산화탄소 배출량 변화(%) ···· 170

발전·가계·수송부문 수소도입에 따른 에너지 수요 변화(%) ·· 171

발전·가계·수송부문 수소도입에 따른 온실가스 배출량 ··· 172

발전·가계·수송부문 수소도입에 따른 온실가스 배출량 변화율 ·· 174

수소 에너지 도입에 따른 GDP 변화 효과(%) ·················· 176

수소 에너지 도입에 따른 총소비 효과(%) ······················· 177

수소 에너지 도입에 따른 총투자 효과(%) ························· 178

수소 에너지 도입에 따른 석탄 수요 효과(%) ···················· 180

차례 vii

수소 에너지 도입에 따른 가스 수요 효과(%) ···················· 181

수소 에너지 도입에 따른 석유 수요 효과(%) ···················· 183

수소 에너지 도입에 따른 전력 수요 효과(%) ···················· 184

수소 에너지 도입에 따른 산업 산출 효과(%) ···················· 185

발전·가계·수송부문 수소도입에 따른 거시경제 변화(%) 187

viii

그림 차례

[그림 2-1] 기준수요안의 수소수요 전망 ················································ 8

[그림 2-2] 고수요안의 수소수요 전망 ···················································· 9

[그림 2-3] 저수요안의 수소수요 전망 ················································ 11

[그림 2-4] 수요공급 최적시스템 도출 과정 ··········································· 12

[그림 2-5] 수소제조원별 수소 공급량(종합)-기준안 ······························· 17

[그림 2-6 ] 수소제조원별 수소 공급량(종합)-고수요안 ························· 19

[그림 2-7] 수소제조원별 수소 공급량(종합)-저수요안 ··························· 21

[그림 3-1] 수증기개질 공정의 개략도 ·················································· 25

[그림 3-2] 메탄 부분산화 공정의 개략도 ········································· 27

[그림 3-3] 석탄가스화공정의 개략도 ················································ 32

[그림 3-4] 생물학적 물분해 수소생산 메커니즘 ································ 35

[그림 3-5] 광화학/전기화학적 물분해 수소생산 기술의 개념도 ········· 37

[그림 3-6] 고온수전해 방법의 개략도 ·················································· 40

[그림 3-7] 고분자 전해질 막 수전해법 ················································ 42

[그림 3-8] 알칼리 수전해 개념도 ························································· 43

[그림 3-9] 원자력을 이용한 열화학적 수소제조방법의 예 ················ 46

[그림 3-10] 수소생산 및 적용기술 ····················································· 48

[그림 3-11] 플랜트 규모에 따른 자본비 ············································· 50

[그림 3-12] 원유 도입단가와 천연가스 가격 관계 ······························· 54

[그림 3-13] 원유 도입단가에 따른 원자력 수소생산 단가(SMR) ······· 55

[그림 3-14] 수소비용 비교 ·································································· 62

[그림 3-15] 미국 에너지부의 수소생산비용 예측 ································ 64

차례 ix

[그림 3-16] 미국 에너지부의 수소운반비용 예측 ································ 70

[그림 3-17] 외부개질방식과 내부개질방식의 비교 ····························· 73

[그림 3-18] 발전용 연료전지 시장 전망 ··········································· 74

[그림 3-19] FCE사의 연도별 가격저감 추이 ········································ 76

[그림 3-20] 발전용 MCFC 시스템의 상용화 로드맵 및 가격저감 ······ 79

[그림 3-21] 2007년까지의 소형 연료전지 누적 보급량 ······················ 81

[그림 3-22] 현재 가격 및 연간 1만대 생산 시 시스템 가격 예상치 ·· 86

[그림 3-23] 연료전지 스택의 구성 ····················································· 89

[그림 3-24] 운전장치 시스템의 Sub-시스템 및 주요 부품 구성 ········ 90

[그림 3-25] 수소저장기술의 분류 ························································· 91

[그림 3-26] 2015년 스택의 원가 구조 ·············································· 102

[그림 4-1] 생산물 및 생산요소의 국제적 흐름 ·································· 113

[그림 4-2] 환경 CGE모형의 생산구조 ················································ 116

[그림 4-3] 환경 CGE모형의 최종수요구조 ········································· 119

[그림 5-1] 기준안에 따른 에너지 최종수요 전망 ······························· 127

[그림 5-2] 기준안에 따른 부문별 에너지 수요 전망 ························· 129

[그림 5-3] 기준안에 따른 부문별 이산화탄소 배출량 전망 ··············· 131

[그림 5-4] 기준안에 따른 거시경제 전망 ··········································· 132

[그림 5-5] 발전부문 수소도입 시나리오별 전력 수요 변화(%) ········· 134

[그림 5-6] 발전부문 수소도입 시나리오별 석탄수요 변화(%) ··········· 135

[그림 5-7] 발전부문 수소도입 시나리오별 천연가스 수요 변화(%) ·· 136

[그림 5-8] 발전부문 수소도입 시나리오별 석유 수요 변화(%) ········· 137

[그림 5-9] 발전부문 수소도입 시나리오별 산업 산출 변화(%) ··········· 139

[그림 5-10] 발전부문 수소도입 시나리오별 총수요 변화(%) ············· 141

x

[그림 5-11] 발전부문 수소도입 시나리오별 총투자 변화(%) ··············· 142

[그림 5-12] 발전부문 수소도입 시나리오별 GDP 변화(%) ················ 143

[그림 5-13] 발전부문 수소도입 시나리오별 온실가스 배출량 변화(%) 145

[그림 5-14] 수송부문 수소도입 시나리오별 전력 수요 변화(%) ········ 147

[그림 5-15] 수송부문 수소도입 시나리오별 석탄수요 변화(%) ········· 148

[그림 5-16] 수송부문 수소도입 시나리오별 천연가스 수요 변화(%) · 149

[그림 5-17] 수송부문 수소도입 시나리오별 석유 수요 변화(%) ········ 151

[그림 5-18] 수송부문 수소도입 시나리오별 산업부문 산출 변화(%) · 152

[그림 5-19] 수송부문 수소도입 시나리오별 총수요 변화(%) ············· 153

[그림 5-20] 수송부문 수소도입 시나리오별 총투자 변화(%) ············· 155

[그림 5-21] 수송부문 수소도입 시나리오별 GDP 변화(%) ················ 156

[그림 5-22] 수송부문 수소도입 시나리오별 온실가스 배출량 변화(%) ··· 157

[그림 5-23] 가계부문 수소도입 시나리오별 전력 수요 변화(%) ········· 159

[그림 5-24] 가계부문 수소도입 시나리오별 석탄수요 변화(%) ··········· 160

[그림 5-25] 가계부문 수소도입 시나리오별 천연가스 수요 변화(%) ·· 161

[그림 5-26] 가계부문 수소도입 시나리오별 석유 수요 변화(%) ········· 163

[그림 5-27] 수송부문 수소도입 시나리오별 산업 산출 변화(%) ········ 164

[그림 5-28] 가계부문 수소도입 시나리오별 총수요 변화(%) ············· 165

[그림 5-29] 가계부문 수소도입 시나리오별 총투자 변화(%) ············· 167

[그림 5-30] 가계부문 수소도입 시나리오별 GDP 변화(%) ················ 168

[그림 5-31] 가계부문 수소도입 시나리오별 온실가스 배출량 변화(%) ··· 169

[그림 5-32] 발전·가계·수송부문 수소도입에 따른 에너지 수요 변화(%) ·· 171

[그림 5-33] 발전·가계·수송부문 수소도입에 따른 온실가스 배출량변화 ·· 173

[그림 5-34] 발전·가계·수송부문 수소도입에 따른 온실가스 배출량 변화율 · 174

차례 xi

[그림 5-35] 수소 에너지 도입 부문별 GDP 효과(%) ··························· 175

[그림 5-36] 수소 에너지 도입 부문별 총소비 효과(%) ························ 177

[그림 5-37] 수소 에너지 도입 부문별 총투자 효과(%) ························ 178

[그림 5-38] 수소 에너지 도입 부문별 석탄 수요 효과(%) ·················· 179

[그림 5-39] 수소 에너지 도입 부문별 가스 수요 효과(%) ·················· 181

[그림 5-40] 수소 에너지 도입 부문별 석유 수요 효과(%) ·················· 182

[그림 5-41] 수소 에너지 도입 부문별 전력 수요 효과(%) ·················· 184

[그림 5-42] 수소 에너지 도입 부문별 산업 산출 효과(%) ·················· 185

[그림 5-43] 발전, 가계 및 수송부문 수소도입에 따른 거시경제 변화(%) ·· 187

제1장 연구 필요성 및 목적 1

제1장 연구 필요성 및 목적

1. 연구 필요성

석유 가격은 자원의 고갈로 인해 지속적으로 상승할 전망이다. 천연

가스 역시 자원의 고갈문제에 직면할 것으로 예상된다. 매장량이 풍부

한 석탄은 온실가스 배출 및 오염물질 배출과 같은 환경문제를 수반하

고 있다.

기후변화를 방지하기 위한 노력으로 선진국(부속서 I 국가)은 1차 공

약기간(2008~2012년)의 감축의무를 이행하고 있다. 교토의정서에 의해

1차 공약기간에 1990년 온실가스 배출량 대비 5.2%를 감축해야 한다.

현재 유엔에서는 2012년 이후 선진국의 온실가스 감축 의무부담 설

정에 관한 협상(AWG-KP)이 진행 중이다. 이와 동시에 개도국의 온실

가스 감축 참여에 관한 협상(AWG-LCA)도 진행되고 있다.

선진국, 개도국간 장기 협력적 행동(AWG-LCA)의 기초가 되었던 발

리행동계획(Bali Action Plan)에 의하면 선진국뿐만 아니라 개도국도

온실가스 감축행동을 취하도록 되어 있다. 환경 문제를 극복하기 위해

서 개도국도 노력에 동참해야 한다는 것이 일반적인 시각이다.

온실가스 감축 의무국가가 아님에도 불구하고 우리나라는 중기 온실

가스 감축목표를 발표했다(2009.11). 2020년까지 기준 배출량 대비

30% 감축한다는 것이다. 이를 성실히 이행하기 위해 녹색성장기본법을

제정하고 온실가스.에너지목표관리제와 같은 수단을 도입하고 있다.

2

수소에너지는 지역적 편중없이 무한정 공급될 수 있는 가능성이 높

기 때문에 자원고갈 및 공급불안에 따른 에너지 안보 문제를 해결할

수 있다. 수소에너지가 저탄소 방식으로 생산될 경우 온실가스 배출 문

제도 해결될 수 있다.

대부분의 에너지를 수입에 의존하고 있는 우리나라는 에너지 안보에

취약한 구조를 지니고 있다. 화석연료 자원고갈과 기후변화에 대응하기

위해서는 저탄소 사회로의 이행을 준비해야 한다. 수소에너지는 저탄소

경제체제 구축에 필수적인 에너지라고 할 수 있다.

저탄소 에너지에 의한 수소생산에는 막대한 비용이 수반될 것으로

예상된다. 수소에너지 생산 효율이 기존 화석에너지에 비해 낮고 수소

에너지 생산 및 공급방식에 많은 비용이 수반되기 때문이다. 수소에너

지 도입으로 에너지 수요가 증가할 가능성도 있다.

지속적인 경제성장을 달성하면서 수소경제로의 이행을 추진하기 위

해서는 수소경제 이행에 대비한 기반구축 연구가 착실하게 수행될 필

요가 있다. 수소에너지 도입 비용을 낮추고 인프라를 구축하는 준비를

하는 것이 필요하다.

2. 연구 목적

본 연구과제는 수소경제 이행의 기반구축을 위한 정책대안 개발을

목적으로 진행되고 있다. 이번 연구는 3개년(2009년~2011년)에 걸쳐

수행되고 있는 수소경제 기반구축 연구의 제2차년도(2010년) 연구이다.

1차년도(2009)년 연구에서는 수소 에너지 도입이 에너지 수급과 온

실가스 배출에 미치는 영향을 분석했다. 이번 2차년도(2010) 연구의 목

제1장 연구 필요성 및 목적 3

적은 수소에너지 도입이 발전, 가계, 수송부문의 에너지 수요, 거시경제

지표 및 온실가스 배출에 미치는 영향을 분석하는 것이다.

수소에너지는 장기적인 투자와 에너지 시스템의 근본적인 변화를 수

반하게 된다. 따라서 분석기간은 2005년부터 2050년으로 설정했다. 가

격 및 비용은 2005년 불변가격을 기준으로 했다.

제2장에서는 2050년까지 부문별 수소수요를 전망하고 최적화모형을

이용하여 수소공급믹스를 전망했다. 수소수요는 1차년도(2009년) 연구

와 동일하게 기준수요, 고수요, 저수요의 세 개의 시나리오를 설정했다.

수소공급은 수소수요 시나리오에 대응하는 방식을 채택했다.

제3장에서는 수소에너지를 생산하고 사용하는 시스템의 개요와 각

시스템의 비용을 분석했다. 수소 생산 및 사용 설비의 비용에는 불확실

성이 높기 때문에 전문가에 의한 비용분석을 제시했다.

제4장에서는 본 연구에 사용되는 하향식 분석모형인 환경 CGE 모형

과 모형에 입력될 자료를 설명했다. 분석대상 에너지 시스템을 설명하

고 모형의 제약조건도 설명했다.

제5장에서는 분석모형인 CGE 모형을 이용해서 수소에너지가 우리나

라 발전부문, 가계부문, 수송부문에 도입될 경우의 효과를 분석했다. 전

력 및 화석에너지 수요, 총수요 및 GDP 등의 거시경제 지표, 온실가스

배출에 미치는 파급효과를 분석했다.

제6장에서는 연구결과를 요약하고 정책적 시사점을 도출했다. 수소

에너지 도입은 장기적인 관점에서 준비해야 한다는 점에서 정부가 수

소경제 이행을 위해 준비해야 하는 점을 제시했다.

4

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정

본 장에서는 시장확산모형을 이용하여 2005년부터 2050년까지의 부

문별 수소수요를 전망하고 최적화모형을 활용하여 수소수요에 대응하

는 수소공급믹스를 전망한다.

수소수요는 1차년도(2009년) 연구와 동일하게 기준수요, 고수요, 저

수요로 구분하였고 수소공급은 수소수요 시나리오에 대응하는 방식을

채택했다. 따라서 본 연구에서는 기준안, 고수요안, 저수요안의 총 3개

장기 수소수급 시나리오를 설정했다.

1. 수소수요 전망

가. 수소수요 전망 방법론1)

1) 분석 방법론

본 연구에서 사용한 수소 수요전망 방법론은 Lawrence-Lawton 시장

확산모형이다. 시장확산모형은 기존 기술과 신기술의 차이를 감안하여

기술의 확산속도를 예측하며 특정 기술의 시장보급율을 전망하는 모형

이다.

본 연구에서는 부경진(2006)의 선행연구결과를 발전시켜 수소 수요전

망을 실시했다. 부경진(2006)은 Lawrence-Lawton 확산모형을 이용하여

1) 전망 방법론은 1차년도(2009년) 연구와 동일하다.

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 5

2040년까지 수소 수요량을 전망하고 이에 따른 에너지믹스 변화를 분

석했다. Lawrence-Lawton 확산함수의 일반적인 형태는 다음과 같다.

여기서 : t시점의 누적 채택률

: 초기시장 파라미터

: 확산 속도 파라미터

: 현재년도 + 성숙도 - 기준년도

부경진(2006)의 연구는 분석의 시계가 2040년까지이기 때문에 본 연

구에서는 부경진의 연구를 바탕으로 수소 수요전망을 2050년으로 확장했다.

2) 분석의 기본전제

일반적으로 시장확산 모형을 적용하기 위해서는 파라미터의 추정이

필요하고 이를 위해서는 과거 실측 데이터가 어느 정도 축적이 되어

있어야 한다. 하지만 연료전지의 경우 보급의 역사가 짧고 그 규모 또

한 매우 적어 파라미터를 추정하기 힘든 문제점이 있다.

부경진(2006)은 Collantes(2006)의 연구결과를 인용하여 수소연료전

지의 시장 도입시기와 특정 시장점유율 도달 시기를 지정하는 방식으로

파라미터들을 추정했다. 본 연구에서는 부경진의 연구결과를 인용했다.2)

2) Collantes(2006)는 연료전지 자동차 시장을 예측하기 위해 미국 내 수소 및 연료전지관련 전문가들을 대상으로 연료전지 자동차의 시장도입시기와 연료전지 자동차의 자

동차 시장 점유율 5% 도달시기에 대한 설문을 실시했다.

6

본 연구에서는 3개의 수소 수요 시나리오를 설정했다. 기준수요의 경

우 수송부문은 Collantes(2006)의 연구결과를 그대로 인용했다. 즉, 수

송부문의 경우 2015년 연료전지 자동차가 시장에 도입되어 2031년에

5%의 시장점유율(자동차 등록대수 기준)을 확보하는 것으로 가정3)했다.

고수요의 경우 유가 상승, 기술개발로 인한 수소 가격하락 등으로 인

해 기준수요보다 수소 연료전지의 시장도입시기가 빨라지는 것으로 가

정했다. 2012년에 시장도입이 시작되고 5% 시장도입시기도 2028년으

로 빨라지는 것으로 설정했다.

저수요안의 경우 유가가 안정되고 수소 연료전지의 기술개발 및 가

격경쟁력 확보시기가 지체되어 2018년에 시장도입이 시작되는 것으로

가정했다. 5% 시장점유율 확보시기도 2034년으로 가정했다.

발전부문과 가정/상업부문은 수송부문의 5% 시장점유시기를 기준으

로 기술수준, 국내 여건, 국내 수소-연료전지 전문가의 의견을 수렴하

여 시기를 조정했다. 시나리오별 및 부문별 수소에너지 시장 도입시기

와 5% 시장 점유율 확보시기에 관한 가정은 다음 표와 같다.

총 366명이 응답했으며 가장 많은 사람이 2015년을 연료전지 자동차의 시장도입시기로 답변했다. 연료전지 자동차의 신규시장 점유율 5% 확보 시점은 총 340명이 응답하였으며 결과는 평균 2031년으로 조사되었다.

일반적으로 시장점유율 5%는 인프라에 대한 투자가 크게 필요한 신기술 및 신제품에있어서 중요한 의미를 가지는 시점으로 알려져 있다. 그 이유는 이러한 기술 및 제품은 5%의 시장점유율을 확보한 이후에 확산속도가 다른 제품에 비해 더욱 빨라지는특징을 지니고 있기 때문이다.

3) 2031년 5% 시장점유율 확보는 자가용승용차와 택시 등 소형 자동차에 해당된다. 대형 자동차의 경우 확산속도 파라미터가 소형 자동차에 비해 10% 큰 것으로 가정했기 때문에 이보다 빠른 시기에 5% 시장점유율이 확보될 것으로 가정했다.

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 7

기준수요 고수요 저수요

수소 연료전지

시장도입시기2015년 2012년 2018년

수소 연료전지

5% 시장점유시기

수송 2031년 수송 2028년 수송 2034년

발전 2028년 발전 2025년 발전 2031년

가정 2031년 가정 2028년 가정 2034년

상업 2029년 상업 2026년 상업 2032년

시나리오별 부문별 시장도입 지표

주 : 1차년도 연구(2009)와 내용은 동일하다.자료 : 에너지경제연구원, 미래수소경제 실현을 위한 기반구축 연구 : 2009

나. 수소수요 전망 결과4)

1) 기준수요안

앞의 방법론과 기본전제를 바탕으로 실시된 수소 수요전망 결과 기

준수요의 수소 수요량은 2050년에 12,191천 톤에 이를 것으로 전망된

다. 2030년 경 본격적으로 확대되기 시작하는 수소는 2050년에 모든

부문에서 수요가 포화상태에 이를 것으로 전망된다.

기준수요는 1차년도 연구결과(2009)와 동일하다. 2050년의 부문별

점유율은 수송부문이 48.4%로 가장 높은 비중을 차지할 전망이다. 산

업부문(발전부문)이 24.0%, 상업무문이 20.7%, 가정부문이 7.0%를 차

지할 것으로 예상된다. 수송부문이 주요 소비 부문으로 전망된다.

4) 본 연구의 수소 수요전망 결과는 1차년도 연구결과와 동일하다.

8

[그림 2-1] 기준수요안의 수소수요 전망

자료 : 에너지경제연구원, 미래수소경제 실현을 위한 기반구축 연구, 2009

구분 2020년 2030년 2040년 2050년

부문 비중 양 비중 양 비중 양 비중 양

발전 33.9% 10 35.4% 292 28.0% 2,174 24.0% 2,920

수송 42.7% 12 40.0% 330 45.6% 3,545 48.4% 5,896

가정 5.2% 1 3.9% 32 4.6% 355 7.0% 854

상업 18.1% 5 20.7% 170 21.8% 1,696 20.7% 2,521

계 100% 28 100% 824 100% 7,769 100% 12,191

기준안의 수소수요 전망

(단위 : 천 톤)

자료 : 에너지경제연구원, 미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구, 2009

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 9

2) 고수요안

고수요안의 수소수요량은 2040년 총 1,015만 톤, 2050년에는 12,456

천 톤에 이를 것으로 전망된다. 기준수요와 마찬가지로 2050년 경에는

수소수요가 포화수준에 이르지만 포화속도는 기준수요보다 다소 빠를

것으로 예상된다.

고수요 전망 역시 1차년도 연구(2009)와 동일하다. 2050년의 부문별

수소수요 비중은 수송부문이 48.5%로 절반에 이를 전망이며, 발전부문

이 23.7%, 가정/상업 부문이 27.8%로 전망된다.

[그림 2-2] 고수요안의 수소수요 전망

자료 : 에너지경제연구원, 미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구, 2009

10

구분 2020년 2030년 2040년 2050년

부문 비중 양 비중 양 비중 양 비중 양

발전 33.4% 26 33.3% 623 25.5% 2,590 23.7% 2,950

수송 44.1% 35 42.9% 804 48.2% 4,890 48.5% 6,083

가정 4.6% 4 3.6% 67 5.3% 539 7.3% 910

상업 17.9% 14 20.2% 379 21.0% 2,135 20.5% 2,558

계 100% 79 100% 1,873 100% 10,154 100% 12,456

고수요안의 수소수요 전망

(단위: 천 톤)

자료 : 에너지경제연구원, 미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구, 2009

3) 저수요안

저수요안의 수소수요량은 2050년에는 11,608천 톤에 이를 것으로 전

망된다. 기준수요 및 고수요 시나리오와 달리 저수요안은 2050년에도

수소수요가 포화상태에 도달하지 않을 전망이다. 따라서 수소 수요의

증가추세가 2050년까지 지속될 전망이다.

2040년부터 2050년 사이에 수소수요량이 크게 증가하여 2050년의

수소수요가 2040년의 수소수요의 두 배를 초과할 것으로 전망된다. 수

송부문의 수소수요가 48.0%로 절반가량을 차지할 것으로 전망되며, 발

전부문과 가정/상업부문은 각각 24.5%, 27.5%로 전망된다.

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 11

[그림 2-3] 저수요안의 수소수요 전망

구분 2020년 2030년 2040년 2050년

부문 비중 양 비중 양 비중 양 비중 양

발전 34.3% 3 36.7% 124 31.3% 1,552 24.5% 2,847

수송 41.6% 3 37.9% 128 42.0% 2,084 48.0% 5,575

가정 5.8% 0 4.4% 15 4.1% 204 6.5% 753

상업 18.3% 1 21.0% 71 22.6% 1,121 21.0% 2,433

계 100% 8 100% 339 100% 4,961 100% 11,608

자료:에너지경제연구원, 미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구, 2009

저수요안의 수소수요 전망

(단위: 천 톤)

자료 : 에너지경제연구원, 미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구, 2009

12

2. 수소공급 전망

가. 수소공급 전망 방법론

수소공급 최적믹스를 산출하기 위해서는 수소공급시스템 최적화 모형

을 구축해야 한다. 본 연구에서는 수소공급시스템을 분석하기 위한 최

적화 모형으로 최소걸침나무(minimum spanning tree: MST) 해법을 통

한 최적해 도출 방법론을 선택했다.

MST 해법은 모든 연결점(edge)을 최소의 비용 또는 거리로 연결하

는 것이다. 즉, 추정된 수소수요량과 선정된 수소공급지를 바탕으로 다

수의 공급지에서 다수의 수요처에 최소의 비용으로 수소를 공급하는

문제를 푸는 것이다. 수소공급믹스 분석은 수소경제 이행단계를 매 5년

으로 구분하여 단계별로 실시했다.

수소공급시스템 최적화 모형 구축을 위해서는 우선 [그림 2-4]와 같이

지역별 수소수요량 산정, 지역별/제조원별 수소공급량 산정, 수소기술별

비용 및 특성 분석 등이 요구된다.

[그림 2-4] 수요공급 최적시스템 도출 과정

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 13

우선 지역별 수소수요량을 추정하기 위해 행정구역을 기준으로 전국

을 165개의 시군 단위로 구분하고 각 시군별 전력수요와 인구, 그리고

자동차등록대수 등을 기준으로 수소수요량을 배분했다. 이를 바탕으로

분석의 편의성을 위해 권역별/제조원별 수소공급량을 산정했다.

권역은 크게 북부와 남부로 구분하였고 수소제조원은 석탄, 원자력,

LNG, 부생수소, 신재생(바이오, 풍력) 등 6개 제조원을 선정했다. 각

제조원별 입지와 단위 공급용량은 다음의 표와 같다.

에너지원수소공급 입지 단위 공급용량

(천톤)북부 남부

석탄인천, 시흥, 평택, 당진,

태안, 보령군산, 사천, 부산 200

원자력 - 영광, 부산, 경주 360

LNG 인천, 평택 통영 300

부생수소 서산 여수, 포항, 울산 50

신재생바이오

인천, 평택, 양주, 광주,

홍천, 음성, 연기

정읍, 화순, 목포, 군산,

영천, 밀양, 마산56

풍력 태안 부안, 무안, 신안, 진해 32

수소공급입지 및 단위 공급용량

다음으로 수소기술별 비용 및 특성은 부경진(2008)의 연구결과를 인

용했다. 집중형 수소제조 비용은 $1.69~4.00kg/H2로 추정된다. 석탄이

가장 저렴하고 풍력과 바이오매스 등 신재생에너지의 제조비용은 가장

높을 것으로 전망된다.

14

구  분 고정비 변동비 수소 제조비용

신재생에너지바이오매스 0.45 2.89 3.34

풍  력 3.60 0.40 4.00

석  탄 0.97 0.72 1.69

천연가스 0.34 2.22 2.56

부생수소 0.42 2.39 2.81

원자력 1.21 1.15 2.36

집중형 수소 제조 비용

(단위 : $/kgH2)

자료 : 에너지경제연구원, 미래 수소경제 실현을 위한 기반구축 연구-수소경제 이행의최적경로 개발-, 2008

다음으로 분산형 수소제조 비용(1kW 생산규모를 갖는 RPG 기준)은

도시가스 비용(연간 922,150원)과 분산형 연료전지의 총 비용(1,107,030

원)을 기준으로 추정했다. 이는 연료전지 가동시간을 6,000시간, 에너지

효율은 40%, 도시가스의 소비자가격은 750원/Nm3로 가정한 결과이다.

마지막으로 수소 운송비용은 국내 천연가스 배관의 초기투자비와 미

국 DOE(2007)의 사례를 감안하여 다음 표와 같이 설정했다. 수소 파이

프라인 및 관리소는 100% 자기자본으로 건설하고 파이프라인의 수명

은 50년, 수명 이후의 잔존가치는 무시할 수 있는 것으로 가정했다.

한편, 수소 파이프라인의 terminal node에 대응되는 지역은 20-inch

파이프라인, 대도시 지역과 대규모 수소 제조공장에서 연결되는 파이프

라인은 30-inch 파이프라인을 설치하는 것으로 가정했다.

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 15

구분 20-inch 파이프라인 30-inch 파이프라인

초기 투자비 1,033 1,393

자본비용 74.9 110.0

연간 운영비 72.9 72.9

총 연간비용 147.8 182.9

국내 수소 파이프라인의 연간 비용

(단위 : 백만원/km)

나. 수소공급 전망 결과

1) 기준안

이상의 가정들을 바탕으로 수소공급시스템 최적화 모형을 통해 분석

한 기준안의 수소제조원별 수소공급량 전망치는 다음 표와 같다.

분석결과에 따르면 2050년 수공 공급량(12,191천톤)중에서 LNG는

5,117천톤, 석탄은 4,149천톤을 공급할 것으로 전망된다. 원자력과 신

재생에너지는 각각 1,151천톤과 1,534천톤의 수소를 생산·공급할 것으로

예상된다. LNG와 석탄이 수소공급의 76%(9,266천톤)를 공급할 전망이

다.

가정/상업과 발전부문 수소 수요(6,295천톤)의 60%는 LNG(3,794천

톤), 23%는 석탄(1,466천톤)에서 공급될 전망이다. 수송부문의 수소수

요(5,896천톤)에서 LNG는 22%(1,323천톤), 석탄은 45%(2,682천톤)을

담당할 전망이다.

LNG를 이용한 수소공급량이 가장 높은 비중을 차지하는 이유는 분

산형 수소공급을 LNG가 담당할 것으로 가정하였고 발전용은 전량

16

LNG를 이용하는 것으로 가정했기 때문이다. 1차년도 연구에 비해 신

재생에너지와 원자력의 공급비중이 줄어들고 LNG의 공급비중이 대폭

증가한 것이 특징이다.

에너지원 2015년 2020년 2025년 2030년 2035년 2040년 2045년 2050년

석탄 - - - - 395 984 1,334 1,466

원자력 - - - - 98 273 370 407

LNG 0.9 16.1 97.3 494 1,188 2,546 3,451 3,794

부생수소 - - - - 20 57 77 85

신재생

바이오 - - - - 99 316 428 471

풍력 - - - - 0 48 65 72

소계 - - - - 99 364 493 542

합계 0.9 16.1 97.3 494 1,800 4,224 5,725 6,295

가정/상업, 발전부문 수소제조원별 수소 공급량-기준안

(단위 : 천톤 H2)

에너지원 2015년 2020년 2025년 2030년 2035년 2040년 2045년 2050년

석탄 -　 -　 -　 120 705 1,612 2,433 2,682

원자력 -　 -　 　- -　 174 447 675 744

LNG 0.7 12.0 68.8 210 257 795 1,200 1,323

부생수소 - - - - 35 93 140 155

신재생

바이오 - - - - 176 517 780 860

풍력 - - - - - 79 119 131

소계 - - - - 176 596 900 992

합계 0.7 12.0 68.8 330 1,347 3,543 5,348 5,896

수송부문 수소제조원별 수소 공급량-기준안

(단위 : 천톤 H2)

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 17

에너지원 2015년 2020년 2025년 2030년 2035년 2040년 2045년 2050년

석탄- - - 120 1,100 2,596 3,767 4,149

- - - 14.6% 35.0% 33.4% 34.0% 34.0%

원자력- - - - 272 720 1,045 1,151

- - - - 8.6% 9.3% 9.4% 9.4%

LNG1.6 28.1 166.0 704 1,445 3,341 4,651 5,117

100% 100% 100% 85.4% 45.9% 43.0% 42.0% 42.0%

부생수소- - - - 55 150 218 240

- - - - 1.7% 1.9% 2.0% 2.0%

신재생

바이오- - - - 275 833 1,209 1,331

- - - - 8.7% 10.7% 10.9% 10.9%

풍력- - - - - 127 184 203

- - - - 0.0% 1.6% 1.7% 1.7%

소계- - - - 275 960 1,393 1,534

- - - - 8.7% 12.4% 12.6% 12.6%

합계 1.6 28.1 166.0 824 3,147 7,767 11,073 12,191

수소제조원별 수소 공급량(종합)-기준안

(단위 : 천톤 H2)

[그림 2-5] 수소제조원별 수소 공급량(종합)-기준안

(단위 : 천톤 H2)

18

2) 고수요안

고수요안의 수소제조원별 공급량 전망결과는 다음과 같다. 기준안에 비해

원자력과 LNG 비중이 다소 증가하고 석탄과 부생수소, 바이오의 비중

이 감소했다. 기준안과 수소공급믹스에 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.

에너지원 2015년 2020년 2025년 2030년 2035년 2040년 2045년 2050년

석탄 -　 -　 -　 180 584 1,101 1,285 1,343

원자력 -　 -　 -　 -　 217 397 463 484

LNG 6.1 44.0 237.0 889 2,026 3,288 3,836 4,009

부생수소 -　 -　 -　 -　 18 55 64 67

신재생

바이오 -　 -　 -　 -　 137 364 425 444

풍력 -　 -　 -　 -　 23 59 69 72

소계 -　 -　 -　 -　 160 423 494 516

합계 6.1 44.0 237.0 1,069 3,005 5,264 6,142 6,419

가정/상업, 발전부문 수소제조원별 수소 공급량-고수요안

(단위 : 천톤 H2)

에너지원 2015년 2020년 2025년 2030년 2035년 2040년 2045년 2050년

석탄 -　 -　 -　 248 1,032 1,925 2,324 2,347

원자력 -　 -　 -　 -　 383 693 837 845

LNG 4.9 34.7 180.9 556 903 1,437 1,735 1,752

부생수소 -　 -　 -　 -　 32 96 116 117

신재생

바이오 -　 -　 -　 -　 242 636 768 776

풍력 -　 -　 -　 -　 41 103 124 126

소계 -　 -　 -　 -　 283 739 892 901

합계 4.9 34.7 180.9 804 2,633 4,890 5,904 6,038

수송부문 수소제조원별 수소 공급량-고수요안

(단위 : 천톤 H2)

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 19

에너지원 2015년 2020년 2025년 2030년 2035년 2040년 2045년 2050년

석탄- - - 428 1,616 3,026 3,609 3,690

- - - 22.9% 28.7% 29.8% 30.0% 29.6%

원자력- - - - 600 1,090 1,300 1,329

- - - - 10.6% 10.7% 10.8% 10.7%

LNG11.0 78.7 417.9 1,445 2,929 4,725 5,571 5,762

100% 100% 100% 77.1% 52.0% 46.5% 46.3% 46.3%

부생수소- - - - 50 151 180 184

- - - - 0.9% 1.5% 1.5% 1.5%

신재생

바이오- - - - 379 1,000 1,193 1,219

- - - - 6.7% 9.8% 9.9% 9.8%

풍력- - - - 64 162 193 198

- - - - 1.1% 1.6% 1.6% 1.6%

소계- - - - 443 1,162 1,386 1,417

- - - - 7.9% 11.4% 11.5% 11.4%

합계 11.0 78.7 417.9 1,873 5,638 10,154 12,046 12,456

수소제조원별 수소 공급량(종합)-고수요안

(단위 : 천톤 H2)

[그림 2-6 ] 수소제조원별 수소 공급량(종합)-고수요안

(단위 : 천톤 H2)

20

3) 저수요안

저수요안은 기준안에 비해 LNG 비중이 크게 증가하고 다른 에너지

원 비중은 감소하여 기준안 및 고수요안과 차별적인 수소공급원 믹스

를 가질 것으로 전망된다. 이는 수소수요가 낮을수록 분산형 수소공급

비중이 높고 가격에 민감하게 반응하기 때문으로 판단된다.

에너지원 2015년 2020년 2025년 2030년 2035년 2040년 2045년 2050년

석탄 - - - - 168 600 1,035 1,258

원자력 - - - - - 　 154 266 323

LNG - 5.7 37.8 210 737 1,981 3,418 4,154

부생수소 - - - - - 21 36 44

신재생

바이오 - - - - - 94 162 197

풍력 - - - - - 27 47 57

소계 - - - - - 120 207 252

합계 - 5.7 37.8 210 905 2,877 4,964 6,033

가정/상업, 발전부문 수소제조원별 수소 공급량-저수요안

(단위 : 천톤 H2)

에너지원 2015년 2020년 2025년 2030년 2035년 2040년 2045년 2050년

석탄 - - - - 208 898 1,870 2,402

원자력 - - - - - 231 481 618

LNG - 3.3 25.1 128 382 742 1,545 1,985

부생수소 - - - - - 32 67 86

신재생

바이오 - - - - - 140 292 375

풍력 - - - - - 41 85 110

소계 - - - - - 181 377 484

합계 - 3.3 25.1 128 590 2,084 4,340 5,575

수송부문 수소제조원별 수소 공급량-저수요안

(단위 : 천톤 H2)

제2장 장기 수소 수급 시나리오 설정 21

에너지원 2015년 2020년 2025년 2030년 2035년 2040년 2045년 2050년

석탄- - - - 376 1,498 2,905 3,660

- - - - 25.2% 30.2% 31.2% 31.5%

원자력- - - - - 385 747 941

- - - - - 7.8% 8.0% 8.1%

LNG- 9.0 62.9 338 1,119 2,723 4,963 6,139

- 100% 100% 100% 74.8% 54.9% 53.3% 52.9%

부생수소- - - - - 53 103 130

- - - - - 1.1% 1.1% 1.1%

신재생

바이오- - - - - 234 454 572

- - - - - 4.7% 4.9% 4.9%

풍력- - - - - 68 132 166

- - - - - 1.4% 1.4% 1.4%

소계- - - - - 301 584 736

- - - - - 6.1% 6.3% 6.3%

합계 - 9.0 62.9 338 1,495 4,961 9,304 11,608

수소제조원별 수소 공급량(종합)-저수요안

(단위 : 천톤 H2)

[그림 2-7] 수소제조원별 수소 공급량(종합)-저수요안

(단위 : 천톤 H2)

22

제3장 수소에너지 생산 및 사용 비용

본 장에서는 수소에너지를 생산하는 시스템과 수소에너지를 사용하

는 시스템의 개요와 각 시스템의 비용 분석을 제시한다. 이러한 비용분

석은 다음 장에서 설명될 분석모형의 자료에 반영되며 수소경제의 경

제성에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 요인으로 작용하게 된다.

1. 수소 에너지 생산 시스템 비용 분석5)

가. 수소에너지 생산시스템 개요.

수소제조법은 원료, 공정, 제조 장소 등 여러 관점에서 분류가 가능

하나, 기술적 측면이나 실용화 정도에서 크게 차이를 보인다. 또, 에너

지․환경 문제의 해결을 고려할 경우 수소제조의 원료에 따라 수소제

조법을 구별하는 방법이 적당하다.

화석연료를 이용하여 수소를 제조하는 공정은 수증기 개질, 이산화탄

소 개질, 부분 산화법, 자열 개질, 직접분해법 등이 있다. 그리고 물을

이용하여 수소를 제조하는 공정은 전기분해, 열화학, 광화학적 방법 및

생물학적 제조 방법이 있다6).

5) 수소에너지 생산시스템 비용분석은 에너지기술연구원 수소에너지사업단의 김종원 단장이 작성한 것으로서 1차년도(2009년) 연구에 비해 보다 상세한 분석을 제시한 것이다.

6) 최재호, 이영우, 강경석, 최상진, 김종욱, “수소제조 기술특성 및 특허분석에 의한 기술동향”, 한국수소 및 신에너지학회 논문집, 18(4) 481-494 (2007).

제3장 수소에너지 생산 및 사용 비용 23

방 법 원료 에너지원 상용화여부

화석연료

이용

수증기 개질천연가스, LPG,

나프타열 상용화

이산화탄소

개질천연가스 열 연구단계

부분산화 중질유, 석탄 열 상용화

자열개질천연가스, LPG,

나프타열 상용화

직접분해 천연가스 열 상용화

비 화석연료

이용

전기분해 물전력 (수력,

원자력)

상용화/신기술

은 연구단계

열화학 분해 물 원자력, 태양열 연구단계

생물학적 분해 바이오매스태양광, 열,

미생물연구단계

광화학적 분해 물 태양광 연구단계

수소생산기술 분류

1) 화석연료 개질 기술

보편으로 수소는 약 97%가 천연가스나 나프타 등의 화석연료로부터

제조되고 있다7). 석탄 및 경유는 부분 산화법, 나프타는 수증기 개질,

천연가스는 수증기 개질, 부분산화자열 개질법을 이용하여 수소를 제조

하고 있다8).

CO2 분리와 처리 및 저장을 고려하지 않은 현재의 경제성 평가에서

7) 김종욱, 김종원, 김창수, 배기광, 오시덕, 윤왕래, 이종태, 한상섭, 황갑진, “알기쉬운수소에너지”, 한국에너지기술연구원, 대전, 2005, pp. 20-55.

8) 김종욱, 김종원, 김창수, 배기광, 오시덕, 윤왕래, 이종태, 한상섭, 황갑진, “알기쉬운수소에너지”, 한국에너지기술연구원, 2005, pp. 20-55.

24

천연가스를 이용한 수소제조법 중 수중기 개질 공정이 세계적으로 가

장 경제적인 대용량 수소제조 공정으로 상업화되어 있다9).

(1) 수증기 촉매 개질 공정 (SMR, Steam Methane Reforming)

수증기 개질의 기본적인 목적은 물과 탄화수소분자에 포함된 수소를

최대한 추출해내는 것이다. Ni계 촉매상에서 식(1)과 같이 메탄에 수증

기를 가하여 분해반응을 일으켜 수소를 추출한다. 메탄 1몰당 수소생산

수율이 가장 높아 중요한 수소 공정 중 하나로 인정받고 있다.

두 가지 가역적인 반응 즉, 첫 번째의 개질반응과 두 번째의 수성가

스 전이반응에는 5종의 화합물이 관여하고 있으며, 총괄반응은 식(2)와

같이 표시될 수 있다.

개질반응은 강한 흡열반응으로서 고온 및 저압 조건에 의하여 정반

응의 진행이 유리하다. 반면에 전이 반응은 온화한 발열반응으로서 저

온이 유리하며, 압력은 거의 영향을 미치지 않는다.

평형반응에 의한 반응속도가 느리므로 공정규모가 커야하며, 부하변

동에 대한 정상상태로의 응답특성이 느리다는 단점이 있다.

→

∆ →

∆

(1)

9) Y. C. Bac and K. J. Cho, "Status for the Technology of hydrogen Production from Natural Gas", Korean Chem. Eng. Res., Vol. 43, No. 3, 2005, pp. 344-351.

제3장 수소에너지 생산 및 사용 비용 25

→

∆ (2)

첫 번째 반응식에서 보면 양론적으로 필요한 수증기/메탄의 비는 1이

지만, 촉매표면에서 코크생성이 일어나는 보도우드(Boudouard) 반응(

2CO=CO2 + C)에 의해 촉매 비활성화가 일어나므로, 통상 2.5~3.5 사

이에서 수행된다.

이 공정은 다음 그림과 같이, 원료중 황성분(도시가스중에는 가스 누

출을 감지하기 위해 부취제로 황화합물을 넣는다) 제거와 같은 전처리,

개질반응, 전이반응 및 가스 정제 공정 등 크게 4 단계로 이루어진다.

[그림 3-1] 수증기개질 공정의 개략도

(2) 이산화탄소 개질공정 (CRD, Carbon Dioxide Reforming)

메탄의 이산화탄소 개질반응은 식(3)과 같은 공정을 거친다.

26

→

∆ (3)

메탄의 이산화탄소 개질 반응은 수증기 개질에 비해 보다 격렬한 흡

열반응인 동시에 높은 CO 함량비의 합성가스를 얻을 수 있다. 또한 옥소

합성공정이나 화학에너지 전송시스템(Chemical Energy Transmission

System) 등에 응용 가능하다는 장점도 있다.

이산화탄소개질반응(CRD 반응)은 8족 전이금속을 촉매로 할 때 높

은 활성이 나타나, 크게 Ni계와 Rh, Ru, Rt 등의 귀금속 담지 촉매계

를 사용하고, 금속 표면상에서 반응이 진행된다.10)11) 그러나 생성물중

CO함량비가 높고 탄소 침적도 SMR 공정보다 심한 편이다.

(3) 부분산화 공정 (POX, Partial Oxidation : POX)

강한 흡열반응인 수증기개질법은 외부버너가 별도로 필요하지만 메

탄의 부분산화공정은 메탄을 일부 산화시켜 합성가스를 제조하는 방법

이다. 에너지 비용을 현격히 줄일 수 있고, CO:H2의 몰비가 1:2로서 메

탄올 합성이나 Fischer-Tropsch공정에 바로 이용할 수 있는 장점이 있다.

부분산화 공정은 무촉매 부분산화 공정과 촉매 부분산화 공정으로

나눌 수 있다. 무촉매 부분산화 공정은 모든 종류의 탄화수소를 원료로

사용할 수 있으며 30~100atm에서 산소를 산화제로 하여 1,300℃이상

10) H. J. Seo and E. Y. Yu, "Reforming of Carbon Dioxide by Methane over Ni/TiO2 Catalysts", J. of Ind. Eng. Chemistry, Vol. 3, No. 2, 1997, pp. 85-92.

11) K. I. Moon, C. H. Kim, J. S. Choi, S. H. Lee, Y. G. Kim and J. S. Lee, "Carbon Dioxide Reforming of Methane over Nickel Based Catalysts Ⅰ. Comparison with Steam Reforming", HWAHAK KONGHAK, Vol. 35, No. 6, 1997, pp. 883-889.

제3장 수소에너지 생산 및 사용 비용 27

의 고온에서 반응이 진행된다. 촉매 부분산화 공정에 사용되는 촉매는

Ni와 Co, 귀금속 계열(Pd, It, Ru, Rh, Pt), perovskite계열(GdCoO3,

LaNiO3)이 있다.

→ (4)

이 기술의 장점은 온도를 높이기 위한 외부가열이 필요하지 않기 때

문에 소정 온도에 달할 때까지의 시간을 단축할 수 있어 공정의 초기

시동 및 부하응답특성이 수증기 개질보다 우수하다는 것이다. 반면에

상대적으로 수소생산효율(30~40%)이 낮고, 반응온도가 높아 반응로 재

료가 고가라는 단점이 있다.

[그림 3-2] 메탄 부분산화 공정의 개략도

촉매를 필요로 하지 않는 부분산화 공정의 경우 원료 중의 불순물에

의한 제약이 없어 경질탄화수소뿐만 아니라 석탄이나 중질유 등을 원

료로 쓰는 것이 가능하다. 공기로부터 산소를 분리하는 공정, 산소와

연료와의 반응으로 합성가스를 만드는 가스화 공정, 합성가스 중의 CO

를 수증기와 반응시켜 수소농도를 높이는 전이공정, 가스정제 공정 등

28

으로 구성되어 있다.12) 공기를 산화제로 쓰는 경우는 질소 혼입으로 수

소농도가 낮아진다.

(4) 자열개질 반응기 (ART, Autothermal Reforming : ART)

자열개질 반응은 무촉매 부분산화 공정과 수증기개질(SMR) 반응을

결합한 형태이다. 수증기개질반응에 필요한 열을 부분산화반응에 의하여

자체공급하며, 1950년대 후반에 Haldor Topsoe에 의하여 개발되었다.

이 기술은 신속한 초기시동을 보이고 부하변동에 대한 응답특성이

우수하며, 수소생산 효율이 40-50%정도가 된다. 이때 진행되는 주요

반응식은 (5)식과 같다.

→

∆ →

∆

(5)

흡열반응에 필요한 열은 천연가스, 수증기 그리고 산소가 혼합되어

약 1200℃의 버너(반응압력은 약 20~70기압)에서 부분연소되어 제공된

다. SMR반응에 가장 널리 사용되고 있는 Ni계 촉매는 이미 상용화되

어 있다.

지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소의 자열 개질반응에 사용될 수

있으나 탄소생성과 황에 의한 피독 현상의 문제점으로 인하여 사용에

12) 文部科學省 科學技術政策硏究所, 科學技術動向硏究センタ-, 水素エネルギ- 最前線, 工業調査會, 日本 (2003)

제3장 수소에너지 생산 및 사용 비용 29

제한을 받고 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 여러 가지 금속을 포함하는 자

열 개질반응용 촉매에 대한 많은 연구가 진행 중이다13). 주로 사용되는

촉매는 에 보인 바와 같이 공정에 따라 다소 차이가 있다.

공정 촉매

Johnson-Matthey Hot

Spot reactorPt-CrOx/refractory support

EngelhardPt-Pd/alumina on monolith(POX, Partial Oxidation) +

Pt-Rh/packed bed(SMR, Steam Methane Reforming)

LCA

(ICI process)

Noble metal on monolith(POX) + Ni/refractory

alumina(SMR)

UHDE process Ni-cat + thermal POX

공정에 따른 촉매 비교

(5) 직접분해(Direct Cracking)

천연가스의 직접분해는 반응식 (6)과 같은 경로로 이루어지며, 고무,

타이어의 가열 수리, 안료, 잉크로 사용하는 카본블랙(carbon black) 생

산에 사용되었다. 고온(1400℃) 반응조건이 필요하다. 여기에 필요한

13) D. J. Moon, J. W. Ryu, K. S. Yoo and B. G. Lee, "Hydrogen Production by Autothermal Reforming Reaction of Gasoline over Ni-based Catalysts and it Application", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 15, No. 4, 2004, pp. 274-282.

30

열원은 화석연료 연소에 의해서 얻지만 수증기 개질법에 비하면 효율

이 낮은 편이다.

→ (6)

수소 생산관점에서 볼 때 일반적인 단위공정으로 포함되는 전이반응

과 같은 이차적인 공정이 필요 없다는 장점이 있다14).

이상과 같이, 천연가스를 원료로 한 수소 제조공정에는 수증기 개질

법, 부분산화법, 자열개질법 등이 있다. 이 중 대표적인 상용화 공정의

통상적인 공정조건을 비교하면 다음 과 같다.

공정조건

온도(℃) 압력(MPa) H2/CO몰비

수증기개질법 800 ~ 950 1 ~ 4 3 ~ 5

부분산화법 1100 ~ 1500 10이하 < 2

자열개질법 850 ~ 1000 2 ~ 4 -

천연가스로부터 수소제조법의 비교

(6) 석탄의 가스화

석탄의 가스화는 오래전부터 이루어졌다. 19세기 초에는 석탄가스화

에 의해 만들어진 도시가스가 유럽과 미국에서 난방 및 조명용으로 사

용되었다. 동 가스 중에는 수소가 50% 함유되어 있었으므로 수소연료

이용은 1800년대 초에 이루어졌다고 할 수 있다.

14) 박택규, “수소에너지의 경제와 기술”, 겸지사, 서울, 2005, pp. 92-103.

제3장 수소에너지 생산 및 사용 비용 31

1911년에 화학자 보쉬(Carl Bosch)가 수소와 질소로 암모니아와 비

료를 합성하는 방법을 개발한 이후 수소는 주로 비료제조에 사용되었

다. 국내에서도 충주비료, 나주비료 공장에서 초창기에 석탄가스화 기

술을 이용하여 수소를 생산한 역사도 있다.

일반적으로 석탄가스화15)는 석탄을 고온 고압의 가스화기에서 수증

기와 함께 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시켜 일산화탄소와 수

소가 주성분인 합성가스를 만들어 내는 과정이다.16) [그림 3-3]은 석탄

가스화 반응의 개략적인 공정도를 보인 것이다17).

만약 이 기술을 발전에 적용시키면, 정제공정을 거친 석탄가스가 가

스터빈 및 증기터빈을 구동하여 발전하는 기술이 된다. 안정적인 전력

공급과 환경오염물질 감소를 동시에 만족시킬 수 있는 기술이 된다.

이러한 기술을 적용하여 300MW급 실증플랜트를 만드는 프로젝트가

국내 한국전력연구원을 중심으로 진행되고 있다.18) 만약 연료전지와

연계시키게 되면 가스화 복합발전 연료전지 (IGFC)가 된다. 일본은 이

러한 기술을 연구 중이다.

15) 석탄은 매우 복잡한 물질로 같은 등급의 석탄일지라도 생산지, 전처리과정 등에 따라가스화 반응 및 반응 메커니즘이 다르다.

16) 이계봉, 윤용승, 유영돈, 이승종, “석탄 가스화를 통한 수소 제조 연구”, 한국수소에너지학회 1996년도 춘계학술대회, pp. 32-37.

17) 박택규, “수소에너지의 경제와 기술”, 겸지사, 서울, 2005, pp. 96-99.18) http://www.igcc.or.kr/

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석탄 분쇄 장치 공기 분리 장치

가스화 장치

탈황 장치 압축 장치 Shift 전환불순물

제거 장치

공기석탄

증기 재H2

CO2황

석탄 분쇄 장치 공기 분리 장치

가스화 장치

탈황 장치 압축 장치 Shift 전환불순물

제거 장치

공기석탄

증기 재H2

CO2황

[그림 3-3] 석탄가스화공정의 개략도

(7) 바이오매스 가스화 기술

바이오매스란 생명체(bio)와 덩어리(mass)를 결합시킨 용어로 일정지

역 내에 존재하는 모든 생물의 중량을 나타내는 생태학상의 개념이었

다. 미국 에너지부의 대체에너지 개발 프로젝트인 ‘바이오매스에서의

연료생산’(fuel from bio-mass)에 의해 ‘양적인 생물자원’이란 새로운

개념이 정착됐다.

농산물이나 임산물 등의 식물체 외에 클로렐라나 스피루리나 등의

미생물, 기름을 짜는 고래 등의 동물체를 포함하여 연료나 화학원료로

사용되는 생물체를 가리킬 때 사용한다.

재생가능한 자원이라 할 수 있는 바이오매스의 주성분은 C,H,O로서

석탄가스화와 유사한 방법으로 가스로 만들 수 있기 때문에 수소제조

의 원료로 사용될 수 있다.

제3장 수소에너지 생산 및 사용 비용 33

1980년대부터 한국에너지기술연구원에서 왕겨 가스화, 농임산부산물

가스화 등의 과제를 일시 수행한 바 있으며, 최근에도 지경부 과제로

진행된 바 있다.

2) 물 분해 수소제조 방법