[컬럼] 수소산업 투자비용 최소화해야
[컬럼] 수소산업 투자비용 최소화해야
  • 신상길 에너지신문 논설위원
  • 승인 2022.01.07 13:12
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신상길 에너지신문 논설위원.
신상길 에너지신문 논설위원.

[에너지신문] 요소수 파동을 거치면서 생각나는 기업은 한국종합화학 충주공장이다. 필자는 독일 유학을 마치고, 귀국해 처음으로 선택한 직장이 바로 이곳이기 때문이다.

당시 충주공장에는 신공장(6비료, 암모니아 900톤/일)과 구공장(1비료/일, 250톤 암모니아) 그리고 무연탄 중유혼소발전소가 있었다. 충주비료는 충북내륙지역에 위치, 초기에는 석탄발전소 였지만 후일 발전용량을 높여 석탄‧중유혼소발전소로 탈바꿈했다.

충주비료는 비료생산 시작부터 공장가동에 문제가 없어 우리나라 중부지방의 논농사에 필요한 요소비료를 공급하기에 충분했다. 그 결과 충분한 이윤을 남겨 울산석유화학공단투자에 필요한 자금을 공급했고 아울러 여천공단 건설에의 자금조달에도 기여했다.

즉 수소 암모니아 중화학산업에서 시작, 납사크레카 에티렌 석유화학산업으로 발전한 산업화 정책의 대표적인 성공사례로 꼽힌다.

비료공장은 단순 화학플랜트이라기보다는 초기 국내 중화학공업 확장에 필요한 기술, 기능 인력, 설계엔지니어 양성 및 시운전과 플랜트운전 경험을 축적, 3대 석유화학공단건설과 중동플랜트건설공사를 성공적으로 수행해 국내 건설 기초를 다진 우리나라 중화학공업의 숨은 산실이라 평가 받았다.

하지만 이후 성급한 비료산업의 투자 억제와 석유산업으로의 신규 투자전환은 30년간의 석유공업시대를 마감하게 됐다. 또한 기후 변화와 미완성 친환경 내연기관 기술개발의 결과는 다시 수소 암모니아 시대를 준비하기 위한 수소생산 기술 개발과 관련한 연계 산업의 디지털화 투자가 시작됐다.

다만 산업화를 위한 방향과 믿음이 기초과학인지, 진정한 상용화인지 또는 병행투자인지가  분명하지 않은 것 같다.

수소산업은 수소생산이 아니고 수소와 연관된 연계 산업과의 공유이다. 왜냐하면 수소는 전기와 같이 수송저장에 많은 후속투자가 큰 산업분야이기 때문이다.

반면 석유와 석탄은 수송, 저장 및 이용기술이 비교적 단순하며 투자비용이 저렴해 만약 수소생산이 저효율 고온분해공정 대신  현재와는 다른 물리화학 공정으로 전환되면 수소 암모니아산업은 미래 보장 산업으로 확장 발전될 가능성이 크다. 

수소산업이 현재보다 더 많은 공정 과정이 계속 필요하면 이 산업은 이론에만 존재하는 계획에 불과할 것이다. 우리나라가 ‘수소왕국’이 될려면 영남남해안 공업지역에 수소를 위한 집단 수소특화연구지역을 설정(김해 낙동강삼각주인 대저면)하고, 수도권 판교형 테크노벨리보다 더큰 테크노벨리 투자가 필수적이라 생각한다.

수소기반 형성을 위한 투자는 부울경지방행정부의 공동투자, 해당지역 기업과 상공인들의 공동투자, 차세대형 수소환원제철산단으로, 낙동강입구 녹산, 오금산업단지를 지정하면 우리나라는 고전적 제철단지 3곳과 미래제철단지 1곳을 가지는 동북아 최대의 중공업국가가 될 것이다.

이미 언급한 경남 고성 에너지 화학(수소 암모니아)단지를 현실화하면 영남남해안은 과거와 미래를 어우르는 동북아시아 거점 산업공단이 될 것이라 자부한다.   

현재까지 이론적으로 알려진 수소산업의 미래 공정과 용도는 새로운 수소생성과 생산, 수송용 석유대체, 연료전지발전 그리고 수소환원식제철 등이다. 이에 더해 고전적 산업공정인 석유류제품의 탈황공정, 암모니아 합성을 위한 에탄 및 납사크래킹, 수첨개질공정 등을 나열할 수 있다. 이들 공정의 특징은 ‘고급공정’이라는 것이다.

지금까지 수소생산은 ‘소량생산’에 국한됐다. 그러나 미래 수소생산은 중화학공업식 엄청난 생산량을 요구하는 대단위 수소생산설비를  준비해야 할것이다.

생산 용량 역시 특정 제품생산용 10만 단위가(비료, 화약, 화섬, 무기산 등) 아니고 미래 탈탄소공정으로 전환하기 위한 1000만톤 이상이 필요로 하는 제철, 발전 연료를 생산하기 위한 매일 천문학적인 수소생산을 위한 설비투자가 필요하게 될 것으로 전망된다.

매년 수천만톤 상업용수소를 생산하기 위한 수소사양은 수소함량 70~80%이며 탄산가스와 일산화탄소가 없는 수소혼합가스이면 충분히 연료전지의 원료가 되며, 다른 가스는 주로 질소와 산소이며, 사용후 수소는 재순환이 돼야 함이 조건이다. 상업용 수소사양은 실험용 수소사양과는 다른 사양이 주어져야 한다.

이러한 기술적 사양에 적합한 수소생산공정과 이용 매뉴얼이 심도있게 연구토론돼야 할 것이다. 그리고 그 결과를 UN 산하기관인 IGU(Internatioal Gas Union)에 상정돼야 후일 국제무역 상거래에 방해가 없을 것으로 전망된다.

한번 더 강조하지만 수소사양은 가스안전공사 단독 결정업무가 아니다. 국제무역과 관계된 국제적 기술사양은 신중히 다뤄져야할 것이다. 수소환원제철공정은 현재 독일 동북부제철소 3곳에서 활발히 연구 중이며 필요한 제철수소는 스스로 해결할 생각인 것 같다.

그래서 독일정부는 약 8조유로를 수소산업에 지원할 생각인 것으로 알려져 있다. 남어지 상업용 수소는 EU 연합이 공동으로 우크라이나 정부와 협조하에 EU연합이 필요한  산업용 수소 대부분을  계약생산에 의해 공급할 생각인 것 같다.

중간뉴스로 미국산  LNG선 수십척이 현재 유럽으로 수송 중이다. 유럽에서의 LNG와 PNG(Yamal PNG)의 공급권 타툼이 곧 현실화될 것 같다. 바이든 미국 대통령이 이미 언급한 봐와 같이 산업용 수소생산원료는 모든 에너지원이 대상이 될수 있다는 선언이 실천될 것 같다.

다음은 암모니아 생산과 활용사업이다. 원료는 탄화수소이며, 탄화수소로부터 암모니아가 생산되는 과정에 약 14개 단위공정별로 각각 용도가 다른 촉매가 필요하다. 암모니아 생산 공정을 정밀화학공정이라 한다.

화학공정에서 정밀공정이란 각 단계별 중간제품의 순도가 95% 이상 임을 의미한다. 우리나라에서 암모니아산업이 소멸된 동기는 납사를 원료로 한 암모니아 생산이 외국의 천연가스를 원료로한 암모나아보다 생산단가가 높아 가격 경쟁력 상실과 싼 외국산이 화학섬유산업에서 선호하고 또한 비료가격이 국가통제하에 있어 기업경쟁력 상실과 화학비료에 대한 막연한 거부감이 비료산업을 불필요한 산업으로 낙인돼 결국 쇠퇴했다.

필자는 암모니아를 수소터빈용으로 생각하는 정책은 현명하다고 생각하지 않는다. 즉 수소는 수소이고 암모나아는 암모니아다. 경제규모가 작은 한국에서 수소를 암모니아로 임시 방편으로 대체하면 수소산업도, 암모니아산업 발전을 저해하게 된다.

미래 암모니아의 핵심 용도는 중온 이미드 합성수지를 생산하고 해당수지를 이온화반응을 일어키는 금속 촉매 맴브레인형 공정튜브사출용으로 발전시켜야 한다. 물론 많은 어려움이 예상된다.

현재까지 알려진 이온화공정은 천연가스의 주성분인 메탄가스로부터 금속맴브레인 합성튜브  묶음 반응로에서 에티렌과 수소를 합성 생산하는 반응은 성공했지만 상업용 대단위 설비로의 발전은 성공하지 못하고 있다.

이는 미래 에치렌/수소공정 개발의 숙제다. 유럽연합에서는 이미 약 20~30년전부터 EU-연합의 공동과제로 진행 중이며, 약 2500개의 세부보고서가  GTL(Gas to Liquide) 과제보고서에 포함돼 있다. 2500개 중 일부가 에티렌합성 메커니즘과 수소생성에 관한 보고서다.

이 보고서를 통해 메탄의 에티렌합성 메커니즘과 촉매 및 금속맴브레인의 촉매기능을 숙지하면 이를 수소생산 목적으로 촉매를 다변화하고 또한 반응 공정을 수소생산 반응조건으로 전환하면 에티렌 합성용을 수소생산용으로 전환이 가능해질 것으로 예상된다.

이러한 구상이 현실화되면 이온화 공정반응에 의한 수소 대량생산이 상업화 될수도 있을 것으로 보인다. 물론 이 성공에는 많은 전문 인력과 연구비 투자가 요구된다. 과학기술에는 불가능은 없지만 완전한 성공 역시 없다.


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