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수소 생산 공정 종류와 장단점

Table of Contents

1. 서론 – 수소는 에너지의 미래인가, 과대포장인가?

21세기의 에너지를 말할 때, 더 이상 석유나 석탄이 중심이 아닙니다.
전 세계는 지금 ‘탈탄소’라는 거대한 흐름 속에서
전기, 태양광, 풍력, 수소라는 새로운 에너지 체계로 이동하고 있습니다.

그중에서도 수소(Hydrogen)는
**연소 시 이산화탄소를 전혀 배출하지 않고, 에너지 밀도도 높으며, 저장·운송이 가능한 ‘차세대 에너지 벡터’**로 각광받고 있습니다.

하지만 “수소는 친환경이다”라는 말은사실 절반만 맞습니다.

왜냐하면, 수소 자체는 무공해지만, 수소를 ‘어떻게 생산하느냐’가 환경성과 직결되기 때문입니다.

  • 수소를 석탄이나 천연가스에서 만들면? → 온실가스가 발생합니다.
  • 재생에너지로 만든 전기로 물을 전기분해하면? → 탄소 배출 없이 진짜 친환경입니다.

이처럼 수소는 ‘깨끗하게 만드는 방법’이 핵심이며,
어떤 수소 생산 공정을 택하느냐에 따라
경제성, 환경성, 지속가능성, 그리고 국가 에너지 전략이 달라집니다.

이 글에서는
현재 상용화된 수소 생산 공정의 종류를 총정리하고,
각 공정의 장단점, 기술적 특징, 탄소 배출량, 경제성, 실제 사례까지 분석합니다.


2. 수소 생산 공정 개요와 분류 체계

수소는 지구상에 아주 많이 존재하지만,
단독 상태로 존재하는 경우는 극히 드뭅니다.
대부분은 물(H₂O), 탄화수소(CH₄ 등), 바이오매스 형태로 결합되어 있기 때문에
에너지원으로 사용하려면 추출 혹은 분해 과정이 필요합니다.

이때 수소를 만드는 방식은 다음 3가지 기준으로 분류할 수 있습니다.


2-1. 원료 기준 분류

분류설명예시
화석연료 기반탄화수소에서 수소 추출천연가스 개질(SMR), 석탄 가스화
전기 기반전기 에너지를 이용한 분해수전해(Electrolysis)
바이오 기반유기물 분해 또는 발효를 통해 수소 생성바이오수소, 혐기 발효법

2-2. 탄소 배출 기준 – ‘컬러 수소(Color Hydrogen)’

‘그린수소’, ‘블루수소’, ‘그레이수소’라는 말 들어보셨나요?
이는 수소의 화학적 특성이 아니라 생산 방식에 따른 친환경성 정도를 나타내는 분류입니다.

분류생산 방식탄소 배출량특징
그레이수소천연가스 개질 등많음가장 흔하지만 탄소 배출이 심함
블루수소화석연료 기반 + CCS 기술 결합중간탄소 포집 기술을 통해 배출 일부 차단
그린수소재생에너지 전기 기반 수전해없음가장 친환경적, 하지만 비용이 높음
터콰이즈수소메탄 열분해 → 고체탄소 생성낮음파일럿 단계, 기술 상용화 미진
핑크수소원자력 전기로 수전해 수행없음탄소는 없지만 방사성 이슈 존재

2-3. 공정 방식 기준

분류대표 기술특징
열화학 공정SMR, 석탄가스화고온·고압 필요, 탄소 배출 동반
전기화학 공정수전해(PEM, 알칼라인)저탄소 가능, 기술·전력 의존도 높음
생물학적 공정바이오수소 생산낮은 생산성, 친환경성 우수, 초기 단계

중요 포인트
수소는 ‘원천적으로 친환경’하지 않습니다.
어떻게 만드느냐에 따라 오히려 탄소 배출량이 석탄보다 높을 수 있으며,
이 때문에 생산 공정 선택은 수소 경제의 가장 중요한 전략 요소로 작용합니다.


3. 천연가스 개질(SMR)의 원리와 현실

3-1. SMR이란?

SMR(Steam Methane Reforming)은
현재 전 세계 수소 생산의 약 70% 이상을 차지하는
가장 일반적이고 경제성 높은 수소 생산 방법입니다.

▶ 원리:

  1. CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (1차 개질)
  2. CO + H₂O → CO₂ + H₂ (전환 반응)

→ 천연가스(메탄)와 고온의 수증기를 반응시켜 수소와 이산화탄소를 생성하는 방식입니다.


3-2. SMR의 장점

대량 생산 가능성

  • 이미 전 세계 석유화학 및 정유 공정에서 사용 중
  • 하루 수십 톤 규모까지 상용화 가능

기술 성숙도 높음

  • 50년 이상 축적된 기술력
  • 장비, 설비, 운용 노하우 모두 확보

생산 단가 저렴

  • 1kg 수소 생산 단가가 1~2달러 수준(그린수소의 절반 이하)

3-3. SMR의 단점과 한계

막대한 탄소 배출

  • 수소 1kg 생산 시 CO₂ 약 9~10kg 배출
  • 사실상 ‘화석 연료 연장선’에 있는 기술

에너지 집약적 공정

  • 700~1000℃ 고온, 고압 조건 필요
  • 전력 + 천연가스 모두 소비 → 탄소+에너지 복합 문제

3-4. 블루수소로의 전환 가능성

SMR의 탄소 문제를 보완하기 위해 등장한 개념이
바로 **CCS(Carbon Capture & Storage)를 결합한 ‘블루수소’**입니다.

  • 기존 SMR 공정에서 발생한 CO₂를 포집
  • 지하 저장 혹은 활용 (CCUS)
  • 이론상으로는 탄소 배출 거의 ‘제로’에 근접 가능

사례

  • 노르웨이 Equinor: 북해 유전 활용 CO₂ 저장소 구축
  • 미국 ExxonMobil: 블루수소 생산단지 2025년 완공 목표
  • 한국: 여수산단 중심의 CCS 기반 블루수소 실증 프로젝트 진행 중

3-5. SMR의 현실적 문제

  • CCS 기술은 아직 고비용·대면적 필요
  • 이산화탄소 저장의 안전성·지속성 논란
  • “탄소를 만든 뒤 저장하는 방식이 과연 친환경인가?”에 대한 근본적 의문

✅ 요약 정리

항목SMR(천연가스 개질)
생산 단가매우 낮음 (~1.5달러/kg)
탄소 배출량매우 높음 (~10kg CO₂/kg H₂)
기술 성숙도매우 높음 (전 세계 70% 비중)
친환경성매우 낮음 → CCS로 보완 가능
시장 점유율가장 높음 → 그러나 탈탄소 시대에는 도전받는 기술

4. 석탄 가스화의 기술적 구조와 한계

4-1. 석탄 가스화란?

석탄 가스화(Coal Gasification)는 고온(>1000℃) 환경에서
산소나 수증기와 반응시켜 석탄을 합성가스(Syngas: CO + H₂) 형태로 전환한 뒤,
여기서 수소를 분리·정제하는 방식입니다.

일반적인 반응식:
C + H₂O → CO + H₂


4-2. 기술적 특징과 장점

풍부한 원료 접근성

  • 석탄은 세계적으로 가장 풍부한 화석연료
  • 천연가스보다 저렴하고 저장도 용이함

대규모 수소 생산 가능

  • 중국, 인도 등은 석탄 기반 대형 플랜트 중심
  • 일부 국가에서는 전력 + 수소 + 화학제품 생산 연계 구조 운영

다목적 연계 기술 활용 가능 (IGCC)

  • 석탄 → 합성가스 → 전기, 수소, 화학물질 → 에너지 통합 모델 구현

4-3. 심각한 환경적 단점

탄소 배출량이 매우 높음

  • 수소 1kg 생산 시 약 20kg 이상의 CO₂ 발생
  • 현재 존재하는 수소 생산 방식 중 가장 비효율적 탄소측면

오염물질 다량 발생

  • 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 분진, 타르 등 유해 부산물 동반
  • 오염 제어 시스템 구축에 막대한 비용 발생

친환경 이미지와 완전히 반대

  • 탄소중립 정책 강화되는 글로벌 트렌드와 충돌
  • 국제적인 ‘청정 수소’ 정의에 포함되기 어려움

4-4. 현실적 사용 사례

  • 중국: 2020년 기준 석탄 기반 수소 생산이 전체의 60% 이상
  • 인도, 남아공: 저가 석탄과 노후 인프라를 활용한 수소 생산 비중 높음
  • 한국: 한동안 IGCC(석탄 가스화 복합발전)로 관심을 가졌으나,
    현재는 탄소배출량 문제로 기술 전환 중

✅ 요약

석탄 가스화는 생산성은 높지만, 친환경성과 지속 가능성은 매우 낮은 기술입니다.
탄소포집(CCS) 기술과 연계한 시도는 있으나,
결국 2050 탄소중립 시대에는 도태될 가능성이 높은 공정입니다.


5. 수전해(Water Electrolysis)의 부상

5-1. 수전해란 무엇인가?

수전해(Electrolysis of Water)는
전기를 이용해 물(H₂O)을 구성하는 **수소(H₂)와 산소(O₂)**로 분리하는 기술입니다.

반응식:
2H₂O → 2H₂ + O₂

이 방식은, 전기가 재생에너지(태양광, 풍력 등)에서 공급될 경우
이산화탄소 배출이 전혀 없는 진정한 ‘그린수소’ 생산법이 됩니다.


5-2. 수전해 방식의 종류

방식원리 및 특징장점단점
알칼라인(Alkaline)KOH(알칼리 수용액) 기반 전해법안정성 높고 비용 저렴낮은 전류밀도, 반응속도 느림
PEM(양성자 교환막)고체 고분자막을 이용한 전해법고순도 수소, 응답 속도 빠름막 재료 고가, 수명 짧음
고온 수전해(SOEC)세라믹 전도체 사용, 고온(600~800℃) 작동에너지 효율 매우 높음아직 초기단계, 내구성 낮음

5-3. 장점

탄소배출 제로 가능

  • 재생에너지를 이용한 전기 공급 시 완전한 그린수소 실현 가능

분산형 생산 구조

  • 지역 소형 수전해 설비 구축 가능 → 운송/저장 비용 최소화

미래 에너지 융합 기반 마련

  • 태양광 + 수소, 풍력 + 수소 연계 가능
  • 향후 Power-to-Gas(P2G) 시스템 핵심 구성 요소

5-4. 단점 및 과제

전기료 비중이 높아 경제성 낮음

  • 전체 생산비용 중 70% 이상이 전기요금
  • 2024년 기준 수전해 수소 단가는 5~6달러/kg 이상

설비 비용 고가 + 기술 수명 짧음

  • PEM 막, 전극 촉매(Pt 등) 고가
  • 장시간 연속 운전 시 성능 저하 우려

5-5. 주요 실증 사례

  • 독일 Siemens: PEM 기반 메가와트급 수소 생산 설비 가동
  • 일본 Toshiba: 풍력 연계형 수전해 시스템 후쿠시마에 구축
  • 한국: 강원도 태백·삼척 수전해 실증 단지 조성 중
  • UAE Neom: 세계 최대 규모 그린수소 단지 수전해 기반으로 착공(2024~)

✅ 요약

수전해는 수소 생산의 궁극적 방향성이자
재생에너지 확산의 핵심 파트너입니다.
단점은 분명하지만, 기술 발전과 전기료 하락이 이어지면
가장 유망한 청정수소 기술로 자리잡을 가능성이 높습니다.


6. 부생수소의 활용과 한계

6-1. 부생수소란?

부생수소(By-product Hydrogen)는
석유화학 공정(나프타 크래킹, 정유, 메탄올 생산)이나
제철 과정(고로 반응 등)에서 부수적으로 발생하는 수소를 포집·활용하는 것입니다.

이 방식은 ‘수소를 일부러 만들지 않고’
이미 발생한 수소를 회수해서 사용하는 방식입니다.


6-2. 장점

추가 에너지 투입 불필요 → 경제성 매우 우수

  • 이미 존재하는 공정의 부산물 활용
  • 생산단가 1~1.5달러/kg 수준으로 SMR보다도 저렴

산업단지 기반 활용 용이

  • 정유단지, 철강단지 등에서는 관로 활용해 바로 공급 가능

국내 수소 생산량 중 약 60% 이상을 차지

  • 한국은 정유·석유화학 인프라 발달로 부생수소 비중이 매우 높음

6-3. 단점

생산량이 고정적이며 지역 편중

  • 산업 활동 규모에 의존 → 수요 증가에 따라 공급 유연성 낮음
  • 수도권 등 산업단지 외 지역은 공급망 구축 어려움

수소 순도가 낮을 수 있음

  • H₂ 외 불순물 존재 가능성 → 정제/압축 과정 필요

진정한 친환경 수소는 아님

  • 원천 공정이 화석연료 기반이기 때문
  • EU 기준에서는 ‘청정수소’로 인정받지 못함

6-4. 실제 사례

  • SK에너지: 울산 정유공장 내 부생수소 회수 시스템 → 인근 충전소 공급
  • 포스코: 고로 생산 시 발생하는 수소 일부 회수 → 연료 및 발전용 활용
  • 현대오일뱅크: 대산석유화학단지 내 부생수소 기반 수소 스테이션 운영 중

7. 바이오수소 – 친환경이지만 넘어야 할 산이 많은 기술

7-1. 바이오수소란?

바이오수소(Biohydrogen)는 식물성 또는 유기성 폐기물, 바이오매스 등 생물 기원을 원료로 하여
미생물 발효, 광합성 또는 열분해 등을 통해 수소를 생산하는 방식입니다.

이는 원료부터 생산까지 전 과정이 재생 가능 자원 순환 구조로 연결되며,
이산화탄소 배출이 거의 없거나, 순제로(Carbon Neutral)로 평가되는 특징이 있습니다.


7-2. 주요 생산 방식

방식원리 및 예시
혐기성 발효미생물이 유기물 분해 시 수소 생성 (슬러지, 음식물 쓰레기 등)
광합성 수소 생산남조류 등 광합성 미생물 이용해 수소 방출 유도
열화학 전환 (열분해)바이오매스를 고온 열분해 → 합성가스 → 수소 분리

7-3. 장점

재생 가능한 원료 사용

  • 음식물 쓰레기, 하수 슬러지 등 처리비용이 드는 폐기물을 에너지 자원으로 전환

순환경제 및 탄소중립 달성에 기여

  • 전 생애 주기에서 탄소 배출을 거의 하지 않음 (혹은 마이너스)

소규모 분산형 수소 생산 가능성

  • 농촌, 도시 폐기물 처리장, 축산 폐수 처리시설 등에 적용 가능

7-4. 단점

생산 효율 매우 낮음

  • 기존 화학 공정에 비해 수소 생성량이 미미 (수율 10% 수준)
  • 경제성 확보가 어려워 실증단계에 머무름

복잡한 공정과 품질 관리

  • 미생물 배양, 온도·pH 관리 등 까다로운 유지 조건
  • 원료 품질 편차에 따른 수율 변동성 큼

기술 성숙도 부족

  • 아직 대부분 기술이 TRL 5~6단계(시제품 검증 수준)

7-5. 국내외 적용 사례

  • 네덜란드 TNO 연구소: 음식물 쓰레기 기반 혐기 발효 수소 시스템 개발
  • 한국 건설기술연구원: 폐슬러지 활용 바이오수소 생산 실증 연구 진행
  • 전북 완주군: 축산 분뇨 기반 바이오수소 연구소 설립 추진 중

✅ 요약

바이오수소는 궁극적으로 매우 매력적인 탄소중립형 수소 생산 기술입니다.
다만 아직까지는 경제성 확보 및 기술 완성도 확보에 시간이 필요한 기술군으로,
정책적 지원과 파일럿 테스트 중심으로 접근하는 것이 현실적인 전략입니다.


8. 기타 차세대 수소 기술 – 아직 낯설지만 주목할 이름들

8-1. 터콰이즈 수소 (청록수소)

  • 메탄 열분해(Pyrolysis) 방식 사용
  • 반응식: CH₄ → C(고체) + 2H₂
  • **CO₂가 아니라 고체탄소(C)**가 부산물로 발생

✅ 장점:

  • 탄소배출 ‘0’ 가능 → 고체탄소는 산업용 활용 가능
  • 블루수소보다 처리 및 저장 부담이 적음

❌ 단점:

  • 고온 반응(>1000℃) 필요
  • 기술 미성숙, 설비 소형화 어려움


8-2. 고온 열화학 사이클 (S-I Cycle 등)

  • 고온가스로(HGTR) 등에서 나온 열을 이용해
    물을 화학반응을 통해 분해하는 방식

✅ 장점:

  • 이론상 에너지 효율 50% 이상
  • 원자력 또는 태양열과 연계 가능

❌ 단점:

  • 900℃ 이상 고온 유지 필요 → 장비 안정성 문제
  • 고온부식, 시스템 복잡성으로 인해 아직 실증단계

8-3. 플라즈마 기반 수소 생산

  • 전기장을 이용한 플라즈마 상태에서
    탄화수소 혹은 물을 고에너지로 분해
  • 초고속 반응 가능성, 낮은 온도 작동이 장점

❌ 그러나 상용화에는 수십 년이 걸릴 가능성 있음
→ 현재는 파일럿 실험 및 스타트업 중심 연구 중


✅ 요약

차세대 수소 생산 기술들은 모두 친환경성과 효율성의 이상적인 조합을 지향합니다.
하지만 현실적으로는 기술적 완성도와 경제성 부족으로 인해
2030년대 중반 이후나 상용화 가능성이 점쳐지고 있습니다.


9. 수소 생산 공정별 비교 분석표

아래는 지금까지 살펴본 다양한 수소 생산 공정을
환경성, 경제성, 효율성, 기술 성숙도 등 기준으로 정리한 비교표입니다.

공정명원료탄소배출경제성기술성숙도친환경성기타 특징
천연가스 개질(SMR)천연가스높음매우 우수매우 높음낮음현재 수소 생산의 70% 차지
석탄 가스화석탄매우 높음중간중간매우 낮음중국·인도 중심 대형 플랜트
수전해 (Electrolysis)물 + 전기없음(그린)낮음낮음~중간매우 높음재생에너지 연계 시 이상적 구조
부생수소산업 부산물중간매우 우수매우 높음중간생산량·공급망 한계 있음
바이오수소유기 폐기물, 바이오매스낮음낮음낮음높음효율성과 품질관리 과제가 큼
터콰이즈 수소메탄낮음중간낮음높음고체 탄소 생성 → 활용 가능

10. 국내외 수소 정책 트렌드

수소 산업은 기술이 아니라 정책이 성장시킨다는 말이 있을 정도로,
정부의 방향성과 인센티브가 수소 생산 방식의 선택과 투자 유치에 결정적입니다.
국가별 수소 정책은 수소 생산 공정의 지형을 완전히 바꾸고 있습니다.


10-1. 한국: 수소경제 활성화 로드맵 2.0 (2023)

  • 2030년까지 그린수소 20만 톤 생산 목표
  • 수전해 핵심 기술 국산화율 80% 달성 목표
  • 청정수소 인증제 도입 → ‘블루/그린’ 중심으로 정부 지원 집중
  • 부생수소 중심에서 청정수소 포트폴리오 확대 전략 추진 중

✅ 관련 예시:
삼척, 울산, 창원 등 수소특화단지 지정 → 수전해 실증사업 활발
울산 부생수소 → 청정수소 인증으로 전환 추진


10-2. 미국: IRA(인플레이션 감축법)의 청정수소 세액공제

  • IRA(2022) 내 45V 청정수소 생산세액공제 도입
    → 수소 생산 단가 대비 최대 3달러/kg까지 보조
  • 수소의 탄소강도(g CO₂e/MJ)에 따라 등급별 인센티브 차등
탄소강도 (g CO₂e/MJ)세금 공제(USD/kg)수소 유형 예상
≤ 0.45$3.00그린수소
≤ 1.5$1.00고효율 블루수소
≤ 2.5$0.75일반 블루수소
≤ 4.0$0.60CCS 없는 SMR 등 일부

✅ 효과: 미국 내 수전해 기반 수소 생산 경제성 폭등
Plug Power, Air Products 등 관련 기업 주가 상승


10-3. 유럽: 수소 인증 및 국경 탄소세 연계

  • EU는 그린수소 기준 명확화 (RED II, Taxonomy 기준)
  • ‘RFNBO(재생에너지 기반 수소)’만 EU 보조금 대상
  • CBAM(탄소국경조정세) 적용 대상에 ‘고탄소 수소’ 포함 예정

✅ 결과:
유럽에서 생산된 수소 또는 수입된 수소는 탄소 강도 인증 필수화
→ 한국 수출 기업도 ‘청정 인증 수소’ 준비 필요


11. 수소 생산의 미래와 전략적 제언

11-1. 단일 기술로는 부족하다 – 포트폴리오 접근

현실적으로 모든 수소를 수전해로 전환하는 건 불가능합니다.
따라서 각국은 ‘과도기 포트폴리오 전략’을 통해 다음과 같은 구조를 취합니다.

단계생산 방식전략 역할
단기 (2025 전)부생수소, SMR수요 대응, 인프라 안정화
중기 (2030 전)블루수소 확장탄소 저감 + 대규모 생산 확보
장기 (2035 이후)수전해 중심 그린수소탄소중립 달성, 재생에너지 연계 극대화

✅ 핵심은 “균형 잡힌 전환 전략”입니다.
탄소중립을 향해 가되, 경제성과 인프라 효율을 감안한 현실적 계획이 필수입니다.


11-2. 우리나라의 전략적 선택지

한국은 세계 최대의 부생수소 보유국 중 하나이며,
재생에너지 비중은 낮은 편(2024년 기준 9.4%)입니다.

✅ 전략적 제안:

  1. 부생수소→블루수소→그린수소로 단계 전환 로드맵 구체화
  2. 수소 생산·저장·운송·충전까지 ‘통합 인프라 정책’ 강화
  3. 청정수소 인증제 조기 정착 + 글로벌 연계 표준 확보

→ 특히 수전해 핵심 소재(막, 전극촉매, 분리판 등) 국산화는 전략 산업화가 시급


11-3. 수소경제와 ESG의 연결

  • 수소 생산 공정의 탄소배출량은 곧 ESG 평가 지표가 됩니다.
  • 기업은 앞으로 ‘무슨 수소를 썼는지’까지 보고하고 감시받게 될 것입니다.

✅ 기업 대응 방향:

  • 청정수소 인증 기반 수소 구매 계약(PPA 등)
  • 탄소중립 전략에 수소 전환 비율 명시
  • Scope 3 감축 차원에서 공급망 수소 사용까지 관리 필요

12. 결론 – 수소의 미래는, 생산 방식에 달려 있다

수소는 미래 에너지의 핵심입니다.
하지만 수소 자체가 친환경인 것은 아닙니다.
수소가 ‘청정’이 되려면 반드시 탄소중립형 생산 방식이 뒷받침되어야만 합니다.


✅ 정리 요약

  • 수소 생산 공정은 SMR, 석탄 가스화, 수전해, 부생수소, 바이오수소, 차세대 기술로 구분
  • 현재는 SMR이 주류지만, 탄소중립 위해 그린수소 중심 재편
  • 각 공정은 효율성, 비용, 환경성 측면에서 장단점 뚜렷
  • 국가별 정책, 기술 발전 속도, 전력 비용에 따라 각국 전략 상이
  • 한국은 부생수소 강점을 살리되, 수전해·CCUS 기반 청정수소 확산 전략 필요

📌 마지막 한마디

“수소경제는 단순한 에너지 전환이 아니라,
우리가 앞으로 어떤 기술을 선택하고 어떤 세상을 지향하는가에 대한 선언입니다.”

이제는
‘수소를 쓸 것인가 말 것인가’가 아니라,
어떤 수소를, 왜, 어떻게 만들고 쓸 것인가’를 고민할 때입니다.

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