IEA 수소 생산 프로젝트 데이터를 활용한

글로벌 수소 기술 개발 동향 분석

안지석, 최지영, 이화랑, 서정윤

탄소중립을 위한 에너지 시스템의 전환 과정에서 수소는 중요한 역할을 할 것으로 예상되며,
이에 전 세계적으로 수소 관련 인프라 개발과 설비 도입을 위한 다양한 노력이 진행되고 있다.
국제에너지기구(IEA)는 2023년 10월 Hydrogen production projects 데이터를 공개하였고,
이 데이터를 통해 전 세계의 수소 생산 프로젝트 관련 정보를 제공하고 있다.
이번 분석에서는 수소 생산 프로젝트 데이터를 활용하여 주요 수소 생산 기술, 국가별 프로젝트 진행 상황 등에 살펴보도록 한다.

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수소의 역할

수소는 산소와 화학반응을 할 때 열과 전기가 생산된다. 지구온난화의 주 원인인 이산화탄소를 배출하는 화석연료와 달리 수소의 반응은 부산물로 순수한 물만을 남기기에, 수소는 화석연료를 대체할 친환경 에너지로 주목을 받고 있다. 특히, 장거리 운송 산업, 화학 산업, 철강 산업 등에서 사용되는 화석연료를 수소로 대체하여 산업 부문의 탈탄소화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

IEA 수소 생산 프로젝트 데이터 개요

IEA hydrogen production projects는 에너지 또는 기후변화 완화를 목적으로 하는 전 세계의 수소 생산 프로젝트 관련 정보를 담고 있다. 기존 적용처의 수소 생산과 관련된 배출량을 줄이는 것이 목표인 프로젝트, 에너지 운반체 또는 산업 원료로 수소를 도입하는 것을 목표로 하는 프로젝트 등을 포함한다. 계획 중이거나 건설 중인 프로젝트 또한 포함한다.

이들 프로젝트는 수소 생산 기술(수전해 기술, 화석연료와 CCUS를 함께 이용한 기술, 바이오매스 이용 기술 등), 프로젝트를 통해 생산한 산출물(수소, 암모니아, 메탄올, 메탄, 합성 탄화수소 등), 최종 사용 부문 등의 정보를 포함하고 있다.

본 분석에서는 수소 생산 기술과 산출물로서의 수소에 초점을 두고 프로젝트 수, 프로젝트 단계, 수소 생산량을 다양한 관점에서 살펴보도록 한다. 아래 표는 수소 생산 기술별 세부 분류와 기술별 간략한 설명을 담고 있다. 이후의 설명은 아래 표의 생산기술 분류를 기준으로 한다.

수소공급기술

Iea[International Energy Agency] 로고
수전해
  • ALK

    Alkaline electrolysis

    알칼라인 수전해

  • PEM

    Proton exchange membrane electrolysis

    고분자전해질막 수전해

  • SOEC

    Solid oxide electrolysis cells

    고체산화물 수전해

  • Unknown PtX

    알려지지 않음

화석연료 CO₂ 포집
  • Coal w CCUS (석탄 + CCUS)

    석탄(모든 종류의 석탄 및 파생물)을 가스화하여 수소를 생산하고, 이 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집, 활용 및 저장하는 방식

  • NG w CCUS (천연가스 + CCUS)

    천연가스 개질(증기 개질, 자열 개질 또는 기타 첨단 개질 기술)을 통해 수소를 생산하고, 이 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집, 활용 및 저장하는 방식

  • Oil w CCUS (석유 + CCUS)

    석유 기반 공정(개질, 분해 또는 석유 제품의 가스화)을 통해 수소를 생산하고, 이 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집, 활용 및 저장하는 방식

바이오매스

  • 이 카테고리에는 바이오매스 또는 폐기물 가스화, 바이오가스 열분해, 바이오가스 개질 또는 막 분리 같은 바이오매스 기반 기술이 포함

세부기술-산출물-프로젝트 진행 현황

앞선 표에서와 같이 수소 생산 기술은 크게 수전해 기술, 화석연료와 CCUS를 함께 이용한 기술, 바이오매스를 이용한 기술로 구분할 수 있다. IEA 수소 생산 프로젝트 데이터 상 전체 프로젝트는 총 1,980개이며, 이 중 수전해 1,747개(88%), 화석연료와 CCUS를 함께 이용한 기술 160개(8%), Biomass 45개(2%), 기타 28개(1%)이다.

  • 1747
    Water electrolvsis
  • 160
  • 45
  • 28

프로젝트 데이터를 설비 용량 기준이 아닌 개수 기준으로 파악한 이유는, 설비 용량이 포함되어 있지 않은 데이터가 상당 부분 존재하기 때문이다. 용량을 기준으로 보면 누락되는 프로젝트가 많이 발생할 수 있기 때문에, 프로젝트 개수 기준으로 분석을 수행하였다.

IEA 수소 생산 프로젝트 기술분류별 프로젝트 개수 및 산출물

기타 수전해 PEM ALK SOEC NG w CCUS Biomass w CCUS Oil w CCUS Coal w CCUS Biomass Other 수전해 화석연료 CO₂ 포집 바이오매스 기타 1,101 338 260 48 125 16 11 8 45 28 산출물 Ammonia CH₄ H₂ LOHC MeOH Synfuels Various

Source : IEA (2023), Hydrogen Projects Database

IEA 수소 생산 프로젝트 데이터는 수전해 기술을 기타 수전해(Other electrolysis), 양성자 교환막 수전해(Proton Exchange Menbrane Electrolysis, PEM), 알칼라인 수전해(Alkaline Electrolysis, ALK), 고체산화물 수전해(Solid Oxide Elctolysis Cell, SOEC)로 구분하고 있다.
전체 수전해 프로젝트는 총 1,747개인데, 기타 수전해 1,101개(63%), PEM 338개(19%), ALK 260개(15%), SOEC 48개(3%) 순으로 확인된다.
CCUS 기술과 결합한 화석연료 활용 프로젝트는 총 160개이며, 이 중 천연가스 개질과 CCUS를 함께 적용하는 프로젝트(NG w CCUS)가 125개(78%)로 가장 많은 것을 확인할 수 있다.
바이오매스는 폐기물 가스화, 바이오가스 열분해, 바이오가스 개질 또는 막 분리와 같은 바이오매스 기반 기술을 포함한다.
수소() 생산 프로젝트의 산출물의 대부분은 수소(H2)이며, 그 외 암모니아(Ammonia), 메탄(CH4), 액상유기수소운반체(LOHC) 등이 포함되어 있다.
수전해 프로젝트의 경우 대부분의 산출물은 수소(H2)인데, 기타 수전해(Other Electorylysis) 프로젝트는 타 수전해 프로젝트 대비 암모니아()를 산출하는 프로젝트가 많은 것을 확인할 수 있다.
또한 천연가스 개질과 CCUS를 함께 적용하는 프로젝트의 경우 대부분의 산출물은 수소이지만, 일부 프로젝트의 산출물은 암모니아()로 확인된다.

IEA 수소 생산 프로젝트 기술분류-단계별 프로젝트 개수 및 산출물

Source : IEA (2023), Hydrogen Projects Database

분석 데이터는 프로젝트의 단계를 개념(Concept), 타당성 조사(Feasibility Study), 최종 투자결정/건설(FID/Construction), 실증(DEMO), 운영(Operational), 사업종료(Decomissioned)로 구분하고 있다.

개념 단계는 프로젝트의 개념을 기획하고, 타당성 조사 단계는 프로젝트의 타당성을 조사하고, 최종 투자결정/건설 단계는 최종 투자가 결정되었거나, 건설 중인 단계를 의미한다. 실증 단계는 검증을 거치는 단계, 운영 단계는 전체 단계를 거쳐 실제로 생산 설비를 운영 중인 단계를 의미한다. 마지막으로 사업종료 단계는 프로젝트가 중단된 단계를 의미한다.
지금부터는 프로젝트 단계별로 수소 생산 기술의 차이를 살펴보도록 한다. 이 때 단계별 산출물의 경향을 함께 확인하도록 한다.
개념 단계에 해당하는 프로젝트 수는 총 201개로 전체 프로젝트의 16%에 해당한다. 이 중 수전해 프로젝트는 156개로 개념 단계 프로젝트의 78%를 차지한다. 조금 세분화하여 살펴보면 기타 수전해가 108개, PEM 20개, ALK 18개의 순이다.
화석연료와 CCUS가 결합한 프로젝트는 총 37개인데, 천연가스+CCUS 프로젝트가 35개로 개념 단계에서의 화석연료-CCUS 결합 프로젝트의 대부분을 차지하고 있다.
타당성 조사 단계에 해당하는 프로젝트 수는 총 376개, 전체 프로젝트의 29%로 총 6개의 단계 중 가장 많은 비중을 차지한다. 이 중 수전해 프로젝트가 278개로, 이 단계의 74%를 차지한다. 세세히 보면 기타 수전해가 138개, PEM 73개, ALK 62개의 순이다.
화석연료와 CCUS가 결합한 프로젝트는 총 84개인데, 천연가스 개질-CCUS가 71개로 개념단계와 유사하게 타당성 조사 단계 프로젝트의 대부분을 차지하고 있다.
최종 투자결정/건설 단계의 프로젝트 수는 총 222개로 전체 프로젝트의 17%이다. 수전해 프로젝트가 205개로 최종 투자결정/건설 단계 프로젝트의 92%를 차지한다. 이 중 기타 수전해가 100개, PEM 57개, ALK 45개의 순이다.
최종 투자결정 및 건설 단계에 있는 천연가스+CCUS 프로젝트는 10개이며, 개념 및 타당성 조사에 해당하는 프로젝트 수에 비하면 미미한 수준이다.
실증 단계의 프로젝트 수는 총 197개로 전체 프로젝트의 15%이다. 실증 단계의 전체 수전해 프로젝트의 비중이 93%로 최종 투자결정/건설 단계에서의 수전해 프로젝트 비중과 거의 유사하다.
하지만 수전해 세부 기술로 세분화해서 살펴보면 조금 이야기가 달라진다. 실증 단계에서는 PEM 69개, ALK 49개, 기타 수전해 41개, SOEC 24개 순으로 나타났다.
앞의 단계들과 달리 DEMO 단계에서는 기타 수전해의 비중이 작아지고, PEM의 비중이 커짐을 알 수 있다. 이런 경향은 다음으로 살펴볼 운영 단계에서도 이어진다.
운영 단계에 해당하는 프로젝트 수는 총 280개, 전체 프로젝트의 22%에 불과하다. 이 단계에서는 수전해 프로젝트가 93%를 차지하는데, PEM 112개, ALK 83개, 기타 수전해 58개, SOEC 6개 순으로 나타난다.
최종 투자결정/건설, 실증, 운영 단계에서는 앞선 개념, 타당성 조사 단계와는 달리 대부분의 프로젝트 산출물이 수소()이며, 일부 메탄(CH4)()이 포함되어 있음을 확인할 수 있다.
사업종료 단계에 해당하는 프로젝트 수는 각각 PEM 3개, ALK 2개, CCUS와 결합한 화석연료 1개로 총 6개이다.

주요국 수소 생산 프로젝트 현황

2024년 2월 과학기술정보통신부는 글로벌 연구개발 특별위원회를 출범하고, 수소를 포함한 이차전지, 이산화탄소 포집/저장/활용 기술 분야 글로벌 연구개발 현황, 글로벌 기술 수준 등을 담은 글로벌 R&D 전략지도를 발표하였다. 우리나라와 글로벌 R&D 전략지도에 포함된 주요 국가의 수소 생산 프로젝트 수는 독일(194개), 미국(163개), 프랑스(125개), 영국(111개), 중국(81개), 인도(79개), 캐나다(51개), 일본(34개), 오스트레일리아(27개) 순이다. 미국, 캐나다, 우리나라를 제외한 대부분의 국가는 ALK, PEM, SOEC와 같은 수전해 기술 개발이 각 국가별 수소 생산 프로젝트의 80% 이상을 차지한다.

주요국 수소 생산 세부기술 및 프로젝트 진행 단계별 현황

글로벌 R&D 전략지도에 포함된 10개국

독일은 전체 프로젝트 수가 194개로 10개국 중 가장 많다. 이 중 97%에 해당하는 188개가 수전해 기술을 개발하는 프로젝트이며, 기타 수전해(28%), PEM(33%), ALK(19%), SOEC(7%) 순이다.
미국은 기타 수전해(26%), PEM(25%), ALK(23%)과 같은 수전해 기술뿐만 아니라 천연가스와 결합한 CCUS 기술 또한 23% 정도로 개별 수전해 기술과 동일 수준의 프로젝트가 진행 중이다.
캐나다는 기타 수전해(43%), PEM(8%), ALK(18%)로 수전해 기술은 전체 프로젝트의 69% 수준이다. 천연가스와 결합한 CCUS 기술은 전체 프로젝트의 22%로 미국과 유사하다.
일본은 일본의 전체 프로젝트 수 대비 PEM 기술 개발의 비중이 51%로 10개 국가 중 가장 높은 수치이다.
우리나라에서 진행 중인 수소 생산 프로젝트는 15개로 10개국 중 가장 프로젝트 수가 적다. 우리나라의 경우 기타 수전해(33%), PEM(7%), SOEC(20%)로 수전해 기술은 전체 프로젝트의 60% 수준이다. 천연가스와 결합한 CCUS 기술은 우리나라의 전체 프로젝트의 33%이다. 이러한 수치는 10개 국가의 천연가스-CCUS 프로젝트 비중 중에 가장 높은 수치이다.

수소 및 산출물 생산량 전망

지금까지 수소 생산 프로젝트의 진행 현황을 다양한 관점에서 살펴보았다.
지금부터는 모든 수소 생산 프로젝트가 계획된 운영 연도에 계획된 양의 생산이 가능하다고 가정하여, 미래에 얼마나 많은 수소를 생산할 수 있는지 살펴보도록 한다.

개별 프로젝트별 수소 생산 용량

개별 프로젝트별 산출물의 예상 생산량을 선으로 나타낸 것이다.
이 때 각 기술별 프로젝트의 산출물 용량 차이를 직관적으로 파악하기 위해 y축의 스케일은 기술별로 동일하게 고정하였다.

생산 용량 데이터가 포함된 1,683개의 프로젝트만을 고려하였으며, 수소 생산량을 전망하기 위해 개별 프로젝트별 산출물 생산량을 전망하였다. 개별 선은 각 프로젝트의 산출물별 생산량을 나타낸다.
본 데이터는 '변환 계수'를 활용하여 기술별/산출물별 수소 환산 생산량을 제공한다. 변환계수란, 일반적으로 특정 단위로 표시되어 있는 물리량을 다른 단위로 변환시킬 때 사용하는 계수를 말하며, 환산 계수라고도 한다. 제공된 수소 환산량을 통해 서로 다른 산출물이 수소 생산량을 기준으로 비교할 수 있도록 하였다.

개별 프로젝트별 산출물 생산량 전망은 모든 프로젝트들이 예상 가동 연도(date_online)에 가동을 시작하고, 그 다음 연도부터는 계획한 용량 대로 생산한다고 가정하였다.

수소 생산 용량은 프로젝트별로 공개된 용량을 바탕으로 MWel, Nm3H2/h, kt H2/y 순서대로 변환한다. 프로젝트별 기술/산출물별 변환 계수를 활용하여 산출물 용량을 수소 생산 용량으로 변환하여 최종적으로 수소 생산 용량(Normalized capacity, kt H2/y)을 제공한다.

전체 프로젝트 기반 수소 생산량 예측

지금까지 수소 생산 프로젝트의 진행 현황을 다양한 관점에서 살펴보았다.
지금부터는 모든 수소 생산 프로젝트가 계획대로 잘 진행되어 데이터를 통해 제시한 대로 운영될 경우 얼마나 많은 양의 수소(수소 환산량 기준)를 생산할 수 있을지 살펴보도록 한다.

기술별 수소생산량 전망

왼쪽 그래프는 전체 프로젝트를 통해 기술별로 생산 가능한 누적 수소 생산량을 나타낸다. 이 그래프를 통해 볼 때 2035년 경에는 연간 수소 생산량이 1억톤(100Mton)에 도달할 것으로 전망 가능하다.

기술별 수소 생산량을 살펴보면 2035년 경 기타 수전해 기술을 통해 가장 많은 수소가 생산될 것으로 예측되며, 다음으로 천연가스-CCUS 프로젝트, PEM, ALK 순으로 파악된다.
오른쪽 그래프들은 기술별 수소 생산량을 나타내는데, 기술별로 생산량 정도는 차이가 나지만 2025년 경부터 생산량이 증가하고, 2030년 전후로 일정 수준에 도달하는 것을 확인할 수 있다.

에너지원별/기술별 수소 생산량 분석

생키 다이어그램(Sankey Diagram)은 흐름을 보여주는 데이터 시각화 기법의 한 종류로, 어떤 시스템 혹은 프로세스 내에서 각 요소들의 주된 이동이나 흐름을 파악하는 데 용이하다. 특히, 복잡한 프로세스를 단순화해서 보여주는 데 효과적이며, 프로세스 내에서 주된 흐름의 너비가 두껍게 나타나 시각적으로 강조되기 때문에 어떤 요소의 기여도가 높은 지 직관적으로 파악할 수 있다. 에너지나 연료, 자금, 예산 등의 흐름을 파악하기 위한 대표적인 시각화 기법이다.

아래 생키 다이어그램을 통해 수소 생산 프로젝트가 산출물을 생산하는 데 있어 사용하는 에너지원에서부터, 어떤 생산 기술을 거쳐, 어떤 최종 산출물을 생산하는지의 흐름을 파악할 수 있다. 데이터에서 제시한 모든 프로젝트가 예상대로 가동할 시, 2044년 이후에 예상되는 수소 환산 기준 생산량을 확인할 수 있다.

왼쪽 에너지원-기술의 흐름은 에너지원과 기술별로 산출물의 생산량을 나타내며, 오른쪽 기술-최종산출물 흐름은 특정 기술을 통해 어떤 산출물을 생산하는지를 나타낸다. 단위는 IEA에서 환산하여 제공한 수소환산톤(백만톤H2eq)을 나타낸다.

왼쪽의 에너지원-기술의 흐름 살펴보면 전력망과 원자력의 비중은 적고 재생에너지의 비중이 큰 것을 확인할 수 있다. 가운데 수소 생산 기술에 있어서는 기술이 특정되지 않은 ‘기타수전해’가 큰 비중을 차지하는 것으로 보이며, ALK수전해, PEM수전해, 천연가스+CCUS 등도 확인할 수 있다. 오른쪽의 기술-최종산출물 흐름에서는 수소의 비중이 가장 크게 나타나며, 암모니아의 생산도 비중 있게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 정확히 파악하고 싶은 흐름에 마우스를 올리면 흐름이 강조되어 나타나고, 특정 요소에 마우스를 올리면 그 요소와 직접적으로 연관된 모든 흐름이 강조된다.

이상 IEA 수소 생산 프로젝트 데이터를 활용하여
프로젝트별 기술, 단계, 산출물을 중심으로 살펴보았다.

이번 분석을 통해 전세계 수소 생산 프로젝트를 살펴보았고, 추후 해당 데이터를 활용하여 수소 생산 분야를 둘러싼 이슈를 다양한 각도로 분석 할 수 있을 것으로 예상한다.

최근 세계 주요국에서 청정수소인증제를 도입, 시행하려는 움직임이 커지고 있다. 청정수소인증제는 수소 생산량 1kg 당 배출되는 온실가스의 양을 통해 청정수소 여부를 판단하는 제도이다. 이 기준은 국가별 에너지정책 방향과 수소 생산 여건을 고려하여 다르게 수립되고 있다. 대표적으로 영국은 2.4kg 이하, EU는 3.38kg 이하, 미국은 4kg 이하의 이산화탄소를 배출할 때 청정수소로 인증하고자 추진 중이다.

배출 온실가스 양에는 수소 생산을 위해 사용하는 연료와 원료 또한 함께 고려되므로, 수소 생산 시 어떤 에너지원을 투입하는지가 갈수록 중요해 질 것이다. 예컨대 수소를 재생에너지와 수전해 기술을 활용하여 생산할 경우와 화석연료-CCUS 기술을 활용하여 생산할 경우 이산화탄소 배출량은 다를 수밖에 없을 것이다.

향후에는 이런 세계적인 트렌드를 반영하여 국가별로 주로 어떤 에너지원을 투입하여 수소를 생산하는지, 어떤 에너지원이 어떤 수소 생산 기술로 주로 연계되는지, 어떤 국가의 화석연료-CCUS 프로젝트가 어느 정도의 이산화탄소를 포집하는지 등을 면밀하게 살펴볼 계획이다.