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탄소중립 시대, 그린 암모니아와 차세대 수소 생산 기술의 현재와 미래

일반 리포트 2025년 05월 02일
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목차

  1. 요약
  2. 수소 생산 기술의 진화: 재생 가능 수소와 바이오매스 기반 청정 수소
  3. 자연수소(화이트 수소)의 부상과 시추 전망
  4. 그린 암모니아 생산 공정과 시장 전망
  5. 글로벌 수소·암모니아 협력 및 시장 동향
  6. 결론

1. 요약

  • 2025년 5월 2일 기준으로, 수소 생산 기술의 혁신적인 진화는 기후 변화 대응 및 탄소중립 목표 달성을 위한 필수 요소로 자리 잡고 있습니다. 주요 기술 부문에서 가장 두드러진 발전은 전기분해 방식으로 생산된 재생 가능 수소와, 바이오매스를 활용한 청정 수소 생산 과정입니다. 이 기술들은 기존 화석 연료 기반의 수소 생산 방식을 대체하며, 이산화탄소 배출을 최소화합니다. 특히, 전기분해 기술의 발전은 세계 여러 나라에서 재생 가능 에너지원의 효율적인 활용을 통해 수소 경제로의 전환을 가속화하고 있습니다. 유럽연합과 일본이 재생 가능 수소 생산 목표를 설정함으로써 이젠 세계 시장에서 수소 중심의 에너지 전환이 가속화되고 있습니다.

  • 또한, 자연수소(화이트 수소)의 발견과 탐사는 수소 생산 분야에서 새로운 가능성을 열어주고 있습니다. 대형 에너지 기업들이 아프리카와 북미 지역에서 자연수소 탐사에 나서고 있는 가운데, 이 분야는 2025년을 기점으로 상용화 가능성을 보여주고 있습니다. 자연수소는 탄소 배출이 없다는 점에서 기존 수소 생산 방식과 비교해 중요한 환경적 이점을 제공합니다. 이와 함께, 그린 암모니아의 시장 진출이 본격화되고 있으며, 이는 청정 에너지원으로서의 기대를 높이고 있습니다. 암모니아 생산 과정에서의 탄소 배출 최소화는 기존 원료로부터의 전환을 통해 가능성이 더욱 커지고 있습니다.

  • 마지막으로, 호주와 일본 간의 수소 동맹이 지속적으로 강화되고 있으며, 아프리카 대륙의 수소 자원 개발을 통해 글로벌 수소 공급망의 재편성이 이루어지고 있습니다. 아프리카는 풍부한 재생 가능 자원 덕분에 수소 생산의 최적지로 손꼽히며, 이를 통한 에너지 전환이 보다 활성화될 것으로 예측됩니다. 이러한 모든 기술 혁신과 국제 협력은 탄소중립 시대를 맞이하는 데 중요한 역할을 할 것이며, 전체 에너지 경제 시스템의 구조적 변화도 기대됩니다.

2. 수소 생산 기술의 진화: 재생 가능 수소와 바이오매스 기반 청정 수소

  • 2-1. 재생 가능 수소 정의 및 전기분해 원리

  • 재생 가능 수소는 태양광, 풍력 등 다양한 재생 에너지원으로 생성된 전기로 물을 전기분해하여 생산됩니다. 이 과정에서 발생하는 온실가스는 거의 없거나 전혀 없어 '그린 수소'라는 용어로도 알려져 있습니다. 화석 연료에서 전혀 의존하지 않기 때문에 탄소중립을 실현하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 재생 가능 수소의 전기분해 과정은 일정한 전압을 적용하여 물(H2O)을 산소(O2)와 수소(H2)로 분해하는 원리입니다. 이 과정은 기존의 화학적 수소 생산 방식에 비해 환경적 영향을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있습니다.

  • 최근 보고서에 따르면, 재생 가능 수소는 다양한 산업 분야에서 대체 에너지원으로 자리 잡아가고 있으며, 수소 연료전지 차량, 화학 및 철강 산업의 고열 공정에도 활용되고 있습니다. 특히 유럽연합은 2030년까지 1천만 톤의 재생 가능 수소를 생산하겠다는 목표를 세우고 있으며, 일본 또한 수소 경제로의 전환을 국가 전략으로 세우고 있는 상황입니다.

  • 2-2. 전세계 전기분해 기술 현황

  • 2025년 현재, 전 세계의 전기분해 기술은 급속히 발전하고 있으며, 특히 유럽, 일본, 한국은 적극적으로 재생 가능 수소 생산을 위한 인프라를 확장하고 있습니다. 유럽에서는 국가별 특성을 고려한 다양한 정책들이 수립되고 있으며, 일본은 수소 사회로의 전환을 필두로 대규모 수소 생산시설을 확보하고 있습니다. 가장 유망한 전기분해 기술 중 하나는 고온가스로에서 수소를 직접 생산하는 고온가스로 전기분해입니다. 이러한 기술들은 특히 에너지 효율성을 높여 탄소 중립 목표 달성에 기여하고 있습니다.

  • 또한, 최근 기술혁신을 통해 전기분해 장치의 비용이 감소하고 있으며, 이는 대규모 수소 생산에 기여하고 있습니다. 기업들과 연구소들은 고효율 전기분해 시스템을 개발하여 재생 가능 에너지원의 변동성을 보완하고, 수소 생산의 안정성을 높이는데 집중하고 있습니다.

  • 2-3. 바이오매스 가스화 기반 청정 수소 생산

  • 바이오매스 가스화는 유기성 폐자원, 예를 들어 하수찌꺼기, 음식물류 폐기물, 가축분뇨 등을 처리하여 발생하는 바이오가스를 고질화하여 청정 수소를 생산하는 기술입니다. 이 방식은 지난해 시행된 바이오가스법으로 인해 더욱 활발히 추진되고 있으며, 공공의무생산자로 지자체와 기업들이 함께 협력하여 대응 방안을 모색하고 있습니다. 특히 바이오매스 가스화 기술은 이산화탄소(CO2) 발생을 생물기원으로 인해 탄소중립적인 에너지원으로 간주됩니다. 더불어, 이 기술은 에너지 인프라 소외지역에서의 분산형 에너지 공급을 가능케 해 주목받고 있습니다.

  • 바이오매스 기반 청정 수소 생산은 국제 에너지 가격변동의 영향을 받지 않는 장점이 있으며, 현지에서 발생하는 유기성 폐기물을 활용함으로써 경제성을 가지고 있습니다. 이러한 기술들은 현재 진행 중인 프로젝트들에서도 실증되고 있으며, 당분간은 국내외적으로 주목받는 청정 수소 생산 방법이 될 것입니다.

3. 자연수소(화이트 수소)의 부상과 시추 전망

  • 3-1. 화이트 수소 개념 및 특징

  • 화이트 수소는 자연에서 발생하는 유일한 청정 수소 형태로, 이 수소는 연소할 때 이산화탄소를 배출하지 않고 물만을 생성하는 뛰어난 특성을 가지고 있습니다. 이는 환경적으로 매우 유리하며, 기존 화석 연료 기반의 수소 생산방식과 차별화되는 점입니다. 화이트 수소는 약 40년 전 아프리카 말리에서 처음 발견되었으나, 그동안 주목받지 못하다가 최근 들어 글로벌 투자자와 기업들이 이 분야에 대한 관심을 보이며 활성화되고 있습니다. 자연적으로 생성되는 수소는 대기 중에서 화학 반응을 통해 지속적으로 생겨나는 특징을 가진 만큼, 청정 에너지원으로서의 가능성이 커지고 있습니다.

  • 3-2. 대형 에너지 기업의 탐사 동향

  • 2025년 4월 29일, 대형 에너지 기업들이 자연수소 탐사에 적극적으로 뛰어들고 있는 움직임이 감지되고 있습니다. 리오틴토, 포테스큐, 그리고 BP 등의 대기업들이 본격적으로 자연수소 탐사 프로젝트에 착수하고 있으며, 이들은 캐나다와 미국을 중심으로 시추 계획을 진행하고 있습니다. 에너지 컨설팅업체 리스타드 에너지에 따르면, 2025년은 화이트 수소의 실제 상용화에 중요한 결정적 시점으로 예상되고 있으며, 많은 기업들이 초기 테스트를 통해 이 산업의 가능성을 가늠하고 있습니다. 그러나 현재까지 실제 시추를 시작한 기업은 적으며, 이 분야의 탐사 속도가 다소 느린 상황입니다.

  • 3-3. 투자 확대와 상용화 전망

  • 자연수소에 대한 투자 열기는 계속해서 증가하고 있으며, 특히 브레이크스루 에너지 벤처스와 같은 청정 기술 투자 펀드도 관련 프로젝트에 자금을 지원하고 있습니다. 에릭 툰 CTO는 화이트 수소가 금속, 연료, 식량 생산 과정에서 기존 방법보다 훨씬 적은 탄소를 배출할 수 있다고 강조하며 자연수소의 가능성에 긍정적인 전망을 제시하고 있습니다. 그러나 국제에너지기구(IEA)에서는 자연수소가 국가 간 인프라 부족과 분포의 불균형으로 인해 경제적으로 회수하는 데 어려움이 있을 수 있다는 경고를 하고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 많은 전문가는 2025년이 화이트 수소의 상용화 가능성을 정의할 중요한 시점이 될 것으로 보며, 앞으로의 결정을 주목하고 있습니다.

4. 그린 암모니아 생산 공정과 시장 전망

  • 4-1. 그린 암모니아 정의 및 생산 메커니즘

  • 그린 암모니아는 재생 가능한 방식으로 생산된 암모니아로, 기본 생산 과정은 두 가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다. 첫 번째 단계는 물의 전기분해를 통해 수소를 생성하는 것입니다. 이 과정에서 태양광, 풍력 등 재생 가능한 에너지원이 사용되어 탄소 배출이 없습니다. 그 다음 두 번째 단계에서는 생성된 수소와 공기 중의 질소가 하버-보슈 반응을 통해 결합하여 암모니아(NH₃)로 합성됩니다. 이 두 과정이 모두 탄소 배출을 최소화하면서 진행되는 만큼, 그린 암모니아는 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있습니다.

  • 그린 암모니아 생산 공정은 기존 화석연료 기반 암모니아 생산 방식에 비해 환경적으로 훨씬 우수한 특징을 지니고 있습니다. 전통적으로 암모니아는 천연가스를 개질하여 수소를 얻고, 이 수소를 다시 질소와 결합하여 생산됩니다. 이 과정에서 이산화탄소가 발생하지만, 그린 암모니아는 재생 에너지를 활용하여 이러한 배출을 원천적으로 차단합니다.

  • 4-2. 전기분해 수소 확보 방안

  • 그린 암모니아 생산에서 수소는 핵심 원료입니다. 이를 확보하기 위한 전기분해 기술은 현재 가장 많이 연구되고 있는 분야 중 하나입니다. 전기분해에는 여러 가지 방식이 있으며, 대표적으로 알칼리 전기분해 및 고체 산화물 전기분해가 있습니다. 각 기술들은 전극 재료 및 반응 조건에 따라 다르게 작용하고, 효율성과 비용 면에서도 차이를 보입니다.

  • 예를 들어, 최신 기술인 고온가스로 전기분해(HOT) 방식은 높은 온도에서 작동하여 에너지 효율을 극대화하고 생산 비용을 낮출 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이러한 다양한 전기분해 기술들은 그린 암모니아 생산의 경제성을 높이기 위해 지속적으로 발전하고 있습니다.

  • 4-3. 전통 개질 공정 대비 환경·경제성 분석

  • 그린 암모니아는 기존 개질 공정과 비교할 때 환경적 장점뿐만 아니라 경제적 이점도 바라볼 수 있습니다. 기존 화석연료 기반 암모니아 생산에서는 수소 생산 및 암모니아 합성에서 상당한 양의 이산화탄소가 발생하지만, 그린 암모니아 생산은 거의 또는 전혀 탄소를 배출하지 않습니다. 이에 따라 글로벌 탄소중립 목표에 부합하는 에너지원으로 자리 잡고 있습니다.

  • 또한, 그린 암모니아는 저장 및 운송의 효율성이 뛰어나기 때문에 대규모 생산 및 유통이 용이합니다. 특히, 기존의 암모니아 수송 인프라를 활용할 수 있어 신규 인프라 구축 비용을 절감할 수 있습니다. 이러한 측면에서 그린 암모니아는 고비용의 연료로부터 벗어나 더욱 지속 가능한 에너지 경제를 실현할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다.

5. 글로벌 수소·암모니아 협력 및 시장 동향

  • 5-1. 호주-일본 수소 동맹의 정책·시장 재정렬

  • 호주와 일본은 수소를 미래 에너지의 중요한 구성 요소로 설정한 이래, 양국 간의 협력은 점차 정책과 시장의 재정렬을 필요로 하는 국면에 접어들고 있습니다. 호주-일본 수소 동맹은 2021년에 체결된 '기술기반 탈탄소 파트너십'을 기반으로 하여, 수소와 암모니아, CCUS(탄소 포집 및 저장) 분야에서의 협력을 강화해 왔습니다. 하지만, 현재 두 나라는 민간 부문에서의 투자가 미진하며, 정책적 추진 속도와 민간의 실질적 참여가 상반되는 어려움에 직면해 있습니다. 일본은 2030년까지 수소 가격을 30엔/N㎥, 2050년까지 20엔/N㎥으로 낮추기 위한 목표를 세우는 등 가격 안정성을 확보하기 위한 다양한 방안을 강구하고 있으며, 이와 동시에 일본 내 수소 수요의 변화를 반영하여 산업용 수소 생산에 집중하고 있습니다. 반면, 호주는 국가 수소 전략을 통해 2024년까지 1500만~3000만 톤의 수소 생산 목표를 설정하고, 이에 따른 대규모 투자 프로그램을 마련하였으나 실제 프로젝트 진행은 답보 상태입니다. 이러한 상황에서 양국은 정책적 일관성을 유지하며 민간 부문 투자 유치를 위해 추가적인 지원 방안을 모색해야 하는 상황입니다.

  • 5-2. 아프리카 대륙의 수소 공급 잠재력

  • 아프리카 대륙은 풍부한 태양광과 풍력 자원 덕분에 수소 생산의 최적지로 평가받고 있습니다. '아프리카 그린수소 연합(African Green Hydrogen Alliance, AGHA)'은 이집트, 케냐, 나미비아, 모로코, 모리타니아, 남아프리카공화국, 에티오피아 등 7개국이 참여하여 대륙 차원의 수소 생태계 구축을 목표로 하고 있습니다. 이 협력체는 정책 공유와 기술 협력을 통해 아프리카 국가 간의 협력을 증진하며, 정부 간 협의체를 활용하여 수소 산업의 기회를 선점하고 있습니다. 아프리카는 전체 면적의 60% 이상에서 연간 3000시간 이상의 일조량을 자랑하고 있으며, 이는 수소 생산의 핵심 원료인 청정 전기를 대규모로 확보할 수 있는 조건을 갖추고 있음을 의미합니다. IEA는 아프리카가 연간 50억 톤의 그린 수소를 생산할 수 있을 것으로 전망하며, 이는 세계 탄소 중립 목표 달성에 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

  • 5-3. 향후 파트너십과 인프라 과제

  • 아프리카의 수소 산업 발전을 위해서, 현지 인프라 구축이 그 무엇보다 중요합니다. 모로코의 탄제르 항구와 나미비아의 월비스베이 항구는 수소 저장 및 선적 기능을 갖춘 '그린 터미널' 구축을 통해 유럽과의 수소 공급망을 실시간으로 연결하는 프로젝트가 진행 중이며, 이는 아프리카의 수소가 글로벌 에너지원으로 자리매김하는 중요한 기반이 될 것입니다. 그러나, 아프리카 대륙의 수소 산업은 ‘녹색 식민주의’라는 비판에 직면해 있습니다. 선진국들이 수소 생산에 필요한 자원과 인프라를 개발도상국에서 활용하는 과정에서, 현지 주민들의 권리와 지속 가능한 발전이 저해될 수 있다는 우려입니다. 따라서, 아프리카의 수소 산업이 진정한 지속 가능성을 가지기 위해서는, 지역 주민들과의 공정한 파트너십을 통해 경제적 이익을 공유하고, 기술 이전 및 인프라 구축이 필수적으로 이루어져야 합니다.

결론

  • 수소 생산과 그린 암모니아 합성 기술은 현재 전기분해, 바이오매스 가스화 및 자연수소 시추를 통해 다양한 방향으로 진화하고 있습니다. 이러한 기술들은 과거의 화석 연료 기반 시스템에서 벗어나 지속 가능하고 환경 친화적인 에너지원으로 자리매김할 가능성을 보여주고 있습니다. 특히, 그린 암모니아는 기존 암모니아 생산 방식에서 발생하는 탄소 배출을 근본적으로 해결할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다.

  • 호주-일본 수소 동맹은 수소와 암모니아 생산의 글로벌 허브를 향한 중요한 출발점으로 작용하고 있으며, 이를 통해 시장의 새로운 재정렬이 이루어질 것을 기대하고 있습니다. 아프리카 대륙의 막대한 재생 가능 에너지원은 수소 산업을 보다 주목받게 할 요소로 작용할 것입니다. 그러나 이러한 발전이 지속 가능하게 이어지기 위해서는 인프라 구축과 정책적 지원이 동반되어야 할 것입니다.

  • 향후에는 탄소 포집 및 전환 기술과 융합한 통합 솔루션 개발이 필수적이며, 이를 통해 더욱 향상된 수소 생산 환경이 조성될 것입니다. 특히, 대규모 전기분해 플랜트 확장 및 국제 협력 기반의 시장 규격 표준화는 필수적인 요소로 자리잡아야 할 것입니다. 2025년은 이러한 기술과 정책의 실제 상용화에 중요한 시점이 될 것이며, 이를 통해 탄소중립 목표 달성을 위한 기반이 한층 더 확고히 다져질 것을 기대합니다.

용어집

  • 그린 암모니아: 재생 가능한 에너지원으로 수소를 생산한 후, 하버-보슈 반응을 통해 질소와 결합하여 합성된 암모니아(NH₃)입니다. 이 과정은 탄소 배출을 최소화하며, 지속 가능한 청정 에너지원으로 주목받고 있습니다.
  • 재생 가능 수소: 태양광, 풍력 등 재생 가능한 에너지를 이용해 물을 전기분해하여 생성된 수소입니다. 화석 연료에 의존하지 않으며, 탄소중립을 위한 핵심 요소로 자리 잡고 있습니다.
  • 화이트 수소: 자연에서 발생하는 청정 수소 형태로, 이산화탄소를 배출하지 않고 물만 생성하는 특징을 가지고 있습니다. 2025년 현재 대형 에너지 기업들이 탐사에 나서며 상용화 가능성이 높아지고 있습니다.
  • 바이오매스 가스화: 유기성 폐자원(예: 음식물쓰레기, 하수 찌꺼기)을 고온으로 처리하여 청정 수소를 생산하는 기술입니다. 이 과정은 탄소중립 에너지원으로 간주되며, 에너지 인프라가 부족한 지역에서의 분산형 에너지 공급에 유리합니다.
  • 전기분해: 전압을 통해 물(H₂O)을 산소(O₂)와 수소(H₂)로 분해하는 과정입니다. 재생 가능 에너지로 수소를 생산할 수 있어 탄소 배출이 minim을 유지하는 데 기여합니다.
  • 탄소중립: 인간 활동으로 발생하는 이산화탄소와 같은 온실가스의 배출량을 상쇄하여 순배출량을 제로에 가깝게 만드는 상태를 의미합니다. 탄소중립 목표 달성은 기후 변화 대응의 중요한 요소입니다.
  • 호주-일본 수소 동맹: 2021년에 체결된 협약으로, 호주와 일본 간에 수소 및 암모니아 생산과 관련된 기술 협력을 강화하기 위한 파트너십입니다. 양국은 글로벌 수소 시장에서의 지배력을 확대하고자 합니다.
  • 아프리카 그린수소 연합: 아프리카 대륙에서 수소 생태계를 구축하고자 하는 7개국(이집트, 케냐, 나미비아, 모로코, 모리타니아, 남아프리카공화국, 에티오피아)의 협력체입니다. 이는 아프리카의 수소 생산 잠재력을 높이기 위한 노력의 일환입니다.
  • CCUS: 탄소 포집 및 저장 기술(Carbon Capture, Utilization, and Storage)로, 이산화탄소를 대기 중으로 배출하지 않고 포집하여 저장하거나 재활용하는 기술을 말합니다. 탄소중립 목표 달성을 위한 중요한 기술로간주됩니다.
  • 수소 경제: 수소가 주요 에너지원으로 활용되는 경제 체계로, 재생 가능 에너지원과 결합하여 탄소 배출을 줄이는데 기여하는 모델입니다. 이는 지속 가능한 에너지 변화를 추구하는 방향으로 발전하고 있습니다.

출처 문서