■ 가장 가벼운 원소, 수소(H₂)

수소는 무색·무미·무취의 기체로 지구상에 존재하는 물질 중에서 가장 가벼운 원소다.

통상 수소원자가 2개가 결합된 수소분자(H₂)로 존재하며 임계온도는 －239.9℃, 임계압력 12.8atm, 물에는 18℃에서 1:0.0185 비율로 녹는다.

상온에서는 오르토수소(ortho-hydrogen)와 파라수소(para-hydrogen)의 3:1 혼합물이다. 또상온에서는 반응성이 적지만, 온도가 높으면 많은 원소와 직접 반응한다.

산소와의 2:1 혼합물은 500℃ 이상에서 격렬하게 반응해 폭발하며, 산소수소 폭명기(爆鳴氣)라고 한다. 그 밖에 황과는 황화수소, 질소와는 암모니아, 염소와는 염화수소를 생성한다. 많은 금속과 직접 반응해 수화물을 만들며 금속염화물이나 산화물을 가열하면 환원돼 금속을 생성한다. 일반적으로 화합물 중에서의 원자가는 양 1가 또는 음 1가의 값을 가진다.

■ 수소의 역사

수소는 1766년 영국의 H.캐번디시에 의해 처음으로 물질로서 확인되고 묽은 산과 금속과의 반응에서 생성된다는 사실이 밝혀졌다. 그러나 캐번디시는 그 당시까지 널리 알려져 있던 연소설(燃素說)을 믿고, 연소하기 쉽고 가볍다는 사실로부터 연소라고 생각했다. 나중에는 물과 연소와의 화합물이라고 생각하게 됐다.

이것을 올바르게 원소라고 인식한 것은 프랑스의 A.L.라부아지에. 그는 1783년 고온으로 가열한 금속 튜브에 수증기를 통과시켜 물을 분해하고 수소를 얻는데 성공했으며 수소를 연소시키면 물이 생긴다는 사실도 밝혔다.

이로부터 그리스어의 물을 뜻하는 하이드로(hydro)와, 생성한다는 뜻의 제나오(gennao)를 합쳐 ‘하이드로젠(hydrogne)’이라 명명했다.

■ 천연가스 개질·나프타 분해로 생산

수소는 공업적으로는 보통 천연가스를 비롯한 탄화수소의 열분해에 의해 제조된다.

그 밖에 수성가스·코크스로(爐)가스 등에서 분리시키거나, 물의 전기분해, 석유분해, 심냉분리법 등의 방법으로 제조되기도 한다.

국내 수소가스 원료는 석유화학사의 정제과정에서 나프타분해 방식으로 주로 얻어지며 소량이 천연가스로부터의 프로판탈수소와 소금물분해 또는 철강사의 제철공정 상의 부산물로 생산된다.

■ 수소 분석법

혼합가스 중의 수소는 보통 연소법(然燒法)으로 정량한다. 즉 이산화탄소·중탄화수소·산소·일산화탄소를 흡수시켜 제거한다. 그런 후 과량의 공기 또는 산소를 혼합해 연소시키거나(H2 +1/2O2 →HO), 또는 270∼280℃로 가열한 산화구리(II)에 의하여 연소시켜(H2+CuO →Cu+H2O) 가스량의 감소로부터 수소의 양을 구한다.

■ 에너지·소재, 두 얼굴의 수소

에너지로서 수소는 태양광, 태양열, 화석연료와 같은 1차 에너지를 변환시켜 얻을 수 있는 2차 에너지에 해당되며 에너지로서보다는 화학제품의 원소재 및 각종 화학 및 전자제품 제조공 상의 기초소재로 널리 사용되는 경우가 많다.

수소는 암모니아·염산·메탄올 등의 합성에 대량으로 사용되며 기름을 경화제, 액체연료의 제조, 금속의 절단과 용접, 백금·석영 등의 세공 등에도 사용되며 비등점이 액상 수소의 특성을 이용해 냉각제로 사용되기도 한다.

■ 각국 수소관련 연구 현황

수소는 지난 1960년대에 이미 우주개발의 필요성에 의해 수소추진 로켓, 액체수소의 저장과 수송, 연료전지 이용기술 등이 미국 등 선진국에서 일부 실용화되면서 첨단 엔지니어링 련료로서 선진국을 중심으로 공동 개발 추진 및 수소에너지 시스템 실증 등이 진행돼 왔다.

대규모 실용화를 목표로 1980년대 중반 독일에서 시작된 수소기술 개발계획은 이후 미국과 일본까지 본격적인 계획 수립에 착수하여 미국이 1990년, 일본이 1993년을 기점으로 각각 대규모 수소기술 개발 프로그램(WE-NET)을 시작한바 있다.

아이슬란드 역시 세계 최초로 수소에너지 경제권의 창조를 목적으로 국가프로젝트를 시작하기도 했다.

수소에너지에 대한 각국의 연구개발 동향으로 볼 때 정부나 주정부 등 공공기관이 개발 자금을 부담해 적극적으로 개발을 지원하고 있고 기존 기술을 활용해 실용시스템을 구성, 문제점 해결과 시민에 대한 계몽을 주도함으로서 장래 시장 도입을 용이하게 할 수 있는 기반을 조성하고 있다. 또한 이용분야에 있어서도 환경개선 효과가 큰 수소 자동차를 개발·도입하는데 중점을 두고 있다는 점이 공통적인 특징이다.

■국내시장 현황

국내 수소시장은 대규모 수요처에 공급하는 파이프라인 방식과 중·소규모 수요처를 대상으로 한 카트리지 방식으로 공급체계가 나눠져 있다.

대규모 수요에 대응하는 체제인 만큼 파이프라인을 통한 수소 공급량이 시장의 90%가량을 점하며 큰 파이를 차지하고 있지만 해당 수요처의 생산계획과 시즌에 따라 공급량의 증감이 상당한 차이를 보여 업계에서는 “별도의 통계를 내는 것이 무의미 하다”는 평가를 내릴 정도다.

또한 원료부족이라는 근본적인 과제를 안고 있는 수소업계의 실정상 시장 전체로는 1, 2년 사이 의미있는 생산능력상의 변화가 있었다고 보기 힘들다.

이에 비교적 진폭이 적은 카트리지 공급용 플랜트의 생산능력을 살펴보고 이를 과거 추계에 비춰 대략적으로 추산된 전체 생산량의 자료와 비교해 봄으로써 수소시장의 전체 양상을 읽어보는 방법을 택했다.

최근 업계 소식통에 따르면 현재 국내 시장의 카트리지 공급용 수소 총 생산능력은 1만6,700㎥/h다. 카트리지용 수소의 비중을 10%라고 가정하에 단순 계산하면 현재 파이프라인을 포함한 전체 생산능력은 약 16만7,000㎥/h이다.

한편 최근 업계가 내놓은 추정치는 총 16만2,000㎥/h, 실제 최대 생산능력은 두 값의 평균치인 16만4,500㎥/h 내외인 것으로 볼 수 있다.

2009년 전체 생산량 추정치 14만6,000㎥/h를 최대 캐파로 가정하면 최대 생산능력은 약 12% 가량 늘었다는 계산이다.

업계 추정에 따른 제조사별 생산능력은 과거통계에서 3만9,500㎥/h으로 3위에 그쳤던 (주)덕양(옛 덕양에너젠)이 5만7,500㎥/h의 1위로 뛰어올랐다.

과거 1위였던 SPG케미컬 4만6,000㎥/h로 2위, 4만5,000㎥/h로 제자리를 지킨 에어리퀴드코리아가 3위로 각각 내려앉았으며 린데코리아(1만500㎥/h), SDG(3,000㎥/h)가 그 뒤를 따랐다.

한편 각 제조사의 공장별로 압축기 1대씩을 백업용으로 계산하면 카트리지 가용생산량은 13,400㎥/h, 이를 바탕으로 추산하면 전체 생산량은 13만4,000㎥/h 수준.

이를 국내 5개 수소 제조사별로 살펴보면, 최근 정보에서 카트리지용 수소 최대 생산능력은 (주)덕양이 총 8,000㎥/h로 최대 캐파를 갖추고 있으며 그 뒤로 SPG(3,800㎥/h), SDG(2,500㎥/h), 린데(1,600㎥/h), 에어리퀴드(800㎥/h) 순이다.

백업용량을 감안한 가용생산능력은 덕양의 6,800㎥/h를 필두로 SPG(3,400㎥/h), SDG(2,000㎥/h), 린데(800㎥/h), 에어리퀴드(400㎥/h) 순으로 추정되고 있다.

■수요↑·물량↓·원료價↑…‘가격상승’ 3중고

수소시장은 최근 몇 년간 지속된 수요증가가 대세로 자리잡은 가운데 간헐적으로 나타난 공급부족과 원료가 인상, 전기료 인상 등 가격인상 요인이 누적되면서 판매가 고공행진이 계속될 것으로 전망되고 있다.

국내 수소시장은 근본적으로 LED 및 폴리실리콘 시장 확대에 의한 수소 수요의 폭증과 원료를 내놓는 국내 정유사들의 정유공정상 수소 사용 확대 및 대체연료 사용 등으로 인한 공급 감소라는 장기적인 수요-공급 추세의 흐름이 강하게 작용하고 있다.

여기에 이미 지난해 5월 원재료와 전력사용료, 운송비용 등의 지속적인 상승이 직접적인 영향을 미치며 27%가량 가격이 상승, 가파른 상승세를 시작했으며 지난 5월 경 원료 공급처인 국내 석유화학사들의 정기보수 돌입으로 공급까지 축소되면서 당시 30% 이상 재차 상승하는 기염을 토했다.

엎친 데 덮친 격으로 지난 3월 일본 대지진의 영향으로 현지 공업생산량이 급감, 그 공백의 일부를 메운 국내 기업의 생산량 증가가 국내 철강사의 가동률 상승으로 이어지면서 한 몫 거든 것도 빼놓을 수 없다.

업계에서는 당시 “가격이 아니라 물량확보가 문제”라며 수유처와 공급처 모두 물량확보에 상당기간 애를 먹었다.

이후 정기보수나 대지진 여파 등 한시적 요인이 사라지며 다소 진정기미를 보이고는 있지만 여전히 공급은 여유롭지 않은 상황.

최근 업계에 따르면 국내 5사의 판매현황은 카트리지 기준으로 덕양 6,000㎥/h, SPG 2,600㎥/h, SDG 1,000㎥/h, 린데 800㎥/h, 에어리퀴드 400㎥/h로 알려져 있다. 이는 가용생산캐파의 90%에 육박하는 양이다.

실제로 한 업계 관계자는 “현재 국내 수소 5개사가 자체 생산능력의 거의 전량을 판매하는 상황”이라고 설명했다.

그는 특히 “3분기 이후 신규 공급분을 감안하면 수소공급 부족상황이 심화될 것”이라고 전망했다.

이런 시장 상황에 맞춰 덕양과 SPG는 서산지역에 연내 증설을 계획하고 있는 것으로 알려져 있다.

(주)덕양 관계자는 “올해 공급약정분을 고려해 1분기부터 추가소스 확보와 압축기와 차량증설을 확정한 상태로 신규물량 확보에 신중을 기하고 있다”고 말했다.

또 그는 “경제성이 확보되지 않는 저가공급업체에 대한 가격현실화는 피할 수 없는 상황”이라며 물량 부족에 따른 가격인상을 예고했다.

■ 수소價 고공행진, 상당기간 지속될 듯

국내 수소가격은 전방산업 업황과 시즌에 따라 다소간의 변동을 보이겠지만 대략 현재 선에서 하향으로는 큰 진폭을 보이기는 힘들 것으로 보는 게 업계 전문가들의 일관된 시각이다.

이는 앞서 살펴봤듯이 산업용 수소의 대량 수요처인 반도체, 태양전지, LED 산업 등의 성장세가 당분간 이어질 것으로 전망되기 때문이다.물론 최근 LCD 패널을 중심으로 전자업종이 지난해 보였던 활황세가 다소 수그러들면서 재고 증가와 가격 하락 현상이 나타나고 이에 따라 수소를 비롯한 각종 공정용 가스소재의 수요가 당초 예상을 밑돌고 있다.

그러나 전방산업군은 물론 소재 업계는 이 같은 성장세의 둔화가 지난해까지 이어진 활황에 따른 착시 현상일 뿐 여전히 지속적으로 흐름을 이어가고 있으며 앞으로도 상당기간 지속될 것으로 보고 있다.

업계 전문가들은 더구나 올해부터 태블릿 PC, 스마트폰 등 신규 아이템들이 소비재 시장에서 본격적인 강세를 보일 것으로 전망되고 있어 전자 산업군의 수소 수요는 잠깐 숨고르기 후 다시 급피치를 올릴 가능성이 적지 않다고 보고 있다.

특히 내년으로 다가온 공공부분의 LED 조명 전면 채용을 앞두고 있는 상황에서 LED 생산공정에 다량으로 소비되는 초고순도 수소가스 수요의 증가를 고려하면 이같은 전망은 더욱 무게를 갖게 된다.

문제는 조만간 수요의 급팽창 가능성이 높아진 상황에서 공급을 획기적으로 확대할 뽀족한 방안이 없다는 데에 있다.

국내 모 수소제조사 관계자는 “석유화학사 등 수소 소스원 에서도 이같은 수소 수급상황을 인식하고 있다”며 “그간 부산물로 처리하던 형태에서 벗어나 제품으로 취급하며 원가부담을 상쇄할 수준으로 수소가격의 ‘현실화’를 지속적으로 추진하고 있다”고 말했다.

■ 수소 수급 불안 근본적 대처 필요

수소는 첨단 산업의 기초소재로서의 가치가 점점 더 확대되는 한편 미래 청정에너지원, 유력한 에너지 매체의 하나로 떠오르고 있다.

게다가 머지 않은 미래에 석유자원 고갈과 함께 지금과 같은 나프타 분해나 천연가스 개질에 소스를 의존할 수 없계 될 것이 자명하다.

소재로서의 수요는 이미 폭증하고 있으며 장차 에너지 분야에서의 수요 증가가 기대되는 수소를 기존 방식으로는 생산할 수 없게 된다는 부분은 수소업계는 물론 전 산업계와 과학계, 나아가 국가적인 차원에서 고민해야 할 심각한 문제다.

가깝게는 효율적인 수소 생산 및 공급 프로세스에 대한 업계의 치열한 노력과 함께 보다 안정적인 수소원료 공급망, 수요자와 공급자 모두 상생할 수 있는 합리적인 시장의 형성과 유지가 필수적이다.

멀게는 새로운 수소 소스원의 개발과 생산방식의 연구, 또는 대체 소재의 개발과 활용법의 연구 등이 보다 장기적인 차원에서 강력하게 추진돼야 한다는 데 업계 전문가들은 입을 모으고 있다.


신소재경제
김성준 기자 sj@amenews.kr