수소도시(Hydrogen City)는 미래의 에너지 공급 및 소비 시스템을 재구성하고 지속 가능한 발전을 도모하기 위한 혁신적인 개념이다. 이는 도시의 에너지 시스템을 수소를 중심으로 설계하고 운영하는 도시를 의미한다. 수소를 기반으로 한 도시, 즉 '수소도시'는 청정 에너지 전환의 핵심 모델로 부상하고 있으며, 이로 인해 환경 문제와 에너지 자립 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 수소도시는 온실가스 배출을 최소화하고, 에너지 효율성을 높이며, 재생 가능 에너지를 기반으로 한 친환경· 제로에너지의 스마트 시티의 또 다른 대안으로 추진되고 있다. 이 글에서는 수소도시의 개념과 실제 국내에서 추진사례를 중심으로 살펴보고자 한다.

 

 

1. 재생에너지로서의 수소

 

수소(Hydrogen)는 우주에서 가장 풍부한 원소로, 기본적으로 물(H2O)을 전기분해하여 얻을 수 있다. 수소는 연소 시 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않기 때문에, 탄소 중립 사회로 전환을 촉진하는 데 중요한 재생에너지의 연료로 부각되고 있다. 수소도시는 수소를 주 에너지원으로 활용하여 도시의 에너지 시스템을 구성하는 모델이며, 현재 국내 각 지자체에서는 지자체의 특성화에 부합되도록 하는 전력생산, 교통수단, 열 공급 등 다양한 에너지 수요를 충족시킬 수 있도록 수소도시 마스터플랜을 수립 중이다. 수소경제는 수소를 주요 에너지원으로 사용하는 경제 시스템 의미한다. 수소경제의 실현은 탈탄소화 목표 달성에 핵심적이며, 수소도시는 이러한 수소경제의 실현을 위한 중요한 거점 역할을 하게 된다. 수소도시는 수소 생산, 저장, 운송, 소비의 전 과정을 하나의 생태계로 통합하여 운영되며, 이를 통해 에너지 공급의 안정성과 효율성을 극대화 하는 것을 목표로 한다, 수소는 에너지원으로서 다양한 장점을 제공하는데 첫째 연료전지에서 연료로 사용될 때, 오직 물만 생성되므로 이산화탄소와 같은 온실가스가 전혀 발생되지 않으며, 둘째, 수소는 다양한 재생 가능한 에너지로부터 생산될 수 있어 장기적으로 에너지 자립성을 높이는 데 기여할 수 있다는 점이다. 이러한 특성 덕분에 수소는 기후 변화 대응의 중요한 에너지원으로 평가받고 있다.

 

 

2. 수소 생태계 밸류체인(생산, 저장 및 이송, 활용)

 

수소도시에서의 수소 생산은 주로 재생 가능 에너지원을 이용한 수전해(Water Electrolysis) 기술에 기반 한다. 크게 전기분해와 천연가스 개질로 수소를 발생시킬 수 있다. 전기분해는 물을 전기분해하여 수소와 산소로 나누는 방법으로 태양광, 풍력 등 신재생에너지에서 얻은 전기를 사용하여 물을 전기 분해함으로써 그린 수소를 생산하는 것을 최종적인 목표로 하고 있으며 이 과정에서 발생하는 산소는 추가적인 산업용으로도 활용될 수 있다. 천연가스 개질을 이용한 방법은 천연가스를 수소와 이산화탄소로 분리하는 과정으로, 신재생에너지를 이용한 그린 수소보다 상대적으로 비용이 저렴하지만, 부산물인 이산화탄소에 대한 포집 및 저장 기술을 필요로 한다. 수소는 고압 저장, 액화 저장, 또는 고체 상태로 저장될 수 있으며, 이 과정에서 에너지 밀도와 효율성을 고려해야 한다. 수소도시에서는 지역 간 수소 공급망을 구축하여 효율적인 수소 운송설계를 필요로 하며, 이를 위해 파이프라인, 운송 차량, 수소 충전소 등의 인프라가 필수적인 구성요소이다. 또한 부피가 큰 기체상태의 수소를 저장하는 설계기술을 필요로 한다. 압축저장은 수소를 고압의 용기에 저장하는 방법으로 비교적 단순하지만, 압축 과정에서 많은 에너지가 소모된다. 수소를 극저온으로 냉각하여 액체 상태로 저장하는 액화저장 방법은 저장 밀도가 높지만, 냉각 과정에서 마찬가지로 많은 에너지를 필요로 한다.

 

3. 수소도시의 개념

 

수소도시는 도시 내 수소 생태계가 구축돼 수소 에너지원이 공동주택, 건축물, 교통시설 등에 활용될 수 있도록 수소생산시설, 이송시설(파이프라인, 튜브트레일러), 활용시설(수소연료전지) 등의 도시 기반시설을 구축하는 사업으로 이를 통해 온실가스 감축 등 탄소중립 실현에 기여할 뿐 아니라 일자리 창출을 통한 지역경제 활성화에도 긍정적인 영향을 줄 수 있어 지방자치단체의 새로운 성장 동력으로 주목받고 있다. 국토교통부는 지난 2019년부터 세계 최초로 주거와 교통 분야에서 수소를 에너지원으로 활용하고 지역특화 산업 및 혁신기술육성 등을 접목한 특색 있는 ‘수소시범도시’ 조성사업 로드맵을 마련하고 3개 지역(울산, 안산, 전주·완주)과 국산화 기반의 수소타운 기반시설 기술개발을 위한 실증지인 R&D 특화도시 1개 지역(강원도 삼척시)을 선정, 수소인프라를 구축하고 있다. 이어 2023년에는 평택을 비롯해 남양주, 당진, 보령, 광양, 포항 등 6개 지자체를 수소도시로 조성하기로 했으며 2024년에는 경기도 양주시와 전라북도 부안군, 광주광역시 동구에 2기 수소도시를 조성계획이다.

 

 

4. 국내 수소도시 추진사례

 

4.1. 울산광역시 수소도시

 

울산광역시는 한국의 대표적인 산업 도시로, 수소 경제를 선도하는 주요 지역이며 현재 수소 인프라가 가장 많이 구축돼 있는 곳으로 전국 수소 생산량의 50%인 82만 톤에 달하며 185㎞가 넘는 수소 배관망을 갖추고 있다. 특히 울산 광역시는 수소 생산을 위한 전기분해 시설을 도입하여 녹색 수소를 생산하고 있으며 또한 수소저장과 운송을 위한 압축 저장 시설과 액화 저장 시설로 수소도시 구현을 위한 인프라가 가장 충실하다고 할 수 있다. 울산의 대표적인 수소시범도시 조성사업은 총 3가지로 남구 태화강역과 북구 양정동 일원에 위치하게 될 수소배관공사, 북구 율동 공공주택지구내 연료전지 열병합발전설비, 남구 태화강역 관광안내소에 위치할 통합안전운영관리센터 구축이다. 이 중 태화강역 수소복합허브는 수소전기차 충전 및 운영을 맡고, 율동수소타운은 수소연료전지 발전을 통해 전기·난방에너지를 공급한다.

 

 

4.2 남양주

그린수소의 경우 경제성이 나올 만큼 풍부한 재생에너지원을 갖춘 최적의 장소를 찾기 어렵고환경 파괴, 안전 우려, 주민수용성 등 여러 제약이 많다. 또 블루수소는 기술적·경제적 우려가 여전한 데다 블루수소 생산량이 증가할수록 화석연료 사용량이 증가하기 때문에 친환경 에너지로 보기 어렵다는 주장도 있다. 이 때문에 주목받고 있는 것이 바로 바이오가스를 활용해 수소를 생산하는 것이다. 이 때문에 음식물류폐기물, 하수찌꺼기, 가축분뇨, 동·식물성 잔재물 등 유기성 폐자원 관련 시설을 보유한 지자체는 별도의 수소생산시설을 갖추지 않아도 수소를 생산·활용할 수 있다. 대표적인 곳이 바로 남양주다. 바이오 가스는 유기성 폐기물이 공기가 없는 상태에서 미생물에 의해 분해될 때 나오는 가연성 혼합가스다. 바이오가스의 주성분인 메탄을 분해·정제하면 고순도 수소를 얻을 수 있고 일산화탄소나 이산화탄소가 없기 때문에 고분자 연료전지, 오일 정제, 암모니아 또는 메탄올 생산 등에 다양하게 사용할 수 있다. 남양주는 수소생산시설을 보유하고 있지 않다. 이에 남양주는 왕숙2지구 인근에 세울 자원순환종합단지에 바이오가스 생산시설과 수소추출시설을 구축해 하루 3.5톤의 수소를 생산·공급한다는 계획을 세웠다. 생산된 수소는 수소배관을 통해 공공임대주택, 남양주체육문화센터, 공공청사, 수소충전소 등에 공급된다.

 

4.3 평택시

 

경기도는 인구(25.3%) 및 자동차 등록대수(25%) 전국 1위이며, 제조업 기반 산업단지가 집중되어 미세먼지도 전국 평균을 상회한다. 평택시는 평택항을 탄소중립 수소복합지구로 조성하기 하는 것을 목표로 하고 있으며 평택 LNG 인수기지와 연계한 수소생산시설을 기반으로 탄소포집, 액화수소 생산, 블루수소를 활용한 연료전지 사업 등을 추진하고 있다. 평택시는  2026년까지 포승지구 경제자유구역 공동주택, 상업시설에 수소에너지를 도입하고 2030년까지는 안중역세권, 자동차 클러스터, 현덕지구로 수소도시를 확대하겠다는 목표를 가지고 있다. 평택시는 수소 교통 실현을 위해 수소교통복합기지, 항만충전시설 등 수소충전 인프라를 구축하고 평택항 카캐리어, 항만 모빌리티, 수소버스 운행 등 수소모빌리티 전환을 추진한다. 이를 통해 기아 화성공장에서 출고되는 수출용 차량을 카캐리어(수소트럭)로 평택항까지 실어 나르는 것을 목표로 한다. 평택시만의 특화요소도 구현한다. 수소도시 확장을 위한 기술을 개발하고, 스타트업을 육성하는 ‘수소도시 기술지원센터’를 세운다. 또 수소에너지를 활용한 스마트팜 테마파크를 조성하는 계획을 가지고 있다.

 

5. 수소도시 구현의 도전 과제

 

수소도시 구현을 위한 과제로서 크게 다음과 같은 세 가지의 사항을 고려되어야 한다. 첫째로 하드웨어의 기술적인 문제로 수소도시를 구현하기 위해서는 수소 생산, 저장, 운송, 활용 등 전반에 걸친 기술적인 발전이 필요하며 특히, 수소 저장과 운송 과정에서의 비용 절감과 효율성 향상이 주요 과제로 대두된다. 또한, 수소 연료전지의 가격을 낮추고 성능을 개선하기 위한 제조사들의 연구개발이 필수적이다. 둘째, 수소도시 구현을 위해서는 정부의 적극적인 정책적 지원과 규제 완화가 필요하다. 수소 경제 활성화를 위한 세제 혜택, 연구개발 지원, 인프라 투자 등이 요구되며, 수소의 안전한 사용을 위한 규제 마련도 필수적이다. 또한, 국제적인 협력을 통해 수소 기술 표준화 및 시장 형성이 중요하다. 마지막으로 사회적 수용으로 시민들의 인식 변화와 수용 또한 수소도시의 성공에 중요한 요소이다 교육과 홍보를 통해 수소 에너지의 장점과 안전성을 알리는 노력이 필요하다. 수소도시는 지속 가능한 미래 에너지 시스템 구축의 중요한 도시모델로 기후 변화 대응, 에너지 안보 강화, 경제적 발전 등을 도모할 수 있는 친환경·제로에너지·스마트시티를 구현하기 위한 또 하나의 대안이 될 것 이다.