야마나시현은 왜 일본의 수소 실험실이 되고 있나
후지산 기슭에 자리한 야마나시현이 그린수소 실증 무대로 변모했다. 일본 전역에서 수소가 화석연료의 대안으로 주목받는 가운데, 야마나시현에서는 이런 흐름이 특히 뚜렷하다. 자동차·엔진 제조업체부터 음료·타이어·공작기계 제조업체에 이르기까지 기업들이 에너지 구성의 일부로 수소를 활용하기 시작했다. 이 현은 풍부한 재생에너지 자원과 연구 인프라, 활발한 민관 협력을 두루 갖춘 드문 지역이다.
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야마나시현은 일사량이 높고 에너지 연구 기반이 밀집해 있으며, 실험실에서 공장 현장에 이르기까지 사업을 뒷받침하는 정책을 갖췄다는 점에서 두드러진다. 고후시 고메쿠라야마 일대에는 일본에서 가장 성숙한 태양광 발전 클러스터 가운데 하나와 차세대 에너지 시스템 연구 마을이 자리한다. 현 지도부는 낮 시간대 태양광 발전을 장기간 저장 및 산업용 열에 연결하는 수소 실증 사업을 지원해 왔다. 이를 통해 이 지역은 실제 운영 환경에서 기술을 검증한 뒤 규모를 확대할 기반을 마련하고 있다. 현과 기업들이 공동으로 설립한 야마나시 수소에너지사회(H2-YES)는 실증 사업과 초기 수요처를 조율하는 역할을 한다.
야마나시의 파워 투 가스 시스템은 실제로 어떤 역할을 하나
흔히 P2G로 줄여 부르는 파워 투 가스(Power to Gas)는 물을 수소와 산소로 분해해 재생에너지 전력을 수소로 전환하는 기술이다. 야마나시 방식은 고체고분자 수전해를 이용한다. 태양광 발전량이 많을 때 남는 전력을 수전해 장치에 공급한다. 이렇게 생산한 수소는 압축하거나 액화해 탱크에 저장할 수 있다. 전력망의 전자와 달리 저장된 수소는 트럭으로 운송하거나 단거리 배관으로 보내고, 필요할 때 다시 전기와 열로 전환할 수 있다. 이를 통해 간헐적인 태양광 발전을 공장과 물류창고, 지역사회가 유연하게 활용할 수 있는 에너지 자원으로 바꾼다.
일본 정부의 그린 이노베이션 기금과 국가 연구개발기관 NEDO의 위탁 사업 지원을 받은 야마나시 모델 P2G 기술은 야마나시현이 도레이, 도쿄전력홀딩스, 다카오카토코와 공동 개발했다. 이 시스템을 기반으로 한 16메가와트 설비가 현내 산토리 하쿠슈 사업장에 건설되고 있다. 재생에너지 전력과 현지 수자원을 이용해 수소를 생산하고, 사용 단계에서 온실가스를 배출하지 않는 것을 목표로 한다. 사업 세부 내용은 산토리와 현 관계 기관이 공개한 공식 개요에서 확인할 수 있다.
산토리의 16MW 그린수소 계획 살펴보기
2022년 9월 산토리홀딩스는 하쿠슈 증류소와 미나미알프스 하쿠슈 수원지의 탈탄소화를 위해 야마나시현과 기본 협약을 맺었다. 핵심은 재생에너지 전력으로 물을 전기분해해 현장에서 그린수소를 생산하는 16메가와트 규모 P2G 시설이다. 산토리는 이 수소를 공장 운영의 청정 열원으로 사용하고 주변 지역에도 공급할 계획이다.
가동은 2025년 시작될 예정이다. 1단계에서는 수소를 보일러에 활용해 열 살균을 하고, 하쿠슈 증류소에서 시험 증류를 진행한다. 산토리는 2027년부터 수소 생산뿐 아니라 유통과 판매까지 아우르는 일본 내 그린수소 공급망 전반을 운영할 계획이다. 도모에쇼카이와의 물류 협력을 통해 야마나시현과 도쿄로 수소를 공급할 예정이다. 아이치현 지타 증류소와 효고현 다카사고 공장 등 다른 시설에서의 추가 활용 방안도 검토하고 있다.
영국 증류소와 연계해 추진하려던 수소 사업이 진척을 보지 못한 뒤, 관련 자원이 일본 내 사업으로 전환됐다. 일본에서는 야마나시현의 정책 환경과 지역 파트너십을 바탕으로 재생에너지 전력부터 수소를 이용한 열·전력 공급까지 전체 공급망을 구축하고 운영해 검증할 수 있는 명확한 경로가 마련돼 있다.
JERA와의 협력 및 24시간 무탄소 전력 실증
2023년 11월 22일 야마나시현은 발전량 기준 일본 최대 전력 생산업체인 JERA와 지역 수소 공급망 구축을 위한 기본 협약을 맺었다. JERA는 재생에너지를 수소와 암모니아를 이용한 무배출 화력발전과 결합하는 것을 목표로 하며, 일본 전체 전력의 약 30%를 생산한다. 이번 협력은 현의 P2G 시스템을 JERA의 연료 공급망 및 발전 자산과 통합해 무탄소 전력과 수소 기반 연료를 안정적으로 생산·공급하는 것을 목표로 한다. 협력의 공개 개요는 여기에서 확인할 수 있다: JERA 협력 개요.
고메쿠라야마에는 새로운 수소 발전 시설이 계획돼 있으며, 실증 시험을 통해 지역 기업에 전력을 공급할 예정이다. 목표는 해가 지거나 구름이 낄 때 태양광 발전을 수소 연료 터빈이나 연료전지와 결합해 무탄소 전력을 끊임없이 공급할 수 있음을 입증하는 것이다. 현 단위에서 이 방식이 효과를 거두면 24시간 안정적인 전력이 필요한 공장에 적용할 수 있다.
태양광에서 저장까지, 고메쿠라야마 거점의 진화
고메쿠라야마의 태양광 발전 단지 조성은 기업 유치를 목표로 계획이 시작된 1990년대 초로 거슬러 올라간다. 거품경제가 붕괴한 뒤 이 땅은 도쿄전력과 협력해 대규모 태양광 발전 설비를 조성하는 기반이 됐다. 이는 다음 단계의 토대가 됐다. 현은 2021년 고체고분자 수전해를 이용해 태양광 잉여 전력을 수소로 전환하는 P2G 사업을 시작했다. 초기 시스템은 수소를 액화해 특수 탱크에 현장 보관한 뒤, 연료전지를 비상·피크 전력용으로 사용하는 상점 등 필요한 곳에 트레일러로 운송했다.
다음 단계는 단일 태양광 공급원에 의존하지 않고 수력·풍력·지열을 포함한 일반 전력망의 인증된 재생에너지 전력까지 활용하는 것이다. 사용 지점에서 필요에 따라 수소를 생산하면 저장 수요와 운송 비용이 줄고 그린수소 가격을 낮출 수 있다. 야마나시현의 엔지니어들은 열과 전력 공급을 넘어선 산업 분야 활용도 연구하고 있다. 예를 들어 반도체 공정 세정에 헬륨 대신 그린수소를 사용하는 방안이다.
현재 수소를 사용하는 곳
산토리의 하쿠슈 사업장은 현의 핵심 수요처다. 열 살균과 직접 화염을 이용한 위스키 증류 시험에 수소를 활용할 계획이다. 음료 업계 외에도 타이어 업계가 공정 열과 열병합 발전을 위해 현장 수소 생산을 시험하기 시작하면서 수소의 산업용 시장이 더 넓어질 가능성을 보여주고 있다.
운송 분야에서도 움직임이 활발하다. 일본 정부는 중대형 차량용 연료전지를 지원하고 있으며, 자동차 제조업체의 연료전지 생산능력 확대를 위한 자금도 지원하고 있다. 여러 사업은 재생에너지가 풍부할 때 생산한 그린수소를 이용해 비혼잡 시간대에 차고지에서 충전할 수 있는 수소 트럭을 대상으로 한다. 이는 일본의 2050년 탄소중립 목표와 수입 화석연료 의존도를 낮춰야 할 필요성에도 부합한다.
비용과 이점, 그리고 제약
수전해에는 많은 에너지가 필요하다. 수소 1kg을 생산하는 데 일반적으로 전력 약 50~55kWh가 들고, 압축이나 액화에도 추가 에너지가 필요하다. 16메가와트 수전해 장치가 하루 종일 최대 출력으로 가동되면 수소를 약 7~8톤 생산할 수 있다. 실제 생산량은 가동률과 정비 시간, 이용 가능한 재생에너지 전력량에 따라 달라진다. 야마나시현은 현장 태양광 발전, 전력망에서 공급되는 재생에너지, 저장을 결합해 깨끗하고 저렴한 전력을 이용할 수 있을 때 설비를 가동하는 전략을 취하고 있다.
비용은 여전히 핵심 과제다. 일본은 도매 전력 가격과 전력망 이용 요금이 높아 과거 수소 실증 사업의 제약 요인이 됐다. 출력제한이 예상되는 태양광 전력을 활용하거나 수요가 낮은 시간대로 운영을 옮기면 수소 1kg당 비용을 낮출 수 있다. 수전해 장치의 효율 개선과 생산량 확대도 시간이 지나면서 가격을 낮추는 데 도움이 된다.
물 공급과 안전도 실질적인 과제다. 수전해로 수소 1kg을 생산하려면 물이 거의 9리터 필요하며, 정수에도 물이 추가로 사용된다. 하쿠슈 일대는 음료 생산에 사용되는 고품질 지하수로 유명해 수자원을 세심하게 관리하고 재활용해야 할 필요성이 크다. 수소를 취급할 때는 환기, 누출 감지, 교육에 관한 엄격한 절차가 필요하다. 해외에서 제안된 사업을 둘러싼 공개 논쟁에서 볼 수 있듯 인화성을 둘러싼 지역사회의 우려가 생길 수 있어, 충분한 소통과 엄격한 설계 기준이 필수적이다.
야마나시 모델은 현 밖으로 확산될 수 있을까
야마나시현에서 검증 중인 체계는 지역 기반으로 설계됐다. 현지 재생에너지 자원과 수전해, 저장, 최종 사용자를 짧은 공급망으로 연결한다. 다음 단계에는 도쿄로의 공급이 포함돼 수도 서쪽 산악 지역에서 생산한 그린수소를 주요 수요처와 연결하게 된다. JERA의 24시간 무탄소 전력 실증이 성공하면 화석연료 없이 안정적인 전력을 공급하려는 산업계에도 본보기가 될 수 있다. 협력 세부 내용은 JERA의 사업 개요를 통해 공개돼 있다.
이 사업은 이미 해외에서도 관심을 모으고 있다. 해외 대표단이 야마나시현의 연구 거점과 산업 실증 사업을 둘러봤으며, 일본의 경험을 바탕으로 그린수소 우수센터를 설립하려는 지역도 있다. 방문단은 현의 연료전지 차량부터 연구실과 생산 공장까지 다양한 기술을 살펴봤다. 이런 노하우 이전과 국가 정책 지원은 지역 실증 거점이 국경을 넘어선 사업에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 보여준다.
핵심 내용
- 야마나시현은 풍부한 태양광 발전을 수소 생산·저장·산업용 활용과 연결하며 일본의 그린수소 실증 거점으로 부상하고 있다.
- 야마나시 모델 파워 투 가스 시스템은 고체고분자 수전해로 재생에너지 전력을 수소로 전환해 간헐적인 태양광 발전을 유연한 에너지 자원으로 바꾼다.
- 산토리와 야마나시현은 하쿠슈 증류소와 미나미알프스 하쿠슈 수원지에 16메가와트 규모 수전해 시설을 건설하고 있으며, 2025년 가동을 시작할 계획이다.
- 산토리는 2027년부터 도모에쇼카이와의 물류 협력을 통해 야마나시현과 도쿄에서 유통·판매를 포함한 수소 공급망 전반을 운영할 계획이다.
- JERA와 야마나시현은 2023년 지역 수소 공급망을 구축하고 태양광과 수소 발전을 결합한 24시간 무탄소 전력을 실증하기 위해 협약을 맺었다.
- 고메쿠라야마는 대규모 태양광 발전 단지에서 수소를 생산·저장·운송하는 P2G 시스템으로 발전한 현의 연구·사업화 거점이다.
- 음료 업계 외에도 타이어 제조업체를 비롯한 산업계가 공정 열에서 배출을 줄이기 위해 현장 그린수소 생산을 시험하고 있다.
- 일본의 국가 사업은 중대형 차량용 수소 활용을 지원하며, 연료전지 생산 확대와 수소 트럭 보급을 추진하고 있다.
- 16메가와트 수전해 장치는 최대 출력으로 하루 약 7~8톤의 수소를 생산할 수 있지만, 실제 생산량은 운영 방식에 따라 달라진다.
- 주요 과제로는 전력 및 전력망 비용, 물 소비, 저장·물류, 엄격한 수소 취급 안전 절차 등이 있다.
- 야마나시현의 방식은 지역 기반으로 설계돼 다른 곳에서도 적용할 수 있으며, 도쿄 공급 계획과 함께 해외 대표단의 관심도 커지고 있다.
