수소도시(Hydrogen City)는 최초의 언급은 덴마크의 'H2PIA' 개념이다. 시민 스스로 필요한 에너지를 수소의 형태로 생산하고, 저장 및 이송하여 활용하는 클린 도시의 개념이다. 일반적인 개념으로서 수소 도시의 정의는 아직까지 명확하게 제시된 적은 없으며, 덴마크, 일본, 네덜란드, 호주, 미국 등은 “수소 교통”을 중심으로 구성된 도시로서의 비전을 제시하고 있다.

'도시내 에너지 공급 시스템을 전기와 수소만으로 구성하는 도시'라는 일반적인 개념에 더해서 수소 공급자와 수요자를 데이터 기반으로 연계한 미세먼지 및 탄소에 자유로운 국민복지를 실현하는 도시로 규정하고 있다.

수소도시가 된 미래 도시는 부생수소, 추출수소뿐 아니라 신재생 에너지를 활용한 수전해 기술이 발전하여 마을 및 건축물 단위의 그린수소 생산이 가능해지며 액화 및 고체 저장기술을 활용하여 도시 내와 도시간 대용량으로 수소 저장·이송이 가능해져 도시에너지원으로 가격 경쟁력 확보가 가능하다.

또한, 수소 발전시설, 수소 메가스테이션(대용량 수소저장, 저장된 수소를 건축물 및 충전소 등에 공급하며 안전 모니터링 등) 등 핵심 기반시설을 통해 주거·교통·산업 등 도시활동 전방에서 수소를 안전하게 활용할 수 있다.

생산에 있어서는 신재생에너지 기반으로 수전해 기술을 기반하여 수소를 생산함으로써 탄소제로를 구현하고 공급에 있어서는 도시내 파이프라인을 기반으로 수소 공급 네트워크를 구축함으로써 도시내 공급자와 수요자간 양방향 직접적인 연계를 통해 의사소통 구조를 구현한다. 이를 통해 도시 내 생활환경 시스템 전반과 교통 시스템을 위주로 수소 에너지 공급 시스템을 구축하는데 활용한다.

수소도시 구축을 위해서는 먼저 기반시설이 갖춰져야 하며 생산설비, 저장설비, 교통설비, 발전시설을 살펴볼 수 있다. 생산설비에 있어서는 수소를 생산할 수 있는 설비로 수소추출설비, 수전해 설비, 부생수소 생산설비 등을 포함하고 저장설비는 도시 구성물(주거, 빌딩) 등에 수소 공급을 위해 생산설비로부터 생산된 수소를 저장할 수 있는 설비로 수소압축 저장설비와 수소액화 저장설비 그리고 기타 LOHC, 금속수화물 저장설비 등을 말한다.

교통설비는 도시내 공간과 공간을 이동할 수 있는 수소자동차(수소차, 수소버스, 수소 특수차량 등 수소를 연료로 운행이 가능한 자동차)와 이를 보관할 수 있는 차고지 등을 포함한다. 발전시설로는 최종 사용 에너지로서 전력을 생산할 수 있는 시설로 대형 수소 터빈 및 연료전지를 포함한 중앙 발전소와 개인용 수소 연료전지를 포함한다.

수소의 생산기술 분류는 다양하며 공통적으로 열적 공정, 전기적 공정, 광분해적 기술 등의 카테고리로 나눌 수 있다. 열적공정은 고온에 의해 구조 변경을 함으로써 수소를 생산하는 것으로 추출수소, 석탄 혹은 바이오메스 열분해가 대표적이다. 전기적 공정방식은 전기를 사용하여 물을 산소와 수소로 분해하는 공정을 의미하며, 신재생에너지를 활용함으로써 청정 수소 생산 기술로 분류되고 있다.

광반응 공정은 빛에너지를 활용하여 물을 분해하는 것으로 청정수소를 만들 수 있으나, 아직 연구단계에 있으며, 대표적으로 광 전기화학반응, 광발효 공정 등이 있다.

수소를 생산하는 기술의 최종 지향점은 청정 수소이므로 수전해 기술로 일본, 유럽 등의 다양한 국가에서 수전해와 신재생에너지를 바탕으로 수소 도시에 대한 수소 수급 가능성을 검토하고 있으나 현 단계에서 대용량 수급을 위해서는 기술개발의 여지가 많이 있어 미국 에너지 국에서는 향후 20년 후에나 적용될 것으로 예측한 바 있다.

수소 저장기술은 큰 카테고리로서 물리적 수소저장과 소재 저장기술로 분류될 수 있으나, 기술적 베이스로 기체 고압수소저장, 액화 및 액상수소저장 그리고 고체(금속) 수소저장 기술로 분류될 수 있다.

상대적으로 타 연료에 비해 낮은 수소 밀도는 실질적으로 에너지 운반체로서의 부피 증가로 인하여 이송면에서 불리한 점이 있어 상대적인 고압 압축 혹은 액화기술에 따라서 수소를 저장, 이송해야 하는 단점이 존재한다.

정부는 에너지 패러다임 전환, 에너지 안보, 미래산업 육성 등을 위한 플랫폼으로 ‘수소경제’를 전략투자 분야 중 하나로 선정하여 2019년 1월 17일 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 수립하고 부처별 후속조치 추진 중에 있다. 그러나 수소차 수요에 기반한 R&D, 보조금 지급 등 단편적 처방으로 근본적인 수요 창출 및 조기 양산 체계를 구축하는데 한계가 있으므로 도시 내 에너지 시스템의 실질적 전환을 위한 전략을 모색할 필요가 있다.

수소를 도시에너지원으로 당장 폭넓게 활용하는 데에는 세 가지 한계가 존재한다. △우리가 필요로 하는 만큼 수소를 생산해낼 기술, 수소가 에너지원으로 경쟁력을 가질 만큼의 효율적인 저장·운송 기술 등이 아직은 부족하다. △수소생산기술에 제약이 있기 때문에 부생수소가 풍부한 지역이나, 추출수소의 원료가 되는 도시가스를 대량으로 공급 받을 수 있는 지역으로 수소 활용 가능지역이 줄어든다. △‘수소폭탄’을 연상하는 등 아직은 수소의 안전성에 대한 국민적 우려가 높은 상황이다.

이와 같은 한계를 극복하는 대안으로, ‘수소시범도시’를 지정하여 도시 활동의 핵심인 주거, 교통 분야에 집중하여 수소 활용 기술을 실증하고자 하며 수소시범도시는 안전성을 최우선으로 하는 도시이다.

수소시범도시에서는 다음과 같은 다양한 수소 활용을 구상하고 있다. △수소를 건축물의 에너지원으로 활용하는 것으로 전력 수요를 고려하여 연료전지의 용량을 선택하고 분산 발전으로 안정적 에너지의 공급, 도시의 환경 개선과 주민의 에너지비용 절감이 가능할 것으로 예상된다.

△ 수소기반의 모빌리티를 시민이 이용하도록 하여 수소에너지기반 교통체계를 구축하고 시범도시 주님에게 수소교통 체감기회를 제공하는 모델이다. △그린수소 생산과 같이 아직 상용화되기 전 기술을 도전적·혁신적으로 실증해보는 테스트베드로서의 역할을 할 수 있다. 국내 기술 중 상용화에 이르지 못한 기술을 소규모로 실증하여 안전성 및 확장 가능성을 검증하고 기술 혁신을 유도하려는 것이다. △이 외에도, 지역의 특화산업에 수소를 접목하여 시범도시 간 차별성을 꾀할 수 있으며 농업, 제조업, 관광업 및 에너지 산업에서 수소를 활용하거나 공항, 항만 등 기존 인프라에 수소를 활용할 수 있을 것이다.

이처럼 수소도시를 통해 석유, 천연가스 등 화석연료 중심의 도시 에너지원을 상당부분 수소화하여 주택, 교통 등 전 분야에서 활용하는 종합적 접근이 필요하며 도시 전반에 적용하기 위해서는 시범사업을 단계적이고 전략적으로 접근할 필요가 있다.