▲Shutterstock, AI 생성 이미지(ChatGPT)

음식물 쓰레기, 하수 슬러지 등이 모이는 유기성 폐기물 처리장. 많은 이에게 기피 시설인 이곳이, 누군가에겐 미래 에너지를 캐내는 노다지다. 충북 청주에 자리 잡은 ‘청주 자원순환 수소충전소(HTWO ENERGY 청주)’는 하수 슬러지와 음식물 쓰레기의 부산물인 바이오가스에서 수소 에너지를 뽑아내는 연금술을 실증하고 있다. 음식물 쓰레기 부산물의 단순 처리를 넘어 대기 중으로 배출될 온실가스도 함께 줄이는 현장. 폐기물이 어떻게 99.97%의 초고순도 청정수소로 탈바꿈하는지, 그 치열한 과학의 현장을 6월 19일 직접 다녀왔다.

“냄새가 그리 좋진 않죠?”
지난 6월 19일 방문한, 충북 청주 외곽의 자원순환 수소충전소. 현장에서 만난 이두섭 현대로템 책임매니저가 기자의 표정을 보자 웃으며 물었다. 차 문을 열자마자 좋지만은 않은 내음이 훅 끼쳐왔던 탓이다. 청주시 폐기물처리시설과 인접한 허허벌판, 이곳이 바로 현대자동차그룹의 W2H(waste-to-hydrogen) 시설 ‘HTWO ENERGY 청주’다.

폐기물(waste)에서 수소(hydrogen)로. 현대자동차그룹은 이곳에 설치된 국내 최대 규모의 하수처리장에서 발생하는 음식물 쓰레기와 슬러지 찌꺼기를 모아 수소를 생산하고 있다. 지난 5월 상업 가동을 시작해 7월 9일 정식 준공식을 마친 이 시설은, 혐기성 미생물이 뿜어내는 가스를 미래 모빌리티의 동력으로 바꾸는 거대한 실험실이자 생산 기지다. 이 책임매니저는 “여기서 생산된 수소는 이미 충북 전지역의 수소 충전소에 공급되고 있다”고 설명했다. “청주시에서 나오는 10만 t(톤) 이상의 유기성 폐기물에서 발생하는 바이오가스를 활용하여 청정 수소를 생산한다는 점에서 그 의미가 남다르죠.”

폐기물에서 생산하는 수소는 단순히 기술적인 성과를 넘어, 환경 문제 해결과 에너지 자립이라는 두 마리 토끼를 잡는 지속 가능한 미래 모델을 제시한다. 그렇다면 청주 자원순환 수소충전소는 폐기물을 어떻게 수소 생산에 활용해 운영되는 것일까. 핵심은 이곳에 은은하게 퍼져있는 냄새다. 유기물 쓰레기에서 나오는 바이오가스를 포집해, 수소로 바꾸는 것이다.

▲AI 생성 이미지(ChatGPT)

청주 자원순환 수소충전소의 공정은 크게 두 단계로 나뉜다. 첫 관문은 바이오가스의 순도를 높이는 ‘고질화’다. 김상범 현대자동차그룹 자원순환수소사업추진팀 팀장은 “국내 바이오가스의 메탄(CH4) 함량은 약 60% 수준이며, 나머지 40%는 대부분 이산화탄소”라며, “이 바이오가스는 열량이 낮아 효율적인 에너지원으로 활용하기 어려워 걸러줘야 한다”고 설명했다.

청주시 하수처리장의 바이오가스 공정은 혐기성 미생물로 유기물을 분해하는 과정을 통해 메탄이 함유된 바이오가스를 생산한다. 이렇게 생산된 바이오가스는 청주 자원순환 수소충전소의 특수 멤브레인(분리막)을 이용해 이산화탄소를 걸러내고, 메탄 순도를 95% 이상으로 끌어올린다. 이 고질화 공정은 단순히 불순물을 제거하는 작업을 넘어, 후속 공정의 효율을 극대화하는 핵심적인 역할을 한다. 메탄의 순도가 높아질수록 수소 추출 과정에서 소모되는 에너지가 줄어들고, 최종 생산되는 수소의 품질도 높아지기 때문이다. 이 과정에서 분리된 이산화탄소는 액화탄산설비를 통해 별도로 포집돼 산업용으로 재활용할 수도 있다.

이렇게 모인 고순도 메탄은 이제 현대로템이 제작한 수소추출기로 향한다. 여기서부터는 정교한 화학이 개입하는 두 번째 단계가 펼쳐진다. “메탄 분자 하나에 수소 원자 4개가 들어있잖아요. 메탄을 쪼개서 2개의 수소 분자(2H2)를 만들어 내야하죠.” 가만히 있는 메탄 분자를 쪼개려면 약 800℃의 고온에 수증기를 불어넣고 특수 촉매를 더해야 한다. 그러면 물 분자와 메탄 분자가 만나 화학 반응을 일으키며 수소와 일산화탄소가 발생한다. “수증기와 메탄이 만나는 반응이라 이를 수증기 메탄 개질(SMR·Steam Methane Reforming) 공정이라 부릅니다.” 이 책임매니저의 설명이다.

그런데 SMR 과정에서 생성된 일산화탄소 또한 독성 가스이자 환경 오염 물질이다. 이를 해결하기 위해 다시 한번 수증기를 투입하는 수성가스 전환(WGS·Water Gas Shift) 반응을 거친다. 이 두 반응을 거치면 1개의 메탄 분자에서 총 4개의 수소 원자를 얻어낼 수 있다. 최종적으로 수소를 걸러내는 한 번의 공정을 더 거치면 불순물이 제거된 99.97% 고순도 수소 기체를 얻을 수 있다. 생물학부터 화학까지, 다양한 과학의 협업으로 폐기물을 에너지 자원으로 활용해 수소를 생산한 것이다.

바이오가스에서 추출된 수소는 수소충전소 뒷편에 적재된 주황색의 고압 탱크에 안전하게 보관된다.

이쯤에서 하나의 의문점이 피어났다. 바이오가스 포집은 이미 여러 곳에서 진행 중이다. 메탄을 바로 에너지원으로 사용할 수도 있을 텐데, 왜 굳이 한 단계를 더 거쳐 수소로 바꿀까?

그 이유는 단순 메탄 사용보다 장점이 많기 때문이다. 먼저 수소는 친환경적이라는 강점이 있다. 특히 바이오가스에서 만드는 수소는 강력한 온실가스인 메탄을 사용한다는 이점도 있다. “바이오가스의 주성분인 메탄은 이산화탄소보다 28배 강력한 온실가스입니다. W2H 기술로 메탄을 포집하면 이산화탄소 대비 28배가 강한 메탄 방출을 줄일 수 있다는 점에서 의의가 있죠.” 김 팀장이 부연했다.

이러한 수소의 강점을 현실화한 곳이 바로 청주 자원순환 수소충전소다. 2025년, 정부는 유기성 폐기물의 바이오가스화를 확대해 탄소중립과 자원순환을 촉진하는 목적의 약칭 ‘바이오가스법’을 개정했다. 이 법은 기존의 퇴비·사료화 중심 처리방식의 한계를 극복하고, 유기성 폐기물을 바이오가스로 전환해 앞서 소개한 온실가스 감축, 자원순환 촉진 및 에너지 안보 강화에 기여하는 목적을 가졌다. 청주 자원순환 수소충전소는 기후환경에너지부에서 공모한 ‘바이오가스 기반 청정수소 생산시설 구축사업’의 일환으로 진행됐다. 어차피 버려야 할 폐기물을 원료로 활용해 수소에너지를 생산하자는 접근이다.

세계는 기후위기라는 거대한 재난 앞에 서 있다. 탄소중립이라는 목표 아래, 화석연료 중심의 에너지 시스템을 전환하려는 노력이 전방위적으로 이루어지고 있다. 전기차의 확산과 재생에너지 발전량 증가는 이러한 변화의 상징이지만, 이것만으로는 해결할 수 없는 탄소중립의 사각지대가 존재한다. 항공, 해운, 버스 및 상용트럭, 철도차량과 같은 대형 모빌리티 분야가 한 예다.

바로 이 지점에서 수소가 다시 호출된다. “수소는 ‘에너지 캐리어’로써 막대한 장점을 갖고 있습니다.” 김 팀장이 말했다. 에너지 캐리어(energy carrier)는 에너지를 담아놓을 수 있는 물질을 뜻한다. 

비행기나 상선 등 대형 모빌리티의 경우, 크고 무거운 전기 배터리를 달고 움직이기 힘들다. 설사 가능하다 해도 잦은 충전 등으로 경제적 타당성이 떨어진다. 그러나 수소는 같은 무게에 더 많은 에너지를 담는 척도인 ‘에너지 밀도’가 전기배터리보다 높아 한 번 충전으로 더 큰 중량을 적재하고, 더 멀리 갈 수 있다. 수소 승용차는 약 3~5분이면 완충되고, 대형 수소 버스도 약 15~20분이면 충분하다. 수 시간씩 걸리는 전기차 충전과 비교하면 물류 운송 분야에서 압도적인 이점을 지닌다. 수소는 전기차의 경쟁자가 아니라, 전기가 닿지 못하는 곳을 채우는 필수적인 동반자인 셈이다.

“수소가 주목받는 또 다른 결정적인 이유는 ‘에너지 안보’입니다.” 6월 23일 만난 허이준 현대엔지니어링 에너지시스템연구팀 책임연구원은 에너지 주권의 관점에서 수소를 다뤘다. 

“화석연료에 의존하는 기존 에너지 체계는 지정학적 리스크에 극히 취약합니다. 그러나 지정학적 리스크는 예측할 수 없고, 이에 따라 에너지 가격이 널뛰죠. 이는 국가 경제 전반을 흔드는 위협입니다.” 허 책임연구원의 설명이다.

반면, 수소는 물이나 폐기물 등 어디에나 존재하는 자원을 원료로 한다. 그래서 생산 기술력만 갖춘다면 외부 의존도를 획기적으로 낮출 자립형 에너지다. 특히 자원 빈국인 한국에 수소는 에너지 주권을 확보할 수 있는 하나의 대안으로 꼽힌다. 

수소충전소는 주유소와 비슷하게 생겼다. 휘발유 대신 수소를 충전한다는 점이 다를 뿐이다. 수소버스 한 대가 청주 자원순환 수소충전소에서 수소를 공급받고 있다.<

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쓰레기 매립지에서 유기성 폐기물이 부패하며 발생하는 메탄 가스는 세계적으로도 골칫거리다. 현대자동차그룹은 폐기물 기반의 바이오가스에서 수소를 만드는 기술을 인도네시아 등지의 해외 쓰레기 매립지에도 적용할 계획이다.

아직 갈 길이 남아 있지만, 수소 사회는 이미 현재진행형이다. 2026년 6월 기준, 청주 자원순환 수소충전소는 하루 500kg의 수소를 생산한다. 이는 현대자동차의 대표 수소 승용차 모델인 넥쏘를 기준으로 했을 때 하루에 약 100대를 충전할 수 있는 양이다. 이 책임매니저는 “앞으로는 하루 2t까지 생산량을 늘릴 계획”이라 부연했다.

기자가 만난 전문가들은 앞으로 수소 에너지가 더 널리 쓰이려면 수소 가격을 줄이는 것이 중요하다고 입을 모았다. 7월 5일 한국석유관리원의 수소유통정보시스템에서 확인한 전국 수소 가격은 kg당 1만 원 내외. 다른 에너지원과의 가격 경쟁력을 갖추려면 가격이 더 낮아져야 한다. 현대자동차그룹은 그 해법으로 ‘지산지소’, 즉 지역에서 수소를 생산해 그 지역에서 소비하는 방식을 해법으로 제시한다. 도시에서 발생하는 폐기물 기반 바이오가스를 활용해 도시 내에서 수소를 생산하고 소비하는 생태계를 구축하자는 것이다. 

그렇다면 청주 자원순환 수소충전소가 청주에 자리 잡은 이유도 명확해진다. 현재 국내 수소 생산의 대부분을 차지하는 수소는 석유화학이나 제철 공정 등에서 발생하는 기체 부산물을 정제해 만든 ‘부생수소’다. 그러다보니 부생수소는 대규모 화학 단지가 많은 해안가에서 많이 생산된다. 

그런데 이렇게 만들어진 수소를 내륙인 청주까지 실어 오면 비싼 운송비가 추가되며 배보다 배꼽이 더 커지는 일이 생긴다. 이에 청주의 수소충전소는 주변 제조 시설이 없는 내륙 충전소에 수소를 저렴하게 공급할 수 있는 중심지 역할을 하며, 이미 충북 지역 충전소들과 계약을 맺고 있다.

지산지소 방식은 울산과 같이 산업 단지와 가깝고 수소 운송 인프라가 잘 갖춰진 도시와는 다른 전략으로, 내륙 지역의 수소 수요를 충족시키는 데 중요한 역할을 한다. “청주시 86만 인구가 연간 배출하는 음식물 쓰레기와 하수슬러지만 10만 톤이 넘습니다. 이 유기성 폐기물에서 수소를 뽑아내 청주 시내의 수소 버스와 트럭에 공급하는 생태계를 만드는 것이죠.”

이러한 지산지소 모델은 수소 인프라 구축의 경제성을 획기적으로 높일 수 있는 전략이다. 대규모 배관이나 고가의 운송 트레일러 없이도, 각 지역의 특성에 맞는 소규모 분산형 수소 생산 기지를 구축함으로써 초기 수소 경제의 진입 장벽을 낮출 수 있다. 현재 국내에서는 청주 외에도 보령, 마곡, 영천, 제주, 용인 등에서 바이오가스 기반 수소 생산을 지원하고 있다.

김 팀장은 “청주 자원순환 수소충전소에서 다른 지역 대비 더 저렴한 수소를 생산 중”이라며, “인도네시아 및 홍콩과도 MOU를 맺으며, 앞으로 수소 인프라 시스템 전반의 수출 확대를 목표로 한다”고 밝혔다.

현재 청주 자원순환 수소충전소는 하루 500kg의 수소를 생산한다. 이는 현대자동차의 수소 승용차인 넥쏘 100대를 충전할 수 있는 양이다.

석탄과 석유가 현대 사회의 핵심 에너지원이었던 것처럼, 미래에는 수소가 전기와 함께 에너지 체계를 떠받치는 중요한 축이 된다.

실제 세계 시장의 움직임도 수소의 잠재적 가치에 발맞추고 있다. 국제에너지기구(IEA)에서 6월 발표한 ‘Global Hydrogen Review 2026’ 보고서에 따르면 청정수소 생산량도 2020년 50만 t에서 2026년 120만 t으로 약 2.4배 증가한 것으로 나타났다. 

특히 탄소 배출 없는 청정수소를 찾는 수요가 증가하면서, 주요 선진국들은 수소 경제 주도권을 쥐기 위해 적극 투자하고 있다. 한국도 마찬가지다. 폐기물 기반 바이오가스를 활용한 수소 생산은 청정수소를 만들기 위한 시도 중 하나다. 나아가 이 기술은 해외에도 적용될 잠재력을 갖추고 있다. “다른 나라에서는 우리나라와 달리 거대한 쓰레기 매립지에 쓰레기를 그냥 버리고, 그곳에서 정제되지 않은 온실가스가 엄청나게 뿜어져 나와요.” 김 팀장이 예시를 든 곳은 인도네시아의 거대한 쓰레기 매립지다. 이곳에서는 엄청난 양의 메탄가스가 뿜어져 나온다. 김 팀장은 “이 해외 매립지에서 나오는 바이오가스를 수소로 바꾸는 프로젝트를 현지에서 추진 중”이라며, “2030년 초에 착공이 시작될 것”이라 밝혔다.

W2H는 단순한 기술적 성취가 아니다. 그것은 폐기물에서 얻은 바이오가스를 수소 생산에 활용해, 자원순환과 청정수소 생산이라는 두 과제를 함께 풀어가는 해법이다. 그러나 수소의 잠재력은 여기서 그치지 않는다. 파트 2에서는 재생에너지와 합쳐져 시너지를 일으킬 수소 생산기술인 수전해에 관해 알아본다.