미래 에너지 수소에 대하여

 

수소는 미래의 에너지원으로 각광받고 있다. 수소는 화석연료의 고갈과 지구온난화 문제를 해결할 수 있는 청정 에너지로 인정받고 있으며, 수소경제사회의 실현을 위해 다양한 인프라 투자가 이루어지고 있다. 이 글에서는 수소에너지의 개념과 장점, 그리고 수소경제의 현재와 미래에 대해 알아보겠다.

수소에너지란 무엇인가?
수소에너지란 수소를 에너지로 사용하는 것을 말한다. 수소는 원자력 발전이나 태양광 발전과 같은 신재생에너지로부터 전기를 이용해 물을 분해하거나, 천연가스나 석탄 등의 화석연료를 개질하는 과정으로 얻을 수 있다. 수소는 에너지의 저장과 운반이 용이하며, 연소나 연료전지를 통해 전기나 열로 변환할 수 있다. 수소는 연소시 물만 배출하므로 오염물질이나 온실가스를 생성하지 않는다.

수소경제란 무엇인가?
수소경제란 수소를 주요한 에너지 유통수단으로 사용하는 경제체계를 말한다. 수소경제는 미래학자 제러미 리프킨이 제시한 개념으로, 화석연료에 의존하는 기존의 에너지 패러다임을 극복하고, 인터넷과 같은 분산형 에너지망을 통해 민주적이고 지속가능한 에너지 사회를 구현할 수 있다고 주장한다. 수소경제는 에너지 생산, 저장, 운반, 사용 등의 전 과정에서 수소를 활용하며, 다양한 에너지원과 호환되어 유연성과 효율성을 제공한다.

수소경제의 현재와 미래는 어떠한가?
수소경제의 실현을 위해서는 수소 생산, 저장, 운반, 사용 등의 기술적인 문제와 경제성, 안전성, 규제 등의 사회적인 문제를 해결해야 한다. 현재 세계적으로 수소에 대한 연구개발과 정책적인 지원이 활발하게 이루어지고 있다. 2015년 국제에너지기구(IEA)는 수소와 연료전지에 대한 기술 로드맵을 발표하였으며, 2019년에는 세계 최초의 국제수소협력기구(IPHE)가 설립되었다. 한국도 2019년에 '수소경제사회 구축 로드맵'을 발표하였으며, 2040년까지 640만대의 수소차량과 1천200개의 충전소를 보급할 계획이다. 또한, 수소 발전과 수송 등 다양한 분야에서도 수소 인프라를 구축하고 있다.

 

일본은 2011년 동일본 대지진으로 인해 에너지 부족에 직면했다. 일본의 에너지 자급률이 10% 미만으로 급감한 것을 보여준다. 한국의 에너지 자급률은 18.9%(2015년 기준)로 일본의 두 배에 가깝다 이에 일본 정부는 원전 신규 건설이 어려운 상황에서 에너지 해외 의존도를 줄이고 지구온난화 문제를 해결하고 산업 활성화를 위해 수소사회 실현을 선언했다. 2014년에는 수소사회 실현 선언을 하고, 2017년에는 수소에너지 집중 개발 계획을 수립하여 ‘수소 2030 로드맵’을 발표했다. 일본은 연료전지 분야 특허 출원 세계 1위로 수소경제 실현에 기술적 우위를 갖고 있다.

‘수소 2030 로드맵’은  1단계에서는 수소 이용의 비약적 확대를 목표로 한다. 이를 위해 수소전기차 보급과 수소충전소 확충에 주력한다. 수소전기차는 2020년까지 4만대, 2030년까지 80만 대를 보급할 계획이다. 수소충전소는 2020년까지 160개소, 2025년까지 640개소로 증가시킬 예정이다. 일본은 HySUT라는 조직을 만들어 에너지 회사, 자동차 회사, 플랜트 엔지니어링 회사, 수소 충전소 운영회사 등이 협력하여 수소충전소 보급을 추진하고 있다.

일본은 2020년대 후반부터 해외에서 저렴한 가격으로 수소를 공급받을 계획이다. 장기적으로는 CO2 배출이 없는 수소공급망을 구축할 것이다. 로드맵의 3단계에서는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술과 재생에너지 기술을 결합하여 이산화탄소 배출이 없는 수소의 제조, 운송 및 저장을 본격화할 방침이다.

 

중국은 수소전기차의 선두주자로 자리매김하기 위해 다양한 노력을 하고 있다. 2017년에는 수소전기차 로드맵을 확정하고 2030년까지 수소전기차 100만대와 충전소 1000기를 보급할 목표를 세웠다. 중국 정부는 수소전기차에 대한 보조금을 현 수준에서 유지하고 충전소 구축비용의 60%를 지원하는 등 인프라 확충을 적극적으로 추진하고 있다. 또한, 수소전기차의 핵심 부품인 연료전지 스택, 운전장치, 수소저장장치 등의 개발에도 많은 투자를 하고 있다. 중국의 주요 수소전기차 생산기업들은 이미 다양한 모델의 수소전기차를 시범운행하거나 상용화하고 있으며, 기술력과 시장점유율을 높이기 위해 노력하고 있다.

 

유럽은 수소경제의 선두주자로 독일이 주도하는 다양한 프로젝트를 펼치고 있다. 독일은 2002년부터 수소연료전지 기술의 개발과 확산을 위해 CEP(The Clean Energy Partnership)을 설립하고, 베를린에 수소 충전소를 건설하여 수소차량의 운행을 시작하였다. 2019년 3월 현재 독일 전역에는 총 50개의 수소 충전 네트워크가 구축되어 있다.
독일은 또한 NIP(National Innovation Programme)과 NOW(National Organization Hydrogen and Fuel Cell)을 통해 수소연료전지 기술의 혁신과 홍보를 지원하고 있다. 2008년부터 2019년까지 NIP 2단계 사업에는 연방교통부가 2억 1천만 유로를 투자하였다. 독일은 신재생에너지를 이용하여 수소를 생산하고, 기존의 가스 Grid를 활용하여 수소를 공급하는 방식을 연구하고 있다. 

 

미국은 친환경차 보급을 위해 다양한 정책을 시행하고 있다. 특히 캘리포니아주는 전기차나 수소전기차와 같은 배출가스가 없는 차량의 판매 비율을 2021년부터 8%로 정했다. 이를 위반하면 벌금을 내거나 다른 회사로부터 배출가스 사용권을 사야 한다. 캘리포니아주는 2050년까지 친환경차 보급률을 27%로 높이기 위해 수소충전소를 확대하고 있다. 현재 캘리포니아주에는 수소전기차 3,700대와 수소충전소 62개가 운영되고 있다.

미국 외에도 다른 나라들도 친환경차 보급을 촉진하기 위해 세제 혜택이나 보조금 등의 지원정책을 시행하고 있다. 일본은 저공해차에 대한 자동차세와 자동차취득세를 감면하고, 영국은 자동차세를 배기량과 CO2배출량에 따라 차등 부과하고 있다. 독일은 전기자동차에 대한 자동차세를 면제하고, 중국은 전기자동차 구매 시 소비세를 면제하고 있다. 이렇게 친환경차에 대한 정부의 지원은 자동차산업의 경쟁구도를 바꾸고 있다.

 

한국의 수소경제 관련 연구는 1988년부터 시작되었다. 수소, 연료전지 기술개발을 착수하여 기초기술을 일부 확보한 것이다. 이후 연료전지에 대한 본격적인 연구는 2003~2004년부터 시작되었다. 과기부가 수소프론티어사업단(KIER, ’03년), 산자부가 수소·연료전지사업단(KIST, ’04년초)을 발족하며 각각 수소제조 및 저장 원천기술의 개발, 수소 및 연료전지 상용기술을 개발하여 수소경제 시대를 준비하였다.

이러한 연구의 배경과 목적은 무엇일까? 수소경제란 수소를 주요 에너지원으로 사용하는 경제체제를 말한다. 수소는 청정에너지로서 이산화탄소나 대기오염물질을 배출하지 않으며, 다양한 에너지원으로부터 생산할 수 있다. 따라서 기후변화와 에너지 안보 문제를 해결할 수 있는 유망한 대안이라고 할 수 있다. 한국은 석유와 같은 화석연료에 대한 의존도가 높고, 에너지 소비량이 증가하는 상황에서 수소경제를 통해 에너지 자립도를 높이고, 친환경 성장을 추구하고자 한다.

수소경제 실현을 위한 국가 차원의 정책은 산업자원부가 2005년 9월 제시한 ‘친환경 수소경제 구현을 위한 마스터플랜’에서부터 시작되었다. 마스터플랜에 의하면, 2020년까지 국내 연료전지 산업의 GDP 비중을 3%로 상향시키고, 총 자동차 중 수송용 연료전지 비중을 8%, 발전용 전력수요 중 연료전지 비중을 7%로 충당할 계획을 제시했다. 그러나 이후 정부의 정책 우선순위가 바뀌면서 이러한 계획은 크게 달성되지 못했다.

2018년 6월 정부는 전기·수소전기차 보급확산을 위한 정책 방향을 제시하였고, 2019년 1월에는 산업통상자원부가 세계 최고 수준의 수소경제 선도 국가로 도약하기 위한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표하였다. 이번 로드맵은 한국이 강점을 가지고 있는 ‘수소전기차’와 ‘연료전지’를 양대 축으로 하여 수소경제를 선도할 수 있는 산업생태계를 구축하는 것이다.

로드맵에 따르면, 정부는 2040년까지 국내 수소전기차 보급대수를 620만대(내수 290만대, 수출 330만대), 수소충전소 개수를 1,200개로 확대할 계획이다

 

수소경제는 화석연료에 의존하지 않고 친환경적인 에너지원으로 수소를 활용하는 것을 의미한다. 수소는 물과 같은 청정한 자원에서 얻을 수 있으며, 연료전지를 통해 전기로 변환할 수 있다. 수소경제의 실현을 위해서는 수요와 공급의 균형이 중요하다. 

수요 측면에서는 수소전기차와 연료전지 등의 수소를 활용하는 기기들이 보급되어야 한다. 이를 위해 정부는 다양한 정책적 지원을 하고 있다. 예를 들어, 수소전기차 구매자에게 보조금을 지급하고, 연료전지 발전소에 대한 인센티브를 제공하고 있다. 또한, 수소전기차의 성능과 안전성을 향상시키기 위해 기술개발에도 힘쓰고 있다.

공급 측면에서는 수소의 안정적이고 경쟁력 있는 가격을 확보하기 위해 다양한 방법으로 수소를 생산하고 저장하고 운송하고 충전하는 인프라를 구축해야 한다. 현재 세계적으로 가장 많이 사용되는 수소생산 방식은 천연가스 개질이다. 이 방식은 대량으로 수소를 생산할 수 있지만, 이산화탄소를 배출하기 때문에 친환경적이지 않다. 따라서, 신재생에너지나 원자력을 활용하여 전기분해로 수소를 생산하는 방식이 주목받고 있다. 이 방식은 친환경적이지만, 효율이 낮고 비용이 높다는 단점이 있다. 일본은 호주에서 신재생에너지로 수소를 생산하여 운송하는 방안을 연구하고 있다. 

수소의 저장과 운송은 압축하거나 액화하거나 금속수화물에 흡착시키는 방법 등이 있다. 각각의 방법은 장단점이 있으며, 적절한 방법을 선택해야 한다. 예를 들어, 압축은 비교적 간단하지만, 고압으로 인한 안전 문제가 있으며, 액화는 저온으로 인한 에너지 손실이 크다. 금속수화물은 안전하고 밀도가 높지만, 비용이 비싸고 반응속도가 느리다.

수소의 충전은 주로 충전소에서 이루어진다. 충전소는 공공장소에 설치되거나 개인용으로 구매할 수 있다. 충전시간은 약 3~5분 정도 걸리며, 한 번 충전으로 약 500km 정도 주행할 수 있다.

수소경제는 환경과 경제의 이중적인 효과를 기대할 수 있는 분야이다. 하지만 아직 많은 기술적인 난관과 경제적인 문제가 남아있다. 특히, 수요와 공급의 균형을 맞추기 위해서는 수소의 가격을 합리적으로 설정하고, 시장을 조성하는 것이 필요하다.

 

정부가 적정 수준의 수소연료 가격 가이드라인을 제안하고 이를 달성, 유지하기 위한 수급관리를 수행할 것을 제안하고, 수송용 수소연료의 공급가격의 적정선을 7천원/kg 수준으로 제시하였다. 수소의 생산방식에 따른 비용을 제시하였는데 상대적으로 수소 생산비용은 제철소 및 정유공장에서 발생하는 부생가스가 가장 저렴하지만 공급량이 한정되어 있기 때문에 현실적으로는 천연가스, LPG 등의 개질과 부생가스에서 추출하는 생산방식이 현재로서는 가장 경제적인 대안이라고 볼 수 있다. 천연가스 개질 비용은 생산용량이 증가할수록 설비비용 및 운영비가 절감되면서 생산비용이 크게 하락하는데, 현 기술 수준에서 하루 150kg을 생산할 시 kg당 6,351원인데 반해 일일 1,000kg을 생산하다면 생산비용이 kg당 3,500원 수준으로 공급 가격을 낮출 수 있다. 

생산기술과 수소 생산방식에 따른 비용을 고려해볼 때 앞으로 화석에너지를 활용한 수소 생산 중심에서 신재생에너지를 활용한 수소생산 중심으로 그 비중이 증가가 예상되며, 이를 위한 기술개발이 보다 활발히 진행될 것으로 예상된다.

수소는 미래의 친환경 에너지로 주목받고 있다. 하지만 수소의 생산, 저장, 운송에는 여러 어려움과 위험성이 따른다. 

수소는 가장 가벼운 기체이며 끓는 점이 –252.9℃이기에 특정 용기에 저장하기도 어렵고 저장을 하여도 쉽게 새어 나가기 쉽다. 따라서 수소의 저장을 위해서 고압으로 수소를 압축하거나 LPG(액화석유가스)나 LNG(액화천연가스)처럼 액화시켜서 사용하려면 비용부담이 따르며 이에 따른 폭발 위험성도 크다. 

수소는 상온에서 기체 상태로 에너지 밀도가 낮아 생산·저장·운송 단계에서 약 10~20% 정도 누출되기도 한다. 수소의 액화 기술은 방위산업, 우주항공산업 등에서 활용되기는 하나, 선진국 보유기술의 국내 이전이 원활하지는 않고 국내 연구 및 기술 수준은 초기 단계이다. 수소의 저장기술은 생산기술과 같이 다양하다. 일반적으로 저장효율 향상을 위해 수소를 액화시키거나, MCH 저장방식이 많이 활용되고 있다.

수소의 운송은 크게 수소 탱크, 수소 튜브 트레일러 및 파이프라인 등 세 가지로 구분할 수 있다. 수소의 특성상 장거리 운송은 고비용 구조를 갖는다. 먼저 수소 탱크는 내고압, 경량화, 저비용 등의 요구특성 때문에 철강 등 금속소재부터 탄소섬유까지 다양한 소재가 향후 주력 소재로 채택되기 위하여 개발 경쟁을 벌이고 있다. 수소 튜브 트레일러와 울산의 수소파이프라인을 보여주고 있다. 튜브 트레일러는 수소 생산지로부터 수요처(충전소)까지 배송을 위해 액화수소용 튜브를 사용하여 운반하는 형태다. 파이프라인은 생산지로부터 실제 사용지까지 파이프라인을 건설하여 연결하는 것으로 수소 탱크 및 튜브 트레일러 대비 고비용이 요구된다. 기술적으로는 압력 탱크에 기체 수소를 넣을 수 있는 압축기술의 한계치(700~800Bar)에서 도달한 문제, 수소의 액화 기술 및 액화 수소의 해상운송 등에 대한 기술적 검증이 아직 완벽하게 이루어지지 않았다.

 

수소는 미래의 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 수소는 물과 반응하여 전기를 발생시키는 수소연료전지를 통해 다양한 용도로 활용할 수 있다. 특히 수소연료전지차는 배출물이 물방울뿐인 친환경 자동차로서, 세계 각국에서 보급을 확대하고 있다.

하지만 수소연료전지차의 보급을 위해서는 수소를 충전할 수 있는 인프라가 필요합니다. 즉, 수소충전소가 충분히 설치되어야 한다. 

수소충전소는 크게 트레일러 방식, 수전해 방식, 개질 방식으로 나눌 수 있다. 트레일러 방식은 이미 액화되거나 가스화된 수소를 운반차량으로 운반하여 충전하는 방식이다. 이 방식은 수소생산과 운반에 많은 비용이 들고, 운반 중에 수소가 증발하는 문제가 있다.

수전해 방식은 물을 전기분해하여 수소와 산소를 분리하는 방식이다. 이 방식은 재생에너지를 이용하여 친환경적으로 수소를 생산할 수 있지만, 전기분해에 필요한 많은 전력과 물이 비용을 높다.

개질 방식은 천연가스나 바이오매스와 같은 탄화수소를 가열하거나 촉매와 반응시켜서 수소를 추출하는 방식이다. 이 방식은 수전해 방식보다 비용이 낮고 안정적으로 수소를 생산할 수 있지만, 탄화수소의 원자재 가격 변동과 이산화탄소 배출 등의 문제가 있다.

수소충전소의 건설 비용은 실증 규모, 종류에 따라 가격 차이가 심하며 일반적으로 트레일러 방식의 충전소는 1기당 30억원 정도로 가장 비싸고, 개질 방식은 10억원 정도로 가장 저렴하며 수전해 방식은 20억원 정도로 중간 정도이다.

 

수소전기차는 수소와 산소의 화학반응으로 전기를 만들어 차량을 움직이는 친환경차이다. 수소전기차는 연료전지를 사용하여 수소를 전기로 변환하고, 배터리와 모터를 통해 차량을 구동한다. 수소전기차는 물만 배출하므로 대기오염을 줄일 수 있고, 기존의 전기차보다 충전 시간이 짧고 주행거리가 길다는 장점이 있다.

한국을 비롯한 일본, 중국 등 많은 국가들은 수소경제 사회를 위해 수소전기차의 보급을 적극적으로 추진하고 있다. 한국 정부는 2040년까지 630만대의 수소전기차를 생산하고, 1만2000개의 충전소를 설치할 계획이다. 현재 한국에서는 현대자동차가 양산형 수소전기차인 투산과 넥쏘를 판매하고 있으며, 다른 자동차사들도 차례로 수소전기차를 출시할 예정이다.

수소전기차의 미래는 밝아보이지만, 아직도 많은 과제와 난관이 존재한다. 수소전기차의 가격은 전기차보다 비싸고, 연료전지의 내구성과 안정성이 떨어진다. 또한, 수소의 생산과 저장, 운송, 충전 등에 대한 인프라와 기술이 부족하고, 안전성과 경제성에 대한 의문이 남아있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 정부와 기업, 연구기관 등의 협력과 지원이 필요하다.

수소전기차는 친환경적이고 효율적인 차량으로서 수소경제 사회의 핵심 요소가 될 것이다. 하지만, 수소전기차의 성공적인 확산과 발전을 위해서는 여러 가지 장애물을 극복해야 한다. 수소전기차에 대한 관심과 지식을 높이고, 적극적으로 도입하고 활용하는 것이 필요하다.

 

출처 : 에너지포커스