수소 사회 실현을 위한 기술 개발 동향 및 향후 전망
2018-09-23
org.kosen.entty.User@530bd867
김현구(windflow)
1. 서언
수소는 가장 간단하며 지구 상에 편재한 풍부한 에너지원으로서 미래적 가치가 매우 높다. 신기후체제에서 온실가스 및 미세먼지 배출 감축 수단으로 에너지 효율화, 이산화탄소의 포집과 이용, 재생에너지의 보급 확대, 그리고 탄소 중립적 에너지저장을 통하여 궁극적으로는 수소경제로의 전환을 유도하고 있다. 그런데 수소는 에너지원(energy source)이 아닌 에너지 담체(energy carrier)이기 때문에 필연적으로 그 생산 방식에 따라 화석연료, 원자력, 또는 화학공정의 문제점을 모두 포함할 수 밖에 없다. 따라서 미래 청정에너지로서 수소 사회(hydrogen society)를 말할 때는 반드시 ‘재생에너지로 생산된 수소’라는 대전제가 필요하다.
2. 수소 생산, 전환, 활용
2.1. 기존 수소 산업
오늘날 수소는 수소화 분해(hydrocracking) 또는 탈황을 위한 석유화학 정제(photochemical refining) 산업, 암모니아와 비료를 생산하는 화학 산업, 금속 생산과 제작, 메탄올 생산, 식품 가공, 전자 분야 등에서 필요한 ‘산업용 가스(industry gas)’로서 폭넓은 활용 분야와 세계적 시장을 갖추고 있다. 수소 생산 시장은 2017년 1,125억 달러에서 2022년에는 1,547억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 수소 시장은 ‘상용(merchant) 수소’, 즉 수요 현장 또는 중앙 생산 시설에서 생산되어 파이프라인, 벌크 탱크 또는 실린더 트럭으로 소비자에게 공급하는 시장, 그리고 소비자의 필요에 의해 내부적으로 생산되고 소비되는 ‘포집(captive) 수소’ 시장으로 구분된다[1]. 이러한 기존의 수소 산업과 그 공급 체인은 미래 수소에너지 사용을 위한 플랫폼 역할을 할 것으로 기대된다.
현재 우리나라에서 생산되는 수소는 대부분 석유 화학 공정의 부산물이며 특히 나프타 공정이 70%를 생산한다. 한국수소산업협회 통계자료에 의하면 우리나라의 수소 생산능력은 연간 총 284만 톤이나, 생산량의 대부분이 산업 공정에 재투입되므로 소비자에게 공급 가능한 생산량은 약 21만 톤에 불과하다.
Figure 1. 우리나라 부생수소 공급 잠재량[2]
2.2. 수소 생산
기존에는 석탄 가스화 공정(coal gasification procedure)을 통해 수소를 함유한 합성 가스(syngas)를 생산하였으며, 현재는 천연가스, 메탄을 개질(reformation)하거나 소량이기는 하지만 물을 알카리 수전해(alkaline electrolysis)하여 수소를 생산하고 있다. 수전해는 저온/고온 조건 및 수 kW에서 MW 용량까지 다양한 규모로 생산 가능하며, 수소원(hydrogen source)도 다양화되고 있다. 원자력은 탄소 무배출 수소 생산방식이지만 원자력의 위험성을 그대로 내포한다. 반면 재생 가능 자원이자 탄소 발자국(carbon footprint)이 남지 않는 풍력, 태양에너지, 바이오매스, 수력과 지열 등을 이용한 수소 생산과 수전해가 세계적으로 급격히 증가하고 있다[3].
고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane; PEM)과 알카리 수전해는 저온 수소 생산 기술이다. PEM 수전해는 알칼리 수전해에 비해 자본 지출/비용(CAPEX) 측면에서 더 비싸지만, 간헐적인 특성을 갖는 재생에너지로 수소를 생산할 때 전력 계통에 공급되는 동적 부하의 변동성을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 2017년 4월, 하노버 메세(Hannover Messe)에서 3 MW 용량의 PEM 수전해 스택이 공개되었다. 187개의 수전해 스택으로 구성된 400 MW급 대규모 알카리 시스템은 현재 가격이 $450/kW 수준이다. 고체 산화물 수전해 셀(Solid Oxide Electrolyer Cell; SOEC)은 가장 대표적인 고온 수전해 기술로 700~1000°C에서 물을 분리한다.
미국 에너지부에 따르면, 비성수기(off-peak) 전기를 이용한 분산형 수전해 방식의 수소 생산 비용은 2015년에는 $3.90/kg H2였고, 2020년의 목표는 $2.30/kg H2라고 한다. 미국 에너지부가 예상한 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicles; HEVs)와 연료전지 전기 자동차(Fuel Cell Electric Vehicles; FCEVs)가 경쟁할 수 있는 수소 기준 가격이 2020년에 마일당 $2~$4/gge (gallon gasoline equivalent)인 것을 고려하면 이러한 목표는 매우 희망적인 소식이다[4].
화석 및 바이오매스 연료를 가스화하여 수소를 생산하는 소형 개질기(reformer)의 사용도 증가할 것으로 예상된다. 시간당 50~500 Nm3/hour 수소 생산 용량의 소형 전해기 또는 개질기 시스템은 이미 상업적으로 이용 가능하다. 현재 소형 수전해 또는 가스 개질기의 설비 비용(CAPEX)은 용량과 기술 형식에 따라 $5,000~$12,000 / (Nm3/hour) 범위이다[5]. 화석연료를 개질하여 수소를 생산할 경우, 탄소 포집 및 격리(Carbon Capture and Sequestration; CCS) 기술은 화석 연료의 연소 전단/후단에서 CO2를 제거할 수 있다. 그 외에도 장기적 관점에서 바이오 수소(biohydrogen) 생산, 재생가능 수전해, 광전자화학(photoelectrochemical; PEC) 광촉매 물분해, 고온태양열 열화학 사이클 등을 이용한 수소 생산 기술 개발이 진행되고 있다.
Figure 2. Broad Hydrogen Production Portfolio[6]
2.3. 수소 전환
연료전지 및 수전해 장치는 간단한 역공정(inverse process)으로 작동한다. 즉, 전기 분해는 물을 수소와 산소로 분리하는 반면 연료전지는 수소와 산소를 재결합하여 전기를 생산한다. 수전해와 마찬가지로 연료전지도 다양한 용량의 시스템 제작이 가능하며, 작동 온도, 촉매 및 연료 유형, 수소 순도에 따라 구별되는 다양한 종류의 연료전지가 개발되고 있다.
• 고분자 전해질막 또는 양성자 교환막(Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane; PEM): 순수소에서 작동하는 저온 연료전지(80~200°F)로 자동차에 적합하다.
• 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC): 저온에서도 작동하지만 PEM 연료전지가 기술적으로 우위에 있다. DMFC는 기체 수소 대신 개질되지 않은 액체 메탄올을 사용할 수 있으며 소규모 용도에 적합하다.
• 알카리 연료전지(Alkaline fuel cells): 1960년대부터 NASA에서 생명 유지 장치 등 우주 응용 분야에서 사용되었다. 저온, 고효율.
• 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cells; PAFC): 불순 수소에서 작동 할 수 있는 고온(200°C) 연료전지로서, 1990년대 초부터 버스에 광범위하게 적용된다.
• 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells; SOFC): 고온(650°C) 및 고효율. 천연가스 또는 프로판에 적용 가능하며 저가형 촉매를 사용한다. 현재 고정 설치형으로 사용된다.
• 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cells; MCFC): 최고 온도(1,000°C) 및 고효율. 천연가스, 프로판 및 디젤에서 사용 가능하며 전력 및 열 생산, 고정형 및 해양용으로 사용 가능하다.
2.4. 수소 활용
2.4.1. 수소 자동차
경량 차량(light duty vehicle) FCEV의 상업화는 프로토타입을 넘어 이미 제품이 출시되고 있으며, 택시, 승용차 등을 포함하여 경량 승용차 시장은 FCEV에게도 대량 생산의 기회를 제공한다. 성능면에서 FCEV는 연료탱크 당 250~350 마일의 주행 범위를 가진 기존 차량과 경쟁이 된다. FCEV 연료 충전은 3~5분으로 기존 차량과 유사한 편의성을 제공하고 주행거리의 불안도 대폭 완화되었다. 기존 차량과 달리 FCEV는 수소를 사용할 경우, 조용하고 배기가스가 없지만 열과 수증기가 발생한다. 미국의 경우 Honda Clarity는 $60,000, Toyota Mirai는 $57,500로 구입하거나 월 $349로 렌트할 수 있다. Hyundai Tucson은 월 $499에 임대할 수 있다[7].
Toyota Mirai Honda Clarity Hyundai Tucson Hyundai Genesis
IEA Global EV Outlook 2017에 2016년 전기 자동차 판매(주로 배터리 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드)가 2백만건을 넘었으며 이는 2015년에 비해 60% 증가한 수치라고 한다[8]. 이러한 통계는 급성장하는 전기 자동차 시장의 긍정적 증거로서, 배터리 전기 자동차(Battery Electric Vehicle; BEV)의 성공은 FCEV의 성공 가능성을 나타내는 지표이다. Global Automotive Executive Survey 2017에 따르면 FCEV는 세계 시장의 혁신적 기술 동향 중 3위로, 임원 중 78%가 FVEC를 "e-모빌리티의 진정한 혁신"이라고 응답했다[9]. 개인용 승용차를 제외하면 경량 기관 차량(fleet vehicle) 시장이 유망한 FCEV 시장 분야이다. IEA – Renewable Energy Technology Deployment(RETD) Power to Gas(P2G) 연구에 따르면, 경량 기관 차량은 2030년에 디젤, 압축 천연가스(CNG) 및 바이오 메탄 구동 차량보다 상당한 마진으로 경쟁 우위를 차지할 가능성이 높다고 판단하고 있다[10].
연료전지 버스는 장기간에 걸친 시범 운영을 통한 준비가 진행되고 있다. 유럽에서는 총 6천만 유로를 들여 56개 연료전지 버스를 6년간 시범 운영한 Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU)의 CHIC(Clean Hydrogen in European Cities) 프로그램이 2016년말로 종료되었다. 우리나라는 2030년까지 2만6천대의 CNG 버스를 연료전지 버스로 대체할 계획이다. 이 외에도 각국에서 수송용 트럭, 기차, 항공기, 드론, 소형 보트 및 여객선 등의 추진 기관을 연료전지 엔진으로 교체하기 위한 연구 및 시범 운영 사업이 활발하게 진행되고 있다.
2.4.2. 전력과 열
전력 공급의 활대를 위해 재생에너지로 물을 수전해하여 수소의 형태로 에너지를 저장하였다가 필요시 저장된 수소를 연료전지 또는 터빈을 이용하여 전기로 재전환 할 수 있다. 더 나아가 수소는 열원으로도 사용될 수 있다. 난방, 냉각, 요리(cooking)는 전 세계적으로 중요한 응용 분야로, OECD 국가의 건물 에너지 사용은 주로 공간 난방에, 비OECD 국가는 요리와 온수 난방이 중요한 최종 용도이다[11].
전력과 열은 서로 연관이 있는데, 열병합 발전(Combined Heat and Power; CHP) 시스템은 동일한 자원에서 전력과 열을 생산한다. 연료전지는 CHP에 사용할 수 있는 모듈식 확장이 가능한 기술로, 일본의 경우 2009년 최초로 ‘ene-farm’ 열병합 발전이 도입된 이후 도시가스 공급 라인을 이용하여 수소를 공급함으로써 현재 20만호의 주거 시설에 보급되었다. 독일은 Callux 시범 프로젝트를 통해 2015년말 500개의 연료전지 시스템을 설치하였다. 수소는 기존의 가스 분배 네트워크에서 천연가스를 대체 할 수 있으며, 천연가스 공급망을 녹화시키기 위해 천연가스와 혼합될 수도 있다.
‘Power to hydrogen’은 전기 분해를 통한 수소 생산을 의미한다. 수전해를 위한 전기 공급은 그리드, 오프 그리드 또는 혼합 시스템을 통해 가능하며, 수송, 전력, 그리고 수소 터빈, 연료전지, 정유 산업을 통한 재 전력화 등 다양한 잠재적 응용이 가능하며 상당수의 기술은 이미 시장 진입 단계에 도달하였다[12].
이미 수소는 산업계에 중요한 역할을 하고 있지만, 에너지 분야에서 수소는 탈 탄소화를 약속하는 미래 기술이다. 수소를 사용함으로써 화학 및 석유 화학 공정에서 사용되는 석유를 대체하고 제철 산업에서 환원제로 활용할 경우 석탄을 대체 할 수 있다. 수소와 질소를 결합하면 실온 저장이 가능한 암모니아(NH3)가 생성된다. 암모니아는 운송이 용이하며 촉매를 이용하여 수소와 질소로 분리 변환이 가능하므로 호주 등은 암모니아 수출국의 기술 비전을 제시한 바 있다.
3. 결언
세계의 주요 업체 대부분 2020년을 전후한 수소 전기차 출시 계획을 밝히고 있다. 일본의 경우, 수소차 판매에 앞서 충전소 선보급을 통한 수소 전기차 확산을 기본 전략으로 하고 있으며, 미국 에너지부는 수소 및 연료전지 관련 프로그램을 통합적으로 운영하여 연방차원의 인프라 구축을 계획하고 있으며, 유럽연합도 충전소 보급 계획을 발표하였다. 가정용 연료전지 보급에 가장 활발한 국가는 일본으로, 가정용 에너지 수요 해결을 위한 분산형 전원 목적으로 보급을 확대하고 있다.
2015년 녹색기술센터(GTC)가 전문가 델파이 조사를 통하여 수행한 우리나라 수소 기술의 기술수준 평가 결과에 의하면, 고효율 수소 제조 및 수소 저장 기술과 차세대 고효율 연료전지 시스템 기술 수준은 선진국 대비 수소 기술이 78.9%, 연료전지가 81.2%로 나타났으며, 기술 격차 년수는 수소가 3.9년, 연료전지가 3.0년으로 조사되었다. 또한 수소 분야의 기술격차 해소를 위해서는 사업화/활성화 지원(23.7%), 산학연 협력 활성화(23.6%), R&D 투자재원 확대(15.1%) 등이 필요한 것으로 조사되었다[14].
세계적인 추세에 발맞추어 기획재정부는 2017년말 ‘혁신성장’을 핵심 경제정책으로 제시하면서 4차산업혁명의 기조에 부합하는 산업구조 재편을 위한 4대 전략투자 분야에 수소경제를 명시하였으며, 2018년말 수립되는 제3차 에너지기본계획에도 수소에너지를 포함할 예정으로 알려져 있다. 향후 국가적인 수소경제 비전의 선언과 전략적 로드맵 작성을 통해 우리나라의 수소 기술이 세계 시장에 진출할 발판을 마련하게 될 것으로 기대된다.
Acknowledgement
본 원고의 해외 기술 동향은 2017년 12월 발간된 IEA 보고서인 “Global Trends and Outlook for Hydrogen”을 주로 인용하였으며[13], 국내 기술 동향은 2017년 9월 발간된 한국에너지기술연구원의 “기후 변화 대응을 위한 수소 사회 구축 기획 연구”를 참조하였다[14].
References
수소는 가장 간단하며 지구 상에 편재한 풍부한 에너지원으로서 미래적 가치가 매우 높다. 신기후체제에서 온실가스 및 미세먼지 배출 감축 수단으로 에너지 효율화, 이산화탄소의 포집과 이용, 재생에너지의 보급 확대, 그리고 탄소 중립적 에너지저장을 통하여 궁극적으로는 수소경제로의 전환을 유도하고 있다. 그런데 수소는 에너지원(energy source)이 아닌 에너지 담체(energy carrier)이기 때문에 필연적으로 그 생산 방식에 따라 화석연료, 원자력, 또는 화학공정의 문제점을 모두 포함할 수 밖에 없다. 따라서 미래 청정에너지로서 수소 사회(hydrogen society)를 말할 때는 반드시 ‘재생에너지로 생산된 수소’라는 대전제가 필요하다.
2. 수소 생산, 전환, 활용
2.1. 기존 수소 산업
오늘날 수소는 수소화 분해(hydrocracking) 또는 탈황을 위한 석유화학 정제(photochemical refining) 산업, 암모니아와 비료를 생산하는 화학 산업, 금속 생산과 제작, 메탄올 생산, 식품 가공, 전자 분야 등에서 필요한 ‘산업용 가스(industry gas)’로서 폭넓은 활용 분야와 세계적 시장을 갖추고 있다. 수소 생산 시장은 2017년 1,125억 달러에서 2022년에는 1,547억 달러 규모로 성장할 것으로 예상된다. 수소 시장은 ‘상용(merchant) 수소’, 즉 수요 현장 또는 중앙 생산 시설에서 생산되어 파이프라인, 벌크 탱크 또는 실린더 트럭으로 소비자에게 공급하는 시장, 그리고 소비자의 필요에 의해 내부적으로 생산되고 소비되는 ‘포집(captive) 수소’ 시장으로 구분된다[1]. 이러한 기존의 수소 산업과 그 공급 체인은 미래 수소에너지 사용을 위한 플랫폼 역할을 할 것으로 기대된다.
현재 우리나라에서 생산되는 수소는 대부분 석유 화학 공정의 부산물이며 특히 나프타 공정이 70%를 생산한다. 한국수소산업협회 통계자료에 의하면 우리나라의 수소 생산능력은 연간 총 284만 톤이나, 생산량의 대부분이 산업 공정에 재투입되므로 소비자에게 공급 가능한 생산량은 약 21만 톤에 불과하다.
Figure 1. 우리나라 부생수소 공급 잠재량[2]
2.2. 수소 생산
기존에는 석탄 가스화 공정(coal gasification procedure)을 통해 수소를 함유한 합성 가스(syngas)를 생산하였으며, 현재는 천연가스, 메탄을 개질(reformation)하거나 소량이기는 하지만 물을 알카리 수전해(alkaline electrolysis)하여 수소를 생산하고 있다. 수전해는 저온/고온 조건 및 수 kW에서 MW 용량까지 다양한 규모로 생산 가능하며, 수소원(hydrogen source)도 다양화되고 있다. 원자력은 탄소 무배출 수소 생산방식이지만 원자력의 위험성을 그대로 내포한다. 반면 재생 가능 자원이자 탄소 발자국(carbon footprint)이 남지 않는 풍력, 태양에너지, 바이오매스, 수력과 지열 등을 이용한 수소 생산과 수전해가 세계적으로 급격히 증가하고 있다[3].
고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane; PEM)과 알카리 수전해는 저온 수소 생산 기술이다. PEM 수전해는 알칼리 수전해에 비해 자본 지출/비용(CAPEX) 측면에서 더 비싸지만, 간헐적인 특성을 갖는 재생에너지로 수소를 생산할 때 전력 계통에 공급되는 동적 부하의 변동성을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 2017년 4월, 하노버 메세(Hannover Messe)에서 3 MW 용량의 PEM 수전해 스택이 공개되었다. 187개의 수전해 스택으로 구성된 400 MW급 대규모 알카리 시스템은 현재 가격이 $450/kW 수준이다. 고체 산화물 수전해 셀(Solid Oxide Electrolyer Cell; SOEC)은 가장 대표적인 고온 수전해 기술로 700~1000°C에서 물을 분리한다.
미국 에너지부에 따르면, 비성수기(off-peak) 전기를 이용한 분산형 수전해 방식의 수소 생산 비용은 2015년에는 $3.90/kg H2였고, 2020년의 목표는 $2.30/kg H2라고 한다. 미국 에너지부가 예상한 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicles; HEVs)와 연료전지 전기 자동차(Fuel Cell Electric Vehicles; FCEVs)가 경쟁할 수 있는 수소 기준 가격이 2020년에 마일당 $2~$4/gge (gallon gasoline equivalent)인 것을 고려하면 이러한 목표는 매우 희망적인 소식이다[4].
화석 및 바이오매스 연료를 가스화하여 수소를 생산하는 소형 개질기(reformer)의 사용도 증가할 것으로 예상된다. 시간당 50~500 Nm3/hour 수소 생산 용량의 소형 전해기 또는 개질기 시스템은 이미 상업적으로 이용 가능하다. 현재 소형 수전해 또는 가스 개질기의 설비 비용(CAPEX)은 용량과 기술 형식에 따라 $5,000~$12,000 / (Nm3/hour) 범위이다[5]. 화석연료를 개질하여 수소를 생산할 경우, 탄소 포집 및 격리(Carbon Capture and Sequestration; CCS) 기술은 화석 연료의 연소 전단/후단에서 CO2를 제거할 수 있다. 그 외에도 장기적 관점에서 바이오 수소(biohydrogen) 생산, 재생가능 수전해, 광전자화학(photoelectrochemical; PEC) 광촉매 물분해, 고온태양열 열화학 사이클 등을 이용한 수소 생산 기술 개발이 진행되고 있다.
Figure 2. Broad Hydrogen Production Portfolio[6]
2.3. 수소 전환
연료전지 및 수전해 장치는 간단한 역공정(inverse process)으로 작동한다. 즉, 전기 분해는 물을 수소와 산소로 분리하는 반면 연료전지는 수소와 산소를 재결합하여 전기를 생산한다. 수전해와 마찬가지로 연료전지도 다양한 용량의 시스템 제작이 가능하며, 작동 온도, 촉매 및 연료 유형, 수소 순도에 따라 구별되는 다양한 종류의 연료전지가 개발되고 있다.
• 고분자 전해질막 또는 양성자 교환막(Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane; PEM): 순수소에서 작동하는 저온 연료전지(80~200°F)로 자동차에 적합하다.
• 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC): 저온에서도 작동하지만 PEM 연료전지가 기술적으로 우위에 있다. DMFC는 기체 수소 대신 개질되지 않은 액체 메탄올을 사용할 수 있으며 소규모 용도에 적합하다.
• 알카리 연료전지(Alkaline fuel cells): 1960년대부터 NASA에서 생명 유지 장치 등 우주 응용 분야에서 사용되었다. 저온, 고효율.
• 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cells; PAFC): 불순 수소에서 작동 할 수 있는 고온(200°C) 연료전지로서, 1990년대 초부터 버스에 광범위하게 적용된다.
• 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells; SOFC): 고온(650°C) 및 고효율. 천연가스 또는 프로판에 적용 가능하며 저가형 촉매를 사용한다. 현재 고정 설치형으로 사용된다.
• 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cells; MCFC): 최고 온도(1,000°C) 및 고효율. 천연가스, 프로판 및 디젤에서 사용 가능하며 전력 및 열 생산, 고정형 및 해양용으로 사용 가능하다.
2.4. 수소 활용
2.4.1. 수소 자동차
경량 차량(light duty vehicle) FCEV의 상업화는 프로토타입을 넘어 이미 제품이 출시되고 있으며, 택시, 승용차 등을 포함하여 경량 승용차 시장은 FCEV에게도 대량 생산의 기회를 제공한다. 성능면에서 FCEV는 연료탱크 당 250~350 마일의 주행 범위를 가진 기존 차량과 경쟁이 된다. FCEV 연료 충전은 3~5분으로 기존 차량과 유사한 편의성을 제공하고 주행거리의 불안도 대폭 완화되었다. 기존 차량과 달리 FCEV는 수소를 사용할 경우, 조용하고 배기가스가 없지만 열과 수증기가 발생한다. 미국의 경우 Honda Clarity는 $60,000, Toyota Mirai는 $57,500로 구입하거나 월 $349로 렌트할 수 있다. Hyundai Tucson은 월 $499에 임대할 수 있다[7].
Toyota Mirai Honda Clarity Hyundai Tucson Hyundai Genesis
IEA Global EV Outlook 2017에 2016년 전기 자동차 판매(주로 배터리 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드)가 2백만건을 넘었으며 이는 2015년에 비해 60% 증가한 수치라고 한다[8]. 이러한 통계는 급성장하는 전기 자동차 시장의 긍정적 증거로서, 배터리 전기 자동차(Battery Electric Vehicle; BEV)의 성공은 FCEV의 성공 가능성을 나타내는 지표이다. Global Automotive Executive Survey 2017에 따르면 FCEV는 세계 시장의 혁신적 기술 동향 중 3위로, 임원 중 78%가 FVEC를 "e-모빌리티의 진정한 혁신"이라고 응답했다[9]. 개인용 승용차를 제외하면 경량 기관 차량(fleet vehicle) 시장이 유망한 FCEV 시장 분야이다. IEA – Renewable Energy Technology Deployment(RETD) Power to Gas(P2G) 연구에 따르면, 경량 기관 차량은 2030년에 디젤, 압축 천연가스(CNG) 및 바이오 메탄 구동 차량보다 상당한 마진으로 경쟁 우위를 차지할 가능성이 높다고 판단하고 있다[10].
연료전지 버스는 장기간에 걸친 시범 운영을 통한 준비가 진행되고 있다. 유럽에서는 총 6천만 유로를 들여 56개 연료전지 버스를 6년간 시범 운영한 Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU)의 CHIC(Clean Hydrogen in European Cities) 프로그램이 2016년말로 종료되었다. 우리나라는 2030년까지 2만6천대의 CNG 버스를 연료전지 버스로 대체할 계획이다. 이 외에도 각국에서 수송용 트럭, 기차, 항공기, 드론, 소형 보트 및 여객선 등의 추진 기관을 연료전지 엔진으로 교체하기 위한 연구 및 시범 운영 사업이 활발하게 진행되고 있다.
2.4.2. 전력과 열
전력 공급의 활대를 위해 재생에너지로 물을 수전해하여 수소의 형태로 에너지를 저장하였다가 필요시 저장된 수소를 연료전지 또는 터빈을 이용하여 전기로 재전환 할 수 있다. 더 나아가 수소는 열원으로도 사용될 수 있다. 난방, 냉각, 요리(cooking)는 전 세계적으로 중요한 응용 분야로, OECD 국가의 건물 에너지 사용은 주로 공간 난방에, 비OECD 국가는 요리와 온수 난방이 중요한 최종 용도이다[11].
전력과 열은 서로 연관이 있는데, 열병합 발전(Combined Heat and Power; CHP) 시스템은 동일한 자원에서 전력과 열을 생산한다. 연료전지는 CHP에 사용할 수 있는 모듈식 확장이 가능한 기술로, 일본의 경우 2009년 최초로 ‘ene-farm’ 열병합 발전이 도입된 이후 도시가스 공급 라인을 이용하여 수소를 공급함으로써 현재 20만호의 주거 시설에 보급되었다. 독일은 Callux 시범 프로젝트를 통해 2015년말 500개의 연료전지 시스템을 설치하였다. 수소는 기존의 가스 분배 네트워크에서 천연가스를 대체 할 수 있으며, 천연가스 공급망을 녹화시키기 위해 천연가스와 혼합될 수도 있다.
‘Power to hydrogen’은 전기 분해를 통한 수소 생산을 의미한다. 수전해를 위한 전기 공급은 그리드, 오프 그리드 또는 혼합 시스템을 통해 가능하며, 수송, 전력, 그리고 수소 터빈, 연료전지, 정유 산업을 통한 재 전력화 등 다양한 잠재적 응용이 가능하며 상당수의 기술은 이미 시장 진입 단계에 도달하였다[12].
이미 수소는 산업계에 중요한 역할을 하고 있지만, 에너지 분야에서 수소는 탈 탄소화를 약속하는 미래 기술이다. 수소를 사용함으로써 화학 및 석유 화학 공정에서 사용되는 석유를 대체하고 제철 산업에서 환원제로 활용할 경우 석탄을 대체 할 수 있다. 수소와 질소를 결합하면 실온 저장이 가능한 암모니아(NH3)가 생성된다. 암모니아는 운송이 용이하며 촉매를 이용하여 수소와 질소로 분리 변환이 가능하므로 호주 등은 암모니아 수출국의 기술 비전을 제시한 바 있다.
3. 결언
세계의 주요 업체 대부분 2020년을 전후한 수소 전기차 출시 계획을 밝히고 있다. 일본의 경우, 수소차 판매에 앞서 충전소 선보급을 통한 수소 전기차 확산을 기본 전략으로 하고 있으며, 미국 에너지부는 수소 및 연료전지 관련 프로그램을 통합적으로 운영하여 연방차원의 인프라 구축을 계획하고 있으며, 유럽연합도 충전소 보급 계획을 발표하였다. 가정용 연료전지 보급에 가장 활발한 국가는 일본으로, 가정용 에너지 수요 해결을 위한 분산형 전원 목적으로 보급을 확대하고 있다.
2015년 녹색기술센터(GTC)가 전문가 델파이 조사를 통하여 수행한 우리나라 수소 기술의 기술수준 평가 결과에 의하면, 고효율 수소 제조 및 수소 저장 기술과 차세대 고효율 연료전지 시스템 기술 수준은 선진국 대비 수소 기술이 78.9%, 연료전지가 81.2%로 나타났으며, 기술 격차 년수는 수소가 3.9년, 연료전지가 3.0년으로 조사되었다. 또한 수소 분야의 기술격차 해소를 위해서는 사업화/활성화 지원(23.7%), 산학연 협력 활성화(23.6%), R&D 투자재원 확대(15.1%) 등이 필요한 것으로 조사되었다[14].
세계적인 추세에 발맞추어 기획재정부는 2017년말 ‘혁신성장’을 핵심 경제정책으로 제시하면서 4차산업혁명의 기조에 부합하는 산업구조 재편을 위한 4대 전략투자 분야에 수소경제를 명시하였으며, 2018년말 수립되는 제3차 에너지기본계획에도 수소에너지를 포함할 예정으로 알려져 있다. 향후 국가적인 수소경제 비전의 선언과 전략적 로드맵 작성을 통해 우리나라의 수소 기술이 세계 시장에 진출할 발판을 마련하게 될 것으로 기대된다.
Acknowledgement
본 원고의 해외 기술 동향은 2017년 12월 발간된 IEA 보고서인 “Global Trends and Outlook for Hydrogen”을 주로 인용하였으며[13], 국내 기술 동향은 2017년 9월 발간된 한국에너지기술연구원의 “기후 변화 대응을 위한 수소 사회 구축 기획 연구”를 참조하였다[14].
References
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