수소연료전지차의 동향 및 전망
2018-11-28
org.kosen.entty.User@2e5bf463
윤석환(sukhwan)
1. 서론
지난 십수 년 간, 지구 온난화에 대한 해결방안으로서 신재생에너지 기반 발전에 대한 연구개발이 활발하게 진행되었다. 이와 더불어 2003년 테슬라가 등장한 이후, 자동차 시장의 무게 중심은 지속적으로 전통적인 내연기관에서 친환경차(EV,PHEV, FCEV)로 옮겨가고 있다. 일론 머스크가 ‘fool cell’로 조롱하기도 했던 수소연료전지차를 보는 시각이 최근 들어 바뀌고 있다. 맥킨지(McKinsey) 보고서에 따르면, 2050년 전체 에너지 수요량의 18%를 수소 에너지가 담당할 것이라고 한다. 특히, 수송 분야에 수소 연료전지 시스템을 적용하면서, 승용차 4억대, 트럭 1500-2000만대, 버스 500만대 규모로 보급될 것으로 예측하고 있다. 이와 같은 장밋빛 전망에도, 많은 사람들이 수소연료전지차가 전기차와의 경쟁에서 우위를 점한다는데 의구심을 나타내고 있다. 본 분석물에서는 수소연료전지차 현황, 중국 시장 동향, 수소 인프라 관련 기술 등에 대한 논의를 통해 수소연료전지차 산업에 대한 이해를 돕고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 수소연료전지차
2.1.1. 수소연료전지차 출시 현황
전기차는 출력이 좋은 반면, 충전에 최대 8시간이 소요되고 주행거리가 짧다는 단점이 있다. 반면, 기존 내연기관 차량과 비슷하게 약 5분을 충전하여 600㎞ 주행할 수 있는 수소연료전지차는 기존 전기차와 차별화된 시장을 구축하고 있다. 이론적으로 차량의 수소 충전 용량을 늘린 만큼 주행 가능 거리를 길게 만들 수 있으며, 이에 따라 대용량 고출력 전력이 필요한 버스 및 트럭에 전기차 대비 적합성이 높다. 현재까지 양산형 수소연료전지차는 공식적으로 4종류가 있으며, 현대차의 투싼 ix와 넥쏘, 도요타의 미라이, 혼다의 클라리티가 출시 되었다. 표 1을 통해 각 회사 별 수소연료전지차 모델 특성을 확인할 수 있다. 주요 국가의 수소차 보급 계획은 2020년과 2030년 기준으로 발표되었는데, 해당 년도 기준으로 한국 1만, 63만, 중국 5천, 100만, 일본 4만, 80만, 독일 15만, 180만의 목표를 세우고 있다. 하지만 2017년 전 세계에서 판매된 수소연료전지차는 약 3000대로, 전기차 판매량의 4% 수준에 머무르고 있다.
2.1.2. 수소연료전지차 적용 분야
수소연료전지차의 시스템은 전통적인 차량의 내연기관(internal combustion system)과 같은 역할을 한다. 기존 내연기관이 차량 외에 선박 및 기차와 같은 운송수단에 사용되는 것과 마찬가지로, 수소연료전지시스템 역시 다양한 운송분야에 적용될 수 있다. 유럽의 경우 트램 및 선박에 연료전지시스템을 적용하고자 하는 움직임이 가시화되고 있으며, 미래 신기술로 떠오르고 있는 드론(또는무인항공기)의 동력으로 연료전지가 적합한 특성을 갖고 있기 때문에 향후 관련 시장이 확대될 것으로 예상된다.
발전 시장에 도입되는 연료전지는 보통 자동차에서 사용하는 고분자 전해질막 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell – PEMFC)가 아닌, 용융탄산염(Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC),인산형(Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC), 그리고 고체산화물형(Solid Oxide Fuel Cell – SOFC)이 주를 이루고 있다. 에너지원의 다변화, 신규 건축물에 신재생에너지시스템 도입 장려, 탈탄소화 움직임 등에 따라 연료전지 발전시장의 규모가 점진적으로 성장하고 있다.
2.1.3. 수소연료전지 관련 기술 개발
수소연료전지는 다양한 부품으로 구성되어 있으며, 기계적 구조 설계뿐만 아니라, 필요에 따라 촉매의 나노 구조까지 제어해야 하는 복잡성을 갖고 있다. 수소와 산소가 공급될 때 전기를 생산하는 기본 단위인 연료전지 단위셀(single cell)은 분리판(bipolar plate), 기체확산층(gas diffusion layer – GDL), 막/전극접합체(membrane electrode assembly – MEA)로 구성된다. 수 백 개의 단위셀이 직렬로 연결되어 스택(stack)을 구성하며, 스택을 구동하는데 필수적인 운전장치(balance of plant – BOP)와 조합하여 시스템을 구성한다. BOP는 수소 및 공기 공급장치, 가습기, 물/열 관리를 위한 전기장치 등을 포함한다. 산업통상자원부에 따르면, 수소연료전지차를 구성하는 부품은 대략 2만3800개, 전기차는 1만8900개에달한다.
수소연료전지 기술 개발은 상기 언급한 모든 부품의 성능 및 내구성을 향상시키는 것이며, 시스템 단위로 운전 제어 및 최적화가 요구된다. 재료 단위에서는, 막/전극접합체를 이루는 백금 기반 촉매 및 고분자 전해질막의 가격을 저감할 수 있는 방안에 대해서 다양한 시도가 진행되고 있다. 특히, 값비싼 백금 사용량을 줄이기 위한 이종합금기술(백금에 니켈, 코발트, 철 등을 도입), 그리고 전해질 막을 구성하는 과불소계이오노머(perfluorinated ionomer)의 사용량을 줄이기 위한 박막(thin membrane) 기술에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
2.2. 중국 내 수소 산업 동향
2018년 2월, 중국 북경에서 열린 ‘중국 수소 에너지 및 연료전지 산업 혁신 연합’이 출범하며, 공업정보화부부장(장관) 먀오웨이는 ‘수소차 굴기(？起)'를 선언했다. 정부의 적극적 주도를 통해 글로벌 최대 규모의 전기차 시장을 일구어 낸 중국이 신에너지자동차(new energy vehicle – NEV) 시장 확대의 일환으로 수소연료전지차 역시 시장 주도권을 가져가겠다는 의지를 표현한 것이다. 중국 내 수소연료전지차는 전기차 도입이 어려운 상용 부문(버스 및 트럭) 중심으로 정부와 민간 산업의 협력을 통해 점진적으로 성장할 것으로 예상된다. 중국 중앙정부의 정책적 지원과 더불어, 상해와 우한과 같은 주요 도시들은 각 100곳 이상의 연료전지 관련 기업을 육성하겠다는 계획을밝혔고, 선퉁과 징동 등 배송 부문 주요기업에서 수소연료전지 트럭을 도입하려는 움직임이 감지되고 있다.
현재 중국의 수소 및 연료전지 관련 기술 수준은 유럽, 일본, 한국과 비교해서 높지 않다. 하지만 중국 로컬 완성차 회사들은 2016-17년 연구 개발 부문 글로벌 전문가들을 대거 영입하였으며, 정국 로컬 기업에 대한 선별적 지원 정책을 통해 빠른 속도로 관련 산업이 성장할 것으로 예상된다. 최근 중국 기업이 캐나다의 Ballard와 Hydrogenics에 대한 지분 투자를 진행한 것도 선진 기술 확보의 일환으로 보여진다.
2.3. 지역적 연합 및 국제적 협력
수소 관련 산업은 크게 공급과 수요 부문으로 구분할 수 있다. 공급 부문은 수소의 생산, 운송, 저장, 보급 등과 관련된 기반 기술 및 산업을 포함하고, 수요 부문은 수소를 소비하는 제철, 첨가제, 연료전지 기반 운송수단, 발전소 등을 일컫는다. 수소 관련 산업이 확장되기 위해서는 공급과 수요 진영 중 어느 쪽이 먼저 규모를 달성해야 하는지에 대한 논쟁은 차치하고, 포괄적인 협력을 지향하여 최종 목표인 ‘수소사회 (Hydrogen Society)’를 실현할 수 있다. ‘수소사회’에 대한 개념은 2010년전후부터 논의 되기 시작하였으며, 일본 정부는 2014년 국가 에너지 기본 계획에 수소사회 추진 로드맵을 발표했다. 각 국가별로 공급과 수요 진영의 연합이 결성되고 있는데, 한국의 수소융합얼라이언스, 독일의 H2 Mobility, 그리고 일본의 수소충전소연합이 그 예이다.
2017년 스위스 다보스 포럼에서는, 글로벌 완성차 업체 및 에너지 기업 등 13개업체가 ‘수소위원회 (Hydrogen Council)’를 결성하고 공식회원사로 참여할 것을 결정하였다. 수소위원회는 파리 기후 변화 협약(2015년)에 대한 지지를 기반으로 수소 사회 실현을 촉진하는 것을 목적으로 한다. 세계 기후 행동 회의(GCAS)와 연계 개최한 제3차수소위원회총회(2018년 9월)에서는 50개 이상의 글로벌 주요 기업 CEO가 참석하여 수송분야 수소를 탈탄소화하려는 구상을 제시하였다.
2.4. 수소 인프라 구축
2.4.1. 수소 생산
수소는 생산 방식에 따라, 개질 수소, 부생 수소, 그리고 수전해(electrolysis) 수소로 분류할 수있다. 탄소와 수소로 구성된 천연가스를 개질(reformation)하여 수소를 생산하는 개질 수소는 기존 천연가스 인프라를 활용할 수 있으며 제조 단가가 매우 저렴하지만, 이산화탄소 배출량이 매우 많다는 특징이 있다. 개질 수소를 생산하면서 발생하는 이산화탄소를 탄소 포집 및 활용 (Carbon Capture and Utilization) 기술 적용을 통해, 친환경성을 높이는 방안을 고려해 볼 수 있다. 부생 수소는 석유화학 또는 제철 플랜트에서 공정 중 부산물(byproduct)로 발생하는 수소를 활용하는 기술인데, 공정에 따라 부생 수소를 재활용할 수 있기 때문에 외부 공급 탄력성이 떨어지며, 지역적 제한으로 추가적인 운송비가 발생할 수 있는 점이 특징이다. 경제성은 높은 편이지만, 전체 수소 생산량 중에 차지하는 비율이 높지 않다. 수전해 수소는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방식으로, 이산화탄소 배출이 전혀 없다는 특징이 있다. 하지만, 수소를 생산하기 위해 전기 공급이 필요하며, 에너지 변환에 따른 손실을 고려할 때 경제성이 매우 낮다는 문제점을 극복해야 한다. 하지만 간헐성(intermittency)을 갖는 신재생에너지의 전력을 효율적으로 활용하기 위한 방안으로 수전해 기술의 도입이 긍정적으로 논의되고 있다.
2.4.2. 수소 운송 및 저장
국가 별 에너지 생산량 및 소비량이 다르지만, 에너지는 다른 재화와 다르게 수출입이 자유롭지 못하다. 전통적인 에너지원인 화석 연료에 대한 거래는 꾸준히 지속될 것으로 예상되지만, 탄소 배출 저감을 위해 화석 연료 의존성을 낮추고 있는 큰 흐름에서 에너지를 운송할 수 있는 적절한 방법이 필요한 상황이다. 에너지 저장 매개체(mediator)로써 수소가 하나의 대안이 될 수 있는데, 에너지 변환에 따른 손실이 발생하지만, 대규모 에너지 저장 장치(energy storage system – ESS)보다 경제적이고 운송이 가능하다는 특징을 갖는다. 예를 들어, 일본의 가와사키중공업은 호주 빅토리아주에 매장되어 있는 대규모 갈탄을 현지에서 가스화하여 정제하고, 이 때 발생하는 수소를 암모니아화 또는 액화하여 자국으로 운송하는 프로젝트를 진행하고 있다. 약 2000억톤 규모로 매장되어 있는 갈탄은 수분 함유량이 높고 발열량이 낮아서 에너지원으로써 상품성이 매우 떨어지기 때문에 방치되어 왔지만, 수소화를 통한 에너지 운송이 가능해지면서 경제성을 갖게 되었다.
수소를 운송하거나 저장할 때에 다양한 기술을 적용할 수 있는데, 극저온 기술을 통한 액화수소 저장, 수소화합물 형성 반응을 이용한 금속산화물 저장, 압축 방식을 적용한 고압 수소탱크 저장, 수소를 포함하는 물질의 가역적 화학 반응을 이용한 액화 유기물 저장 방식 등이 있다. 일반적으로 연료전지차에 고압 수소탱크 저장 방식을, 대규모/장거리 운송에는 극저온 액화저장 방식을 적용하고 있다. 연료전지 관련 기술 개발과 더불어, 효율적인 수소 저장기술에 대한 연구개발이 지속적으로 진행되고 있으며, 관련 사업은 수소 생산시설과 유기적으로 연계하여 성장할 것으로 예상된다.
2.4.3. 수소 충전소 현황
2018년 9월기준으로 267개의수소충전소가실제운영되고있다. 일본 101, 독일 48, 한국 13개등으로, ‘수소사회’ 실현을 주요 목표로 삼고 있는 일본이 수소 충전소 인프라 구축에 가장 적극적으로 참여하고 있으며, 신재생에너지 비율이 매우 높은 독일 역시 글로벌 수소충전소에서 큰 비중을 차지하고 있다. 상기 주요 국가들은 2020년과 2030년을 목표로 보급 계획을 발표하였는데, 각 년도 별로 한국은 100개, 520개, 중국은 100개, 1000개, 일본은 160개, 900개, 그리고 독일은 100개 1000개로설정하였다. 한국에서는 현대차를 비롯한 국내외 13개사가 1350억원을투자하여, 수소 충전소 인프라 확대를 목적으로 하는 SPC, ‘하이넷(HyNet)’을 출범하기로 합의하였다.
3. 결론
전세계적으로 자동차 산업에 많은 이슈들이 있다. 미국은 수입 차량에 대한 관세 강화, 연비 및 탄소 배출 관련 규제 완화 이슈가 있으며, 유럽의 많은 국가들이 앞다투어 디젤엔진 차량의 퇴출을 선언하고 있다. 짧은 시간 동안 전기차 시장이 자리잡은 중국에서 ‘수소차 굴기’를 선언하였고, 일본에서는 ‘수소사회’ 핵심 방안으로 수소차 보급에 힘쓰고 있다. 보호무역주의 강화 흐름이 4차 산업혁명으로 전환하는 시기와 맞물려 글로벌 자동차 기업들이 쉽지 않은 환경에 직면해 있다. 그럼에도 수소연료전지차에 대한 관심은 식지 않고, 미래 산업의 한 축을 담당하려는 움직임이 보이고 있다.
수소연료전지차는 전기차와 경쟁 구도가 아닌, 상품성과 경제성 평가를 기반으로 각자의 영역을 구축할 것으로 예상된다. 기본적으로 차량의 성능과 내구성을 향상시키기 위한 연구개발이 지속되고, 이에 따라 관련 기술 수준이 높아질 것이지만, 이보다 대량 생산 체제에 돌입함에 따라 큰 폭으로 원가가 낮아질 가능성이 높다. 수소연료전지차의 가격 경쟁력이 높아지면, 구매가 늘어나고 다시 가격이 낮아질 가능성을 갖는 선순환 구조가 발생할 것이다. 단, 운송 수단의 특성 상, 수소연료전지차의 보급에 앞서 운행에 필요한 수소 충전소 인프라 구축이 선행 되어야 한다. 본론에서 언급하였듯이, 각 국가 별 혹은 전세계적으로 관련 기업들이 수소 인프라 구축 및 수소사회 실현을 위해 연합하고 있다. 그 속도와 규모가 여느 때와 다른 것으로 보인다.
중국의 적극적인 행보에 주목할 필요가 있다. 정부 주도의 관련 산업 육성과 생태계 조성은, 전기차 시장 사례를 비추어 봤을 때, 수소차 부문에서도 성공할 가능성이 매우 높아 보인다. 일본, 독일, 한국, 중국, 미국 캘리포니아 등 주요 국가 위주로 수소차 시장이 형성되고, 수소 인프라 산업이 확장될 것으로 예상되는데, 방향은 정해진 것으로 보인다. 얼마나 빠르게 산업이 성장하며, 시장 참여자들이 얼마나 큰 수익을 창출할 수 있는지가 주요 관전 포인트가 될 것이다.
지난 십수 년 간, 지구 온난화에 대한 해결방안으로서 신재생에너지 기반 발전에 대한 연구개발이 활발하게 진행되었다. 이와 더불어 2003년 테슬라가 등장한 이후, 자동차 시장의 무게 중심은 지속적으로 전통적인 내연기관에서 친환경차(EV,PHEV, FCEV)로 옮겨가고 있다. 일론 머스크가 ‘fool cell’로 조롱하기도 했던 수소연료전지차를 보는 시각이 최근 들어 바뀌고 있다. 맥킨지(McKinsey) 보고서에 따르면, 2050년 전체 에너지 수요량의 18%를 수소 에너지가 담당할 것이라고 한다. 특히, 수송 분야에 수소 연료전지 시스템을 적용하면서, 승용차 4억대, 트럭 1500-2000만대, 버스 500만대 규모로 보급될 것으로 예측하고 있다. 이와 같은 장밋빛 전망에도, 많은 사람들이 수소연료전지차가 전기차와의 경쟁에서 우위를 점한다는데 의구심을 나타내고 있다. 본 분석물에서는 수소연료전지차 현황, 중국 시장 동향, 수소 인프라 관련 기술 등에 대한 논의를 통해 수소연료전지차 산업에 대한 이해를 돕고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 수소연료전지차
2.1.1. 수소연료전지차 출시 현황
전기차는 출력이 좋은 반면, 충전에 최대 8시간이 소요되고 주행거리가 짧다는 단점이 있다. 반면, 기존 내연기관 차량과 비슷하게 약 5분을 충전하여 600㎞ 주행할 수 있는 수소연료전지차는 기존 전기차와 차별화된 시장을 구축하고 있다. 이론적으로 차량의 수소 충전 용량을 늘린 만큼 주행 가능 거리를 길게 만들 수 있으며, 이에 따라 대용량 고출력 전력이 필요한 버스 및 트럭에 전기차 대비 적합성이 높다. 현재까지 양산형 수소연료전지차는 공식적으로 4종류가 있으며, 현대차의 투싼 ix와 넥쏘, 도요타의 미라이, 혼다의 클라리티가 출시 되었다. 표 1을 통해 각 회사 별 수소연료전지차 모델 특성을 확인할 수 있다. 주요 국가의 수소차 보급 계획은 2020년과 2030년 기준으로 발표되었는데, 해당 년도 기준으로 한국 1만, 63만, 중국 5천, 100만, 일본 4만, 80만, 독일 15만, 180만의 목표를 세우고 있다. 하지만 2017년 전 세계에서 판매된 수소연료전지차는 약 3000대로, 전기차 판매량의 4% 수준에 머무르고 있다.
2.1.2. 수소연료전지차 적용 분야
수소연료전지차의 시스템은 전통적인 차량의 내연기관(internal combustion system)과 같은 역할을 한다. 기존 내연기관이 차량 외에 선박 및 기차와 같은 운송수단에 사용되는 것과 마찬가지로, 수소연료전지시스템 역시 다양한 운송분야에 적용될 수 있다. 유럽의 경우 트램 및 선박에 연료전지시스템을 적용하고자 하는 움직임이 가시화되고 있으며, 미래 신기술로 떠오르고 있는 드론(또는무인항공기)의 동력으로 연료전지가 적합한 특성을 갖고 있기 때문에 향후 관련 시장이 확대될 것으로 예상된다.
발전 시장에 도입되는 연료전지는 보통 자동차에서 사용하는 고분자 전해질막 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell – PEMFC)가 아닌, 용융탄산염(Molten Carbonate Fuel Cell - MCFC),인산형(Phosphoric Acid Fuel Cell - PAFC), 그리고 고체산화물형(Solid Oxide Fuel Cell – SOFC)이 주를 이루고 있다. 에너지원의 다변화, 신규 건축물에 신재생에너지시스템 도입 장려, 탈탄소화 움직임 등에 따라 연료전지 발전시장의 규모가 점진적으로 성장하고 있다.
2.1.3. 수소연료전지 관련 기술 개발
수소연료전지는 다양한 부품으로 구성되어 있으며, 기계적 구조 설계뿐만 아니라, 필요에 따라 촉매의 나노 구조까지 제어해야 하는 복잡성을 갖고 있다. 수소와 산소가 공급될 때 전기를 생산하는 기본 단위인 연료전지 단위셀(single cell)은 분리판(bipolar plate), 기체확산층(gas diffusion layer – GDL), 막/전극접합체(membrane electrode assembly – MEA)로 구성된다. 수 백 개의 단위셀이 직렬로 연결되어 스택(stack)을 구성하며, 스택을 구동하는데 필수적인 운전장치(balance of plant – BOP)와 조합하여 시스템을 구성한다. BOP는 수소 및 공기 공급장치, 가습기, 물/열 관리를 위한 전기장치 등을 포함한다. 산업통상자원부에 따르면, 수소연료전지차를 구성하는 부품은 대략 2만3800개, 전기차는 1만8900개에달한다.
수소연료전지 기술 개발은 상기 언급한 모든 부품의 성능 및 내구성을 향상시키는 것이며, 시스템 단위로 운전 제어 및 최적화가 요구된다. 재료 단위에서는, 막/전극접합체를 이루는 백금 기반 촉매 및 고분자 전해질막의 가격을 저감할 수 있는 방안에 대해서 다양한 시도가 진행되고 있다. 특히, 값비싼 백금 사용량을 줄이기 위한 이종합금기술(백금에 니켈, 코발트, 철 등을 도입), 그리고 전해질 막을 구성하는 과불소계이오노머(perfluorinated ionomer)의 사용량을 줄이기 위한 박막(thin membrane) 기술에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
2.2. 중국 내 수소 산업 동향
2018년 2월, 중국 북경에서 열린 ‘중국 수소 에너지 및 연료전지 산업 혁신 연합’이 출범하며, 공업정보화부부장(장관) 먀오웨이는 ‘수소차 굴기(？起)'를 선언했다. 정부의 적극적 주도를 통해 글로벌 최대 규모의 전기차 시장을 일구어 낸 중국이 신에너지자동차(new energy vehicle – NEV) 시장 확대의 일환으로 수소연료전지차 역시 시장 주도권을 가져가겠다는 의지를 표현한 것이다. 중국 내 수소연료전지차는 전기차 도입이 어려운 상용 부문(버스 및 트럭) 중심으로 정부와 민간 산업의 협력을 통해 점진적으로 성장할 것으로 예상된다. 중국 중앙정부의 정책적 지원과 더불어, 상해와 우한과 같은 주요 도시들은 각 100곳 이상의 연료전지 관련 기업을 육성하겠다는 계획을밝혔고, 선퉁과 징동 등 배송 부문 주요기업에서 수소연료전지 트럭을 도입하려는 움직임이 감지되고 있다.
현재 중국의 수소 및 연료전지 관련 기술 수준은 유럽, 일본, 한국과 비교해서 높지 않다. 하지만 중국 로컬 완성차 회사들은 2016-17년 연구 개발 부문 글로벌 전문가들을 대거 영입하였으며, 정국 로컬 기업에 대한 선별적 지원 정책을 통해 빠른 속도로 관련 산업이 성장할 것으로 예상된다. 최근 중국 기업이 캐나다의 Ballard와 Hydrogenics에 대한 지분 투자를 진행한 것도 선진 기술 확보의 일환으로 보여진다.
2.3. 지역적 연합 및 국제적 협력
수소 관련 산업은 크게 공급과 수요 부문으로 구분할 수 있다. 공급 부문은 수소의 생산, 운송, 저장, 보급 등과 관련된 기반 기술 및 산업을 포함하고, 수요 부문은 수소를 소비하는 제철, 첨가제, 연료전지 기반 운송수단, 발전소 등을 일컫는다. 수소 관련 산업이 확장되기 위해서는 공급과 수요 진영 중 어느 쪽이 먼저 규모를 달성해야 하는지에 대한 논쟁은 차치하고, 포괄적인 협력을 지향하여 최종 목표인 ‘수소사회 (Hydrogen Society)’를 실현할 수 있다. ‘수소사회’에 대한 개념은 2010년전후부터 논의 되기 시작하였으며, 일본 정부는 2014년 국가 에너지 기본 계획에 수소사회 추진 로드맵을 발표했다. 각 국가별로 공급과 수요 진영의 연합이 결성되고 있는데, 한국의 수소융합얼라이언스, 독일의 H2 Mobility, 그리고 일본의 수소충전소연합이 그 예이다.
2017년 스위스 다보스 포럼에서는, 글로벌 완성차 업체 및 에너지 기업 등 13개업체가 ‘수소위원회 (Hydrogen Council)’를 결성하고 공식회원사로 참여할 것을 결정하였다. 수소위원회는 파리 기후 변화 협약(2015년)에 대한 지지를 기반으로 수소 사회 실현을 촉진하는 것을 목적으로 한다. 세계 기후 행동 회의(GCAS)와 연계 개최한 제3차수소위원회총회(2018년 9월)에서는 50개 이상의 글로벌 주요 기업 CEO가 참석하여 수송분야 수소를 탈탄소화하려는 구상을 제시하였다.
2.4. 수소 인프라 구축
2.4.1. 수소 생산
수소는 생산 방식에 따라, 개질 수소, 부생 수소, 그리고 수전해(electrolysis) 수소로 분류할 수있다. 탄소와 수소로 구성된 천연가스를 개질(reformation)하여 수소를 생산하는 개질 수소는 기존 천연가스 인프라를 활용할 수 있으며 제조 단가가 매우 저렴하지만, 이산화탄소 배출량이 매우 많다는 특징이 있다. 개질 수소를 생산하면서 발생하는 이산화탄소를 탄소 포집 및 활용 (Carbon Capture and Utilization) 기술 적용을 통해, 친환경성을 높이는 방안을 고려해 볼 수 있다. 부생 수소는 석유화학 또는 제철 플랜트에서 공정 중 부산물(byproduct)로 발생하는 수소를 활용하는 기술인데, 공정에 따라 부생 수소를 재활용할 수 있기 때문에 외부 공급 탄력성이 떨어지며, 지역적 제한으로 추가적인 운송비가 발생할 수 있는 점이 특징이다. 경제성은 높은 편이지만, 전체 수소 생산량 중에 차지하는 비율이 높지 않다. 수전해 수소는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방식으로, 이산화탄소 배출이 전혀 없다는 특징이 있다. 하지만, 수소를 생산하기 위해 전기 공급이 필요하며, 에너지 변환에 따른 손실을 고려할 때 경제성이 매우 낮다는 문제점을 극복해야 한다. 하지만 간헐성(intermittency)을 갖는 신재생에너지의 전력을 효율적으로 활용하기 위한 방안으로 수전해 기술의 도입이 긍정적으로 논의되고 있다.
2.4.2. 수소 운송 및 저장
국가 별 에너지 생산량 및 소비량이 다르지만, 에너지는 다른 재화와 다르게 수출입이 자유롭지 못하다. 전통적인 에너지원인 화석 연료에 대한 거래는 꾸준히 지속될 것으로 예상되지만, 탄소 배출 저감을 위해 화석 연료 의존성을 낮추고 있는 큰 흐름에서 에너지를 운송할 수 있는 적절한 방법이 필요한 상황이다. 에너지 저장 매개체(mediator)로써 수소가 하나의 대안이 될 수 있는데, 에너지 변환에 따른 손실이 발생하지만, 대규모 에너지 저장 장치(energy storage system – ESS)보다 경제적이고 운송이 가능하다는 특징을 갖는다. 예를 들어, 일본의 가와사키중공업은 호주 빅토리아주에 매장되어 있는 대규모 갈탄을 현지에서 가스화하여 정제하고, 이 때 발생하는 수소를 암모니아화 또는 액화하여 자국으로 운송하는 프로젝트를 진행하고 있다. 약 2000억톤 규모로 매장되어 있는 갈탄은 수분 함유량이 높고 발열량이 낮아서 에너지원으로써 상품성이 매우 떨어지기 때문에 방치되어 왔지만, 수소화를 통한 에너지 운송이 가능해지면서 경제성을 갖게 되었다.
수소를 운송하거나 저장할 때에 다양한 기술을 적용할 수 있는데, 극저온 기술을 통한 액화수소 저장, 수소화합물 형성 반응을 이용한 금속산화물 저장, 압축 방식을 적용한 고압 수소탱크 저장, 수소를 포함하는 물질의 가역적 화학 반응을 이용한 액화 유기물 저장 방식 등이 있다. 일반적으로 연료전지차에 고압 수소탱크 저장 방식을, 대규모/장거리 운송에는 극저온 액화저장 방식을 적용하고 있다. 연료전지 관련 기술 개발과 더불어, 효율적인 수소 저장기술에 대한 연구개발이 지속적으로 진행되고 있으며, 관련 사업은 수소 생산시설과 유기적으로 연계하여 성장할 것으로 예상된다.
2.4.3. 수소 충전소 현황
2018년 9월기준으로 267개의수소충전소가실제운영되고있다. 일본 101, 독일 48, 한국 13개등으로, ‘수소사회’ 실현을 주요 목표로 삼고 있는 일본이 수소 충전소 인프라 구축에 가장 적극적으로 참여하고 있으며, 신재생에너지 비율이 매우 높은 독일 역시 글로벌 수소충전소에서 큰 비중을 차지하고 있다. 상기 주요 국가들은 2020년과 2030년을 목표로 보급 계획을 발표하였는데, 각 년도 별로 한국은 100개, 520개, 중국은 100개, 1000개, 일본은 160개, 900개, 그리고 독일은 100개 1000개로설정하였다. 한국에서는 현대차를 비롯한 국내외 13개사가 1350억원을투자하여, 수소 충전소 인프라 확대를 목적으로 하는 SPC, ‘하이넷(HyNet)’을 출범하기로 합의하였다.
3. 결론
전세계적으로 자동차 산업에 많은 이슈들이 있다. 미국은 수입 차량에 대한 관세 강화, 연비 및 탄소 배출 관련 규제 완화 이슈가 있으며, 유럽의 많은 국가들이 앞다투어 디젤엔진 차량의 퇴출을 선언하고 있다. 짧은 시간 동안 전기차 시장이 자리잡은 중국에서 ‘수소차 굴기’를 선언하였고, 일본에서는 ‘수소사회’ 핵심 방안으로 수소차 보급에 힘쓰고 있다. 보호무역주의 강화 흐름이 4차 산업혁명으로 전환하는 시기와 맞물려 글로벌 자동차 기업들이 쉽지 않은 환경에 직면해 있다. 그럼에도 수소연료전지차에 대한 관심은 식지 않고, 미래 산업의 한 축을 담당하려는 움직임이 보이고 있다.
수소연료전지차는 전기차와 경쟁 구도가 아닌, 상품성과 경제성 평가를 기반으로 각자의 영역을 구축할 것으로 예상된다. 기본적으로 차량의 성능과 내구성을 향상시키기 위한 연구개발이 지속되고, 이에 따라 관련 기술 수준이 높아질 것이지만, 이보다 대량 생산 체제에 돌입함에 따라 큰 폭으로 원가가 낮아질 가능성이 높다. 수소연료전지차의 가격 경쟁력이 높아지면, 구매가 늘어나고 다시 가격이 낮아질 가능성을 갖는 선순환 구조가 발생할 것이다. 단, 운송 수단의 특성 상, 수소연료전지차의 보급에 앞서 운행에 필요한 수소 충전소 인프라 구축이 선행 되어야 한다. 본론에서 언급하였듯이, 각 국가 별 혹은 전세계적으로 관련 기업들이 수소 인프라 구축 및 수소사회 실현을 위해 연합하고 있다. 그 속도와 규모가 여느 때와 다른 것으로 보인다.
중국의 적극적인 행보에 주목할 필요가 있다. 정부 주도의 관련 산업 육성과 생태계 조성은, 전기차 시장 사례를 비추어 봤을 때, 수소차 부문에서도 성공할 가능성이 매우 높아 보인다. 일본, 독일, 한국, 중국, 미국 캘리포니아 등 주요 국가 위주로 수소차 시장이 형성되고, 수소 인프라 산업이 확장될 것으로 예상되는데, 방향은 정해진 것으로 보인다. 얼마나 빠르게 산업이 성장하며, 시장 참여자들이 얼마나 큰 수익을 창출할 수 있는지가 주요 관전 포인트가 될 것이다.