Introduction
지구온난화로 인한 기후변화의 본격적 현실화와 함께 전세계는 이러한 위기감을 실제 체감하고 있으며, 이의 실질적 원인이 지금까지 세계경제를 성장으로 이끌어 온 탄화수소 기반 탄소 경제(Carbon economy)라는 데 보편적 공감대가 형성 및 확산하고 있다. 전 지구적인 기후변화 대응을 위한 글로벌 수준에서의 노력은 1992년 6월 ‘브라질 리우환경회의’에서부터 시작되어 현재까지 다양한 협약과 계획수립을 통해 진행되고 있으나, 2020년에 만료된 ‘교토의정서’의 한계를 보완하고 보다 구체적 계획 및 목표를 제시한 ‘파리협정(신기후체제)’의 2021년 출범과 함께 신재생에너지 중심으로의 글로벌 에너지패러다임이 가속화되고 있다.
전 지구적 이슈인 기후변화 대응을 위해 세계 각국은 재생에너지로의 전환을 다각적 측면에서 노력하고 있지만, 기존 에너지원(화석연료)에 의존하였던 경제 및 산업의 체계전환은 쉽지 않은 상황이다. ‘파리협약’의 기후목표 달성을 위해서는 전세계 최종에너지 소비 중 재생에너지 비중을 2015년 18%에서 2050년 65%까지 확대가 필요하다. 하지만 현재 전세계 에너지부문 이산화탄소(CO2) 배출량의 약 1/3은 화물운송, 에너지집약적 산업 등과 직접적으로 연결되며, 이들 부문에서의 재생에너지 전환은 경제적 측면에서의 대안이 존재하지 않아 탄소감축에 걸림돌인 실정이다. 또한, 재생에너지는 환경친화적 측면에서의 장점이 명확하지만, 비교적 높은 초기 투자비용, 환경조건에 의존적, 낮은 에너지 밀도 등의 단점이 존재한다. 다양한 종류의 재생에너지가 보유하고 있는 단점을 종합하면 경제성 부족과 안정적 보급 어려움이다.
재생에너지 중심의 글로벌 에너지패러다임 전환은 필연적이나 실질적 그리고 경제적인 대안이 요구되는 현 상황에서, 탈탄소화가 어려운 건물, 산업, 운송 분야의 에너지 전환을 이끌어낼 수 있는 잠재력을 보유한 ‘수소 에너지’에 대한 관심이 급증하고 있다. 이와 같은, 차세대 에너지원으로서 수소의 잠재력은 기존 탄소중심 경제의 전환을 실현해야 하는 세계 주요국의 관심이 집중되고 있으며, 이는 결과적으로 ‘수소경제 활성화’ 관련 전략적 추진 및 공격적 투자유도로 연결되고 있다.
수소중심 경제로의 전환이 필수적인 글로벌 패러다임에 순응하기 위해서는 우리나라에서도 보다 전략적인 선택과 집중을 통해 수소경제 활성화에 대한 근본적인 방안을 마련해야 할 시점에 직면해 있다. 본 연구는 수소경제 활성화 관련 국내외 현황에 대해 분석하였으며, 이를 통해 향후 우리나라 수소경제 활성화 및 발전방향에 대한 시사점을 제시하였다.
수소경제의 개념 및 범위
미래 에너지원으로서 ‘수소’의 특성 및 잠재력
원자번호 1번인 수소는 우주물질의 75%를 차지할 정도로 풍부하지만, 지구상에는 물이나 유기화합물 형태로 존재하며, 이로 인해 수소를 에너지원으로 직접 활용하기 위해서는 기술적 난이도가 비교적 높지만, 지역적 편중이 없는 보편적인 자원인 동시에 장기간 대용량 저장이 가능하다는 장점도 존재한다(MOTIE, 2019a).
역사적 측면에서 수소는 한 세기 전부터 사용되어 왔으며, 현재 세계적으로 매년 5천만 톤 이상의 수소를 사용하고 있다. 특히, 수소는 반도체 및 디스플레이 제조, 암모니아 제조, 광섬유 제조, 석유정제, 화학원료(비료, 합성수지, 페인트, 세제 등), 전지 제조, 우주선 및 로켓연료(액화수소) 등 다양한 분야에서 산업용 원료로 사용되고 있다(MOTIE, 2019b). 이러한 수소는 공기 중 산소와 단순한 화학반응을 통하여 최종에너지인 열과 전기를 생산할 수는 있지만, 부산물은 단지 물(H2O) 밖에 없기 때문에 친환경 에너지 자원으로 활용이 가능하며, 수소는 화학적으로 탄소를 포함하지 않기 때문에 탄화수소 연소과정에서 발생하는 온실가스 배출 문제로부터 자유롭다(MOTIE, 2019c). 이처럼 수소가 지닌 친환경 에너지 자원으로서의 활용가능성은 1973년 제1차 석유위기 이후 세간의 관심이 집중되었으며, 특히 21세기 들어 지구환경 문제가 심각한 문제로 대두되는 과정에서 더욱 부상하고 있는 상황이다(MOTIE, 2020).
수소를 연료전지의 원료로 활용하여 전기와 열을 결합 생산 할 경우, 종합적인 에너지 생산효율은 80~90% 정도이며(MOTIE, 2020), 이는 대체재인 내연기관 대비 고효율인 수준이다. 수소는 화학적으로 높은 에너지밀도를 가지고 있어, 단위부피당 발열량은 탄화수소 등에 비해 낮지만, 단위중량당 발열량은 휘발유나 경유에 비해 약 3배 정도 높은 수준이다(MOTIE, 2020).
수소경제의 개념
에너지원으로서 탄화수소를 기반으로 한 ‘탄소경제(Carbon economy)’를 대신하는 새로운 형태의 에너지경제인 ‘수소경제(Hydrogen economy)’는 수소를 기반으로 운영되는 경제체제를 의미하며, 1970년대부터 등장한 수소경제라는 개념은 대안적 이상향으로 주목 받아왔다.
‘수소경제’는 1970년 GM 기술센터 전기화학자인 존 보크리스 교수의 강연에서 처음 사용되었으며, 공식적으로는 1975년 그가 출간한 「Energy: The Solar Hydrogen Alternative」를 통해 언급하였다. 이후 미국의 미래학자 제러미 리프킨은 2002년 발간된 그의 저서 “The Hydrogen Economy”를 통해 수소가 인간문명을 재구성할 수 있으며, 권력구조와 세계경제를 재편하는 새로운 에너지 체계로 부상하게 될 것을 예언하였으며, 이러한 시대적 관심을 통해 대중에게 확산되었다.
‘수소경제’의 개념은 시간의 흐름에 따라 점차 구체화되어 왔으며, 최근에는 재생에너지를 활용하여 수소를 생산하고, 에너지 수요와 공급사슬 전체 영역에서 수소와 전기를 주요한 에너지 유통수단으로 사용하는 경제체제로 인식되고 있다(MOTIE, 2020). 국내에서 수소경제의 보편적 개념이 확립된 것은 2005년에 수행된 “수소경제 국가비전 및 실행계획 수립 연구”로 추정된다(MOTIE, 2020). 이 연구에서는 수소경제를 “탈탄소화 정도에 따라 다르나, 탄소에 기반한 하부경제구조(에너지기반)가 수소중심으로 전환된 미래 경제사회”로 정의하고 있으며, 중단기적 및 장기적 시계를 동시에 충족시키는 광의로 개념화하였다(MOTIE 2020). 2019년 1월, 우리나라 정부는 “수소경제 활성화 로드맵”의 발표를 통해 수소경제의 개념과 향후 추진방향을 제시하였으며, 이는 현재 공공과 민간의 협력을 통해 단계별로 추진되고 있는 국내 수소경제 활성화의 기점으로 설명될 수 있다. 정부는 수소경제의 개념을 “화석연료 중심의 현재 에너지 시스템에서 벗어나 수소를 에너지원으로 활용하는 자동차, 선박, 열차, 기계 혹은 전기발전 열 생산 등을 늘리고, 이를 위해 수소를 안정적으로 생산·저장·운송하는데 필요한 모든 분야의 산업과 시장을 새롭게 만들어내는 경제시스템”으로 정의하였다.
국외 수소경제 추진현황
주요국 수소경제 추진 주요현황
수소경제와 관련하여 가장 활발한 움직임을 보이는 선도국은 미국, 유럽연합, 일본 등으로 이들 주요국은 수소에너지 중심 경제 및 산업을 기술적 그리고 경제적 초기 단계로 인식하고 맞춤형 정책과 더불어 기술개발 및 실증을 추진하고 있다. 수소경제 관련 기술개발 및 실증은 정부가 주도하고 민간기업이 참여하는 형태로 진행 중이다.
주요국 수소경제 관련 정책추진 현황
주요국은 아직 초기 단계인 수소경제의 체계적 성장을 위해 정부 주도의 맞춤형 정책을 추진 중이며, 정책 추진의 효율성 확보를 위해 민간부문과의 유기적 협력관계를 구축하여 진행하고 있다. 정부 주도의 정책 추진은 중장기적 관점에서의 전략 및 계획을 우선 수립하고 단계별 목표의 달성을 통해 실현하는 방향으로 전개되고 있으며, 현재는 수소전기차의 보급확대와 더불어 기초인프라 구축에 집중하는 상황이다.
미국
미국은 수소경제사회 구현과 관련하여 에너지부(DOE, Department of Eneergy)의 주도하에 정책을 추진하고 있으며, 2006년 수립된 “Hydrogen Posture Plan”을 기본으로 기술개발, 시장침투, 시장확대, 인프라 정비 등 단계별 목표를 설정하고 통합적 관점에서의 프로그램을 시행하고 있다. “Hydrogen Posture Plan”에는 자국 내 수소생산, 저장, 운송 등 수소 인프라에 대한 구체적인 계획이 포함되어 있으며, 2020년에는 차량제조사 및 에너지업체가 상용화체계에 돌입하는 것을 목표로 제시하였다(RIG, 2018). 또한, DOE는 매년’수소연료전지 프로그램’ 및 ‘연간 성과검토 및 평가보고서’ 등을 통해 수소에너지 분야의 연구개발 현황 공개 뿐만 아니라 각 과제별 평가결과 첨부 등 과제수행의 투명성을 강조하고 있다.
미국의 수소경제 추진과정에서의 큰 특징은 두 개의 단체가 주도적 역할을 담당하고 있는 것이며, 이는 캘리포니아 주정부 차원의 민관 파트너쉽인“CaFCP (California Fuel Cell Partnership)”와 연방정부 차원의 DOE 중심 민관 파트너쉽인 “H2USA”로 구성된다.
미국의 H2USA는 미국 전역에 수소전기차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)의 상용화 및 보급확대를 목표로 하는 민관 파트너쉽이며, 2013년 5월 미국 DOE는 도요타, 닛산, 벤츠 등과 파트너쉽을 맺고 H2USA를 결성하였다. H2USA의 미션은 수소충전 인프라 확립과 관련한 장애요인을 최소화하고 FCEV의 대규모 도입을 촉진하는 것이다. 보다 구체적으로는 미국 전역에 걸친 FCEV 보급, 미국의 에너지 안정성 및 경제적 안정성 향상, 온실가스배출 저감, 청정 에너지원 개발 및 고용창출, 신기술 검증과 친환경에너지 분야의 강력하고 견고한 공급기반 구축 등에 기여하는 것이다(Hoseo University, 2016).
미국의 CaFCP는 캘리포니아 대기오염의 주원인인 차량 배기가스를 감축하기 위한 근본적 대안인 수소전기차를 상용화하기 위해 1999년 결정된 민관 파트너쉽이며, 차량제조사에서 개발한 수소전기차를 실증하는 프로젝트의 추진을 통해 양산 전 결함을 찾아서 보완해주는 등의 관련 기술의 고도화를 지원하고 있다.
미국은 2050년까지 약 27%의 친환경차(전기차/수소차) 보급을 목표로 하고 있으며, 2030년까지 자동차의 석유 사용량을 50%로 축소하고 2050년까지 석유사용량과 공해물질 배출을 80% 감축하는 목표가 제시되었다(에너지경제연구원 외, 2020). 이러한 목표 달성을 위해 미국은 캘리포니아주를 포함한 11개 주에서 “ZEV (Zero Emission Vehicle) credit” 제도 시행을 통해 수소차와 수소충전소 보급을 확대 중이다. “ZEV credit” 제도는 자동차의 환경오염, 배출량, 주행거리 등을 고려하여 credit을 제조사에게 부여하며, 기준 credit에 미달할 경우 벌금을 부과하는 제도로 벌금은 1 credit 당 5,000달러로 높은 수준이다(MOTIE, 2020).
미국의 주 단위에서는 캘리포니아주가 가장 활발한 움직임을 보이고 있는 상황이다. “A California Road Map” 수립과 더불어 수소전기차 보급촉진을 목표로 2013년 9월 AB 8법안이 주의회에서 통과됨으로써 수소전기차 보급을 위한 주정부의 자금투자 계획이 법제화되었으며, 이를 통해 캘리포니아주는 2023년까지 매년 2,000만 달러(약 224억원)를 지원하여 최소 100개의 수소충전소를 확보한다는 목표를 설정하였으며, 이에 따라 주 정부는 기존 자동차 등록비, 신차 구입자의 스모그 완화비용 납부액 등 연간 1.8억 달러 규모의 세입을 관련 예산으로 편성할 수 있다(MOTIE, 2020). 현재 캘리포니아 주에는 LA와 샌프란시스코를 중심으로 약 60여개의 수소충전소가 설치되었으며, 2012년부터 OEM사에서 제작된 약 30여대의 수소버스를 실증에 활용하여 상용화를 촉진하고 있다(MOTIE, 2020).
DOE는 H2USA를 통해 수소연료전지 관련 분야를 통합적으로 운영하며 인프라 확대를 위한 노력을 지속하고 있으며, 이와 관련하여 2016년 11월 3,000만 달러 투자와 더불어 캘리포니아를 포함하는 10개 주에서 2025년까지 신차 판매의 16%를 무공해 자동차로 해야하는 것으로 강제하고 있다(KIET, 2019c). 또한, CaFCP는 2030년까지 1,000기의 수소충전소, 100만 대의 수소전기차 보급을 목표로 설정하여 수소 인프라 확장을 주도하고 있는 상황이며, 장기적인 관점에서 미국의 수소경제 정책은 연방정부 차원의 DOE가 주도적으로 실행계획을 수립하고 있지만, 이러한 계획의 실천을 위해 민간주도의 조직을 구성하여 적극적으로 추진하고 있음을 알 수 있다(KIET, 2019b). 뿐만 아니라, 이미 2000년대 초반부터 수소 및 연료전지 분야에 대한 전담부서와 인력이 배치되어 왔으며, 정책이행의 정권에 따른 강도는 다르지만 R&D 투자는 지속적으로 이루어지고 있는 것으로 파악된다(KIET, 2019a).
유럽연합
2020년 7월, 유럽연합은 “기후 중립적인 유럽을 위한 수소전략(A Hydrogen Strategy for a Climate Neutral Europe)”과 “에너지 시스템 통합전략(EU Strategy for Energy System Integration)”을 발표하였다. 유럽연합이 수소경제 육성전략을 체계적으로 발표한 것은 이번이 처음이며, 연합 내 핵심국가 중 하나인 독일이 2020년 6월에 발표한 “국가 수소전략”의 후속조치로 판단된다. “기후 중립적인 유럽을 위한 수소전략”의 핵심은 수소생산 설비와 충전설비에 대한 투자이며, 2024년까지 신재생에너지를 활용하여 물의 전기분해를 통한 수소생산 설비를 총 6 GW 용량으로 갖춰 원전 6개 분량의 전략으로 수소 생산공장들을 가동하겠다는 의미이다. 이를 통해 연간 100만톤 이상의 수소를 생산할 수 있으며, 2030년까지는 수소생산 능력을 1,000만톤 수준으로 확대할 계획이다.
또한, “에너지 시스템 통합전략”에서는 녹색에너지로의 전환을 위한 프레임워크를 제공하고 있다. 유럽연합 집행위원회는 에너지 소비 단계에서 산업, 건물, 수송 등 부문별로 계획, 규정 등이 분리 운영되어 효율성 면에서 한계가 있다고 평가하였으며, 따라서 비용효율적 2050 기후중립 목표 달성을 위해 에너지 시스템의 설계 및 운영통합이 필요하였다고 수립배경을 설명하고 있다.
독일
2020년 6월, 독일 정부는 에너지전환에서 선도적 지위를 차지하고 수소를 경쟁력 있는 산업으로 육성하기 위하여 “국가수소전략(Nationale Wasserstoffstrategie)”을 발표하였다. 독일은 유럽연합 내 다른 국가와 함께 “유럽그린딜(European Green Deal)”에 합의하는 등의 탈탄소화 전략을 수립하고, 이를 위한 방안으로 수소산업의 육성을 선택하였다. 또한, 수소산업의 육성이 COVID-19에 따른 경제위기를 극복하고 독일의 산업에 새로운 잠재력을 창출할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 독일 정부는 수소를 독일 탈탄소전략과 2050년 탄소중립국 실현을 위한 핵심요소로 판단하여, 독일 수소시장 확대를 위해 70억 유로 그리고 수소확보를 위한 글로벌 파트너쉽 구축에 20억 유로를 투자할 계획이다(KAITA, 2020b).
국가수소전략에서는 수소 기술개발 및 내수시장 확대를 위한 첫 단계로 정부가 추진해야 할 세부분야별(산업, 운송, 난방, 연구혁신, 인프라, 국제협력 등) 총 38가지의 조치를 제시하였다(KAIATA, 2020a). 또한, 국가수소전략의 수립과 올바른 이행을 위한 거버넌스 조직을 구성하여 수소내각위원회와 분야별 전문가로 구성된 수소위원회 및 컨트롤 센터를 수립하였으며, 국가수소전략 및 세부 실행계획을 수립 및 개선하고 이행여부를 모니터링하여 목표성과 달성을 위한 핵심역할을 수행할 것으로 기대된다(KAIATA, 2020a).
독일 정부는 국가수소전략 실행계획을 통해 수소의 경제적이고 지속 가능한 생산, 운송 및 사용을 위한 민간투자 확대를 촉진하고 있다(KAITA, 2020b). 이는 COVID-19 사태에 따른 독일 및 유럽연합의 경제적 위기를 극복 하는데 에도 기여 가능할 것으로 기대된다. 따라서, 이를 위하여 각 정부부처 차원에서 체계적이고 일관적인 방식으로 다양한 조치를 취하고 있다.
상기 제시된 실행계획은 2023년까지 추진할 국가수소전략의 첫 단계를 나타내며, 수소시장 진입기회 확대와 연구개발 강화 등을 목표로 하고 있다. 2023년에 시작되는 두 번째 단계는 독일 수소 내수시장 강화 및 통합을 바탕으로 유럽 및 글로벌 차원에서의 계획 확립과 독일 경제성장 촉진을 위한 것으로 시행계획의 지속 가능한 이행여부를 중점으로 하고 있다(KAITA, 2020b).
호주
호주는 수소를 신재생에너지 활성화, 탄소 저감, 포스트 화석연료 시대의 신성장 동력으로 인식하고 수소산업의 육성을 적극적으로 추진하고 있다. 2018년 8월에 발표된 “국가 수소전략”을 통해 호주의 갈탄 및 재생에너지를 활용한 수소의 추출 자원화를 중심으로 세계 최대 수소생산 및 수출 전략을 마련하였다. “국가 수소전략”에서는 2025년 중심점으로 설정하고, 기술개발 및 실증을 통해 공급체인을 완성하고 이를 기반으로 수출산업의 성장을 실현하는 방향으로 제시되어 있다.
호주의 수소산업 육성 전략은 자국 내 보유한 자원 및 신재생에너지를 활용한 수소생산 후 수출에 집중되어 있으며, 이와 관련하여 호주는 2030년경 일본, 중국, 한국, 싱가포르 등 국가의 수입수소 잠재적 수요를 약 380만톤으로 예측하였다. 수소의 수출기술은 LNG 수출기술과 상당히 유사하기 때문에 그 동안의 LNG 수출과정에서 확보한 생산, 운송, 저장 등의 기술을 활용하여 수소 수출시장에서 중추 역할을 담당할 것으로 기대하고 있다.
이를 관련하여, 우선 갈탄에서 수소를 추출한 후 일본에 수출하는 프로젝트를 현재 진행 중이다. 빅토리아주 Latrobe Valley에서 생산된 갈탄에서 수소를 추출 및 액화하여 일본 고베시로 수송하는 프로젝트를 2021년까지 실증을 완료하고 2030년에는 상업적 규모로 확대하는 전략을 진행 중이다(MOTIE, 2020).
호주의 주 단위에서는 남호주, 빅토리아주, 캔버라주 가 수소경제 활성화에 가장 적극적인 상황이다. 남호주의 경우에는 교통수단의 대체연료로 수소 보급을 지원하기 위해 수소로드맵을 수립하고 이행목표 달성을 위한 예산할당 및 프로그램을 운영하고 있다(KOTRA, 2020). 또한, 수소버스 도입 및 수소충전소 설치·운영 프로젝트 외에도 남호주 국립대학(태양광 발전 연계 수소에너지 저장설비 시범사업), 호주가스인프라그룹(125 MW 수소생산, 기존가스 네트워크 이용 분배), H2U (15 MW 수소·암모니아 생산 및 수소발전소 건설), Neoen (태양광·풍력발전 연계형 수소생산설비 건설) 등 4개의 수소 관련 프로젝트를 지원하고 있다(KOTRA, 2020).
중국
중국은 환경보호와 에너지 안보 등의 문제가 대두된 2000년대 초반부터 에너지 구고 전환을 위한 신에너지 육성 정책을 수립하였다. 제11차 5개년 계획에서는 ‘신에너지산업’ 관련 발전목표를 처음으로 수립하였으며, 에너지 절약과 환경표준 제시 및 에너지 사용량과 배출량의 목표 달성률을 명시하였다. 또한 대체에너지 개발계획의 발표를 통해 환경친화적 에너지 개발을 장려하고, 2011년 이후 “전략산업구조 과학기술 재정” 등을 통해 수소연료전지와 관련 사업 포함 수소산업의 발전을 유도하는 정책을 잇달아 발표하였다(KIET, 2019).
2019년 3월, 중국은 전국인민대표회의에서 수소에너지 설비와 수소충전소 구축 관련 추진내용이 포함되면서 중앙정부 차원의 수소전기차 관련 산업육성 의지를 표명하였다. 이후 국가발전개혁위원회는 ‘산업구조조정을 위한 지침서’ 초안을 발표하면서 수소에너지 및 충전설비를 장려산업으로 분류하였다. 또한, 재무부는 수소전기차 보조금을 2020년까지 유지하는 계획을 발표하였다. 이를 토대로 신에너지 자동차 판매비중 목표를 2020년 7%, 2025년 15%, 2030년 40% 이상으로 제시하였으며, 2020년 4월, 국가에너지국에서 발표한 “에너지자원법”에서는 수소에너지를 에너지의 범주로 포함하였다(KIET, 2019). 2020년 10월, 국가발전개혁위원회, 공업정보화부, 재정부, 국가에너지국, 과기부에서는 공동으로 「연료전지 자동차 시범응용에 대한 통지」를 발표하였으며, 연료전지차 시범운영 기간(잠정 4년)에 연료전지자동차와 관련하여 연료전지 핵심기술의 사업화, 인재 유치, 신차종 및 신기술 개발 등에 보조금 지원 내용을 포함하고 있다. 2020년 11월, G20 정상회담에서 시진핑 국가주석은 2060년까지 이산화탄소 순배출량을 제로로 하는 탄소중립을 실현하겠다고 선언하였으며, 이와 관련하여 2030년까지 탄소 배출을 감소세로 전환하고, 2060년까지 탄소중립 달성을 위한 계획과 로드맵을 발표하였다(KIET, 2021). 또한 ‘탄소 제로’로의 에너지 구조 전환은 재생자원 활용, 수소에너지, 에너지 효율 극대화, 저탄소를 위한 신기술, 에너지 저장, 디지털화 등의 분야에서 새로운 시장이 형성될 전망이다(KIET, 2021).
중국의 지방정보 또한 수소연료전지차 보급 및 수소인프라 구축에 대한 산업육성 발전계획을 발표하고, 주요 지역별로 경쟁적 목표치를 제시하고 있는 상황이며, 특히, 2020년에 제시된 주요 지역별 수소가스 충전소의 총 목표 대수는 2019년 중앙정부 목표치보다 높은 수준으로 수소 인프라 구축에 지방정부들이 경쟁적으로 가세하며 다소 과열되는 양상을 보이고 있다(KIET, 2021). 2020년6월, 광저우시는 “광저우시 수소에너지산업 발전계획”을 발표하면서 수소산업 생산액 2,000억 위안 달성목표를 제시하였다(KIET, 2021). 2020년 9월에 베이징시는 “수소연료전지차 산업발전계획”을 통하여 ‘25년까지 글로벌 수소기업을 육성하고 수소연료전지차 1만 대 보급과 수소충전소 74개를 구축하겠다고 발표하였다(KIET, 2021). 같은 기간, 상하이시는 2023년까지 수소연료전지차 1만 대 이상을 보급하고, 수소산업 생산액 1,000억 위안을 달성하겠다고 발표하였다(KIET, 2021).
현재 중국은 캐나다 발라드社와 기술합작을 통하여 연간 5,000대 규모의 수소버스용 연료전지 공장을 2017년에 완공하였으며, 약 13개의 자동차 제조사가 수소승용차, 수소승합차, 수소버스 등을 개발하고 있다(MOTIE, 2020).
일본
일본은 2011년 3월에 발생한 후쿠시마 원전사고 이후 자립형 에너지 공급시스템 구축을 위하여 수소경제를 집중 육성하고 있다. 원전사고 이후 일본 전력 공급의 30%를 차지하던 원전 재가동이 늦어짐에 따라 대체 에너지 확보차원에서 수소연료에 큰 기대를 걸고 있는 상황이다(KAITA 2020a). 특히, 2014년 4월 “에너지 기본계획(Strategic Energy Plan)”에서는 수소사회 실현을 국가적인 아젠다로 설정하여 세계 최초로 국가 차원의 구체적인 실행단계에 돌입하였으며, 이를 바탕으로 2014년 6월에는 “수소·연료전지 전략 로드맵(The Strategic Road Map for Hydrogen and Fuel Cells)”을 발표하였다(MOTIE, 2020).
2017년 12월, “수소기본전략(Basic Hydrogen Strategy)”의 발표를 통해 수소생산 및 활용 전 분야에 걸쳐 시장 창출 및 기술개발 목표를 설정하는 등 정부주도의 수소산업 육성을 위한 전방위적 노력을 피력하였다(KIET, 2019).
일본은 “수소기본전략”을 통해 ①저비용 수소 공급체제 구축, ②국제 수소 생산·공급망 개발, ③수소 저장·운송을 위한 에너지운송 개발, ④재생에너지 연계 수소화 기술개발, ⑤지역자원 활용 및 미이용 에너지원 활용 제고, ⑥발전부문 수소 이용 확대, ⑦모빌리티 수소 이용 확대 등으로 구분하여 세부 달성목표를 설정하였다(KIET, 2019). 수소가격의 측면에서는 구체적으로 2030년 수소 도입가격을 현재의1/3 이하인 30엔/Nm3(공장인도 가격 기준), 2050년에는 20엔/Nm3 수준까지 절감하는 것을 목표로 제시하였으며, 이를 위해 해외 미이용 에너지원 및 재생에너지를 활용하겠다는 방침이다(KIET, 2019).
일본의 수소산업 육성을 위한 정책 추진을 정부 주도로 이루어지고 있으나 이와 관련한 계획 및 전략의 수립은 관·산·학으로 이루어진 “수소 연료전지 전략 협의회”의 자문을 통해 추진되고 있다. 협의회 산하에는 주제별 워킹그룹을 마련하여 ①수소에너지 활용 의의와 도입 전망, ②수소에너지 이용, ③수소의 제조, ④수소 운송 및 저장, ⑤수소·연료전지 전략 로드맵의 범위 등 5개 주요부문의 추진방향에 대해 집중적 논의를 추진하고 이를 기반으로 로드맵의 지속적 개정이 이루어지고 있는 상황이다.
주요국 수소경제 실현 관련 공통분모
세계 주요국은 수소경제 실현을 위해 국가별 특성을 반영한 맞춤형 정책 및 전략을 추진하고 있으나, 이들 주요내용의 공통분모는 수소전기차 보급 확대와 이의 운용을 위한 수소충전소 구축 확대로 귀결된다. 이는 수소경제 초기단계에서 활용부문을 우선적으로 집중육성하여 기초적 기반을 확립함과 동시에 타 부문의 동반성장을 실현하기 위함으로 해석된다.
■ 미국: 2050년까지 약 27% 친환경차(전기차, 수소전기차 등) 보급 목표
■ 독일: 2030년까지 수소전기차 180만대 보급, 수소충전소 1,000개소 구축목표
■ 중국: 2030년까지 수소전기차 100만대 보급, 수소충전소 1,000개소 구축 목표
■ 일본: 2030년까지 수소차 80만대, 수소버스 1,200대, 수소충전소 900개소, 가정용 연료전지 530만대 보급 목표
국내 수소경제 추진현황
국내 수소경제 관련 정책추진 현황
우리나라는 글로벌 에너지의 신패러다임인 ‘탄소중립’에 순응하고, 이를 기회요인으로 삼아 관련산업을 육성하고 국가경쟁력을 강화하기 위해 활발한 정책추진을 진행중이다. 2015년 “수소차 보급 및 시장활성화 계획”, 2017년 “친환경 충전 인프라 구축방안”, 2018년 “친환경차 보급 확산을 위한 정책방향”을 연이어 수립하였다. 그러나 해당정책들은 수소전기차, 수소충전소, 수소 연료전지 등 수소경제의 활용부문에 대한 단기적 방안이었으며, 장기적 관점에서의 전략적 방안은 사실상 부재했다고 볼 수 있다.
우리나라 수소산업에 대한 종합적이고 장기적 관점에서의 육성정책은 2019년에 발표한 “수소경제 활성화 로드맵”이라고 볼 수 있다. 이 계획은 국내 수소경제 활성화의 기점으로 작용하고 있으며, 세계 최고 수준의 수소경제 선도국가 도약이라는 비전을 바탕으로 수소전기차 및 수소 연료전지 세계시장 점유율 1위를 목표로 제시하였다.
이 계획을 구심점으로 삼아 정부는 2019년 10월에 “수소 인프라 및 충전소 구축방안”과 “수소 기술개발 로드맵(안)” 등의 수소경제 활성화를 위한 구체적 실행방안을 발표하였다. “수소 인프라 및 충전소 구축방안”은 2040년까지 수소전기차 290만대 보급과 수소충전소 1,200기 구축을 목표로 설정하고 경제성, 편의성 그리고 안전성을 확보하기 위한 세부 추진과제를 제시하고 있다. 이외에도 수소 안전관리 종합대책, 수소법 제정, 수소경제위원회 등 다양한 정책들이 발표되었다.
(2019년 1월)수소경제 활성화 로드맵
정부는 수소경제 관련 로드맵을 선제적으로 발표한 주요국(일본, 호주, 유럽연합 등)의 정책추진 현황을 참조하고 시장환경 변화, 경쟁여건, 기술발전 추이 등을 면밀히 검토하여 2040년까지의 수소경제 활성화를 위한 정책방향성, 목표, 추진전략 등을 담아 2019년 1월에 「수소경제 활성화 로드맵」을 발표하였다(MOTIE, 2019). 수소경제 활성화 로드맵의 비전은 수소전기차와 수소 연료전지를 양대 축으로 세계 최고 수준의 수소경제 선도국가로 도약하는 것이며(MOTIE, 2019), 이는 산업기반과 기술기반이 일정수준 확보된 활용부문에서의 우선적 성장을 위한 것으로 판단된다.
■ 수송, 에너지(열, 전기)등 수소 활용 확대 → 세계시장 점유율 1위 달성
■ 그레이(Grey) 수소 → 그린(Green) 수소 = 수소생산 패러다임 전환
■ 안정적이고 경제성 있는 수소 저장 및 운송 체계 확립
■ 수소산업 생태계 조성 및 전주기 안전관리 체계 확립
수소경제 활성화 로드맵에 따르면, 수소전기차 누적 생산량을 2018년 2,000대에서 2040년 6,200,000대(내수 46.8%, 수출 53.2%)로 확대하고 세계시장 점유율 1위 달성을 목표로 제시하였다. 또한, 이산화탄소 배출이 전혀 없고 도심지에 소규모로도 설치가 가능한 발전용 연료전지를 재생에너지 활용 수소생산과 연계하여 2040년까지 15GW(수출 7GW) 이상으로 확대하고 수출산업화를 추진할 예정으로 제시하고 있다(KAIA, 2020). 정부는 「수소경제 활성화 로드맵」 발표 이후 대내외적 환경변화를 반영한 「수소경제 활성화 로드맵 2.0」을 연내 발표할 예정이다.
(2019년 4월)수소경제 표준화 전략 로드맵
정부는 수소경제 활성화 로드맵 발표 이후, 우리나라가 글로벌 수소경제를 주도하기 위한 방안의 일환으로 2019년 4월에 「수소경제 표준화 전략 로드맵」을 수립 및 발표하였다. “수소경제 표준화 전략 로드맵”에서는 우리나라에서 기술적 주도가 가능한 3대 부문(수소 모빌리티, 수소 에너지, 수소 공급 및 계량)을 중심으로 2022년까지 5건 그리고 2030년에는 총 15건으로 확대하여 국제표준 제안을 통해 수소분야 전체 국제표준의 약 20% 이상을 획득한다는 계획을 제시하였다. 또한, 수소산업의 건전한 생태게 조성을 위해 국제표준에 부합하는 국가표준을 마련하고, 핵심부품에 대한 KS인증을 통해 성능과 안전성이 보증된 제품 및 서비스를 보급할 예정이라고 발표하였다(MOTIE, 2019).
(2019년 10월)미래자동차 산업 발전 전략
정부는 모빌리티 측면에서의 수소경제 활성화 전략의 일환으로 2019년 10월에 현대자동차 남양연구소에서 미래자동차 국가비전 선포식을 개최하고 “미래자동차 산업 발전 전략”을 발표하였다(정책브리핑, 2019). 이 전략은 우리나라가 미래차의 핵심영역인 수소전기차(FCEV), 전기차(BEV), 배터리 등의 분야에서 강점이 확보되었다는 판단에 따른 것이며, “미래차 산업 발전 전략”은 2030년 미래차 경쟁력 1등 국가를 목표로 하고 있으며, 시장의 조기 선점을 위해 2030년까지 계획한 중장기 로드맵과 분야별 구체적 방안을 포함하고 있다(MOTIE, 2019).
(2019년 10월)수소 인프라 및 충전소 구축방안
정부는 수소경제 활성화 지원을 위한 핵심인프라 측면에서의 전략인 “수소 인프라 및 충전소 구축방안”을 산업통상자원부, 국토교통부, 환경부 등 관계부처와의 협의를 통해 2019년 10월에 발표하였다. “경제성·편의성·안전성을 기반으로 한 수소공급 및 충전 인프라”라는 비전하에 ‘효율적인 수소 생산·공급을 통한 수소공급 안정화’와 ‘수소충전소 균형 배치 및 자생적인 확산기반 마련’이라는 2개의 목표를 제시하였다. 이 방안은 현재 전국을 대상으로 확대구축이 진행 중인 수소충전소와 직접적 연관되는 실질적 이행방안이다.
(2019년 10월)수소 기술개발 로드맵
정부는 수소에너지 분야에서 국내 기술경쟁력 제고를 통해 수소경제 이행을 뒷받침하기 위하여 2019년 10월 “수소 기술개발 로드맵” 추진(안)을 수립하였다(KIET, 2019). 이 로드맵은 “수소경제 활성화 로드맵”의 기본방향을 바탕으로 ①생산, ②저장·운송, ③활용-수송수단, ④활용-발전·산업, ⑤안전·환경·인프라로 구성된 5개 대분류를 마련하고 세부기술 분류체계를 정립하였다. 2040년까지 세계 최고수준의 기술력 확보로 수소경제 선도국으로 도약을 목표로 수소생산, 저장·운송 및 운송 인프라, 연료전지시스템 기반의 수소 수송수단 저변 확대, 발전용 연료전지시스템의 고효율·저가화 기술 확보, 수소 안전·제도의 완비와 표준 선점 및 보급확대 기반을 목표로 제시하고 있다(KIET, 2019).
(2019년 12월)수소 안전관리 종합대책
정부는 2019년 12월 “수소 안전관리 종합대책”의 제시를 통해 수소의 생산부터 활용까지 전주기를 걸쳐서 안전관리에 필요한 사항을 꼼꼼히 점검할 수 있도록 수소 안전관리체계를 전면 개편하기로 발표하였다(MOTIE, 2019). 특히, 수소충전소, 수소생산기지, 연료전지시설 등 핵심시설을 중점적으로 관리하고 지속 가능한 안전생태계를 조성하기 위한 기술개발뿐만 아니라 인력양성을 포함한다(MOTIE, 2019). 이러한 안전성 측면에서의 종합대책은 수소에너지 관련 국민의 불안감을 해소하고 지속적 산업성장의 안전기반을 마련하기 위한 체계적 방안으로 해석된다.
(2020년 1월)수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률 제정
2020년 1월, 세계 최초로 “수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률(이하 수소법)”이 제정되었다. 미국, 일본, 유럽연합 등 주요 선진국이 수소경제 이행 및 수소산업 육성을 위한 다양한 정책을 추진하고 있지만, 수소경제 이행을 지속적·체계적·효율적으로 추진하기 위하여 법률을 제정한 국가는 우리나라가 최초이다. 수소경제 관련 법률은 여야 막론 그 필요성을 인정하여 총 8건의 법안이 발의되었으며 국회 본회의에서 이견 없이 통과되었다. 이는 정부의 「수소경제 활성화 로드맵」 발표와 「수소법」 제정이 그 자체로 시장에 지대한 영향을 미치고 있음을 시사한다.
(2020년 7월)수소경제위원회
2020년 7월, 국무총리를 위원장으로 하고 산업통상자원부 등 8개 관계부처 장관과 학계·산업계·시민단체 등 분야별 최고의 민간전문가로 구성된 대한민국 수소경제 지휘본부인 ‘수소경제위원회’가 출범하였다(MOTIE, 2019). 수소경제위원회는 “수소법”에 따라 ‘수소경제 기본계획’을 수립·시행·점검·평가하고, 관련 정책 조정, 국가 간 협력, 생태계 구축 등 수소경제 선도국가로 도약하기 위한 주요정책을 수립 및 추진한다(MOTIE, 2020). 수소경제위원회는 오는 2040년까지 1,000개의 수소전문기업 육성, 2030년까지 수소전기차 85만대 및 수소충전소 660기 확충, 3기 신도시 중 2곳 내외를 수소도시로 추가 조성하는 등의 수소경제 정책을 제시하는 한편 수소경제 전담기관으로 수소융합얼라이언스추진단(산업진흥), 한국가스공사(유통), 한국가스안전공사(안전)을 지정하였다(MOTIE, 2019)
(2020년 7월, 2021년 7월)「한국판 뉴딜」 종합계획
정부는 COVID-19 사태로 인해 침체된 대한민국 경제의 새로운 도약과 사회경제적 패러다임의 대전환을 선도할 정부 주도의 대규모 경기 부양책으로 2025년까지 총 160조원을 투자해 일자리 190만개를 만든다는 구상을 담은 「한국판 뉴딜 종합계획」을 2020년 7월 발표하였으며, 한국판 뉴딜은 튼튼한 고용 안전망과 사람투자를 기반으로 한 ‘디지털 뉴딜’과 ‘그린 뉴딜’ 두 개의 축으로 추진한다(MCST, 2021). 특히, ‘그린 뉴딜’에서는 COVID-19를 계기로 시급해진 기후변화 대응 및 탄소중립(Net-Zero)사회를 지향하는 저탄소사회 전환을 위해 도시·공간 등 생활환경을 녹색으로 전환하고 저탄소·분산형 에너지를 확산한 저탄소 산업생태계를 구축하는 내용을 담고 있다.
2020년 7월에 발표된 “한국판 뉴딜 종합계획”의 추진 이후 1년간 대내외적 환경이 급격하게 변화하였고, 새로운 대응방안 마련의 필요성이 제기되었다(MCST, 2021). 또한, COVID-19 충격에 따른 양극화 심화 현상도 나타나고 있다. 대외적으로는 글로벌 디지털 경쟁에서의 선도적 지위를 공고화하고, 탄소중립을 전략으로 활용할 필요성도 대두되었다(MCST, 2021). 이에 정부는 2021년 7월 제4차 한국판 뉴딜 전략회의에서 기존 전략에서 한 단계 진화한 “한국판 뉴딜 2.0”을 발표하였다(MCST, 2021). 주요 변화로는 ‘안전망 강화’를 ‘휴먼 뉴딜’로 대폭 확대·개편하고, 기존 뉴딜 과제 보강 및 신규과제를 추가하고, 포스트 코로나 변화에 대비한 선제적·능동적 대응체계를 구축하는 내용을 담고 있다(MCST, 2021). 목표적 측면에서는 2025년까지 한국판 뉴딜 총투자 규모를 기존의 160조원에서 220조원으로 확대하고 일자리도 기존 190만개에 더해 250만개 수준으로 추가 창출하는 것으로 제시하였다(MCST, 2021).
국내 수소경제 관련 정책추진 주요 성과
2019년 1월에 발표된 “수소경제 활성화 로드맵”을 기점으로 정부는 다각적 측면에서의 실행방안을 수립하고 추진하였으며, 이를 통해 초기시장 및 인프라의 본격적 형성과 산업의 기틀이 마련되기 시작한 것으로 평가되고 있다. 2019년 범부처 분야별 후속대책은 6건 이상이 수립되었으며, 수소차 및 인프라 보급확대, 핵심기술개발 등에 추가경정예산을 포함한 약 3,700억 원 이상을 집중 지원하였다. 이러한 정부의 적극적 정책추진 및 투자확대는 높은 기술수준과 산업기반이 확보된 수소활용 부문에서 가시적 성과를 창출하고 있다. 또한, 수소경제 활성화 실현을 위한 정부의 적극적 정책추진 및 투자확대는 현재도 지속적으로 진행되고 있으며, 2020년 성과에 이어 2021년에도 세계 선도수준의 가시적 성과를 창출하였다.
국내 수소산업 동향
수소 생산
■ 부생수소
석유화학단지에서 나오는 수소 부산물에 산소를 더하여 전기화학반응을 일으켜 전력을 생산하는 방식으로, 기존의 에너지 산업체계를 유지하면서 발생하는 수소를 한번 더 활용하는 방식으로 현재 국내에서 가장 많이 사용되는 방법이다.
울산, 여수, 대산석유화학단지에서 나프타의 방향족 개질공정 및 나프타 분해를 통해 부생수소가 생산되며, 이를 통한 국내 수소 총 생산량은 연간 190만 톤으로 추정된다. 지역별 부생수소 생산비중은 울산 68%, 전남 28%, 충남 2% 수준이며, 190만 톤 중 판매되는 수소의 양은 약 14%에 해당하는 연간 26만 톤 정도이다.
현재, 국내의 부생수소가 소량 생산되는 경우에는 주로 연료로 사용하여 자가 소비되고 있으며 대량 생산되는 경우에는 자가 소비하거나 가스회사에서 구매 후 정제하여 산업용 수소로 공급하고 있다. 수소충전소용이나 연료전지 발전용으로의 수소 공급은 미미한 상황이다.
■ 추출수소
탄화수소는 크게 기체 상태인 천연가스(LNG)와 액체 상태인 액화석유가스(LPG) 그리고 액체인 휘발유와 경유로 구분된다. 이러한 탄화수소는 개질이라는 과정을 거쳐 수소로 전환될 수 있으며 현실적으로 수전해 등 다른 수소생산 방법과 비교하여 수소를 대량으로 그리고 경제적으로 생산할 수 있는 방법이다.
국내 수소생산의 대부분은 석유화학공정에서 부산물로 나오는 부생수소지만, 대부분 회수하여 공정에 재사용되고 극히 일부만이 파이프라인이나 튜브트레일러에 200 bar의 압력으로 압축되어 유통되고 있다. 이로 인해 부생수소가 생산되는 지역(울산, 여수, 서산) 외에는 운송료 부담으로 인해 실제 수소판매가격이 비싸지고 있는 상황이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 도시가스 배관이 연결된 지역 또는 바이오가스가 생산되는 지역에서 소규모의 개질기를 설치하여 현지에서 직접 수소를 생산하고 공급하는 On-site 수소생산방식이 더 경제적이라는 평가를 받고 있다. 탄화수소 특히 천연가스의 개질 및 개질기 설계기술을 정유 및 화학산업에 필요한 수소를 공급하기 위한 목적으로 오랫동안 해외 엔지니어링 회사에서 공정개발 및 최적화가 진행되었다. 국내의 정유사 및 정밀화학사의 경우에는 수소를 대량 생산하기 위한 개질기 설계 및 제작을 자체기술 또는 국내 연구기관과의 협업보다는 해외기술을 도입하여 수행하고 있는 실정이다.
■ 수전해수소
재생에너지원인 태양·풍력에너지를 이용하거나 기존의 원자력 에너지를 이용하여 전력을 생산하고, 이 전력과 심야전력을 이용하여 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하는 방법이다(MOTIE, 2018). 수소를 생산가는 가장 친환경적인 방법이며 고순도의 수소가 생산되고 환경오염이 가장 적다는 장점이 있지만, 수전해 수소는 화석연료를 이용한 수소 생산비용보다 약 3배 정도가 비싸다는 단점이 존재한다. 수전해 수소를 생산하는 기술은 전해질의 종류 및 전기분해 방식에 따라 알칼라인, 고분자전해질, 고체사화물 등 3가지로 구분된다.
■ 수소생산업체
우리나라의 수소생산업체로는 국내 최대 수소생산 및 공급업체인 덕양과 SPG케미컬, 에어리퀴드코리아, 창신산업 등이 대표적이다. 1961년 설립된 덕양은 산업가스를 제조·공급하는 기업으로 울산공업단지에 위치하여 주변의 석유화학단지 등을 둘러싼 40 km 규모의 배관망을 이용하여 시간당 19만 Nm³의 수소를 생산 및 공급하고 있다(KIET, 2019). 1975년 설립된 SPG케미컬은 40년 간 국내 4개의 공업단지(울산 1공장, 울산 3공장, 서산공장, 군산공장)에 수소생산시설을 갖추고 공업용 고순도 수소를 생산하고 있다. 1996년 설립된 에어리퀴드코리아는 프랑스 에어리퀴드그룹의 자회사로서 정유, 화학, 철강 및 에너지 분야의 기업들에게 파이프라인을 이용하여 수소(고순도 99.999% 이상)을 공급하고 있다(KIET, 2019). 또한, 2020년까지 바이오가스 개질, 수전해 중 재생에너지 사용, 추출수소 생산과정에서 탄소포집기술 사용 등을 통해 그린수소 생산분야로 범위를 확장하고 있다.
수소 저장 및 운송
■ 고압기체 저장 및 운송
고압기체 저장방식은 수소의 저장방법 중 가장 보편적으로 이용되는 방법으로 금속탱크에 고압으로 압축된 기체수소를 저장하는 방식이다. 운용방식이 간편하고 에너지효율을 유지하면서 더 작은 부피로 저장할 수 있기 때문에 수소를 연료로 사용할 시 용이한 기술이지만, 적은 저장용량과 높은 위험성으로 인해 상당한 제약요인이 존재한다. 현재 국내에서 유통되는 수소의 대부분은 고압기체 형태로 저장되고 주로 망간강 또는 합금강 용기에 수소기체를 충전하고 있다. 고압기체 운송방식은 튜브트레일러를 활용한 도로운송과 파이프라인을 활용한 운송이 존재한다. 국내 도로운송은 SPG, ALK, LDK, SGD, 덕양에너젠 등이 튜브트레일러를 운행 중에 있으며 수소 가격의 약 20~30%를 운송비가 차지하는 구조이다.
■ 저온액체 저장 및 운송
저온액체 저장방식은 일정한 압력에서 온도를 낮춰 수소의 액화를 통해 저장하는 방식이다. 수소를 상압에서 20 K(-253℃)로 냉각시키면 기체상태의 수소가 액화되며, 그 밀도는 약 800 bar로 압축된 기체수소에 비해 약 1.75배 높아진다. 액화수소는 수소의 효율적인 저장과 운송을 위해 질량 당 에너지 밀도 및 부피 당 에너지 밀도를 높인 상태로 설명된다. 액화수소의 저장압력은 보통 3 bar 미만으로 고압기체 저장방식 대비 안정성 측면에서 유리하다는 장점이 존재한다. 하지만, 극저온 상태의 액화수소는 쉽게 기화하여 손실되기 때문에 단열성이 우수한 특수구조의 용기에 저장되어야 한다. 액화효율을 향상시키기 위해서는 예냉 과정이 필수적이며, LNG 또는 액체질소를 이용하여 비교적 저렴하고 간단하게 구성할 수 있는 예냉과정을 적용하게 되면 수소 액화공정의 부하를 현저히 감소시킬 수 있다.
■ 고체저장(수소저장합금)
수소저장합금은 수소를 저장하기 위한 합성 금속체이며, 수소를 고체형태로 저장하기 위해서는 먼저 합금의 주원료를 수소저장용기(실린더)에 들어갈 수 있는 크기와 형태로 만들고 합금이 삽입된 용기(실린더)에 기체수소를 압축하여 저장하듯이 주입한다. 이 방법은 수소를 안전하게 저장 가능하다는 것이 최대 강점이다. 수소저장합금의 에너지 부피 대비 저장량은 기체수소 700 bar 기준 약 2배의 수소저장이 가능해 매우 우수하다고 평가되기도 하지만 금속 고유의 무게와 매우 느린 충전속도로 인해 현재는 일반적 상용화가 어려운 수준이다. 현재는 잠수함과 같은 특수목적형으로 활용되고 있다.
■ 액상 유기수소 캐리어(암모니아, LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier))
액상 유기수소 캐리어 기술은 촉매 반응을 통해 수소화 또는 탈수소화를 일으켜 수소를 물질에 화학적으로 저장 및 운송하는 기술이다. 해당기술은 수소 함유량이 높고, 가역 반응성이 우수하고, 촉매를 통한 반응속도가 비교적 빠르며, 수소 유출이나 폭발의 위험성이 거의 없다. 불포화상태의 유기화합물은 수소화 반응을 통해 수소 원자를 함유하며, 후에 촉매를 이용한 후처리 과정을 거치면서 탄소와 수소사이의 결합을 끊어내어 수소를 추출할 수 있다. 특히, LOHC는 약 5~8 wt%의 수소를 함유하고 있으며, 가역성이 우수하고, 탈수소화 반응에 요구되는 온도가 비교적 낮아 상업화 가능성이 높다.
■ 수소 저장·운송 업체
우리나라 수소산업은 아직 기술개발 초기단계로, 저장 및 운송 관련 산업생태계는 성숙하지 않은 것으로 분석되고 있다. 현재 국내에서 부생수소를 파이프라인으로 운송하는 업체는 4개(덕양, SPG, SDG, 에어리퀴드코리아)가 주도적이며, 이 기업들은 주로 산업용 수소 파이프라인 및 수소타운 구축과 관련한 사업을 수행하였다. 기체저장 방식의 튜브트레일러는 엔케이의 자회사인 이엔케이가 주도적으로 상용화 제품을 생산하고 있으며, 운송과 관련한 업체는 SPG, 에어리퀴드코리아, 린데코리아, SDG, 덕양에너젠 등이 있다. 액화저장 및 운송방식은 아직 기술개발 단계로 하이리움산업이 액화수소 저장탱크를 개발하여 액화수소 드론을 통해 실증한 경험이 있으며, 국토교통부의 지원을 받아 2019년부터 5년 간 “상용급 액체수소플랜트 핵심기술 개발사업”을 통해 액화저장 관련 연구개발이 진행되고 있다
수소 충전
■ 수소충전소
수소충전소는 기본적으로 수소를 저장하는 수소저장용기, 수소의 압력을 높이기 위한 압축기, 수소를 차로 공급하는 디스펜서 등으로 구성되어 있다. 수소공급방식에 따른 수소 충전소는 Off-site와 On-site로 구분되며, On-site 수소충전소는 개질형과 수전해형으로 구분된다. Off-site 수소충전소는 튜브트레일러 또는 파이프라인을 통해 수소를 외부에서 공급받는 방식으로 가장 보편적이며, 수소 공급원으로부터 운송거리가 짧을 경우 적합한 방식이다. 개질형 On-site 수소충전소는 천연가스 또는 LPG 개질을 통해 수소를 자체적으로 생산하여 공급하는 방식으로, 수소 공급원으로부터 운송거리가 장거리일 경우 선호되며 천연가스 또는 LPG의 공급이 용이하여야 한다. 수전해형 On-site 수소충전소는 물의 전기분해를 이용하여 수소를 생산하는 방식으로 이산화탄소 배출이 없고 전력만 공급 가능하면 운영이 가능한 장점이 있다. 아직은 전력비용의 부담이 크지만 향후 신재생에너지 비중이 늘어나면 친환경적인 수소생산 방식이 도입된 수소충전소를 구축 가능하다.
우리나라의 수소충전소는 현재 기체수소 충전소가 보편적으로 활용되고 있지만, 저장·운송의 경제성 및 안전성 측면에서 다양한 장점을 보유한 액화수소 충전소의 비중이 점차 늘어날 것으로 전망된다.
수소 활용
■ 수소 모빌리티
수소전기차의 정확한 명칭은 ‘수소 연료전지 전기자동차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)’이다. 수소전기차는 전기차와는 달리 수소연료전지 스택을 주전원장치로 사용하며, 내연기관 차량에 있는 연료탱크 대신 수소를 저장하는 탱크를 탑재하고 있다. 수소전기차의 구동방식은 우선 공기를 흡입하는 과정에서 불순물을 제거하는 에어필터로 공기가 여과되며, 차량에 저장된 수소와 결합하여 화학반응을 거치게 된다. 이때, 수소와 산소는 백금촉매를 거쳐 이온으로 분리되고 분리된 전자가 이동하면서 전기가 발생한다. 따라서, 100% 무공해 차량이며 전기가 생성되는 과정에서 배출되는 것은 오로지 순수한 물(H2O)이다.
현대자동차는 2000년 이전에 연료전지 개발조직의 신설과 함께 수소전기차 개발을 시작하였다. 2013년에는 세계 최초로 수소전기차 양산모델인 ‘투싼 ix Fuel Cell’을 출시하였으며, 2018년에는 차세대 수소전기차인 ‘넥쏘’를 출시하였다. 평창 동계올림픽에서의 홍보와 함께 우수한 차량성능으로 인한 관심은 결과적으로 성공적인 판매실적으로 연결되었다. 2018년 정부의 수소전기차 구매보조금 지급가능 대수인 240대를 훨씬 넘기는 판매실적이 발표되었다.
한편, 울산을 비롯한 여러 지자체에서는 수소전기버스를 노선버스로 운행하는 계획을 수립하고 있다. 현재 수소충전소는 구축 시 수소전기차의 부족으로 가동률이 낮아 수익성이 보장되지 않는다는 어려움이 존재한다. 하지만, 수소전기버스를 노선버스 등에 활용하게 되면 버스 차고지에 수소충전소를 구축할 수 있고, 가동률을 100% 수준으로 높일 수 있다는 장점이 있다. 이를 통해 수소충전소 보급촉진에 실질적 기여가 가능하다.
■ 수소 연료전지 발전
수소 연료전지는 화석연료의 연소를 통한 에너지 변환과정을 거치는 기존 발전방식과는 달리 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기와 열에너지를 생산사는 고효율, 친환경 발전시스템이다. 연료전지는 물을 전기 분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생하는 원리를 역으로 이용하여 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 발전장치이다. 연료전지는 크게 연료극(-극, Anode)와 공기극(+극, Cathode)의 두 개 극과 전해질로 구성되며, 전해질의 종류에 따라 발전원리는 달라지게 된다.
연료전지에 사용되는 수소는 주로 천연가스 개질방식을 통해 생성되며, 생선된 수소는 연료극에 공급된다. 연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해되며, 수소이온은 전해질 안에서만 이동할 수 있다. 전자는 전자도전체 안으로만 통과할 수 있어서, 수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동하고, 전자는 외부회로를 거쳐서 전류를 발생시키는 것이 작동원리이다. 그리고 공기극으로 이동한 수소이온과 외부회로를 통해 전달된 전자가 산소와 결합하여 물이 되는 산소환원반응이 일어난다. 이러한 원리로 작동하는 연료전지의 최종적인 생성물은 전기와 물 그리고 열이다.
국내 수소 연료전지 발전용 부문에서 가장 많이 채택되는 방식은 PAFC와 MCFC이며, 두산퓨얼셀, 포스코에너지 등이 대표적인 생산업체이다. 누적 설치량은 포스코에너지가 최대이나 경영상 문제로 최근 수주실적은 두산퓨얼셀이 앞서고 있는 상황이다. 최근에는 해외업체인 블룸에너지(Bloom Energy)와 퓨얼셀에너지(Fuel-Cell Energy)가 국내시장에 진출하였다. 한국전력의 발전 자회사를 중심으로 신규 연료전지 사업이 활발히 추진되고 있으며, 태양광 및 풍력발전보다 소요면적이 작고 발전량 통제가 임의로 가능하기 때문에 REC 확보가 안정적이다. 이러한 장점들로 인해 발전회사들의 RPS 의무이행 수단으로 선호도가 높은 상황이다.
국내 수소산업 생태계 구조
국내 수소산업 생태계를 부문 및 분야별로 살펴보면, 수소 생산부문의 경우 석유화학단지 등에서 생산되는 부생수소 분야는 상용화를 이루고 공급망을 확보하고 있다. 반면 수출수소 및 수전해수소 분야는 아직 실증 단계에 머물러 있으며 산업기반 또한 아직 체계적 형태를 구축 중인 상황이다.
수소의 저장·운송 부문에서는 현재 고압기체 분야가 상용화 단계이지만, 액화 및 액상기술을 개발단계이다(KIET, 2019). 또한, 수소 충전부문은 튜브트레일러, 파이프라인, 이동식, 수전해, 개질, 등의 방식으로 구성되는데 현재는 압축기-튜브트레일러 방식이 보편적인 상황이다.
수소 활용부문에서 모빌리티 분야는 2013년 수소전기차 양산 등 세계적 경쟁력을 갖춘 것으로 평가되고 있다. 그러나 수소 선박, 드론, 열차 등 기타 모빌리티 분야는 아직R&D 단계에 머물러 있는 실정이다. 수소 연료전지 분야는 방식에 따라 가정·건물용, 수송용, 발전용, 휴대용으로 구분되며, 이 중 휴대용을 제외한 국내 기술력은 선도국 수준으로 평가 받고 있다.
Conclusion
현재까지 주요 에너지원을 수입에 의존하고 있는 우리나라는 ‘수소’를 대한민국이 주도하는 첫 번째 에너지로 실현하기 위해 적극 노력하고 있다. 2019년 1월에 발표된 “수소경제 활성화 로드맵”을 필두로 다각적 측면에서의 이행방안들이 제시되고 있으며, 특히 2020년 2월에는 세계최초로 수소경제 관련 법적 근거인 “수소법”을 제정하였다. 이러한 정부의 적극적인 정책추진으로 인해 우리나라는 지난 2년 간 수소활용 부문(수소전기차, 수소충전소, 연료전지)에서 연속 세계 3관왕이라는 가시적 성과를 창출할 수 있었다. 소위 “H2 Race”라 불리우는 수소경제 구축을 위한 국가 간 경쟁은 이미 치열한 상황이나, 아직 초기단계로 판단된다. 명확한 선두가 결정되지 않은 현 상황에서 현재까지의 노력들이 지속성을 확보하여 진행된다면 우리나라는 수소경제와 관련한 선도적 입지를 확립할 수 있을 것으로 기대한다.
현재까지의 성과들이 미래의 성과를 위한 디딤돌로 작용하여, 수소경제의 지속가능한 성장을 실현하기 위해서는 생산-저장·운송-활용 전주기 생태계의 구축이 필수적이다.
첫째, 현 수소경제를 지탱하는 부생수소와 점차 비중이 확대되고 있는 추출수소를 넘어 결과적으로는 탄소배출이 제로인 수전해수소(그린수소)로 도약해야 한다. 수소생산부문은 현재 그레이수소를 넘어 그린수소로 도약하기 위한 중간단계로 추출수소 방식에 이산화탄소 포집 및 저장기술을 접목한 블루수소에 집중하고 있는 상황이다. 이와 병행하여 그린수소 관련 기술개발에 대한 선제적 투자확대가 중요하며, 또한 해외생산 수입수소에 대한 구체적 대안제시가 필요하다. 최근 정부는 “H2STAR 프로젝트”의 제시를 통해 해외생산 수입수소에 대한 기본방향을 제시하였으며, 이는 향후 우리나라 수소경제에서 요구하는 다량의 수요충족에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
둘째, 수소 저장·운송산업의 육성을 위한 집중투자가 중요한 상황이다. 현 수소경제는 기술적 그리고 산업적 기반이 일정수준 확보된 수소활용 부문을 중심으로 우선적 성장을 진행 중이다. 이를 이어 수소생산 부문에서는 최근 민간부문의 집중투자를 통해 수소공급의 규모 및 범위가 확대되고 있는 추세이다. 하지만, 수소 저장·운송산업은 미래 수소경제 공급망의 3박자(경제성, 안전성, 효율성) 확보에 필수적 역할을 수행함에도 불구하고 아직 소규모 기업들이 분산되어 있는 상황으로 기술개발과 더불어 산업기반 확보가 매우 시급한 실정이다. 만약, 현 수소경제의 성장방향이 변화 없이 지속될 경우 미래 수소경제는 생산과 활용 부문은 성장하였으나 이들을 연결하는 ‘혈관’ 기능을 담당하는 저장·운송의 미성숙으로 인해 불완전한 형태로 활성화될 수 있는 위험성이 존재한다.
셋째, 수소충전소 형태의 다각화가 필요하다. 기체수소 중심의 현 수소경제는 기체수소 충전소를 우선적으로 확대구축하고 있다. 하지만, 도심 내 구축이 필요한 수소충전소는 높은 토지가격과 저장용량의 한계로 인해 경제적 운용이 어려운 상황에 봉착하고 있다. 기체수소를 넘어 액화수소의 비중이 커질 것으로 예상되는 미래 수소경제를 고려할 때 국내 수소충전소 구축계획에서의 액화수소 충전소 비중은 보다 확대될 필요가 있다고 판단된다. 이는 결과적으로 액화수소 공급망의 고도화로 연결될 수 있으며, 운송비 절감을 통해 미래 수소경제에서 수소의 안전성 및 경제성 확보에도 기여 가능할 것으로 전망된다.
마지막으로 제언하고 싶은 것은 공공과 민간의 협력이다. 2019년 수소경제 활성화 로드맵 발표 당시에는 공공부문의 다양한 계획들이 제시되었으나 민간부문의 참여는 미미한 실정이었다. 하지만, 수소경제의 단계별 이행과정에서 민간부문의 참여의지는 점차 확대되고 있는 상황이다. 최근 SK, 현대차, POSCO 등 주요기업은 2030년까지 총 43조원의 투자계획을 발표하였으며 정부는 이를 총력지원하기로 화답하였다. 아직 초기 단계인 수소산업의 안정적 성장을 위해서는 공공부문의 정책추진과 민간부문의 투자참여가 반드시 공존하여야 한다. 이러한 협력형 생태계를 지속적으로 유지하기 위해서 정부는 상용화 관련 기존규제의 선제적 완화와 더불어 기업친화형 산업생태계 확보에 노력을 기울여야 할 것이다.
