△ 수소경제시대의 도래

현 시대는 화석연료의 시대다. 운송기기용 연료는 물론 전기, 난방 등 인류가 사용하는 에너지의 대부분이 석유, 천연가스, 석탄과 같은 화석연료에 기반하고 있다.

그런데 이 화석연료는 한정된 자원이다. 때문에 언젠가 고갈될 수밖에 없다. 그리고 그 시기도 결코 멀지 않았다. 전문가들마다 다소 견해의 차이는 있지만 석유는 40~50년, 천연가스는 60~70년, 석탄은 150년 정도면 지구상에서 완전히 사라질 것으로 예상한다. 또한 몇 년 내 이로 인해 극심한 에너지 수급불안이 야기될 것으로 보고 있다. 지난해 경험했던 초고유가 기조가 그 신호탄이라는 설명이다.

물론 심해 유전이나 오일샌드, 메탄 하이드레이트 등 신규 자원의 개발을 통해 화석연료의 생명은 연장될 수 있다. 하지만 이들 또한 한정된 자원이므로 고갈을 막는 것은 불가능하다. 게다가 화석연료는
기본적으로 연소과정에서 이산화탄소와 같은 지구온난화 물질을 배출, 환경적 위해성마저 크다.
전 세계가 신재생에너지, 친환경에너지, 지속가능에너지 등의 이름으로 화석연료의 대체에너지 개발에 사활을 걸고 있는 원인이 여기에 있다.

과연 다양한 신재생에너지 중 인류를 미래의 에너지 대란에서 구원해줄 메시아는 과연 누가될까. 전문가들은 그 가능성을 수소로부터 찾고 있다. 활용성, 무한성, 청정성, 효율성 등을 감안할 때 수소만큼 기존 화석연료의 역할을 완벽히 대체할 수 있는 에너지가 없다는 이유에서다.

실제로 최근 주목받고 있는 대다수 신재생에너지원들은 크고 작은 한계점이 존재한다. 태양광, 태양열, 풍력 등 자연에너지는 투자비 대비 에너지 효율이 낮다. 지리적 조건에 따라 산출량에도 큰 차이가 있다. 보조 에너지원으로는 몰라도 한 국가를 책임질 주 에너지원의 중책을 맡기기는 어렵다는 얘기다. 또한 원자력은 방사능 폐기물이라는 치명적 단점이 있고 인공태양으로 불리는 핵융합 발전은 상용화 시기를 가늠하기조차 어려울 만큼 아직까지는 현실성이 떨어진다.

반면 수소는 강력한 폭발력(가연성)을 지녀 연료로서의 가치가 매우 높은 고효율의 에너지며 연소 후 극소량의 질소산화물(NOx)을 제외하면 대기오염물질을 전혀 배출하지 않는 청정에너지다.

또한 여타 신재생에너지들이 전기에너지로만 변환되는 것과 달리 수소는 일반 연료처럼 직접 연소시킬 수도 있고, 연료전지를 활용해 전기에너지로 변환할 수도 있다. 변환과정에서는 난방 및 온수공급에 이용 가능한 열에너지까지 부가적으로 생성된다. 수소 하나만 있으면 현재 인류가 사용 중인 거의 모든 에너지를 대체할 수 있다는 얘기다.

특히 수소는 고갈의 우려가 없는 물을 전기분해해 생산할 수 있는 무한에너지이기도 하다. 아직 기술적으로 많은 장벽을 극복해야 하지만 향후 자연에너지로 전기를 생산하고 이 전기로 물을 전기분해하는 형태의 수소경제가 실현된다면 전 세계 모든 국가가 사실상 에너지 자립의 꿈을 이룰 수 있는 것이다.

이는 에너지 수입 의존도가 97%에 달하는 우리나라와 같은 에너지 빈국들에게는 더없이 매력적인 요소다.

이에 따라 수소에너지 전문가들은 이르면 2015년, 늦어도 2020년경에 이르면 수소가 에너지산업 전면에 대두될 것이며 2030년에 이르면 세계 에너지시스템이 수소에 의해 주도되는 이른바 수소경제시대가 도래할 것으로 예견하고 있다.

△ 수소에너지 패권을 잡아라

세계 각국은 현재 이러한 수소에너지 기술의 패권을 잡기 위해 총력전을 펼치고 있다. 산학연을 총망라해 수소에너지 분야에 투자되는 연구개발 비용만 연간 4~5조원을 웃도는 것으로 추산될 정도다.

이 분야의 선두주자는 미국, 유럽, 일본. 이들 3개국은 90년대부터 수소에너지의 가능성을 예견하고 국가적 차원의 대규모 수소에너지프로젝트를 출범시켰으며 지금까지 수소에너지 기술 개발과 상용화를 주도하고 있다. 이들에 이어 북미의 캐나다와 우리나라, 중국, 인도 등의 아시아 국가들이 신흥강국의 입지를 구축하고 있다.

이중 미국은 지난 90년 마츠나가 수소연구개발법안, 92년 미국 에너지국(DOE)에 의한 수소프로그램(Hydrogen Program)이 마련되며 수소에너지 개발의 포문을 열었다. 특히 에너지분야에 큰 관심을 가졌던 부시 행정부 시절, 수소의 제조·저장·배송·활용 등 모든 분야에서 세계 최대 규모의 다각적·전폭적 지원이 제공됐다. 미국의 목표는 오는 2040년까지 수소경제를 실현한다는 것.

이를 위해 2015년까지 가정용 연료전지시스템을 상용화하고 2020년에는 수소자동차 상용화도 이룬다는 계획이다. 가정용 연료전지시스템은 각 가정에 공급되는 도시가스에서 수소를 생산, 전기로 변환해주는 장치로서 변환시 발생하는 열로 집안의 난방과 온수까지 제공한다.

유럽은 EU 공동체라는 특성을 살려 다국적 프로젝트 위주의 연구개발이 이뤄지고 있다. 대표적인 프로젝트로 유럽청정도시교통(CUTE), 유럽수소통합프로젝트(EIHP), 수송용 수소연료 실증프로젝트(Hylights), 수소연료차 실증프로젝트(HYCHAIN-MINITRANS Project) 등이 있다.

이중 EU가 1,700만 유로를 지원한 HYCHAIN 프로젝트는 2006년부터 2010년까지 프랑스, 독일, 스페인, 이탈리아 등 4개국에서 150대의 수소자동차, 수소버스, 수소스쿠터, 수소자전거, 수소휠체어 등을 실증하는 것을 목표로 한다. 또한 EU는 지난해 수소연료자동차의 개발을 위해 15억 달러 규모의 자금 집행안을 승인하기도 했다.

일본의 경우 지난 93년 신에너지·환경기술연구개발계획으로 불리는 뉴선샤인프로그램을 출범시키며 막강한 자금력을 무기로 수소에너지 강국의 반열에 올랐다. 특히 경제산업성 산하기관인 신에너지·산업기술종합연구기구(NEDO)의 WE-NET 프로젝트를 중심으로 모든 국책연구가 전개되고 있다.

1993년부터 2020년까지 3단계에 걸쳐 진행되는 이 프로젝트의 예산만 25억 달러에 이른다. 일본은 이를 통해 2010년까지 수소연료전지차 5만대를 보급하고 2020년경 이를 500만대까지 확대한다는 복안이다.

일본은 또 가정용 연료전지시스템의 상용화에도 가장 앞서있다. 2005년부터 작년까지 3,307가구를 대상으로 모니터링 사업을 마쳤으며 올해 연산 1만대 규모의 양산공장을 건설하는 등 세계 최초로 상용 생산을 시작했다.

우리나라는 2003년에 이르러서야 본격적인 수소에너지 연구개발이 시작됐다. 당시 과학기술부(현 교육과학기술부)가 프론티어사업의 일환으로 고효율수소에너지 제조·저장·이용기술개발사업단을 출범시킨 것. 이후 수소·연료전지사업단, 원자력수소사업추진단, 미래형자동차기술개발사업단 등이 과기부와 산업자원부(현 지식경제부)의 지원으로 잇따라 설립되면서 연구가 활성화됐다.

지금까지 국내 수소에너지 연구는 이러한 국책프로젝트를 정점으로 산·학·연이 연대하는 형태로 진행돼 왔으며 화석연료 고갈에 직접적 영향을 받는 정유사, 도시가스사, 완성차 메이커들 자체적으로도 활발한 연구가 이뤄지고 있다.

특히 최근에는 울산시가 수소충전소를 건설, 수소연료전지차 실용화에 나서고 전라북도가 부안에 수소파워파크를 조성하는 등 지자체들의 수소에너지 실용화 노력도 가속화되고 있다. 단지 우리나라는 아직 체계화된 종합계획이 마련되지 않았다는 점이 아쉬운 부분이다.

물론 지난 2006년 산자부 주도로 친환경 수소경제 마스터플랜이 만들어지기는 했지만 국가 플랜으로 공식 인정받지는 못했다. 이에 관련업계에서는 마스터플랜의 보강 등을 통해 국가적 수소에너지 개발 종합계획을 수립, 체계적 지원시스템을 구축할 필요가 있다고 강조하고 있다.

△ 수소경제의 핵, 수소자동차

이처럼 전 세계가 주목하고 있는 수소경제가 현실화되기 위해서는 크게 3가지 과제를 극복해야 한다. 첫번째는 화석연료를 대체할 만큼 충분한 양의 수소생산 기술의 확보, 두번째는 수소(연료전지)자동차 등 수소를 연료로 쓰는 운송기기의 상용화, 마지막은 수소충전소와 같은 수소연료 공급 인프라의 확보가 그것이다.

그 중에서도 수소자동차와 수소충전소는 수소경제 실현의 성패를 좌우할 핵심 요소로 꼽힌다. 수소자동차는 수소연료의 최대 수요처이고 수소충전소는 이러한 수소자동차 운용의 필수 인프라이기 때문이다. 즉 수소자동차, 수소충전소 없이는 수소경제도 없으며 이들은 동전의 양면처럼 결코 떼어놓고 생각할 수 없는 필요충분조건의 명제라 할 수 있다.

먼저 수소자동차를 보면 현재까지 개발된 모델은 연구용 및 컨셉트카, 그리고 수소버스를 포함해 약 100여종에 이른다. 현존하는 전 세계 완성차 메이커들은 적어도 한 종류 이상의 모델을 개발했을 정도며 이들은 지금 이 순간에도 일반 도로에서 실증테스트를 통해 상용화를 위한 기술고도화에 나서고 있다.

대표적인 모델로는 BMW의 H2R과 하이드로겐 7, 다임러·벤츠의 F-Cell A-클래스와 B-클래스, 포드의 퓨전 하이드로겐 999와 에어스트림 컨셉트, GM의 하이드로겐3와 시보레 에퀴녹스 연료전지차, 푸조의 H2Origin 등이 있다. 일본의 경우 혼다의 FCX 클래러티, 토요타의 FCHV-adv, 마쓰다의 RX-8 하이드로겐 RE, 닛산의 X-Trail, 스즈키의 SX4-FCV 등이 대표적이다.

이중 퓨전 하이드로겐 999는 지난 2007년 8월 시속 333.58km를 기록한 세계에서 가장 빠른 수소자동차이며 하이드로겐 7은 유일하게 액체수소 저장용기를 채용한 모델이다. 또한 시보레 에퀴녹스, F-Cell B-클래스, H2Origin, FCHV-adv, X-Trail, SX4-FCV에는 700bar 수소저장용기가 채용돼 있다.

700bar 용기는 수소자동차 상용화의 핵심기술 중 하나인 1회 연료 충전 후 주행거리를 기존 휘발유자동차 수준(약 600km)으로 확장하는데 필수적인 요소로서 FCHV-adv는 주행거리가 무려 830km에 달하는 것으로 알려져 있다.

특히 하이드로겐 7을 비롯 FCX 클래러티, RX-8 하이드로겐 RE 등 몇몇 모델들은 일반인들을 대상으로 렌탈서비스가 이뤄지고 있을 만큼 상용화에 근접한 모델로 평가받고 있다.

수소자동차 부문은 국내 기술력도 세계적인 수준이다. 현대·기아자동차가 싼타페 FCEV를 시작으로 투싼 FCEV, 스포티지 FCEV, 모하비 FCEV, 아이블루 등 5종의 수소연료전지차를 개발했으며 지난 2004년 이후 세계 수소연료전지차의 각축장인 미국에서만 32대의 수소연료전지차를 실증 테스트 중이다.

이 회사는 국내에서도 수소연료전지사업단의 수소연료전지차 모니터링 사업 등을 통해 내년 7월까지 총 34대의 차량을 시범 운행할 계획이다.

수소버스의 경우 수소자동차 보다 상용화에 더욱 가까이 와 있다. 유럽지역을 위주로 전세계 20여개 도시에서 수백여대 이상이 도로를 질주하고 있으며 레이캬비크, 런던, 바르셀로나, 마드리드, 호주, 상하이 등에서는 이미 상용노선에 수소버스가 투입되기도 했다.

독일 베를린에서는 도심의 대기질 개선을 위해 올해까지 250여대의 수소버스를 도입하는 역대 최대 규모의 수소버스 상용화 사업이 진행 중에 있다. 이에 따라 올해말이 되면 베를린에서 운용되는 대중교통버스의 5분의 1이 수소버스로 바뀌게 될 전망이다.

우리나라는 아직 상용노선 투입은 아니지만 현대·기아차가 지난달 화성 전곡항과 안산 탄도항 일대에서 개최된 국제보트쇼에서 2세대 수소버스 FCB GEN-II를 관람객용 셔틀버스로 운용하는 등 일반인들이 수소버스를 접할 수 있는 기회가 확대되고 있다.

이 회사는 얼마전부터 자사를 찾는 방문객들을 위해서도 서울 양재동 본사와 지하철 3호선 양재역을 순환하는 셔틀버스로 FCB GEN-II을 활용하고 있다.

이러한 일련의 진행과정들을 살펴보면 2010년쯤 TV에 수소자동차 광고가 나온다고 해도 그리 놀라운 상황은 아니다. 실제 현대·기아차는 2010년까지 수소연료전지차의 시범운행을 수백대 규모로 확대하고 2012년부터 1천대 규모의 상용생산을 개시한다는 목표를 천명했다. 다임러도 지난 2007년 B-클래스를 모델로 삼아 2010년을 목표로 수소연료전지차 상용화를 추진하는 등 2010년~2015년에 이르면 지금의 하이브리드카와 유사한 수준의 시장이 개척될 전망이다.

세계 자동차업계와 시장조사전문기관들은 이러한 상용화 열기가 매년 가속화돼 2040년에는 전 세계 신규 자동차 시장의 90%를 수소연료전지차가 장악할 것으로 보고 있다.

하지만 이 전망이 실현되려면 차량 가격 하락이라는 과제를 극복해야 한다. 현재 수소연료전지자동차의 제조단가는 5~6억원에 달해 정부보조금이나 양산체제 구축에 따른 단가하락 요인 등을 감안해도 판매가격이 최소 수억원을 호가할 수 있기 때문이다. 바로 이를 지금의 하이브리드카 수준인 5천만원대로 낮추는 것이 상용화의 관건인 것이다. 업체마다 일부 차이가 있지만 수년전만해도 수소연료전지차의 제조단가가 10억원에 달했다는 점을 고려할 때 대략 2015년을 전후해 목표치 달성이 가능할 것으로 예견되고 있다.

이와 함께 수소연료전지차의 주행거리 향상도 필수다. 앞서 언급한 바와 같이 수소연료전지차가 상용성을 가지려면 기존 휘발유 자동차 수준의 주행거리를 확보해야하는데 지금껏 이 목표를 충족시킨 모델은 한 손으로 꼽을 정도에 불과하다. 혼다, 포드, 마쯔다 등 수소연료전지차 개발에 적극적 행보를 보이고 있는 업체들조차 2010년 상용화에는 부정적 시각을 견지하는 이유를 여기서 찾을 수 있다. 결국 수소연료전지차의 상용화 시기와 성공여부는 제조단가 하락과 주행거리 향상에 달려있다고 해도 지나친 실언은 아니다.

△ 수소자동차의 심장, 수소충전소

이에 수소경제를 추진하고 있는 모든 국가들은 수소자동차와 함께 수소충전소 관련 기술의 개발과 건설에도 전력을 다하고 있다.

이러한 수소충전소는 그 설치목적과 주변여건, 활용도 등의 조건에 따라 각기 다른 시스템과 설비를 갖추고 있다. 때문에 이를 세부적으로 분류하면 수소충전소의 종류는 적어도 수십여종 이상이 된다.

구체적으로 수소충전소는 크게 특정공간에 건물과 설비가 고정되어 있는 온사이트(on-site)형 정치식(定置式)충전소와 충전설비를 차량 위에 탑재, 이동성을 살린 이동식 충전소로 구분된다. 이중 정치식은 수소 원료의 직접 생산 여부에 따라 자체생산형과 외부수급형으로 나뉘는데 자체생산형은 다시 수소생산방식에 의해 증기개질형, 물전기분해형, 수소발생기형으로 구분되고 외부수급형은 액체수소수급형, 기체수소수급형으로 분류된다.

각 방식은 상용화 가능성, 투자비용, 국가적·지리적·환경적 조건 등에 따라 장점과 단점이 공존하고 있어 현상황에서 어떠한 모델이 기술적, 구조적, 환경적으로 우월한지를 판단하는 것은 시기상조며 수소전문가들 사이에서도 의견이 엇갈리고 있다.

단 수소생산방식에 있어 지금의 천연가스 증기개질법, 나프타 분해법과 같이 화석연료를 사용하는 것이 아니라 태양광·풍력 등 자연에너지로부터 전기를 얻어 물을 전기분해해야 한다는 점만은 모든 전문가들의 의견이 일치한다. 무한에너지, 청정에너지라는 수소에너지의 궁극적 가치를 온전히 살릴 수 있는 유일한 길이기 때문이다.

신재생에너지 전문 연구기관인 독일 루드비히 뵐코 시스템테크닉(LBST) 연구소의 집계에 따르면 2009년 6월 현재 건설됐거나 건설이 확정된 수소충전소는 연구용 및 파일럿충전소를 포함해 전 세계적으로 총 337개소에 달한다.

지난해에만 15개소의 수소충전소가 새로 문을 열면서 가동이 중단된 곳과 건설 예정인 곳을 제외한 실제 가동되고 있는 충전소만도 200개소를 넘어선 것으로 나타났다. 지난 2003년말 미국의 연료전지 관련기관인 브레이크스루 인스티튜트 테크놀로지스(BTI)사가 집계한 전 세계 수소충전소가 80개소(건설중 포함)에 지나지 않았음을 감안하면 지난 5년 6개월간 매년 40개소 이상의 신규 수소충전소가 출현한 것이다.

수소전문가들은 이 같은 증가세에 대해 과거 일부 선진국 주도로 추진됐던 수소에너지 연구가 세계 각국으로 확산된데다 각국의 수소에너지 프로젝트들이 기초연구단계를 넘어 실증단계에 돌입했기 때문으로 분석한다. 특히 미국 캘리포니아와 캐나다, 노르웨이에서 수행된 수소고속도로 프로젝트가 큰 역할을 한 것으로 분석된다. 수소고속도로는 수소자동차의 상용화를 앞당기고 수소경제의 조기도입을 위해 고속도로 주변에 다수의 수소충전 인프라를 구축하는 것으로서 가장 대표적인 캘리포니아 수소고속도로 프로젝트에 의해서만 지금까지 32개소의 수소충전소가 완공됐다.

일본도 경제산업성이 중심이 돼 고속도로 휴게소에 수소 충전소 설치 시범사업을 진행한다. 앞으로 2년간 시범사업을 진행하고 추후 전국으로 확대할 예정이다.

현재 수소충전소 보유국 또는 보유예정국은 유럽지역이 독일·영국·이탈리아·프랑스·스웨덴·덴마크 등 17개국으로 가장 많다. 미주지역은 미국·캐나다·아르헨티나·브라질·멕시코 등 5개국, 아시아지역은 한국·일본·중국·대만·인도·싱가포르·파키스탄·터키 등 8개국이며 오세아니아의 호주, 아프리카의 이집트까지 총 32개국에 이르고 있다.

국가별로는 미국(133개소), 독일(43개소), 일본(27개소) 등 수소에너지 3대 강국이 전체의 60%를 점유하고 있고 캐나다와 이탈리아(각 18개소), 대한민국(13개소), 덴마크(11개소) 등이 10개소 이상의 수소충전소를 보유 또는 건설을 추진하며 이들을 뒤쫓고 있는 형국이다.

국내 최초의 수소충전소는 현대차가 지난 2001년 5월 남양연구소에 설치한 정치식 충전소다. 6,000psig 압력의 2단계 PPI 컴프레셔를 장착, 350bar의 압력(최대 400bar)으로 99.999%의 고순도 수소를 충전할 수 있도록 설계됐으며 수소자동차 1대(72리터)의 충전에 약 15분이 소요된다. 현대차는 또 2005년 9월 문을 연 마북환경기술연구소에도 정치식 수소충전소 1기를 함께 건설했다. 마북충전소의 특징은 아시아 국가로는 최초로 700bar 충전시스템을 채용했다는 것. 대당 충전시간도 남양충전소의 1/5수준인 3분에 불과한 것으로 알려져 있다.

2006년 8월에는 고효율수소에너지 제조·저장·이용기술개발사업단이 한국에너지기술연구원 내에 천연가스 증기개질형 20N㎥/hr급 정치식 수소충전소를 준공했다. 특히 2007년에는 한해 동안 한국가스공사, GS칼텍스, SK가 각각 인천LNG기지와 연세대학교 서울캠퍼스, 대덕 SK기술원에 신규 수소충전소 건설을 완료했다.

이외에도 현재 울산시가 산업용가스 충전소 동덕산업가스에 건설 중인 수소충전소가 이달 중 완공을 앞두고 있으며 울산시는 2011년까지 시 내에 3기를 추가 건설할 계획이다. 전북도도 부안의 수소파워파크에 수소충전소 1기의 건설에 돌입했고 여수에서는 SPG케미칼의 수소충전소 건설이 추진되고 있다. 또한 제주도에서 풍력에 의해 생산된 전기로 물을 전기분해하는 풍력-수소충전소 건설이 모색 중에 있다.