Update2024.05.03 (금)
■수소자동차 상용화의 이슈
수소에너지가 갖는 청정성과 원료의 다양성 그리고 관련시장의 막대함 때문에 21세기 들어 각국이 경쟁적인 연구개발을 시작해 왔다. 기술 진전의 속도가 예상보다 늦기는 하지만, 상당한 성과를 쌓아 왔다.
자동차사에서 나오는 데이터를 보면, 가격을 제외하고는 주행거리나 내구성면에서 어느 정도 소비자 요구에 근접해가고 있음을 보인다.
하지만, 소비자의 욕구를 충족시키기에는 아직 부족한 면이 있는 것도 사실이다. 가격과 내구성, 신뢰성이란 측면에서 소비자는 기존 자동차와 동일한 수준을 요구하고 있다.
인프라도 마찬가지다. 국내에는 이미 주유소가 2009년 10월 현재 1만3천여개소에 설치 운용되고 있는 데, 이와 동등한 정도의 인프라를 요구할 것임을 예상할 수 있다.
2009년 초 미국 행정부가 2010년 예산안에서 수소연료전지 자동차에 지원된 예산을 배제하고 연료전지 분야로 투자방향을 전환, 6,800만달러의 예산만을 배정하는 예산 삭감 요청안을 제출한 것으로 알려지면서 국내에서도 수소기술의 이산화탄소 저감 효과와 기술적인 성과에 대한 회의론이 일어났었다.
하지만, 2009년 10월 확정된바와 같이, 미 의회는 전년도와 같이 연료전지기술을 수소기술 프로그램 하에서 진행하는 것으로 해 수소 기술의 예산규모를 오히려 전년 대비 3% 증가한 1억7,400만달러를 세출예산으로 최종 결정했다.
교과부의 21세기 프론티어 수소에너지사업단 주최로 지난 12월10일, 용산역 회의실에서 개최한 제7차 수소에너지 포럼은 ‘연료전지차의 상용화와 인프라구축’이라는 주제에 대한 것이었다.
이제 닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐 하는 이른바 ‘chicken or the egg’ 딜레마를 논의할 시점이 됐다는 것은 역설적으로 수소자동차의 보급시기를 논할 때 ‘자동차가 기술적인 측면에서 요구되는 수준을 만족할 만한가’ 하는 것은 더 이상 큰 이슈가 아님을 의미하는 것이기도 하다.
물론 ‘연료전지차도 없는데 수소충전소를 누가 만들겠는가’, 또 ‘수소충전소도 없는데 소비자가 어떻게 차를 살 여건이 되겠는가’의 문제에 쉬운 해법이 있는 것은 아니다. 하지만, 기존의 자동차 관련 산업이나 수소분야의 산업들이 상호 협력으로 수소사회를 앞당길 수 있는 가능성을 열 수 있는지에 대해 논의할 시점이 됐다는 것은 자명하다.
■수소자동차의 수준과 현황
지난 2005년도의 데이터를 보면, 전 세계적으로 운행 중인 연료전지자동차는 약 300대 수준으로 휘발유 차량 5,100만대, 경유차량 1,500만대, 하이브리드 30만대에 비하면 극히 미미한 수준이었다.
모든 국가와 자동차사가 궁극적으로 친환경차를 지향하고 있고, 특히 자동차사에서는 친환경차의 궁극적 형태가 전기차나 연료전지차와 같은 형태이며 시장도 급성장할 것이라는 것을 공통적으로 언급하고 있다.
현재 기술로 보면 근거리 도심용은 전기차, 중장거리용은 연료전지차량이 우세하므로 용도에 따라 선택될 것이다. 현재의 기술수준에서 연료전지차는 연료전지효율까지 감안해도 전기자동차의 5배 정도의 전기에너지밀도(electric energy density)를 가지고 있기 때문이다.
현대기아자동차의 연료전지차량은 1회 충전 후 650km의 주행거리, 휘발유와 비교한다면, 리터당 31km를 달리는 수준에 도달한 것으로 알려졌다. 연료전지차 운용 경험으로 보아도 현대기아차는 미국의 에너지부나 캘리포니아 주정부 프로그램으로 수소연료전지차량 32대, 국내 모니터링 프로그램에서도 연료전지 버스 2대를 포함하여 현재 20대가 운행 중이며, 정부 계획상 버스 4대를 포함하여 34대가 운행될 예정이다.
상업화라는 면에서 2012년 이후에는 연간 1천대 규모의 양산준비가 시작돼 2015년부터는 초기시장에 진입할 것이라는 것이 현대기아자동차의 계획이다.
수소충전소 문제는 독일의 사례와 같이 자동차와 인프라관계 회사들이 정부와 함께 컨소시엄을 구성하고, 초기 충전소 비용 분담방안을 도출하는 것도 한 방안이다. 천연가스충전소 건설 경험과 국내의 수소충전소 건설 사례에 비춰 본다면, 수소충전소 보급은 정부와 기업 등의 협력으로 전략적으로 접근해야 하며, 단순한 시장논리만으로는 곤란하다.
미비한 관련 법규도 정비하면서, 무분별한 과열 경쟁을 막고 시장기능을 살릴 수 있도록 제도적, 사회적, 기술적인 노력과 조율이 필요하다.
■수소저장용 소재
수소저장이라는 관점에서 만족할만한 수준에 도달한 것은 아니나, 수소연료전지자동차용으로 주로 고압저장기술이 적용, 실증되고 있고 표준화도 진행되고 있다.
필자가 언급하고 싶은 점은 새로운 소재만이 아니라 단기간 내에 당장 필요한 기술과 관련한 소재의 산업화가 필요하다는 것이다. 수소저장용 나노구조체나 금속수소화물, 화학수소화물이 수소에너지사업단에서 연구되고 있기는 하지만 당장 상업화가 가능한 기술은 아니다.
수소를 350기압 혹은 700기압으로 가압할 때 드는 기계적 에너지는 이상기체, 등온과정이라는 가정 하에서 수소 1kg당 각각 7MJ, 8MJ이 든다. 실제로는 이상기체도 아니고 등온과정도 아니며, 압축기의 기계적 손실까지 감안한다면, 각각 14.5MJ, 18MJ이 소요된다. 수소가 가진 에너지가 120MJ/kg 이므로 각각 12%, 15%의 에너지 손실이 생기는 셈이다. 만약 액화저장을 한다면 액화하는 데 드는 에너지 손실이 30%에 이른다.
자동차에 탑재할 경우에는 증발에 의한 손실도 무시할 수 없어서, 에너지란 관점에서 보면 700기압을 선호할 수밖에 없으며, 이것이 현재의 추세이다.
현재의 기술로도 3개의 탄소복합체 용기를 쓴다면 135kg의 저장용기에 4.2kg의 수소를 저장할 수 있다. 충전시간도 3~5분이면 가능하다. Type 3나 Type 4의 경우 소재 측면에서 보면 금속이나 비금속으로 만들어진 라이너는 거의 하중을 부담하지 않고 수소가 새지 않도록 하는 역할만 하며, 라이너 외부를 감고 있는 가볍고 강도가 뛰어난 탄소섬유가 하중을 감당하고 있다.
현재 고압용기를 제조할 수 있는 기술은 국내에서도 가지고 있으나 고강도의 탄소섬유는 특정국가의 특정기업이 독점하고 있어 동종의 탄소섬유나 이에 필적할 만한 강도를 갖는 새로운 소재를 국내에서도 개발할 필요가 있다.
탄소재를 비롯한 각종 나노구조체는 수소저장시 물리적 흡착이 주로 일어나므로 고압 및 액체저장 기술과 함께 물리적 저장기술로 분류하고 있다.
현재의 연구결과를 보면, 흡착소재의 수소흡착량은 소재의 비표면적과, 세공구조, 크기에 영향을 받는다. 데이터가 분산돼 있기는 하지만 여러 가지 수소흡착소재의 비표면적과 수소저장량은 1.9×10-3 wt%gm-2의 상관계수를 갖는다고 보고됐다. -196℃, 30기압 이내의 범위에서 수소저장량이 10%가 넘는 저온흡착소재를 만들어낼 수 있다면, 액체저장기술과 융합되어 새로운 저장기술로 각광을 받을 수 있을 것이다.
■앞으로 가야할 길
현재 수소와 관련하여 다양한 분야의 연구개발이 경쟁적으로 진행되고 있고, 세계 곳곳에서 전시회, 국제회의 등 수소연료전지에 대한 이벤트가 지속적으로 열리고 있으며, 표준화도 이루어지고 있다.
세계적 경제위기로 단기간에 성과를 내야한다는 분위기 속에서도 인류의 궁극적 꿈을 현실화하기 위해 수소분야의 기초 원천기술도 상용화를 위한 해결과제에 집중하고 있다.
수소분야에 기술발전이 필요한 영역이 엄연히 존재하고 있지만, 기적이 필요한 수준은 아니다. 연료전지 등 수소관련 기술은 일반적으로 생각하는 것보다 더 상용화에 근접해 있으며 산업용 수소는 이미 시장과 관련 산업도 형성되어 있다.
우리나라는 현재 수송 분야가 이산화탄소 배출량의 18%, 에너지산업이 30%대를 차지하고 있어, 수송용과 발전용으로서의 수소연료전지의 적용은 그만한 가치가 있는 분야다.
우리가 꿈꾸는 미래는 만들어가는 것이다. 과거 유사한 사업에서 배운 학습을 바탕으로 시행착오를 최소화할 수 있도록 중지를 모아 노력한다면, 새로운 시대의 리더로서 역할을 할 수 있을 것이며 궁극적으로는 탈 화석연료와 환경의 획기적 개선을 얻을 수 있을 것이다.
