Update2024.05.09 (목)
KRISS, H₂ 안전 연구로 산업화 박차
자원고갈, 그리고 국제유가의 변동과 맞물린 에너지자원의 불안정성은 지구의 환경 보존 현안과 맞물려 현재 인류가 직면하고 있는 가장 중요한 문제 중의 하나이다.
우리가 체감하고 있지 못한 사이 서서히 거대한 에너지의 패러다임이 이동하기 시작했다.
태양광 및 풍력 등을 포함한 신재생에너지원과 수소에너지를 활용한 에너지원 다변화 정책이 전세계 주요선진국을 중심으로 추진되어 오고 있으며, 기술적·경제적·정치적 관점에서 치열하게 신에너지생태가 조성되고 있다.
그중 수소에너지는 활용의 경제성과 자원의 풍족함에 있어 향후 미래 에너지원의 핵심으로 여겨지고 있다.
■ 韓 기업 중심 H₂ 기술개발 활발
수소를 에너지원으로 본격적으로 활용하고자 하는 시도는 전세계적으로 2000년대에 접어들어 강력하게 추진됐으며, 미국 에너지성(DOE)의 수소프로그램과 일본 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)의 중장기 전략수립으로부터 구체화됐다.
수소생산·저장·이송·이용의 4개 분야에 대해 기술개발이 본격화 됐으며, 수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)의 수소에너지변환시스템 개발을 중심으로 관련 연구가 활발히 진행됐다.
수소에너지 이용을 위한 수소연료전지는 가정용 분산발전 시스템, 발전용 시스템, 자동차용 시스템으로 대별돼 연구개발이 정부와 기업주도로 10여년간 수행됐으나, 기술적 난제와 관련 산업 및 시장의 미성숙, 태양전지 및 기타 신재생에너지에 대한 기대로 인해 산업화의 모멘텀이 줄어들었던 것이 사실이다.
하지만 2011년 동일본 대지진을 기점으로 원전의 위험성과 신재생에너지에 대한 기대로 다시금 제2의 수소경제로의 도약이 시작됐다.
발전용 연료전지의 보급과 최근 국내 현대자동차와 일본의 도요타자동차의 수소연료전지 자동차의 상용화 보급 개시는 수소에너지의 활용에 일대 전환점이 될 것으로 보여진다.
수소에너지의 활용에 가장 적극적인 일본의 경우 기존 천연가스 인프라를 활용한 가정용, 발전용 연료전지와 자동차용 연료전지 개발에 있어 가장 앞선 기술을 보유하고 있으며, 정부의 정책적 지원과 경제적 보조, 기업의 선도적 기술개발 정책에 힘입어 수소경제의 실현에 가장 근접해 있다고 보여진다.
미국의 경우 자동차 산업 경쟁력 향상을 목적으로 DOE의 정책적 지원과 캘리포니아를 중심으로 한 수소고속도로(Hydrogen Highway) 및 무공해차(Zero Emission Vehicle: ZEV) 사업의 수행으로 경제규모를 근간으로 한 수소에너지의 보급에 매우 적극적인 상황이다.
우리나라의 경우 정부의 정책적 지원이 다소 부족한 것은 사실이나 기업을 중심으로 한 수소에너지 관련기술과 비즈니스 모델 개발로 수소경제의 실현에 대한 의지는 매우 강하다.
특히 수소연료전지의 보급사업과 기술개발 사업 규모 등은 일본과 미국을 잇는 전세계 선두권이라 하겠다.
■ 기술개발·관련 산업 기반 동반성장 모델 필요
연료전지기술 등 수소에너지 활용 산업 및 시장 창출에 대한 의구심으로 인프라 구축에 소극적이었으나 최근 수소연료전지의 보급과 더불어 수소인프라 구축에 대한 보급사업 및 정책적 지원이 활발해지고 있는 것은 매우 고무적인 현상이다.
수소연료전지 보급과 수소충전인프라 구축을 위한 활동이 최근 활발히 전개되고 있다. 경기도 화성시 발안산업단지에 현 국내최대규모 58.8 MW급 경기그린에너지 연료전지 발전소가 건설되었고, 평택시에 세계최대규모 360 MW급 연료전지 발전소 건립 투자협약이 포스코에너지 등을 중심으로 진행됐다.
포항시와 울산시는 제철소와 석유화학단지에서 대량으로 공급될 수 있는 부생수소를 활용하기 위해 수소 수송용 배관 인프라 구축과 함께 수소연료전지 시범타운 조성사업이 한창이다.
충청남도는 올해 수소연료전지차 시범보급사업 대상기관으로 선정되어 수소충전소 건설계획을 수립했고 광주광역시 또한 수소연료전지차 시범보급사업의 일환으로 수소스테이션 등의 수소인프라 확충 사업을 진행 중이다.
더불어 기업의 사업확충도 활발한데 두산은 가정용 연료전지업체인 퓨얼셀파워를 합병하고 미국 건물용 연료전지 보유업체 클리어에지파워를 인수하여 두산 퓨얼셀 아메리카를 출범시켰다.
포스코는 그간 쌓아온 사업 노하우를 바탕으로 경기그린에너지 발전소를 준공하는 등 도심형 분산발전의 사업모델을 바탕으로 사업을 진행 중이며, LG는 롤스로이스의 연료전지부문을 인수해 개발에 박차를 가하고 있다.
미국은 수소인프라 확충 측면에서 석유·화학공장에서 연간 1.5억대의 연료전지차가 사용할 수 있는 수소를 생산하고 있으며 단기적으로 트레일러 (Trailer), 장기적으로 수소 배관망을 구축할 계획에 있다.
일본은 올해 도요타자동차에서 높은 기술력을 바탕으로 한 고성능 수소연료전지자동차를 일반에 시판함으로써 향후 수소인프라 구축의 시급성과 수소경제로의 시발점을 알렸다.
이와 더불어 일본 정부는 보조금 지급 및 규제 완화 지원 계획을 수립하면서 수년 내 대도시를 거점으로 수소충전소 100개소의 설치 계획을 수립하였다.
이와타니 산업은 수소충전소 20기의 설치 계획을 발표하였고, 도쿄가스와 도요타 통상 등도 수소충전소 설치 계획을 연이어 발표하고 있다.
수소연료전지자동차의 정착을 위해 수소충전소 건설뿐만 아니라 건설비, 차량가격, 수소가격도 중요한 요소임을 인지하고 건설비, 차량가격의 보조금 지급을 위한 정책적 지원을 적극 고려하고 있으며 차량용 수소가격 역시 2020년까지 현재보다 50 % 인하한다는 계획 하에 수소유통을 위한 전략을 수립 중에 있다.
NEDO는 수소 제조, 수송, 판매에 이르는 공급망 전체의 비용 절감에 나서고 있다. 수소는 현재 정유공장이나 제철소 등에서 자체 이용 목적으로 생산하는 경우가 많아 외부 판매량의 한정으로 인하여 연료비가 고가이다.
따라서 해외에서 수소를 저렴하게 생산해서 해상으로 수송, 항구에 위치하는 수소공급기지 네트워크에 저장, 공급하는 대규모 인프라 구축에 이미 착수했다. 일본의 수소에너지 보급 정책이 시사하는 바는 매우 크다. 그간 우리는 수소에너지의 전력변환기술 등 연료전지 시스템 및 발전 시스템과 원천 소재 개발에 치중해 세부기술 성숙도의 수준이 곧 시장 규모와 연계될 수밖에 없는 구조였다.
이는 중장기 전략이 요구되는 에너지시장 창출전략에는 적합하지 않다. 결국 기술개발과 관련 산업 기반이 같이 성장하는 지속가능 성장 모델이 필요하며, 기술개발과 함께 수소에너지의 경제성을 극대화 할 수 있는 인프라 구축을 포함한 수소에너지 생태계의 선순환 전략 수립이 필요하다.
다행이 최근 우리나라 역시 이러한 상황을 인지하고 앞서 기술한 바와 같이 기업과 지방자치단체를 중심으로 수소에너지보급 및 인프라 사업 모델을 수립하여 수소에너지의 산업화에 박차를 가하고 있다.
‘기준·표준·규격 책정’ 목표 하 사업 수행
韓 기술 국제표준 등록, 국가적 임무 수행
■ 수소경제 핵심, ‘효용성과 안전성’
지난 십수년간 우리는 에너지의 경제성에 바탕을 둔 수소에너지의 효용성을 강조하여 기술개발을 진행해 왔다.
하지만 한 가지가 더 있다. 수소경제의 핵심은 ‘효용성과 안전성’이다. 향후 수소충전소 구축을 포함한 거대 에너지 인프라의 구축에 있어 경제성과 직결되면서도 가장 중요한 이슈는 수소에너지의 안전성 확보가 될 것이다.
수소는 잠재하고 있는 위험성이 있으나 안전설계에 기반한 인프라 하에서는 안전하고 매우 효율적으로 운용이 가능한 에너지이다.
현재 기술수준에서는 고압수소 또는 액화수소 형태의 수소에너지 활용이 가능할 것이며, 근시일에는 고압수소를 활용한 수소에너지 활용이 더 현실적이라 하겠다.
현재 수소연료전지자동차는 약 700기압의 고압수소로 저장돼 사용되며 한번 충전으로 최소 500km 이상 이동이 가능하다.
하지만 수소가스는 확산성이 천연가스의 4배, 가솔린의 12배이며, 폭발성은 가솔린의 3배이다.
또한 가장 가벼운 기체로써 일반 천연가스에 비해 약 80배 이상의 침투성을 가져 용기 밖으로 확산 및 배출 위험이 높다. 이러한 수소에너지의 잠재적 위험을 제어하는 것이 수소안전의 핵심이라 하겠다.
■ KRISS, 국내 유일 H₂ 안전 분야 연구 수행
현재 국가표준 대표기관인 한국표준과학연구원(KRISS)의 에너지소재표준센터에서는 2009년에 국내최초로 수소안전연구동을 건립하고 현재까지 수소에너지의 안전한 사용을 위한 안전기술 분야의 연구를 수행중이다.
수소경제 시대를 대비한 수소의 생산·저장·이송·이용과 관련된 수소설비의 안전성 및 신뢰성을 체계적으로 연구·평가하며 관련 기술을 개발하는 국내 유일의 관련 연구팀이다.
세계적으로는 미국·일본·영국·캐나다 등이 고압 수소안전 연구를 수행 중에 있으며, 한국표준과학연구원은 미국·일본 등과 활발한 기술교류를 통해 빠른 속도로 연구수준을 끌어올리고 있다.
수소경제가 도래할 미래에는 현재의 도시가스 배관에 수소가스가 흐르게 될 것이며, 용기의 형태이든 카트리지 형태이든 수소의 저장 매체가 널리 보급될 것이다.
한국표준과학연구원에서는 가스 배관 및 용기 소재의 안전성에 대한 평가와 연구를 ‘Safety, Codes, and Standards’의 관점에서 진행하고 있다. 단순 평가와 연구에 그치는 것이 아니라 ‘수소에 관련되는 안전’과 ‘수소에 관련되는 기준·표준·규격의 책정’으로의 목표 하에 사업이 수행되고 있다.
이미 미국에서는 DOE의 수소프로그램 내에 안전, 표준, 규격 활동이 포함된 안전 기술개발이 진행되고 있으며, 유럽에서는 EU FP 내에서 수소안전기술 확립을 위한 실증 시험·연구 등 여러 활동이 진행되었다.
일본은 2000년 초반에 이미 수소 안전 이용 등 기반기술 개발 프로젝트를 수행하여 수소공급인프라 관련 안전 검토를 진행했다.
한국표준과학연구원에서는 국내 수소에너지의 효용성에 기반한 사업과 긴밀히 연계해 수소에너지의 안전한 사용 관점에서 수소경제로의 전환에 기여하고자 한다.
수소에너지변환시스템과 수소인프라 구축에 있어 일반수소, 고압수소, 액화수소 등 다양한 환경에 노출되는 수소 저장 용기와 배관 소재의 안전성에 대한 평가와 축적된 데이터베이스에 근거한 소재의 사용적합성, 한계수명에 대한 기준을 마련하기 위한 연구개발을 한창 수행중이다.
한국표준과학연구원은 3단계 중장기계획(2015-2023)으로 수소재료측정기술, 수소안전저장·수송기술, 수소설비안전관리기술 개발 전략을 수립했으며, 이를 국가참조표준 개발에 연계하여 향후 한국형 수소설비 (수소충전소, 수소연료전지자동차, 대규모 수소연료 수송을 위한 수소파이프라인) 개발에 안전 설계 정보로 제공하고자 한다.
또한 국제적으로 수소에너지 활용에 대한 국제표준화 (ISO/TC197)가 전개되고 있고 구체적인 수소안전에 대한 표준코드 개발이 진행되고 있는바 국제 표준화에 국내기술을 국제표준으로 등록하기 위한 활동으로 국가적 임무를 수행하고 있다.
이를 위해 현재 협력관계를 유지하고 있는 KIST, KAIST, 가스공사, 가스안전공사 등 주요 국내연구기관, 미국 국립기술표준원(NIST), Sandia 국립연구소(SNL), 일본 산업기술총합연구소(AIST) 등의 국외 주요 선진연구기관, 관련 산업계와도 긴밀한 협조를 진행하고 있다.
■ 안전 확보 과학적지식·정련된 기술 필요
안전을 확보하기 위해서는 과학적 지식과 정련된 기술이 필요하며, 데이터베이스에 근간한 체계적으로 구축된 안전운용 프레임 내에서 필요한 기술을 사용해야 한다는 우리의 인식이 필요한 시점이다.
우리나라는 급변하는 대내외 환경의 어려움에도 불구하고 수소경제에 대비한 수소에너지 관련 기술 및 보급과 관련해서는 세계적 수준에 도달해 있다. 수소에너지의 효율적 활용기술과 안전기술에 기반한 수소경제 실현에 대한 국민적 관심과 지속적 지원이 이루어 질 수 있기를 바라며 향후 수소에너지가 차세대 국가성장동력이 될 수 있을 것으로 기대한다.
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