‘제5회 국제연료전지포럼’이 지난 3일 대구 엑스코에서 개최됐다.

대구광역시와 경상북도가 주최하고 포항테크노파크, 금오공대 LINC사업단 등 5개 기관이 주관한 이번 포럼에서는 연료전지와 관련해 총 10개 주제발표가 진행돼 국내외 연료전지 동향을 파악할 수 있는 좋은 기회가 됐다.

본지는 이 중 김종원 한국에너지기술연구원 박사(前 미래창조과학부 21세기 프론티어사업 수소에너지사업단장)와 이해원 한국에너지기술평가원 연료전지 PD가 발표한 우리나라의 수소 및 연료전지 현황과 발전정책을 가스신문 독자들에게 편집해 소개하고자 한다.
 

◼ 한국의 수소에너지 현황과 발전정책

재생E 저장, 수소와의 연계시스템 고려해야

美·獨·日 등 해외국 수소제조기술 연구 '활발'
정부의 일관성 있는 정책추진과 초기지원 필요

  김종원 한국에너지기술연구원 박사
(前 미래창조과학부 21세기 프론티어사업 수소에너지사업단장)

‘재생에너지를 최대한 활용할 수 있도록 알고 있는 기술의 융합과 시스템 통합’으로 에너지의 공급을 촉구한 제러미 리프킨의 저서 ‘3차 산업혁명’을 다시 언급하지 않더라도 이미 재생에너지의 비중 확대 노력은 유럽을 비롯한 세계 각국의 에너지정책에 반영되고 있다.

태양에너지, 풍력 등의 재생에너지는 ‘기후변화에 관한 정부간 패널’(IPCC) 보고서에서 언급된 바와 같이 적절한 정책이 뒷받침된다면 2050년쯤에는 세계에너지의 80%를 공급할 수 있을 것이라는 것이 전문가들이 내놓은 견해이다.

신에너지인 수소는 물, 메탄과 같은 화합물의 형태로서 자연상태에서는 단독으로 거의 존재하지 않으며 전기와 같이 1차 에너지원을 이용해 만들어지는 에너지 캐리어다.

에너지로 본다면 1차 에너지를 이용해 형태만을 바꾸어 놓은 셈이며 에너지의 생산 없이 단순히 에너지를 다른 시스템으로 전해주는 역할을 한다. 석탄이나 천연가스가 1차 에너지라면 여기서 만들어진 액체연료나 수소, 식물에서 얻어지는 바이오에탄올, 바이오디젤도 에너지 캐리어에 속한다.

최근 이슈가 되고 있는 재생에너지의 저장은 에너지저장기술의 특성과 지형적 여건을 감안하고, 기술의 다양한 발전과 수소연료전지차량 운행을 위한 인프라를 고려한다면 수소와의 연계시스템도 고려되어야 한다.

그 동안 세계 각국 정부와 기업의 노력으로 수소연료전지가 에너지와 환경문제 해결에 도움을 줄 시장을 만들어갈 것이라는 긍정적인 시각이 형성되어 왔다. 지금도 수소 제조기술은 기술성숙도와 경제성에 따른 시차가 있을 뿐 궁극적으로는 재생에너지의 효율적 활용이 주요 경로가 되어야 한다는 데에는 이견이 없다.

잘 알려진 상용화된 기술인 수전해기술에서도 연료전지자동차의 인프라 등 다양한 분야에 적용하기 위해서는 고압의 수소를 압축기 없이도 만들어 낼 수 있는 수전해 장치 개발, 부하 변동이 큰 재생전원특성에 적합한 전극소재, 시스템 최적화 및 설비규모 등이 기술개발 목표가 되고 있다.

수전해기술의 접목은 그리드 안정용뿐만 아니라 분산전원용으로 연료전지와 연계해 전기혜택을 받지 못하는 수억의 사람들에게 전기를 공급해줄 수 있으며 또 연료전지자동차용 수소공급 인프라로도, 화학원료인 수소 공급 수단으로도 활용이 가능하다.

서울 마포구 상암동의 매립가스(LFG)를 이용한 수소충전소의 사례와 같이 매립지에서 발생하는 가스를 정제해 연료전지로 열과 전기를 얻고, 정제된 이산화탄소를 활용해 농산물 생산을 25% 증대시키겠다는 아이디어는 현재 해외에서 실증단계에 있다.

태양이 한 시간 동안 보내주는 에너지의 양만으로도 인류가 1년을 쓸 수 있기에 오래 전부터 이를 열이나 전기의 형태로 저장해서 에너지원으로 이용하고자 지속적으로 노력해왔다.

그 결과 태양전지는 이미 상용화되었고, 전기를 발생시키는 원리를 이용해 직접 수소를 생산하는 경로도 연구되어 왔다. 하지만 두 분자의 물에서 4개의 전자를 떼어내어 이동시켜 수소를 만드는 것도 어려울뿐더러 수소를 만들고 난 후 산소와 분리시켜 재결합을 막는 일은 광전기화학용 촉매의 분자단위까지 설계해야 가능한 일이다.

그 동안 수소에너지사업단에서 수행해 온 광화학적 수소제조 기술은 당장은 상용화를 기대하기 어렵지만 미래를 준비하는 일로 상당한 성과를 거두어왔다.

단기적으로는 분산형 수소생산 시장개발이 가능한 시스템으로 미국에서는 정치형 연료전지로 수소, 열 및 전기를 모두 생산해내는 시스템을 실증 준비 중이다. 이러한 시장은 미국만 해도 16억 달러에 달할 것으로 추산하고 있다. 대부분의 산업체에서 필요로 하는 규모인 하루 135㎏의 수소를 생산해내는 이 기술이 상용화되면 5~7달러/㎏로 가격경쟁력을 가질 것으로 보고 있다.

독일의 경우 좀 더 효율적이고 값싼 여러 종류의 연료에도 적용할 수 있는 막분리 반응기에 대한 연구가 이뤄지고 있는데 가정용 연료전지에 목표를 두고 촉매, 막, 열관리 등의 최적화에 주안을 두고 있다. 독일의 재생에너지 수소저장 프로젝트의 실증사업으로 튜가그룹은 천연가스 배관망에 전기분해로 생산된 수소를 주입하기 시작했다.

수전해장치와 가스 혼합장치(기술적으로 허용한도인 수소농도 2%(체적기준) 이내로 혼합)로 이뤄져 있는데 수전해장치에서는 메탄 파이프라인과 같은 압력인 3.5기압으로 시간당 60㎥의 수소(315㎾ 소요)를 생산하므로 압축기가 필요 없다.

또 스위스는 이산화탄소와 잉여전기로 물분해하여 얻는 수소를 이용해 합성 천연가스를 만드는 촉매와 공정을 연구 중인데 합성천연가스는 기존에 설치된 천연가스 배관망을 이용할 수 있다는 장점이 있다.

일본 NEDO의 ‘재생에너지의 수소전력저장 충·방전시스템에 관한 검토과제’는 도시바가 수행 중인데 태양광이나 풍력에서 발전된 전기를 변환장치를 통해 수소로 바꿔 저장탱크에 저장하는 내용이다. 전기와 열을 모두 고려하면 입력에너지 대비 출력에너지의 비율이 84%에 이른다는 설명이다.

물론 나스(NaS, 나트륨황전지)나 리튬이온배터리보다 낮은 수치지만 나스가 300℃에서 가동되는 만큼 수소발전저장장치는 고온유지 부담이 적고 리튬이온배터리에 들어가는 희유금속이 필요치 않아 가격이 저렴하다. 또 양수발전이나 압축공기장치처럼 장소 제약도 없다. 도시바는 수소발전저장장치가 기존 대규모 충·방전 배터리보다 효율면에서 앞선다고 자신하고 있다.

유수한 자동차 회사들이 연료전지자동차의 출시 시점을 2015~2017년으로 잡고 있다. 우리나라가 정부지원으로 기술 선진국인 미국, 일본, 독일에 이어 수소연료전지 분야에서 선두그룹에 속해있었지만 장단기적인 실행 로드맵이 없다는 데 아쉬움이 크다.

독일의 H2Mobility 파트너십, 영국의 연료전지 자동차 보급 로드맵(UKH2Mobility), 미국 H2USA의 움직임, 일본의 수소연료전지 정책을 견주어 보면서 기업의 노력도 물론 중요하지만 정부가 초기엔 정부지원이 반드시 필요하다는 전문가들의 지적을 다시 한 번 되새기고 일관성 있는 정책을 펼쳤으면 하는 바람이다.

◼ 한국의 연료전지산업 현황과 전망 : 정부정책의 영향

            ‘연료전지산업 생존여부’ 정부정책이 크게 좌우

RPS제도, 에너팜 시장, SGIP 통해 전 세계 FC 확대
가격저감 노력과 일정규모 이상의 대상시장 조성돼야

   이해원 한국에너지기술평가원 연료전지 PD

세계 각국의 정부 정책은 연료전지 산업의 생존을 좌우하는 가장 중요한 역할을 하고 있으며, 앞으로도 이 추세는 지속될 것으로 판단된다.

기술개발 과정에서 정부의 지원을 받는 것은 물론 연료전지의 판매도 정부의 세액공제나 보조금 지원에 지배적인 영향을 받고 있다.

현재 글로벌 연료전지 업체들의 주목을 받고 있는 대표적인 3개 제도시장은 우리나라의 신재생에너지 공급의무화(RPS)제도 시장, 일본의 가정용 소형 열병합 연료전지인 에너팜(Ene-farm) 시장, 그리고 미국 캘리포니아주의 분산전원 인센티브(SGIP : Self Generated Incentive Program) 시장이다.

실제 지난 5년간 전 세계 연료전지 보급량을 보면 앞서 언급한 3대 보조금 시장의 영향이 고스란히 나타나 있다.

고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 에너팜, 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 RPS, 고체산화물 연료전지(SOFC)는 미국의 SGIP 시장에서 보급량을 급격히 늘리면서 글로벌 보급 통계를 주도하고 있다. 물론 PEMFC의 경우 연료전지자동차의 시범보급사업이 시작되고 초기 상용화 단계에 접어들면 현재 정치형 연료전지 시장과는 비교가 되지 않는 시장으로 발전할 것으로 예상되나 현재는 주로 정치형 시장이 연료전지 시장을 주도하고 있는 상황이다.

제3차 신재생에너지 기본계획 기간에 연료전지발전량은 지속적으로 증가해 2008년 20GWh에서 2012년 389 GWh로 연평균 110%의 증가율을 보이고 있다. 특히 신재생에너지 공급의무화제도가 본격적으로 도입된 2012년부터 분산 또는 그리드 연계형 MCFC의 보급량이 폭발적으로 늘어났다.

매년 증가해 2020년 10%에 도달하는 의무 비율을 고려하면 당분간 발전용 연료전지 시장은 지속적인 성장을 거듭할 것으로 예상된다.

특히 2013년 말 경기그린에너지발전소로 연료전지 발전량은 거의 두 배로 늘어 853GWh로 2012년 기준 풍력이나 태양광에 근접하는 수준에 도달했다. 제4차 신재생에너지 기본계획에서도 연료전지의 발전량은 꾸준히 증가할 것으로 예상되며, 새로이 도입되는 신재생 열에너지 공급 의무화 제도 역시 연료전지 시장의 확대에 큰 영향을 미칠 것으로 전망된다.

이와 함께 가정용 연료전지 선도국인 일본은 2011년 3월 토호쿠 대지진 이후 급격하게 늘어난 보급량을 바탕으로 거의 매년 전년대비 2배에 가까운 보급대수를 기록하고 있다.

최근에는 소용량화, 시스템 단순화, 설치 유연성 향상을 통해 초소형 아파트에도 적용할 수 있는 새로운 모델을 출시하면서 가격 저감은 물론 10~15년 정도의 수명을 보장할 수 있는 기술적 수준에 도달했다.

누적 시스템 대수가 늘어나면서 세계 각국의 연구자들은 에너팜의 가격 저감 곡선을 연구하기 시작했고, 공급 대수가 큰 폭으로 증가한 현재까지도 누적 보급대수가 두 배로 증가할 때마다 가격이 거의 20% 정도 감소하는 경향을 보이고 있다.

또 누적 생산량이 두 배로 증가할 때마다 얻어지는 상대적인 가격비를 나타내는 런닝 레이트(Learning rate)가 거의 변함없이 20%를 유지하고 있다. 물론 전기요금이나 연료전지용 연료비 등 지역 요인들(Local conditions)이 우리나라와 크게 다르지만, 런닝 레이트 20%는 지금까지 연구된 다른 어떤 연료전지보다 높은 수준의 가격저감 속도를 보여주고 있다.

대부분의 학습효과 분석에 의하면 누적생산량 증가에 따라 연료전지 스택보다는 BOP 부품의 가격저감 효과가 연료전지시스템의 가격 저감에 더 큰 기여를 하는 것으로 알려졌다. 다수의 경쟁업체가 존재하지만 정부지원으로 매우 활발하게 전개한 부품 표준화 또는 공용화가 강력한 생태계 기반을 구축하고 가격 저감 효과를 지속시키는 주된 요인으로 판단된다.

에너팜 보급제도에서 누적 생산량 5만대에 대한 분석을 통해 일본 가정용 연료전지산업의 학습효과를 살펴보면서 당연히 국내 신재생에너지 주택지원사업의 현황을 살펴보는 것도 흥미롭고 교훈적이라고 생각된다.

2013년 말 기준 누적 생산량(보급대수)은 1500대로 일본의 거의 50분의 1이하로 적지만 국내 가정용 연료전지의 가격 저감 경향은 환율을 1엔당 13원으로 계산했을 때 에너팜 보급량이 1500대일 때에 비해 약간 낮은 가격 수준이나 대체로 에너팜의 학습곡선과 유사한 경향을 보인다.

상대적으로 보급대수가 적은 상황에서도 퓨얼셀파워가 거의 독점상태를 유지하고 있고 부품조달을 위한 산업생태계도 취약하지만 이러한 불리한 점을 고려하더라도 런닝레이트 15%는 상당히 고무적인 수준으로 판단된다.

이밖에 미국의 연료전지 보급은 SGIP 제도와 ITC(Investment Tax Credit : 투자세액공제) 제도의 영향으로 캘리포니아주가 주도하고 있다. 정부 보급정책이 연료전지산업의 생존에 미치는 영향을 분석한 오크리지국립연구소(ORNL)의 2011년 보고서를 살펴보면 대상 시장의 규모와 시장 점유율이 매우 중요함을 알 수 있다.

ORNL의 분석대상은 5㎾ micro-CHP, 5㎾ 백업파워, 그리고 5㎾ 지게차(Material Handling Equipment) 시장으로 경쟁기술과의 원가분석을 통해 시장규모와 시장점유율 예측수치를 바탕으로 전망한 결과, 백업파워는 단기간의 아주 작은 시장 감소에도 불구하고 지속적인 시장 성장을 예상했다.

또 마이크로 CHP 시장은 정책 중단과 함께 시장이 사라질 것으로 예상했으며 지게차 시장은 5년 이상의 극단적인 수요 감소를 예상하면서 이 기간 동안 생존할 수 있는 산업체가 없을 것으로 내다보고 있다.

여기서 주목할 점은 학습효과와 정부 보조금 정책에 의해 경쟁기술의 선택이 결정되지만 대상 시장의 규모와 성장성, 그리고 잠재적인 시장 점유율이 충분하지 않은 경우에는 정부 정책의 중단과 함께 시장을 지속시키기 어려울 수 있다는 점을 시사한다.

따라서 연료전지의 성능향상과 수명연장을 위한 공백기술 보완을 통한 지속적인 가격저감 노력과 함께 제조공정 자동화와 규모의 경제 효과를 제대로 구현할 수 있는 규모를 가지는 대상 시장에서 훨씬 큰 정책 효과를 기대할 수 있다는 사실을 확인할 수 있다.