정부의 에너지정책에 적합한 에너지시스템은 수소 및 연료전지 기술

-국내 생산수소는 130만톤으로 부생수소로 생산…에너지 분야 1% 정도 사용
-연료전지 분야 2012년 매출규모는 1조2천억 원…2020년 세계 연료전지車 39만대
-수소연료전지 산업육성 위해서는 인프라·시장·정책·비즈니스 모델 필요
-대기업과 중소기업 잘 연계시켜 상생방안 실행 시 국가성장산업 기여할 것
                 

Ⅰ. 수소 연료전지 기술 개요 및 국내외 산업화 현황
 

1. 수소 연료전지 기술 산업화 배경  
  현재 인류가 당면하고 있는 가장 큰 문제는 에너지 자원의 한계성과 화석 에너지 사용에 의한 환경오염, 기후변화의 문제이다. 선진국들은 석유를 대체할 새로운 에너지의 개발, 특히 신재생 에너지 기술개발에 많은 노력을 해오고 있으며 특히 기존 화석연료 중심 에너지시스템을 큰 충격 없이 흡수 할 수 있는 ‘수소 연료전지’에 대하여 크게 주목하고 있다. 실제 인류의 에너지 변천사를 살펴보면 에너지 혁명이 곧 산업혁명을 이끌어 왔고 에너지의 흐름은 연료에 들어있는 탄소 고리가 적어지는 방향으로 진행되고  있음을 알 수 있다. 즉 앞으로는 수소에너지 시대가 도래 할 것이라는 것을 쉽게 예측 할 수 있는 것이다. 이는 수소에너지가 궁극적으로 화석에너지를 기반으로 하고 있는 에너지시스템이 가지고 있는 에너지 및 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 시스템으로 평가받고 있기 때문이다. 이러한 수소에너지시스템 기술의 확보 및 산업화는 21세기 에너지 환경문제 해결과 더불어 향후 신성장 동력으로 국가의 산업 경쟁력을 키울 수 있는 좋은 기회가 될 것으로 생각된다.

    2. 수소에너지란?
  수소는 지구상 가장 많이 존재하는 원소(70%)이지만 반면 수소는 전기와 같이 제조 시 다른 에너지원을 필요로 하는 2차 에너지원이다. 물로부터 얻을 수 있고 수소를 연료로 사용하게 되면 다시 물로 되돌아가기 때문에 생태학적으로 가장 안정적인 에너지원이 된다. 수소를 얻기 위해서는 태양광, 풍력 등과 같은 재생에너지원을 사용하여 생산하는 방법이 가장 이상적이지만 아직은 많은 비용이 들기 때문에 화석연료로부터 수소를 생산하는 방법이 이용되고 있다. 수소에너지 시스템 특성은 수소는 연소 생성물이 물로 되어 공해물질 발생이 없고, 연료전지를 이용해 전기에너지로 쉽게 전환되어 사용할 수 있다. 아울러 가스나 액체로 만들어 쉽게 수송하며 저장할 수 있다. 즉 수소는 에너지원뿐만 아니라 저장, 수송 매체로도 활용이 가능하기 때문에 수소를 우리가 에너지매체(Energy Carrier)라고도 부르고 있다.

 3. 연료전지 발전기술 
  연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 직접 발전방식이다. 직접발전 방식이기 때문에 에너지 변환효율이 높아 CO2 배출량을 획기적으로 줄일 수 있으며, 연소과정이 없어 오염 물질 발생이나 소음, 진동 등 공해요인도 없다. 특히 연료전지는 발전 시 나오는 고온 증기를 발전에 이용, 더욱 높은 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 연료전지는 동작온도 및 전해질 종류에 따라 구분하며 발전용으로 사용 될 수 있는 연료전지는 저온 연료전지인 인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC : Polymer Membrane Electrolyte Fuel Cell) 등이 소규모 발전용 및 분산형 전원으로 사용된다. 고온 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)등 고온 연료전지가 대형 발전용으로 이용될 수 있다. 발전용 연료전지 이용은 전력수요 증가, 환경 문제 등의 전력공급 제약 요인 및 전기를 필요로 하는 수요처에서 요구되는 에너지 패턴에 따라 분산형 전원 등으로 운용되는데 전력수요적인 측면에서 가장 안정적인 분산 전원으로 주목 받고 있다.
 
 4. 국내 수소에너지 산업현황 및 전망
  국내 수소 연료전지 산업의 주된 영역은 수소제조, 수송, 연료전지 자동차 및 가정용, 발전용 연료전지가 그 주류를 이루고 있다. 국내에서 생산되는 수소는 930만 Nm3 (130만 톤) 정도이고 주로 부생수소로 생산된다. 생산된 수소는 대부분 석유 및 화학 분야에서 자체적으로 소모되고 15% 정도만 타산업체에서 사용된다. 국내에서 수소를 에너지 분야에 이용하는 양은 단지 1 % 정도로 아주 미미한 수준이다. 이런 면에서 수소산업 발전은 수소를 어떻게 에너지 분야로 그 활용도를 넓혀나가는가에 달려 있다고 볼 수도 있다. 국내 부생수소 생산이 울산, 여수, 대산 등에 밀집되어 있다는 점도 수소의 에너지 인프라 확보차원에서 보면 아주 좋은 조건을 갖추고 있다고 볼 수 있다. 
  연료전지분야 산업현황은 크게 발전용, 가정용 연료전지 및 연료전지 자동차가 연료전지가 주된 생산 분야이다. 에너지관리공단 2012년 통계에 의하면, 현재 연료전지분야 산업체는 9개로 매출규모로는 1조2천억 원(2012)정도가 되는 것으로 알려져 있어 늦게 시작한 산업에도 불구하고 최근 급격한 성장을 이루고 있다. 현재 국내에서 운행되고 있는 연료전지 자동차는 83대, 그리고 연료전지 차량에 연료를 공급하기 위한 충전소가 17곳이 건설되어 있지만 가동되고 있는 곳은 4군데 정도이고 아직 민간부문에서 운용되는 설비는 없다. 연료전지자동차는 1990년 말부터 현대자동차에서 개발을 시작하여 2013년 말 연산 1000 대 규모 상용 생산 설비를 세계 최초로 갖추어 본격적인 상업화에 대비하고 있다. 현대차 예상으로 전 세계 시장은 2020년경 39만대(Pike Research), 국내 시장은 18,000여대 연료전지 자동차가 운행 될 것으로 예측하고 있다. 이에 따라 국내 수소스테이션 보급도 168 곳에 건설될 예정이다.(그린카 로드맵, 2013)
 

  발전용 연료전지의 경우 2013년 말 기준 발전용(126.1 MW, 24개소), 가정용(1.5 MW) 등 총 127 ㎿ 이상이 설치되어 운용되고 있다. 포스코에너지의 경우 현재 연 300 MW 규모의 발전용 연료전지 구성요소 공장을 건설하고 있으며 2015년부터 본격적인 보급을 준비하고 있다. 포스코에너지가 예상한 세계시장에서의 우리나라 시장은 세계 시장의 8% 비율에 불과하였지만  2020년 40조원으로 전 세계 시장의 20%를 차지 할 것으로 예상하고 있다. 정부의 신재생에너지 보급계획에 따르면 2035년 까지 발전용 연료전지의 보급 목표를 설비용량 2,034 MW에 발전량으로 15,146 GWh로 하고 있다.

  이와 같이 전 세계 연료전지 보급업체는 국내 생산을 기반으로 준비하고 있어 한국이 전 세계 연료전지의 산업의 중심에 위치하고 있다. 그러나 발전용 연료전지 사업에서 그 기술의 중심이 국내에서 이루어지고 있는가는 심각하게 생각해 보아야 한다.
 

5. 전 세계 수소 연료전지 산업현황 및 전망
  전 세계에서 생산되는 수소생산량은 약 3,800만 톤 정도가 된다. 역시 에너지 분야에 극히 일부가 사용되고 있지만 수소와 연관된 주변 인프라 발전소 연료전지 등에서 새로운 산업으로 성장이 예상되고 있다. 닛케이 BP 클린테크연구소(출처: 2013. 10. 24『세계 수소 인프라 프로젝트 총람)』)에 따르면 향후 수소 인프라의 규모는 2050년 약 160조 엔 규모로 성장 할 것으로 예측하고 있다. 전 세계 연료전지 보급현황을 살펴보면 2012년 기준으로 보면 아시아지역의 연료전지 보급이 크게 두드러지고 있다. 종류별로 살펴보면 자동차나 가정용 연료전지인 PEMCF 도입이 주를 이루고 있으나 미국, 한국 등은 발전용 연료전지용으로 MCFC가, 일본과 미국은 가정용 연료전지에 대한 수요 확대로 SOFC 보급도 크게 증가하고 있다. 자동차용 연료전지 보급을 위한 수소충전소 보급도 전 세계적으로 보면 아직은 미미한 수준이기는 하나 자동차 수요 증가에 대비하여 점차 보급 확대가 예상되고 있다. 2013년 3월 기준으로 본다면 세계에는 총 208개소의 수소충전소 준공되었고 이중  27개소 수소충전소가 2012년에 준공된 것으로 알려지고 있다.
 

6. 국내외 수소산업 진흥정책  
  유럽은 수소인프라 확장과 연료전지 가격을 낮추기 위한 정책을 펼쳐왔다. 특히 유럽 내 독일은 신재생에너지를 활용하여 수소를 생산하고, 대용량 수소 저장소를 구축하여 그리드를 통해 공급하는 계획을 세워 추진하고 있다. (FCH JU 프로그램) 독일은 또한 2023년까지 수소충전소를 400개를 건설하여 수소 인프라를 구축하고 이를 통해 연료전지 자동차의 초기 시장 진입을 지원하는 정책도 진행하고 있다.   
 

  국내 수소 연료전지 보급계획은 크게 재생에너지 보급 계획 내 그리고 정부의 그린 카 보급계획이 있고 이를 위한 보급 정책으로 현재 시행되고 있는 RPS 제도와 앞으로 시행 예정인 RFS, RHO 제도가 있다. 현재 수소 연료전지 산업에 가장 큰 영향을 미치고 있는 RPS 제도를 올해 개정하여 신재생 중장기 보급목표를 재설정(’30년 11%→’35년 11%)하였고 현실적인 이행여건 등을 감안하여 RPS 의무이행목표인 총 전력생산량 10% 달성시기를 2년 연장하여 2024년까지로 연장하였다. 국내의 경우 정부의 초기 보급정책에 따라 수소 및 연료전지 분야가 급성장하고 있지만 현재 국가의 성장 동력으로 발전하기 위하여 보다 적극적인 정책 수립이 필요하다.

Ⅱ. 국내 수소 연료전지 산업화 전망 및 발전 방향
  우리가 살아가는 미래의 에너지 시스템은 경제적이어야 하며, 기존의 에너지 시스템 이용에서도 하등의 불편함이 없이 환경 친화적인 시스템이 구축되어야 한다. 이런 면에서 우리 사회에서 수소 연료전지 산업이 가질 수 있는 비전을 제시해 보았다. 비전은 ‘수소 연료전지 기술 산업화를 통하여 수소 연료전지 기반의 친환경, 고효율 에너지 사회 및 산업을 구축’ 하는 것이 되어야 하지 않을까 한다. 재생에너지, 연료전지 그리고 수소의 생산, 저장, 기술이 기반이 되어 에너지 다변화, 재생에너지원의 안정적인 공급, 환경 친화적 에너지 시스템 구축, 통합 에너지 인프라 구축 및 수소를 근간으로 하는 산업의 육성을 꾀 할 수 있다고 볼 수 있다.       
  이러한 수소 연료전지 산업육성을 위해서는 크게 4가지 기본적 바탕이 필요하다. 인프라(Infrastructure), 시장(Market), 정책(Global Energy Policy) 및 비즈니스 모델(Business model) 들이다. 수소 연료전지 산업의 인프라를 생각한다면 가장 중요한 부분은 기술(Technology)이고, 법 및 제도의 정비, 그리고 산업화 기본 구조가 될 공급 사슬(Supplying chain)이 필요하다. 두 번째로는 시장이다. 발전, 연료, 수송 분야 및 이 분야 연료 공급 시스템 등이 새로운 시장으로 형성 할 수 있다. 전 세계의 환경 및 크린 에너지 보급정책은 수소 연료전지 분야의 산업화에 있어서 또 다른 중요한 요소이다. 친환경 에너지 정책과 더불어 보급 정책은 특히 초기산업화에 커다란 영향을 미치는 요소이다. 끝으로 초기 경제성이 없는 기술의 시장 진출을 위해서는 새로운 사업 영역의 확보도 아주 중요하다. 수소타운, 재생에너지와의 융·복합 저장시스템, P2G 등 다양한 분야에서 수소 연료전지 기술의 적용성 향상을 위한 노력이 필요하다.
 

Ⅲ. 국내 수소 연료전지  산업화를 위한 정책 제안
  수소 연료전지 기술 및 산업은 아직 기반은 취약하지만 향후 재생에너지를 기반으로 하는 저탄소 녹색사회로 가게 되면 반드시 필요한 기술이다. 이들의 산업화를 가장 강조할 점은 수소 연료전지 산업화에 대한 비전이다. 비전에 따라 구체적인 산업화 목표가 설정되어야 할 것으로 보인다. 국가적으로는 Global Warming Problems 및 국내 에너지 안보에 관련된 문제를 해결해야하며, 기술적으로는 상업적 경쟁력을 갖는 Hydrogen-Fuel Cell 기술 확보가 이루어져야 한다. 이를 통해 국가가 앉고 있는 장기적인 화석연료 고갈 및 재생에너지 보급 목표에 도달할 수 있도록 하는 것이다. 
  수소 연료전지 기술의 산업화를 도달하기 위해서는 극복해야 할 많은 문제점들도 남아 있다. 우선 초기 산업화의 가장 큰 걸림돌은 당연히 규제이다. 수소에 대한 대중의 인식에 기인한 관련 법 및 규제가 기술의 진보를 따라가지 못하고 있기 때문이다. 이와 더불어 가장 중요한 부분은 민간부문에서 타 경쟁기술과 충분히 경쟁 할 수 있는 기술의 확보가 아주 중요하다. 정부의 지원 정책에 의존하여 시장을 확보하는 것은 한계가 있으며 수소 연료전지 시스템 기술이 가격과 신뢰성 면에서 충분한 경제성을 가질 수 있도록 준비해야 한다. 이러한 문제점에 대한 구체적인 대응 방안으로는, 재생 에너지 연계기술 확보, 발전 및 자동차 분야 인프라 구축이 필요하다. 수소 이용에 대한 안전 및 표준화 관련 규정 정비 및 교육도 시행되어야하고 민간 기업의 비용 저감 및 신뢰성 확보 노력이 절실하다.
 

1. 수소 연료전지 산업 활성화 정책 
  수소 연료전지 산업화를 위한 국가 정책수립에서 고려될 사항들을 크게 살펴보면 우선 정책 수립 방향에 있어서는 수소 연료전지 재생에너지 기술의 가치 창출 기반확립에 대한 지원이 중요하다. 두 번째로 수소 및 연료전지 기술 확보 문제이다. 기술 확보에 대한 적극적 지원을 통한 상업기술 확보와 새로운 모델 개발과 장기적 관점에서 수소 연료전지 분야 기술개발 R로드맵 정비 및 실행 계획 수립도 필요하다. 세 번째로 수소 연료전지 시스템의 상업화 및 보급을 위해서는 실증 및 보급을 위한 실증사업 프로젝트 추진이 필요하다. 초기단계인 수소 연료전지 기술의 성능 및 신뢰성, 운전 유지보수 기술 의 확보를 위한 실증사업을 적극적으로 추진 할 필요성이 있다. 끝으로 재생에너지 정책과 연계성이 있도록 보급 정책을 정비하는 것과 함께 연료전지 연료정책 개선 및 연료전지 자동차 인프라 구축, 안전 및 표준화 관련된 법과 제도를 개선하는 노력이 필요하다.
 

2. 수소 연료전지 산업화 단기 추진정책
  현재 발전 산업 분야는 연료전지 설비 국산화에 기인한 설비가격 인하에도 불구하고, 연료비가 상승으로 인한 발전원가 상승으로 수익성이 크게 줄어들고 있다. 연료전지 자동차 역시 현재 민간부문에서 운용하지 않고 있어 보급을 활성화 할 수 있는 정책 배려가 필요하다. 이미 일본은 정부 지원책에 힘입어 도요다가 올해부터 4,000 만원 대 연료전지 차량을 일반에게 판매하기 시작했다. 이러한 면에서 민간의 수소 연료전지 산업 투자 활성화를 위한 정부 정책 방안 마련이 중요하다.
 

발전분야에 있어서 연료전지 발전사업자 수익 확보를 위한 제도개선 노력이 필요하다. 우선 발전용 연료가격에 대한 조정, RPS의 REC 제도개선 및 에너지 다소비건물에 대한 신 재생에너지 이용 방안 등을 통한 초기 시장 확보 및 사업에 대한 이익을 보장할 필요가 있다. 연료전지 자동차에 있어서도 중요한 부분은 차량보급에 대한 정부지원 사업이다.  차량보급 활성화를 위한 무 공해차 의무 구입, 차량 보조금 지급 등과 함께 차량보급에 충전 인프라 확보를 위한 법 제도 개선도 시급하다. 정부의 정책적 지원만으로 수소 연료전지 분야의 산업화가 이루어질 수는 없다. 보다 적극적인 민간분야의 경제성 확보 및 기술의 완성도를 높이려는 노력도 역시 필요하다.
 

Ⅳ.  맺음 말    
  수소 연료전지의 산업화는 제조, 발전 자동차 등 전 산업을 포함하는 수소 연료전지라는 기술이 일상의 생활 패턴으로 자리 잡을 수 있는 사회에서 즉 수소 연료전지 인프라가 확실히 구성된 사회가 되어야 가능하다. 이런 면에서 수소 연료전지 산업화로 가는 첫 걸음은 수소 제조 인프라의 구축이 되어야한다. 국내는 부생 수소를 생산할 수 있는 설비가 전국적으로 산재되어 있어 마음만 먹는다면 인프라 구축이 타 선진국에 비해 아주 쉽다는 장점도 있고 이러한 면에서 향후 수소 및 연료전지를 기반으로 하는 에너지 시스템으로 전환된다면 보다 빠른 산업화를 구축할 수 있다.

현재 발전용 연료전지 및 자동차용 연료전지는 기술지원 및 보급을 위한 정부의 적극적인 정책을 통해 어느 정도 산업화에 진입했지만 가격이나 내구성 문제를 완전히 해결한 것이 아니기 때문에 원가절감과 내구성 향상을 위한 기술개발에 대한 지속적인 정부의 지원 및 개발노력이 필요하고 아울러 민간 분야에서도 보조금 없이 상업화하려는 각고의 노력이 필요하다. 위에 언급한 수소사회 인프라 구축과 더불어, 정부가 수소·연료전지산업 활성화를 위해 대기업과 중소기업을 잘 연계시켜 상생할 수 있는 방안을 모색하고 이를 실행 한다면 수소 연료전지 분야는 향후 국가 성장 산업으로 크게 기여 할 수 있을 것으로 기대된다.

끝으로 몇 년 전부터 수소경제 구현 가능성에 대한 회의론이 제기되었지만 향후 화석연료 중심에너지 시대에서 재생에너지 시대로 넘어가게 되면 수소에너지 시스템으로의 에너지 패러다임의 변환은 필연적이라고 생각된다. 향후 예상되는 수소에너지 시대가 이루어질 때 수소 연료전지 기술은 사회전반에 보편화되어 에너지확보 및 환경문제 등으로 인한 에너지 문제 해결과 더불어 새로운 에너지 보급에 있어서도 크게 기여할 것으로 예측된다.