▲ (左)태양광 광촉매를 이용한 수소발생시스템과 광전극에 수소발생효소를 접목시킨 융합 모델 .

■셰일가스, 수소E사회 촉진

수소의 가격은, 천연가스개질로는 8-10달러/kg 수준, 물전기분해기술을 이용한다면 10-13달러 수준으로 보고되고 있다. 1kg의 수소는 1갤런의 가솔린과 비슷하므로 3달러/gge(가솔린 1갤론과 동등한 에너지를 갖는 에너지량을 의미함) 기준 목표에는 이르지 못했다. 우리나라의 경우 수소에너지사업단에서 발표한 자료에 따르면, 상용화규모의 1/10인 시간당 30㎥ 수소 생산량을 가정할 때는 위 추정치의 1.5-2배 가격에 이른다.

미국의 경우는 셰일가스 덕에 천연가스 비용이 안정화되어 있어 천연가스 개질에 의한 수소생산 비용이 2.75∼3.5$/kg 수준까지 도달될 수 있을 것으로 보고 있다. 2009년 미국 에너지부의 장관이 될 당시 수소연료전지에 대해 그리 호의적이지 않았던 스티븐 추 박사가 수소연료전지를 보는 시각이 달라진 이유는 무엇보다도 미국이 풍부하게 가지고 있는 셰일가스 때문인데, 현재는 이러한 천연가스를 개질해 수소를 얻는 것이 가장 싼 방법이다. 태양전지나 풍력에서 얻은 재생전원을 이용한 물전기분해 외에도 초고온 고집광 태양로를 이용한 열화학적 방법, 직접 광촉매나 생물학적인 방법으로 수소를 만드는 것도 가능하다. 또 효율적으로 수소를 저장 및 이용하는 기술도 연구 실증되고 있다.

에너지 문제의 미래를 대비한 기술개발과 활용에는 과학기술과 사회의 보다 효율적인 상호 작용이 필요한데, 이미 수소는 아래와 같은 이유를 들어 이러한 단계에 와 있다고 보고 있다.

첫째, 우리나라를 포함한 선진국들이 수소에너지기술개발을 지원함과 동시에 초기 상용화를 위한 보조금 등의 촉진책, 유치산업 보호책, 관련 법률과 규제 등을 정비한다는 내용을 포함한 정책을 펴고 있다.

둘째, 유럽은 물론, 우리나라에서도 수소에너지의 기술적, 경제적 실현가능성과 환경 이득에 대한 예측과 평가를 하고 있다.

셋째, 수소에너지와 관련된 네트워크와 가치사슬 형성을 촉진하고, 이를 확대해 산업화하는 것을 목표로 하고 있다. 수소에너지 관련 협회도 생겨 활동하고 있고 또한 전문 인력의 양성과 기술의 확산도 주요 관심사가 되고 있다.

넷째, 사회 기술적 실험이자 일종의 거점 확보 전략으로 수소실증 프로그램이 수행되고 있다. 우리나라도 서울과 울산을 중심으로 수소연료전지 자동차의 실증을 시작했다. 대부분의 세계적인 자동차 메이커가 2015년을 수소자동차 출시시기로 잡고 있고, 수소연료전지 분야에 여전히 많은 투자가 이루어지고 있다. 논문과 특허도 많은 양이 꾸준히 발표되고 있음은 수소연료전지에 대한 매력과 희망은 여전함을 보여주는 것이라 하겠다.

미국은 주기적으로 발생하는 허리케인 등의 원인으로 전력 불통에 따른 연간 소요 비용이 매년 800억달러라고 추산하고 있고, 우리나라도 지난해 12월6일에 발생한 울산 석유공단 지역 정전 피해만 해도 수천억원이 될 것으로 보도된 바 있었다. 지역적인 특성을 살려서, 수소와 연료전지의 연계활용으로 국가전력망에 지나치게 의존하는데 따른 위험을 낮출 수 있다.

연료전지 이용확대에 장애요인중 하나가 인프라 부족이라 한다면, 충전하는 방식이 아니라 재사용이 가능한 연료 카트리지를 교환하는 방식의 적용도 가능하다.

최근의 추세를 보면, 세계경제의 악화와 배터리차량, 하이브리드 차량 강화 추세의 여파로 수소연료전지에 대한 예산은, 유럽이나 미국(연방 수준)에서는 현상 유지 또는 약간이나마 감소되고 있기는 하지만, 수소연료전지 분야의 총투자액은 20여개국에서 총 56억달러에 이르며, 2019년 말이면 시장규모 380억달러, 일자리 70만개가 만들어질 것으로 추산하고 있다. 세계 수소시장은 2011년 5,500만톤이며, 2016년은 30% 증가된 7,000만톤으로 예측하고 있다.

경제성면에서는 아직 더 시간을 요하지만, 수소연료전지 분야는 적어도 경제적 기회 및 경제적 이득의 잠재성을 가진 신성장동력이자, 고용을 창출할 수 있는 신사업의 영역으로 인식되고 있다. 장밋빛 전망만을 강조하던 초기와는 달리 이를 뒷받침해줄 과학과 기술의 진보가 지금까지 만들어져 왔고 검증을 받고 있다.

일본의 후쿠시마 원전 사고 이후, 전기 공급에 대한 우려로 가정용 연료전지보급이 급속도로 늘어났던 일본사례에서 보듯이, 우리나라도 전력예비율에 신경을 써야 계절에는 이러한 보조적인 수단이 큰 역할을 할 수 있을 것이다.

적어도 수소연료전지를 기존 또는 미래 에너지시스템에 있어서 현실적이면서도 필수적인 보조 수단으로 인식하고 있어, 소비자에게는 궁극적으로 정부 보조금에 기대지 않아도 이익 창출이 가능하게 하는 연료전지기술의 적용분야가 생겨나게 될 것이다.

우리나라도, 각국의 정보와 그동안의 학습, 경험을 공유해 기술 병목을 효율적으로 보다 빠르게 넘어서려 하고 있으며, 상업화 전략도 공동 추진 중이다.

신재생E 수소 전환, 효율성 ↑

수소E사업단 특허·논문, 美 앞서

■수소에너지사업단의 성과와 전망

인류의 궁극적인 청정에너지인 수소를 만들고 이를 효율적으로 이용하고자 하는 연구는 그야말로 프론티어 영역이다.

교육과학기술부의 21세기 프론티어 사업으로 2003년 7월에 선정되어, 동년 10월에 출범한 "고효율수소에너지제조·저장·이용기술개발사업단"(이하 수소에너지사업단)의 목표는 수소에너지의 제조, 저장 및 이용을 위한 핵심 기술을 개발해, 궁극적으로는 안전하고 효율적인 재순환이 가능한 청정에너지원의 수급체계 및 활용 시스템의 실증을 실현하는데 있다. 즉, 수소를 에너지체제로 끌어들이려는 궁극적인 목적을 가지고 수소제조와 저장을 중심으로 도전적인 연구를 담당해 온 것이다.

탈 화석연료를 지향하는 방안으로서 꿈의 기술이라 할 수 있는, 태양광을 이용해 물을 분해하는 기술에 집중하고 있는데, 이상적이기는 하나 아직은 효율이 너무 낮아 장기적인 관점에서 상용화를 목표로 수행하고 있다.

수소연료전지개발에 앞장서온 대표적인 나라인 미국은, 에너지부 프로그램으로 수소생산/저장분야에 있어서 2000-2011까지 132건의 특허가 등록됐다. 단순하게 비교한다는 것은 무리가 있겠으나, 우리 수소에너지사업단 프로그램으로는 2003-2012년 중반까지 153건의 국내외 특허가 등록됐다. 또한 SCI논문도 541건이 게재됐다. 수소에너지사업단은 원천기술개발과 이를 활용할 수 있는 시스템 실증을 방향으로 잡고 이를 위해 국제협력과 정보교류도 진행하고 있다. 올해만 해도 4월에는 ‘아시아수소저장심포지엄(AHSM 2012)’, 6월에는 한국수소및신에너지학회와 공동으로 ‘ICH2P -2012 (국제수소제조회의)’를 개최해, 수소에너지와 관련된 제조, 저장, 연료전지, 연소 및 인프라 분야의 논문발표와 토론을 진행한 바 있었다.

▲ 여러가지 물 분해 방법.

물의 분해 과정에서 필요로 하는 에너지는 방법에 따라 빛, 전기 또는 열 등의 형태로 공급할 수 있으며, 이때 촉매나 매개체 역할을 할 수 있는 물질도 관여하게 된다. 수전해는 상온 또는 고온에서 이루어지는데, 고온의 경우가 전체적인 효율 측면에서 유리하나, 아직 기초연구단계이며, 상온에서의 수전해기술이 일찍이 상용화돼 전 세계 수소생산량의 4% 정도를 이 방식으로 만든다.

수소를 활용하기 위해서는 수소저장은 필수적이다. 연료전지자동차 탑재용으로는 고압으로 압축해 저장하는 방식이 주류를 이루며, 경량, 고강도 복합 소재의 압력용기 개발에 힘입어 가장 실용화에 접근하고 있는 기술이다. 중장기적으로는 일반인도 다루기 쉽도록 낮은 압력에서도 효율적으로 수소를 저장하는 기술 즉 흡착, 금속수소화물, 화학수소화물 등 다양한 저장방법에 대한 기술 개발이 수소에너지사업단 뿐만 아니라, 전 세계적으로 이루어지고 있다. 아직은 안전성, 충분한 수소 저장 능력, 가격경쟁력, 소형 경량화, 내구성, 빠른 충전 및 안정적인 수소공급 등의 필수조건을 만족하는 기술은 존재하지 않고 있다.

■수소연료전지, 장기적 안목으로 접근해야

이미 몇 차례 국내 강연을 통해 잘 알려진 제러미 리프킨의 ‘제3차 산업혁명’이라는 저서에서 보듯이, 재생 가능한 에너지의 폭넓은 이용과 수소로 에너지를 축적하는 방식으로의 전환 등은 중요하다. 화석연료에서 재생가능에너지, 불안정한 공급 상태에서 (volatile)에서 사용자가 제어 가능한 공급형태(user-controlled supply), 폐기물과 공해물질 배출에서 무공해, 외국의 자원의존으로부터 지역 공급 가능한 에너지로 바뀌어 가야 한다는 것이다.

패러다임 변화를 가져오는 에너지기술 모두 그렇지만, 특히, 수소연료전지 분야는 그중 가장 도전적인 분야이기에, 우리가 바라는 것보다도 더 오래 걸리고 예상했던 것보다 더 많은 비용이 든다. 성공의 기본은 장기적인 전망을 가지고 혁신하고 인내하는 것이다. 수소연료전지기술은 이미 있는 시장에 들어가 있는 기술을 대체하는 신기술이다. 기술경쟁자는 많고 소비자는 적어도 현재 사용 중인 것과 같은 성능과 가격을 요구한다. 수소관련기술의 시장 진입을 위해, 지속적인 연구개발과 실증, 적합한 정책 수립과 국제적 협력을 모색해 왔다.

수소연료전지에 대한 국제기구로 국제에너지기구(IEA) 산하에 HIA(수소이행협정) 프로그램 이외에도, 2002년 미국 주도의 IPHE가 출범했다. 출범당시 부시 대통령 시절에는 IPHE가 ‘수소경제를 위한 국제파트너십’이라는 의미였으나, 오바마 대통령때에는 ‘경제에 수소연료전지를 도입하기 위한 국제파트너십’ 이라는 말로 바뀌었다. 원래 10년간의 한시적인 국제기구였으나, 최근 다시 10년간 연장하기로 합의됐다.

아직 가격과 내구성, 인프라 문제를 안고 있기는 하지만, 전세계 곳곳에서는 앞으로도 △수소, 연료전지, 안전, 코드/표준화 등 중요한 연구개발 지속 △혁신적인 기술에 대한 선택적 전략적인 실증 수행 △연구개발 실증과 향후 방향성을 위한 핵심 분석 △효과를 극대화할 활동 수단, 소통과 홍보 강화가 이루어질 것이다.

지속가능한 미래를 준비하는 일은 우리에게 주어진 과제이다.

▲ (左)2012년 4월에 열린 아시아수소저장심포지엄과 6월에 개최된 ICH2P-2012.