Update2024.04.30 (화)
“수소연료전지, 꿈을 다시 그릴 때이다”
부존에너지자원 부족으로, 세계 10위의 에너지 소비국이면서도 소요에너지의 97%를 해외에 의존하고 있는 것이 우리나라의 현실이다. 이를 탈피하기 위하여 에너지 자립에 기여할 수 있는 기술에 기대를 걸어 왔는데, 그중의 하나가 수소연료전지기술이다. 비상발전용·수송용 본격 적용, 10~20년내 상용화
이의 일환으로 2003년 미래창조과학부 지원으로 출범한 수소에너지사업단이 종료된다. 총 9년 6개월간의 연구사업기간 중 수소제조 및 저장분야를 중심으로 정부와 민간 투자분을 합하여 999억 원의 연구개발비, 연평균 478명의 연구인력이 투입되었다. 이 기간 동안 학술 및 지적재산권 성과로는 총 830편의 논문(SCI 613편), 특허 386건 출원, 181건이 등록되었으며, 기술이전 25건, 사업화완료 6건, 기술료 수입 60억원, 해외기술수출 1건의 실적을 거두었다.
전 세계적으로는 산업용으로 수소를 매년 5천만톤 정도 만들어 사용하여 왔지만, 인류가 꿈꾸어 온 궁극적인 수소경제의 틀을 이루는 수소제조, 저장, 이용분야의 핵심기술을 완성하려면 더 많은 노력과 시간이 요구되고 있다. 21세기들어, 미국, 일본, EU 등 선진국 중심으로 세계 각국 정부는 연간 10억달러 이상을, 민간포함 연간 총 50억달러이상을 투자해 왔다. 현재의 수소시장 규모는 산업용 유통량만으로도 세계시장 208억달러(자체소비량 230억달러 포함하면 총 438억 달러), 국내관련 시장규모는 6,000억원에 이르는 것으로 추산되고 있다. 향후 예상되는 연료전지 시장의 잠재적인 능력을 예상한다면 에너지용도까지 감안한 수소의 요구량은 상당한 수준에 이를 것으로 보고 있다. 현재 발표된 예측을 보면, 연료전지 세계시장 전망은 향후 10-20년내에 상업화 가능하며, 정치형은 연간 140억~310억 달러, 이동형은 110억달러, 수송용은 180억~970억 달러에 이를 것으로 분석된 바 있다. 지난해 한해에 출시된 연료전지 물량(MW기준)으로 보면, 전년도에 비해 48% 정도 늘어난 것으로 파악되고 있다.
특히 세계 유수의 자동차회사들은 2015년~2017년에 수소연료전지차 시장 출시를 공언해 왔으며, 국내 현대자동차는 이미 연 1천대 규모의 상용화준비를 마쳤음을 보도한 바 있다. 해외에서는 정전에 대비한 비상용전원이나 포크리프트 등이 시장을 파고들만한 경쟁력 있는 응용분야로 보고 있으며, 특히 미국의 경우는 정부지원 없이도 상당한 보급 실적을 보인 것으로 나타나고 있다. 미국은 백업파워용으로 800기 이상, 연료전지 포크리프트는 1,030대 이상이 운용중이다.
이미 몇몇 사례에서 보듯이, 재난으로 인한 계통전원 피해시, 국가전력망에 지나치게 의존하게 되면 위험이 커지기 때문에 이를 분산하는 일이 중요해졌다. 로렌스버클리연구소 추산에 따르면, 전력 불통에 따른 연간 비용이 미국에서만도 800억달러에 이르는 것으로 보고 있다. 정전시에도 전원공급을 안정적으로 하는 일은 매우 중요하며, 특히 이동통신탑은 통신두절을 피해야 하기에 더욱 중시된다. 이미, 미국은 허리케인 샌디와 같은 큰 재난을 통해, 연료전지가 환경측면에서의 이점은 물론이고, 기존 사용중인 디젤발전기나 납축전지 시스템보다도 신뢰성도 높고, 유지비용도 낮음을 실증으로 체험할 기회를 가졌다.
이동통신업체들이 연료전지에 관심을 갖는다는 것은 가정용 및 상업용으로의 시장을 열기위해 노력을 해온 연료전지 업체 입장에서는 고무적인 청신호이다. 국내에서 출시되는 5kW, 1kW급의 고체고분자 전해질 연료전지(PEMFC)도 공동/단독주택, 상업용 건물의 보조전원, 비상발전용으로 사용하거나, 외딴 지역에서의 통신설비에 이용할 수 있기 때문이다.
큰 규모의 에너지저장 이용수단은 재생에너지의 보급확대와 효율적 활용을 위한 중요한 과제였다. 국내에서는 주로 배터리 활용을 염두에 두고 있지만, 해외에서는 재생에너지, 수전해, 연료전지를 연계하여 에너지를 효율적으로 저장하고 전기를 공급할 수 있는 시스템화를 구상하고 연구하고 있다. 각 세부 기술은 이미 이러한 각 요소를 공급해줄 수 있을 정도로 개선되고 있다.
수소에너지사업단의 지원으로 엘켐텍은 분산형 수소공급을 위한 수전해장치기술을 개발했으며, 이 제품은 통신사나 실험실용으로 사용될 수 있고, 시간당 1-5㎥, 최대 150기압의 수소를 만들어낼 수 있다. 재생전원을 활용한 가정용 수소스테이션을 설치한다면 꼭 필요한 기술이다.
아직 연구중인 기술로는 광전기화학기술을 이용한 물분해 수소발생기술이 있는데, 전국소재개발 뿐만 아니라, 전극면적과 효율을 늘려 수소발생량을 크게 만든 시스템을 실증하기 위해 시스템 요소기술을 개발해 왔다.
수소E사업 종료, ‘세계 4위’ 기술력 지속 지원해야
수소를 이용하여 동력을 발생시키는 리니어피스톤 엔진도 엔진텍에서 개발해 왔는데, 지역 특성에 맞게 수소뿐만 아니라 바이오가스 등을 이용하여 효율적인 전기 공급이 가능한 분산전원용으로의 이용을 기대하고 있다.
재생전원과 수전해를 연계한 에너지 저장 방법으로는 지중저장이 대규모가 가능한 기술인 것으로 보고하고 있지만, 지형적으로 가능하지 않은 경우에는, 수소저장용 금속수소화물을 이용할 수 있고 이를 연료전지와 연계하여 전기를 발생시킬 수 있다. 여기에 필요한 금속수소화물 제조 특허는 수소에너지사업에 참여한 연구개발팀들이 다수 보유하고 있다.
또한 배터리를 사용하는 무인항공기의 경우에는 수소와 연료전지를 이용한다면 항속거리와 체공시간을 늘릴 수 있는데, 여기에 필요한 수소공급시스템도 국내 기술로 개발되어 시연된 바 있었다. 이러한 기술들은 수소에너지사업단에서 연구한 성과중의 일부로서, 단기간에 활용이 가능한 기술이다.
지금의 시점에서 돌아본다면, 전세계적으로 초기에 장밋빛 전망을 가지고 기대했던 바와 같은 ‘수소경제’, ‘수소사회’를 언급할 정도의 기술수준에는 미치지 못하지만, 적어도 현재의 에너지시스템에서 꼭 필요하고 또 충분히 가능성이 있음을 인정받는 수준까지는 왔다. 또 정부지원에 힘입어, 우리나라의 기술력은 그동안 대폭 향상돼, 미국에 2002-2012년까지 등록된 특허기준으로 연료전지분야에서 미국, 일본에 이어 3위의 특허등록국이 되었다.
또한 퓨얼셀투데이에서는 분석결과 한국이 일본, 미국, 독일에 이어 4위에 올랐다는 보고를 한 바 있었다. 수소제조 및 저장 분야의 수소에너지사업단 특허등록건수(181건)는 미 에너지부 프로그램으로 동 분야에서 2000년 이후 180편의 특허등록되었다는 성과와 비견할 만한 수치이다. 한때 수소가 수소분야에 있어서 청정환경이라는 해법을 주기에는 부적절하다고 생각한 적이 있었던 미국 행정부도 수소연료전지 인프라와 관련된 새로운 선도계획인 H₂USA를 추진하고 있으며, 수소연료와 재생에너지를 연계하는 방안과 셰일가스에도 주목하고 있다. 미국의 셰일가스 생산은 수소에 대한 관심을 다시 불러일으키는 계기가 되고 있는데, 보다 값싸게 효율적으로 대규모 수소인프라가 만들어 질 수 있다고 보고 있다. 미국은 향후 중요한 연구기술개발에 대한 투자는 지속하며, 이산화탄소를 낮추는 수소생산경로에 관심을 더 둘 것으로 말하고 있다. 장기적인 과제인 생물학적, 고온태양열 및 광전기화학 이용 수소생산기술에 대한 지원은 분산형 재생에너지자원 이용 수소생산과 함께 꾸준히 이어질 전망이다. 물론 단기 이용가능한 기술은 타 프로그램에 의해서도 지원을 받게 된다.
아쉽게도 국가적인 장기프로그램으로 진행해온 수소에너지사업단 이후의 후속연구추진에 대한 전망은 그리 순탄하지 않다. 단기간에 향후 시장에서 요구하는 수준의 성능과 내구성을 만족하면서 기존 기술 대비 경쟁력을 갖춘 시스템화로 시장에 진입하려는 노력에 대한 지속적인 지원뿐만 아니라 궁극적인 수소생산과 저장에 대한 핵심연구지원이 이루어지기를 바란다.
지금은 멈출 때가 아니라 꿈을 다시 그려야 할 시점이다.
