수소에너지, 석유경제의 대안 되려면

꿈만 같던 수소에너지, 어느새 곁으로 '성큼'

정부 “2040년엔 본격적인 수소경제 시작할 것” 지원 강화 화석연료시대의 연장선상...수소 제조방법 등 과제도 산적

2007년 11월 19일 (월) 13:59:31 김태용 기자 ty5123@ejnews.co.kr

그야말로 고유가 시대다. 유가는 배럴당 95달러를 넘어섰다(10월30일기준 서부텍사스산 중질유). 100달러 시대도 멀지 않았다고 전문가들은 진단한다. 문제는 이같은 현상이 일시적이 아닌 구조적인 문제라는 것이다. ‘기름 한방울’ 나지 않는 한국의 미래는 암울 그 자체다. 단기적으로는 해운업, 운송업, 항공업이 직격탄을 맞을 것이며, 유가 상승에 따른 원자제 가격 폭등으로 인한 제조업의 어려움은 공장 없는 한국을 만들지도 모른다는 위기감을 불러온다. 석유시대 종말에 대비해 신재생에너지를 발굴해야 한다는 명제는, 우리에겐 식상하리 만큼 강조되온 명제지만 현실은 그렇지 않다. 해외 자원개발은 그 성과가 당장 나오지 않고, 국내유가의 상당부분을 차지하는 유류세는 좀처럼 줄 기미를 보이지 않는다. 에너지 믹스에서 신재생에너지가 차지하는 부분은 여전히 미약하다. 자원민족주의가 있어 해외자원개발도 어렵고 치솟는 유가를 세금인하로 대처하는건 근시안적인 대책일 뿐이다. 전문가들은 중·장기적인 대안은 석유경제를 수소경제로 전환하는 것이라고 입을 모은다. 석유경제의 환경오염을 차지하더라도 한국이 화석에너지를 고집한다면 우리의 미래는 없다는 것이다. 수소경제로의 전환은 국내뿐 아니라 전세계적인 과제로서 선진국들은 탈석유경제를 위해 관련 연구에 박차를 가하고 있다. 하지만 이러한 장밋빛 미래 만큼이나 수소에너지의 사용은 앞으로 해결할 과제가 산적해 있다. 수소의 생산과 저장 그리고 수송 기술은 여전히 상용화와는 거리가 멀다. 이번 기획기사를 통해 수소에너지가 미래에너지로서 각광받는 이유와 해결해야할 기술적 과제, 그리고 논란이 되고 있는 수소 추출방안에 대해 알아본다. ■수소에너지 왜 주목받는가         ▲ 수소에너지시스템. 수소는 태양광, 지열, 풍열 등 다방면에서 제조/분리가 가능하다.     현 인류는 화석에너지 시대를 살아가고 있다. 증기기관의 개발로 석탄에너지 시대를 맞아 산업 혁명이 이뤄진 후 내연기관의 등장은 현재의 석유에너지 시대로의 전환을 이끌었다. 산업혁명 이후 인류는 큰 발전을 이루고 있지만 그에 따른 무분별한 화석에너지의 사용으로 환경오염과 자원고갈의 위기를 동시에 맞고 있다. 미국의 에디슨 전력연구소는 현재의 소비추세로 간다면 2040년경에는 석유가 고갈될 것으로 예측했는데, 수소경제는 머지않아 석유가 고갈될 것으로 예견됨에 따라 그 대안으로 떠오르고 있다. 이 ‘수소경제’라는 대명사는 리프킨의 저서 《수소경제 The Hydrogen Economy》를 통해 알려졌다. 리프킨에 따르면 2020년이면 전세계적으로 석유생산이 하향곡선을 그리게 되고, 이로 인해 가격과 공급체계가 불안정해짐으로써 석유확보를 위한 분쟁은 불가피해지게 된다고 주장한다. 이에 대비해 우주질량의 75%를 차지할 정도로 풍부하고, 지구상에서 가장 구하기 쉬우며, 고갈되지 않고 공해도 배출하지 않는 에너지원이라고 밝힌 것이 바로 수소이다. 이러한 상황에서 수소경제는 석탄의 증기기관, 석유의 내연기관과 같이, 연료전지의 등장과 함께 본격화 될 것이라는 게 전문가들의 주장이다. 수소가 주목받는 이유는 크게 세가지다. 첫 번째는 환경오염에 대한 걱정이 없다는 것. 지구온난화로 인한 수많은 피해를 줄일 수 있다. 두 번째는 물 또는 유기물질로부터 제조 가능해 화석에너지와 같이 자원 고갈에 대한 염려가 없다. 마지막으로 수소는 산소와 직접 반응해 열과 전기를 동시에 생산한다. 따라서 갈수록 심각해지는 대기오염과 원유수입 의존성, 그리고 이산화탄소 배출 억제를 위한 기후변화협약과 이로 인해 친환경 자동차 및 신재생에너지 개발의 필요성 증가로 중요성이 더해가고 있어 수소경제로의 전환론이 주목받고 있다. ■내연기관+석유경제 -->연료전지+수소경제 수소의 경우 가스나, 석유 등의 화석연료와 같이 직접 연소가 가능해 열에너지를 얻을 수 있다. 취사용이나 내연기관에 직접 사용해 지금과 같은 형태의 이용이 가능하다는 얘기다. 그러나 수소는 앞서 밝힌바와 같이 산소와 반응시 열과 전기가 발생하기 때문에 직접사용 보다는 연료전지의 형태로 이용하는 것이 보다 효과적이다. 연료전지는 수소와 산소의 반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 역할을 한다. 연료전지가 일반적으로 사용되는 1차전지, 2차전지와 다른 점은 에너지를 발생시킨다는 점이다. 일반적인 화학전지는 에너지를 보관하는 역할을 하며 충전된 에너지원이 소모되면 폐기하거나 재충전을 해야 하지만, 연료전지는 수소를 공급하면 끊임없이 에너지를 발생 시킬 수 있다.         ▲ 연료전지기술. 연료전지는 전기와 열을 동시에 생산한다.     또한 연료전지는 화학반응 에너지를 바로 전기에너지로 전환하기 때문에 그 효율이 매우 높다. 일반적인 전기 발전시스템은 화학반응 에너지를 열에너지로, 이를 다시 운동에너지로 바꾼 후 전기에너지로 만들어 낸다. 여러 단계의 변환과정을 거치며 효율이 떨어질 수 밖에 없는 것이다. 기존 시스템은 최대 효율이 카르노 효율에 미치지 못하게 되지만 연료전지는 직접적인 화학반응의 과정을 전기생산에 적용시키고, 카르노 효율이 적용되는 연소반응이 아니기에 효율이 높다. ■종류에 따라 쓰이는 곳도 다르다 연료전지는 크게 전극과 전해질로 구성되어 있고, 반응물이 전극 내로 주입되 각각의 전극에서 산화환원반응을 일으키는 원리로 되어있다. 반응물에 따라, 사용되는 전해질에 따라 다양한 연료전지가 개발되어 왔다. 연료전지는 알칼리형(alkaline fuel cell, AFC), 인산형(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 용융탄산염(molten carbonate fuel cell, MCFC), 고체산화물(solid oxide fuel cell, SOFC), 고분자전해질형(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 직접메탄올(direct methanol fuel cell, DMFC) 등이 있다.         ▲ 연료전지의 최종 반응은 전기, 물, 열 생성이다.     알칼리형(AFC) 전지는 가장 초기에 개발된 전지로서 우주선의 전원용으로 사용되었다. 고농도의 KOH 수용액을 전해질로 사용해 60~200℃에서 운전하는데 KOH 수용액의 수증기압이 낮아 전해질 양을 유지하기 위해 고압이 필요하고, 고순도의 수소와 산소가 필요해 가격이 비싼 편이다. 인산형(PAFC) 전지는 인산용액을 전해질로 사용하며 100~200℃에서 운전하는데 온도가 높으면 이온전도도는 증가하지만 사용하는 재료인 백금과 카본의 안전성이 떨어진다. 비교적 저온에서 사용해 재료 선정이 용이한 장점이 있으며 현재 실용화 단계에 가까워 50~200kW급의 발전소도 시험 가동중에 있다. 1970년대 민간차원에서 처음으로 개발된 1세대 전지로 분산형 전원으로 이용된다. 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있다. 용융탄산염(MCFC) 전지는 650℃의 고온에서 용융된 탄산염을 전해질로 사용한다. 인산형 전지에 비해 효율이 높고 수소 이외에 일산화탄소나 석탄가스 등을 연료로 사용할수 있고 백금과 같은 고가의 촉매를 사용하지 않는 이점이 있다. 1980년대에 개발된 2세대 전지로 대형 발전소, 대형 건물의 분산형 전원으로 이용된다. 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가가 진행중이다. 고체산화물(SOFC) 전지는 고체산화물을 이온전도체로 사용하기 위해 900℃ 이상의 고온에서 작동된다. 액체전해질이 없어 전해질의 누출이나 부식이 없어 좋지만, 고온에서 작동되므로 내구성 있는 설계가 요구된다. 1980년대에 개발된 3세대 전지로 용융탄산염보다 효율이 우수하고 대형 건물의 분산형 전원으로 이용 가능하다. 최근 선진국에서 가정용, 자동차용 등으로 연구 진행중이나 국내 기술은 다른 전지에 비해 가장 낮다고 평가된다. 고분자전해질형(PEMFC) 전지는 자동차용 및 가정용 연료전지로 사용되는데 100℃ 이하의 작동온도에서 수소이온 전도도가 큰 고분자막을 전해질로 사용한다. 액상의 전해질이 필요 없어 부식 문제가 없고, 작동이 용이해 에너지 변환 특성과 전력 밀도 특성이 우수하다. 고분자막 및 백금 촉매들의 재료비가 비싼 것이 흠이다. 1990년대에 개발된 4세대 전지로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용 가능하다. 가장 활발하게 연구되는 분야중 하나이다. ■해외 기술수준은 어디까지 왔을까 연료전지 기술은 미국과 일본 등의 선진국이 주도하고 있는데 미국은 1970년대, 일본은 1980년대 초부터 본격적인 개발에 착수 했다. 일본은 WE-NET 프로젝트로 1993년부터 2020년까지 24억달러 규모의 투자를 진행중으로 알려져있다. 일본의 연료전지 가격은 2006년 기준으로 1000만엔 가량으로 정부가 1대당 600만엔을 상한으로 보조하고 있다. 나머지 금액은 에너지공급사가 300만엔을 보조하고, 소비자는 100만엔의 사용료를 낸다. 2005년에는 도쿄가스 150대, 오사카가스 63대, 신일본석유가 134대를 공급했다. 참여하는 에너지공급사들은 도시가스 3%의 요금할인과 요금상한제 등의 연료할인 서비스를 제공하고 있다. 올해 1000대, 2008년에 3000∼4000대 가량 보급할 예정이다. 일본은 연료전지의 사용연료가 다양하고, 자동차 업계 등 많은 대기업들이 참여하고 있다.         ▲ 연료전지는 종류에 따라 발전량과 효율, 적용분야가 다르다. (산자부, 2006)     미국은 2040년 경에는 연료전지가 현재 미국의 1일 석유수입량 수준인 1100만배럴의 석유수요를 대체할 것으로 추산하고, 부시행정부는 2003년부터 수소에너지 개발에 12억달러 규모의 투자를 진행중이다. 미국은 개인주택과 전력 사용량이 많아 5kW급 시스템이 보급중이다. 플러그 파워사가 300대를 보급했고, 현재 비상전원용 5kW시스템 및 LPG용 연료전지 개발을 완료해 납품하고 있다. 제너럴일렉트릭사의 지원하에 300여명의 연구진과 수천억원의 자금이 동원됐다. 이처럼 선진국은 정부의 적극적인 지원속에 기업이 모든 기술을 보유해 핵심기술은 기업비밀로 유지되고 있다. 선진국들은 이미 실증연구 및 실용화 단계에 와있으며 미국과 일본이 실용화 기술을 보유하고 있다. 인산형 전지의 경우 실용화단계에 와있다는 평이다. 100kW, 200kW 급 분산형 전원이 세계적으로 200기 이상 보급되어 있고 MW급 발전용도 실용화를 추진중이다. 고분자전해질 형의 경우도 5kW급이 가정용으로 실증단계를 거쳐 실용화 단계에 있다. 용융탄산염 전지는 실증연구단계에 있으며 250kW급을 모듈로, 총 2~11MW급 발전플랜트 실증실험이 완료 됐다. ■국내 연료전지 기술 수준         ▲ 가정용 고분자전해질 연료전지는 2008년까지 210대의 보급을 목표로 모니터링 사업중이다. (사진은 총리공관에 설치된 GS퓨얼셀, 퓨얼셀파워의 1kW 연료전지시스템)     현재 우리나라에서 생산되는 수소는 대다수가 연료전지를 위한 에너지원이 아닌 자체 석유화학 공정용 또는 화학공업의 원료로 사용되고 있다. 연료전지의 경우 1985년부터 에너지기술연구소와 한전기술연구소 공동으로 5.9kW 인산형 연료전지 본체를 수입해 성능실험을 한 것을 시작으로 활발한 기술연구가 진행중이다. 가스공사는 1990년대 초반 국내 최초로 고분자 연료전지 스택을 개발한 이래 보급 활성화를 위한 실증 연구 및 수조 제조장치 개발에 역점을 두고 있다. 발전용 연료전지는 용융탄삼염 전지가 주로 연구되고 있으며 한국전력연구원에서 25kW시스템과 100kW 스택, 100kW시스템을 자체 연구개발 하고 있다. 포스코는 국책과제를 통해 지난 2005년 4월부터 2006년 4월까지 FCE(FuelCell Energy Inc.)사의 발전용 연료전지를 포항산업과학연구원과 서울 탄천하수처리장 등 4곳에 설치해 실증연구 중이다. 또한 10월16일에는 포항 영일만 배후산업단지에 발전용 연료전지 생산공장 착공식을 가졌으며 이 공장에는 연산 50MW 규모의 발전용 연료전지 생산공장 및 테스트시설이 들어서게 된다.         ▲ 포스코는 FCE사의 용융탄산염 전지의 기술이전과 함께 핵심기술의 국산화를 이루겠다는 계획이다. (사진은 10월16일 열린 연료전지공장 착공식)     두산중공업은 10월8일 산자부에서 지원하는 300kW급 발전용 연료전지(용융탄산염) 기술개발을 위한 국책과제의 총괄 주관기관으로 선정되어 2010년까지 300kW급 발전용 연료전지 시스템 독자모델을 개발할 계획이다. 두산중공업은 스택을 비롯한 주요 구성품과 주변장치(BOP: Balance of Plant)를 모두 100% 독자기술로 개발할 계획이다. 두산중공업은 4월 국내 최초로 25kW급 연료전지 스택의 자체 개발에 성공한 바 있다. 가정/상업용 연료전지는 고분자전해질 연료전지가 개발중이며 GS퓨얼셀과 퓨얼셀파워의 제품이 가정용 연료전지 모니터링 사업에 사용되어, 2008년까지 총 210대의 연료전지 보급을 목표로 연구가 진행중이다. 사업 1차년도인 지난해 가스공사와 10개 도시가스사에서 모니터링사업이 진행되었고, 올해 2차년도 사업은 지방자치단체가 직접 참여하는 방식이며 실증사업의 일환으로 70기의 보급이 진행중이다. 2007년은 연료변환기와 센서·펌프가, 2008년에는 전력변환기와 필터를 의무적으로 국산화해야 한다. 그렇지 않을 경우 제품 선정에서 제외된다. 이같은 방식으로 국산화율을 80%까지 올리겠다는 것이 정부의 목표다. 홍성안 수소연료전지사업단장은 가정용 연료전지의 모니터링 결과 만족도가 매우 높으며 큰 고장 없이 진행중이라고 밝힐 정도로 가정용 1~3kW급 고분자전해질 연료전지는 초기시장 형성과정에서 가장 먼저 실용화가 예상 되는 분야이다. 산자부는 모니터링 상업을 통해 상용화의 걸림돌인 저가격화 실현 및 부품의 국산화율을 80% 이상 높여 관련 산업을 육성하겠다는 계획이다.         ▲ 연료전지의 상용화는 도시가스 업계에 새로운 활력소가 될 전망이다. (사진은 2006년 경남에너지가 실증연구를 위해 도입한 5kW 상업용 고분자전해질 연료전지(미국 Nuvera社) )     수송용 연료전지 개발사업은 국내에선 현대·기아차가 유일하게 연구를 진행중이다. GM 등 미국 ‘빅3’와 유럽 자동차 메이커들은 상대적으로 연료전지차에 승부를 걸고 있는 상황이다. 한국자동차공업협회 구희철 과장은 향후 친환경 미래형 차를 누가 얼마나 빨리 갖추느냐가 전세계 자동차업체들의 생존을 판가름하게 될 것이라고 밝히며, 친환경 자동차(하이브리드차·연료전지차 등) 기술개발 여부가 국산 브랜드의 세계 4위 부상을 결정짓는다고 강조한다. 현대차는 연료전지차의 연구 의지가 높아 현재 ‘투싼’이 80kW의 고분자전해질 연료전지차로 개발이 된 상태다. 또한 200kW급의 버스가 개발 되었으며 2008년까지 승용차 30대, 버스 4대를 목표로 모니터링 사업 중이다. 올해까지 모니터링 사업으로 보급 예정인 투싼 차량은 총 12대이다. 정부는 현대차와의 이같은 모니터링 사업을 통해 1차 사업이 끝나는 2008년까지 초기 10억원이었던 투싼차량의 가격을 6억5천만원까지 내리는 동시에 국산화 비율을 70%까지 올리겠다는 계획이다. 또 연료전지차의 충전을 위한 수소스테이션은 총 8개를 설치한다는 목표도 세웠다. ■수소에너지, 논란과 향후 과제         ▲ 산자부는 1kW당 시스템 가격이 200만원까지 내려올 경우 아무런 지원제도없이 6.2년에 구입비를 회수할 것으로 예측했다. 현재 시스템 가격은 8000만원 선으로 알려져있다.             ▲ 연료전지 자동차는(고분자전해질) 주유소와 같은 수소충전소(수소 스테이션)가 필수적이다. (사진은 전국의 수소스테이션의 설치지역과 예정·후보지)             ▲ 현재 실용화 단계에 있는 수소제조는 대부분 화석연료를 이용한다.     수소를 제조 함에 있어 가장 일반적인 방법은 천연가스에서 얻어내는 방법이다. 일반적으로 수소는 물에서 전기분해를 하면 무한정으로 얻을 수 있어 친환경적이라고 얘기하지만 경제성을 고려한다면 전기분해는 사용할 수 없다. 분해에 이용되는 전기의 생산비용이 수소 제조 비용에 배가 되기 때문이다. 여기에 현재 주로 이용되는 천연가스 추출법에서는 탄소가 배출된다. 현 기술수준의 수소에너지는 친환경적이지도 않으며, 수소경제로의 전환이 아니라 석유경제의 연장이라는 지적이 나오는 것도 이 때문이다. 또한 향후 계획중인 제4세대 원자로를 통한 수소 분해 방법 역시 원자력에 대한 우려의 목소리를 피하기 어려울 전망이다. 현재 4세대 원자로에서 발생하는 900℃의 고열은 수소의 대량 분리/생산에 적합하다고 알려져 있다. 이같은 논란에 대한 반대의견은 현재의 수소에 너지가 화석연료로부터 제공 받는 것은 수소경제로의 전환에 있어 과도기적 현상이라는 것이다. 연구개발이 진행돼 기술수준이 높아질 수록 수소는 화석연료로부터 완전히 독립해, 친환경적이며 고갈 걱정이 없는 수소경제의 시대가 열릴 것이라고 주장한다. 이같은 과도기가 끝나면 화석에너지나 원자력의 이용이 아닌 태양광, 풍력, 원자력 등 친환경적인 방법에 의한 대량 생산이 가능해진다. 박종균 원자력수소추진반 단장은 과도기인 현재 천연가스에서 수소를 얻는 것이 대세라고 말하며 에너지 자원이 없는 한국에 원자력 외에 마땅한 대안이 없다고 말한다. 2025년 이후에는 4세대 원자력 시스템을 통해 원자력 수소를 상용화하기 위해 개발중이라고 밝혔다. 가까운 미래 화석연료가 고갈되며 인류는 석유 이후의 신재생 에너지 시대로의 전환이 이뤄질 것이라는 사실에는 어느 누구도 부인 하지 않고 있다. 세계는 이러한 전환의 주인공으로 수소를 점찍으며 연구를 활발히 하고 있다. 산자부가 예측한 진정한 의미의 수소경제의 시작은 2040년 으로 먼 미래가 아니다. 이를 위해 자원최빈국인 우리나라가 기술적 선점을 바탕으로 선진국으로 발돋움하기 위해선 수소를 포함한 여러 신재생에너지의 연구개발과 보급이 국가적차원에서 이루어져야 하는 이유다.