박진남 경일대 신재생에너지학과 교수
수소전기차 보급 위해 수소충전소 확충 필요
민간 수소충전소 사업 활성화 방안 마련해야
[에너지신문] 수소는 지구상에 풍부하게 존재하며 높은 에너지를 가지고 있는 원소이다. 하지만 대부분의 수소는 낮은 에너지 상태인 물로 존재하며, 물로부터 수소를 얻기 위해서는 에너지가 필요하다.
또한 수소는 기체 상태로 존재하므로 대량으로 저장하는데 어려움이 있다. 대중들이 우려하는 수소폭탄은 삼중수소가 핵융합 반응을 일으킬 때의 질량 감소가 대량의 에너지로 발생하는 것이므로 우리가 일상적으로 다루는 수소는 이와는 전혀 무관하다.
19세기 후반 석유의 발견 이후로 이를 이용한 산업과 교통의 발달은 인류 역사에 큰 진보를 이뤘다.
허버트의 피크오일 이론에 따르면 2030년경에는 석유자원의 생산이 정점을 이루고 이후로는 석유자원이 부족하게 되지만 다행스럽게도 셰일가스 추출 기술의 발달로 인류가 화석연료를 사용하는 기간은 연장됐다. 하지만 근본적으로 화석에너지는 고갈될 수밖에 없으며, 이러한 에너지 문제를 해결하는 유일한 방안은 신재생에너지를 사용하는 지속 가능한 에너지 사회를 구축하는 것이다.
현재로서는 수소에너지 사회로 이행하는 것이 가장 유망하며, 이는 신재생 발전을 이용한 전력생산, 신재생 전력을 이용한 물 전기분해 수소 생산, 생산된 수소의 저장 및 이송, 수소를 사용하는 수소전기차 등의 운송수단 운행, 저장된 수소를 이용한 전력 발전 등으로 구성된다. 수소는 에너지 저장 물질로서 역할을 하며, 이를 구현하기 위한 핵심기술로서 신재생 발전, 수전해 기술, 수소 저장 기술, 수소전기차 기술, 연료전지 기술 등이 있다.
신재생 발전의 취약점은 발전이 연속적으로 이루어지지 않는 것이다. 이를 보완하기 위해서는 전력저장장치(ESS, Energy Storage System)와 연동해야 한다. ESS는 다양한 방식이 존재하며, 현재는 이차전지 전력저장장치(BESS, Battery ESS)가 가장 대표적으로 채택되고 있다.
BESS의 전력저장용량과 이차전지 사용량은 비례하므로, 수 MW급의 대용량 ESS 설비를 위해서는 이차전지의 가격이 부담스럽게 된다. 이차전지 기술의 지속적인 발전으로 이차전지의 가격은 2013년 kW당 600달러에서 현재 300달러 수준으로 떨어졌으며, 이차전지의 큰 수요처인 태양전지와 전기차 부문에서는 향후에도 지속적으로 감소할 것으로 예측하고 있다.
그러나 이는 낙관적인 전망이며, 이차전지의 급격한 수요증가로 인해 전극재료인 리튬과 코발트 등의 가격이 상승하고 있는 상황을 고려하면 이차전지의 가격 하락은 거의 한계점에 도달한 것으로 판단된다. 수소 전력저장장치(HESS, Hydrogen Energy Storage System)는 BESS와 달리 전력저장 용량을 늘리려면 수소저장 용기만 추가하면 되는 장점있다. 현재 풍력 발전량이 풍부한 덴마크의 롤랜드 섬에 설치돼 운영되고 있다.
수소에너지 사회를 추구하는 대표적인 국가로는 일본이 있다. 일본은 신재생에너지 분야에 지속적으로 연구와 투자를 진행해 왔다. 장기적으로는 국가의 에너지 시스템을 수소에너지 위주로 재편해 탄소배출량 제로를 달성하고자 하고 있다. 일본의 구상은 수소를 호주로부터 수입하는 것이다.
수소를 이용해 연료전지 발전으로 전력공급을 하고, 수소전기차로 운송을 해결하고자 한다. 호주는 궁극적으로는 태양전지로 생산한 전력으로 물을 전기분해해 수소를 생산할 계획을 가지고 있다.
일본은 이 계획을 실현하기 위한 핵심기술인 액화수소 운반선(가와사키중공업), 액화수소 저장기술(이와타니산업), 수소전기차 기술(도요타, 혼다), 수소충전소 기술(JX에너지, 도쿄가스, 오사카가스 등), 연료전지 발전 기술(후지전기 등) 등을 민간기업과 국가가 협력해 개발하고 있다.
일본의 계획에 따르면 2030년의 에너지용 수소 수요량은 35만 톤이며, 이 중 29만 톤은 연료전지 발전에 사용하고 6만 톤은 수소전기차에 사용될 것으로 추정된다. 2030년의 수소 수입량은 이보다 많은 60만 톤을 목표로 하고 있다. 우리나라와 일본은 지정학적 위치, 산업 구조, 에너지 자원의 부재, 고립된 전력망 등 많은 유사점을 가지고 있어 일본의 사례는 좋은 참고자료가 될 수 있다.
수소 사회의 시작은 수소전기차로부터 시작될 것이다. 이를 위해서는 수소전기차의 보급 및 이와 동반된 수소충전 인프라 구축이 필수적이다. 지금의 국내 상황은 현대자동차가 수소전기차 산업을 선도하고, 수소충전소 구축이 이를 따라가는 형국이다.
현대자동차는 2013년에 세계 최초로 ‘투싼 ix 35 Fuel Cell’ 수소전기차를 양산했으며, 2018년 상반기에는 차세대 수소전기차 모델을 출시할 예정이다. 차세대 모델은 일반인에게 판매가 가능할 것으로 예측된다. 수소전기차의 약진에 비하면 아직 국내의 수소충전 인프라 및 기술 수준은 부족한 상황이다.
정부는 2020년까지 수소전기차 1만대 보급, 수소충전소 100기 건설을 목표로 하고 있다. 하지만 수소충전소 보급현황을 보면 현재 10여기가 운영 중이고, 2018년까지 추가로 15기가 구축될 예정이어서 목표를 달성하기는 쉽지 않을 것으로 생각된다. 현재는 수소충전소 건설에 있어 국외 설비 및 부품의 의존도가 높은데, 이는 조속한 시일 내에 국산화를 도모해야 할 것이다.
대부분의 수소충전소는 수소를 공급받아 사용하는 off-site 형태이며, 천연가스 개질로 수소를 직접 생산하는 on-site 형태는 상용으로 건설된 바 없다. 현재로서는 충전압력 700기압, 수소 공급능력 300 Nm3/h인 off-site 수소충전소의 건설에 30억원 정도가 소요되고, 동급의 천연가스 개질 on-site 수소충전소의 건설에는 50억원 정도가 소요된다.
환경부에서 수소충전소 건설에 일괄적으로 1기당 15억 원의 보조금을 지급하고 있는데, 수소충전소의 규모나 종류에 따라 건설비의 격차가 있으므로 이를 고려해 정액보다는 건설비의 일정비율로 보조금을 지급하는 정책이 바람직할 것으로 판단된다.
국내는 대부분 관 주도로 수소충전소 보급이 진행되고 있으나, 외국의 경우에는 민간이 수소충전소의 건설 및 운영을 주도하고 있다. 수소충전소 인프라의 지속적인 확대 및 자생력 확보를 위해서는 민간이 진입할 수 있는 여건을 조성하는 것이 매우 중요하다.
상용 규모의 수소충전소 1기가 수백 대의 차량을 감당할 수 있으므로 차량 한 대당으로 환산하면 수소충전소 인프라 구축비용과 전기차 충전 인프라 구축비용은 유사한 수준이다. 만약 전기차 충전 인프라 구축을 위해 주변의 전력망을 개선하거나 추가로 발전소를 건설해야 하는 상황이 된다면 수소충전소 인프라 구축비용이 더욱 저렴하게 된다.
문제점은 수소전기차의 보급이 충분해 수소충전소가 100% 가동된다면 사업자의 수익성 확보가 가능하나, 수소전기차 보급의 초기에는 적자가 필연적이어서 이 단계를 극복할 수 있는 방안을 강구해야 한다는 것이다.
2017년에 국내의 수소전기차 산업 육성을 위해 산업통상자원부 주도로 수소융합얼라이언스가 출범했으며, 산학연의 다양한 기관과 전문가들이 수소전기차의 보급 확대 및 수소충전소 인프라 구축 활성화를 위해 합심해 노력하고 있다. 이러한 노력을 바탕으로 다가오는 평창 동계올림픽을 계기로 국내의 수소전기차 산업이 재도약하는 계기가 마련되기를 기대한다.