수소산업 동향 및 산업발전 전망
수소산업 동향 및 산업발전 전망
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  • 승인 2019.04.16
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임희천 한국수소산업협회 기술부회장

1. 수소사회 도래 당위성
현재 우리는 화석연료를 주 에너지원으로 사용하고 있고, 이러한 에너지 패러다임에서 가장 큰 문제점은 지구 온난화 문제이다.  2016년 12월 파리에서  2020년 이후 ‘새로운 기후변화 체제 (Post 2020)’에 대한 합의 이후, 전 세계는 마침내 지구온난화에 대한 본격적인 대응방안을 시작할 수 있는 계기를 만들었다. 이는 지구 평균기온 상승을 산업화 이전 대비 2℃ 이하가 되도록 각국에서 적절한 조치를 취하겠다는 내용이다.
지구 온난화 문제 핵심은 CO2 저감 노력이다. 국제에너지기구(IEA) 보고서에서는 전기에너지 절약(38%), 재생에너지 보급(30%), CCS(Carbon Capture & Storage)등을 통한 CO2 저감을 통하여 이와 같은 목표에 (2℃) 도달할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 따라서 유럽, 미국, 일본 등 선진국들은 화석연료 중심 에너지시스템에서 태양광, 풍력 등을 활용하는 재생에너지 시스템으로 변환을 꾀하고 있다. 이같은 경향에 따라,  2012년 전세계  28 %에 불과하던 재생에너지 전력시장이  2040년  54%까지 증가할 것으로 예측하고 있다.
그러나 재생에너지 보급은 계절·날씨에 따른 공급량 변화에서 나타나는 간헐성과 낮은 이용율로 전력계통을 안정적으로 유지하는 문제가 크게 대두된다. 현재 간헐적 부하가 증가하는 경우 계통을 안정적으로 공급하는 방안으로는 전력에너지 저장장치를 활용하는 방법이다. 향후, 재생에너지 도입 시 대용량 전력저장을 위하여는 재생에너지 전력을 수소로 저장했다 다시 전력으로 변환하는 방법이 저장용량과 크기로 가장 적절한 방법으로 제시되고 있다.

그림2와 같이 다양한 전력저장 방법 중 수소를 이용한 전력저장방법이 저장용량 및 설비 규모에 있어서 기존의  2차 전지를 크게 앞서고 있음을 알 수 있다.
 

2. 수소경제 사회 진행 현황
가. 수소경제 및 수소에너지 시스템

수소경제란 말은 1973 년 미국 가스기술협회(IGT) 그레고리(Gregry, D. P) 박사가 과학잡지(Scientific American)에 발표한 ‘수소경제(Hydrogen Economy)’에서 시작된다.  2002년 Jeremy Rifkin 저서 ‘수소경제(Hydrogen Economy)’에서 에너지 수요와 공급에 대한 가치사슬에서 화석연료를 대신하여 수소를 Energy Carrier로 사용 할 수 있다는 경제적 의미에서 출발한다.
그림 3은 수소에너지의 특성으로, 수소는 지구상 가장 많은 물질인 물로부터 제조될 수 있어 자원제약이 없다. 또한 수소는 연소생성물이 다시 물이 되기 때문에 환경에 영향을 주지 않으면서도 단위무게 당 가장 높은 에너지 밀도를 가지고 있는 물질이다.
그러나 수소는 전기와 같은  2차에너지원으로서 재생에너지, 화석연료, 원자력 등 다른  1차 에너지원에서만 얻을 수 있는 에너지원이다. 따라서 수소를 친환경 에너지로 활용하기 위한 가장 이상적인 방법은 재생 에너지원을 사용하여 물로부터 수소를 생산하는 방법이 된다. 수소 에너지의 변환 과정과 타 에너지와의 연계를 그림 4에서 볼 수 있다. 그림에서 보는 바와 같이 수소에너지 시스템에서 수소는 연료전지와 수전해 장치를 통하여 전기에너지로 전환이 가능하며 또한 화석연료 및 핵, 재생에너지원으로 부터 얻을 수 있다. 이외에도 수소는 가스나 액체로 만들어 쉽게 수송할 수 있고 다양한 형태로 저장할 수도 있다.

이러한 수소는 열 및 동력으로 활용될 수 있다. 운반 시에도 전기에너지 형태보다도 손실을  1/10정도로 줄일 수 있는 것으로 알려졌다. 즉, 수소는 에너지원뿐만 아니라 저장, 수송 매체로도 활용이 가능하기 때문에 우리는 수소를  ‘에너지매체 (energy carrier)’라고 부르고 있다. 수소 생산 중 가장 이상적인 방법은 재생에너지원을 사용하여 물로부터 수소를 생산하는 방법이다. 그러나, 현재 산업계에서 필요로 하는 거의 모든 수소는 경제적인 문제로 화석연료로부터 생산된다. 석유, 천연가스, 석탄 등과 같이 화석연료로부터 수소를 생산하고 생산된 거의 모든 수소는 정유시설 탈황공정, 비료제조 등과 같은 화학공정 및 반도체 환원 공정에 사용된다. 에너지 인 열, 전기 및 수송용 연료로 사용되는 수소는 단지  1% 미만이다.
그림5는 수소에너지 기술체계도 및 가치사슬을 보여주고 있다. 그림에서와 같이 수소 가치사슬은 수소제조, 저장 및 운반 그리고 이용기술로 연계된다. 수소는  1차 에너지원으로부터 얻을 수 있고, 수전해, 천연가스개질, 석탄가스화 방법 등이 상용화 되어있다. 생산된 수소는 고압기체로, 액화상태 및 액상 화합물과 금속수소 화합물과 같은 방법으로 저장된다. 이용기술로 발전용 연료로 연료전지, 가스터
빈 등을 사용하여 전력을 생산한다. 수소전기차, 내연기관, 기관차, 로켓엔진 등 수송용 연료로도 사용된다. 또한, 파이프라인으로 공급된 수소는 가정용 연료전지 및 난방과 취사 등의 열에너지로 활용가능하다. 이외에도 수소는 화학공정 원료로 비료, 반도체, 정유 공정 및 환원 제철 공정의 연료로 활용될 수 있다.
이와 같은 수소 가치사슬을 이용하면 우리는 기존 화석연료 중심에서 수소에너지 중심 에너지 시스템으로 전환 할 수 있다. 수소는 연료전지를 통하여 전기에너지로 변환가능하기 때문에 태양광, 풍력과 같은 재생에 운송하고 운송된 수소를 연료전지로 발전하면 전력에너지 저장장치로 활용된다. 잉여전력은 수전해를 통해 수소로 전환되어 저장되고 필요시 연료전지를 통하여 수요지에 전력, 열 및 수소전기자동차용 연료로 공급하게 된다. 이외에도 저장된 수소는 단거리, 장거리 파이프 망을 통하여 지역에 공급되어 같은 방법으로 활용이 가능하다. 전력망에서는 수전해 수소저장 및 연료전지와 연결된 수소전력저장 시스템이 송전, 배전망과 연계되어 계통안정을 도모할 수 있다. 궁극적으로 수소는 전기에너지 공급 및 잉여전력 저장 방안과 함께 연료전지 발전을 통한 분산전원으로 활용되는 전력망, 가정 및

공장에 수송용 가스를 공급하는 가스공급망 그리고 열 배관과 연계되어 열, 전기, 가스가 통합되어 운용되는 통합 에너지망을 구축할 수 있다. 즉, 기존 화석연료기반 에너지시스템을 친환경 지속가능 에너지시스템으로 전환하는 중요한 수단으로 활용이 가능하다.


나. 수소 연료전지 산업 현황
전 세계에서 사용되는 수소는 년  5,000만 톤 정도이다. 이 중 산업체에서 사용되는 수소는 천연가스 개질에서  48 %, 부생수소에서  30%, 전기분해 18% 그리고 석탄으로부터  4% 정도가 생산된다. 생산된 수소는 암모니아, 탈황 등의 석유 및 화학분야에서 자체적으로 소모되고 있고 일부가 부생수소로 생산되어 산업용 가스로 사용된다. 국내의 경우 약 900만 톤 정도가 생산되어 자체적으로 소비되거나, 탈황공정, 반도체 환원공정 등에 사용되며 산업분야에는 약  23만톤 정도가 소비되고 있다.
향후 수소는 기존 산업에서는 산업용 수소로 태양광 패널, 반도체 등 산업 수요 확장에 따른 수요확대와 친환경 공정변화 (수소환원 제철 공정)에서 산업용 수소 수요확대가 기대된다. 그러나 수소의 용도로 에너지 산업의 확대가 중요하다. 수소와 연관된 에너지 산업은 자동차 연료, 연료전지발전, 수소로 CO 2 제거하는 산업 (Power to Gas), 전기저장(HESS: Hydrogen Electric Storage System) 등에서 성장이 예상된다.
 

수소 전기차 산업을 살펴보면 지난해 기준 전 세계 수소전기자동차는  7,800여대가 운용되고 있고, 국내에는 891대가 등록되어 있다. 수소 전기자동차에 연료를 공급하기 위한 수소스테이션은 전 세계에서  300여곳( 2018 )이 있으며, 현재 국내에서는 14 곳이 가동되고 있다. 수소전기차는 현대자동차에서  1990년 말부터 개발을 시작하여  2013년말 연산  1,000대 규모 상용생산설비를 세계 최초로 구축하였고,  2011년은 주행거리  600km가 넘는 신형 차량을 보급하고 있다.  Pike Research 보고서에 따르면 전 세계 수소전기자동차시장은  2020년경  39만대에 달할 것으로 예측된다.
전 세계 연료전지 산업을 살펴보면, 유럽, 미국, 일본, 한국 등에서는 백업전원, 마이크로 열병합 발전(m-CHP), 그리고 발전용 연료전지 활용을 위해 적극적으로 도입하고 있다. 한국은 발전용 연료전지가 중심이지만 국가별로 정책에 따라 도입량 및 도입형태가 다르다. 한국은 RPS(Renewable Energy Portfolio Standard), 일본은 ENEFARM(Energy + Farm 합성어) 등 정부지원에 크게 의존하여 증가하고 있다.
북미지역도 발전용 및 하역기계용 연료전지의 보급이 증가하고 있는데, 역시 미국의 SGIP(Self Generation Incentive Policy) 정책에 기인하고 있다. 종류별로 자동차 가정용 연료전지인 PEMFC이 주가되고 있으나 미국, 한국 등은 발전용 연료전지로 MCFC, PAFC가, 일본은 PEMFC, 미국은 분산전원 수요에 따라 SOFC 보급량도 크게 늘어나고 있다.



다. 전세계 수소산업 진흥 정책 및 로드맵
유럽은 재생에너지 중심 수소정책을 추진해오고 있다. 독일은  2060년 재생에너지 비율 목표치가  60%로, 재생에너지 활용 수소를 생산하고, 대용량 수소 저장소를 구축하여 그리드를 통해 공급하는 계획을 세워 추진하고 있다. EU FCH JU (Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking)을 중심으로 이루어지고 있는데 독일은  2023년까지 수소충전소를  400개, 수소전기차  27만대 보급하여 수소전기차의 초기
시장 진입을 지원하는 정책도 진행하고 있다.
미국은  2050년까지 Carbon Free  5000 만 톤의 수소생산을통해  50 %의 온실가스를 저감하는 계획이다. 특히, 캘리포니아는  2050 년까지 자동차의  87%를 친환경차로 보급하는 계획을 세워 추진하고 있다. 수소전기차는  2023년까지 123개 충전소 구축 및  6만대 차량보급을 지원할 예정이다. 미국은 이와 같은 수소 연료전지 보급을 다른 지역으로 확대해 나가는 정책을 추진하고 있다. 일본은  2016년 수소연료전지 전략로드맵을 세워 수소전기자동차 및 가정용 연료전지 보급을 추진하고 있다. 수소전기차는  2030년까지  30만대, 충전소  900기 건설을 추진하고 있으며, 이미 일본 내  4개 도시에 총  100 여개 충전소가 운용되고 있다. 또한, 일본은 수소를 국가에너지 탈 탄소정책 중심이 되도록  2014 년 에너지기본계획내 수소에너지 사회 구축을 넣어 추진하고 있다. 이는  2040년까지 CO2 없는 수소공급 시스템을 구축하고,  2020년 도쿄올림픽에서 그 가능성을 보여준다는 계획이다. 특히 일본은 카본 프리 에너지 사회 구현을 위해 전세계 풍부한 재생에너지 자원을 수소로 전환하여 이를 수입, 일본 내 보급하는 프로그램을 국가적 차원에서 진행하고 있다. 


라. 국내 수소경제 로드맵
정부는 지난  1월 수소 경제 활성화 로드맵을 발표하였다. 주요내용은  2040년까지 세계 최고의 수소경제 선진국도약을 목표로 수송 분야, 에너지 분야 및 수소 생산 및 가격 분야에 대한 목표를 설정하였다. 이 목표는  2040년까지  3단계에 걸쳐 목표가 설정되었으며, 중간 단계로  2022년 목표치가 있다는 것이 특징이다. 로드맵에 따르면 수소전기차와 연료전지를 양대 축으로 수소경제를 선도할 수 있는 산업생태계 구축하는 것이 목표로, 수소차 누적생산량을  2018년  2000대에서  2040년  620만대(내수 290 만대, 수출 330만대)로 확대하고, 전세계 시장점유율  1위를 달성한다는 목표이다. 수소충전소는  2018년  14개에서  2022년  310개 그리고 2040년 1,200 개소를 설치할 예정이다. 발전용 연료전지를 재생에너지 활용하여  2040년까지 15GW(수출 7GW 포함) 그리고 가정·건물용 연료전지도  2040년까지  2.1GW(약 94만 가구)를 보급할 예정이다. 
수소경제를 위한 수소 공급은 수전해 및 해외생산 · 수입 등 CO2 Free 수소비중을 점진적으로 확대하여  2018년  13만톤 수준에서 2040년 526만톤으로 확대하는 것을 목표로 하고 있다. 원활하고 경제적인 수소 유통체계 구축을 통해 수소가격을  2040년까지 3,000원/kg 이하로 낮추는 계획도 들어있다. 정부는 이러한 목표 달성을 통해 새로운 시장 및 산업, 일자리를 창출하며, 또한 환경문제에 대응하면서 우리의 에너지 자립을 도모할 수 있을 것으로 기대한다.
 

3. 수소 에너지 기반 수소경제 산업 전망
전력분야 수소는 발전, 송배전 등 전 분야에서 수소에너지와 융합될 수 있다. 수소 전력저장은 재생에너지 간헐성에 따른 계통 안정성을 향상시키고, 전력을 수소로 전환시켜 파이프로 공급하면 송전손실도 줄일 수 있다. 발전분야 연료전지는 수소시스템에서 가장 중요한 기술로 기저부하, 분산전원 및 열 공급시스템으로도 활용된다. ‘Power to Gas(P2G)’는 그리드 전력과 재생에너지, 수전해, CO2 Recycle과 연료전지와 통합하여 연계되는 기술이다. 재생에너지, 그리드전기로 수소를 만들어 생산된 수소와 이산화탄소, 공기 중 질소 등과 결합하여 메탄 혹은 암모니아로 변환시켜 활용하는 기술이다. 생산된 가스는 저장 후 파이프라인을 통하여 운송한 후 전력 또는 열, 화공 공정 재료로 공급하는 시스템이다.
수소 연료전지 에너지 시스템 중심이 되는 사회에서 수소는 에너지 캐리어 역할을 할 수 있다. 연료전지 열 병합발전소, 수소 전기자동차, 수소 스테이션, 수소 전력저장 장치(HESS) 등이 결합된 탄소제로 고효율 에너지 타운을 조성·운영 할 수 있다. 에너지 종합시스템이 구성되면 수소는 전기와 같은 형태로 활용이 가능하며, 기존 열 및 가스 파이프라인을 이용하여 열과 전기를 쉽게 공급할 수 있어 열, 전기, 수송 등을 통합적 관리가 가능하다. 이러한 통합 시스템에 대한 실증 사업으로 소형 마을, 빌딩, 복합 거주지역 등에 적용한 후 순차적으로 도시에 확대한다면 전국적인 수소 연료전지 통합시스템 구축이 가능할 것으로 생각된다.


4. 맺음말
에너지는 연료에 들어있는 카본 고리가 점점 적어지는 방향으로 진행되어 오고 있기 때문에 앞으로는 수소에너지 시대가 오고 있음을 알 수 있다. 그렇다면 수소에너지 시대에는 어떠한 산업의 변화를 가져올 수 있을까? 수소에너지를 중심으로 하는 친환경 에너지시스템은 정보 IOT 등과 결합되어 새로운 에너지 신 산업을 창조해 낼 수 있을 것이다. 에너지 변화가 곧 산업의 변화를 이끌어 왔고, 이는 수소에너지 시대가 연료전지, 수전해, 수소저장과 같은 새로운 핵심기술 개발과 연계되어 에너지, 환경, 전력, 발전, 수송 및 화학공정 분야에서 새로운 산업을 형성하게 될 것이다. 수소사회의 실현은 수소 연료전지 산업화와 함께 시작될 것이다. 이는 수소 연료전지 산업화는 기술개발과 보급을 활성화 시키는 정책으로부터 시작될 수 있으며, 그 방안은 실증사업을 기반으로 자리잡을 수 있을 것으로 예상된다.




 

참고문헌
1. 김종옥, 김종원 외, “알기 쉬운 수소에너지지”, 한국에너지 기술연구원, 2005. 03
2. Sakata Ko, “수소의 이용 및 향후 전망 ”전기평론, 2015. 06
3. 정부 수소경제 로드맵 보도자료, 2019. 1.17 산업자원부
4. 임희천 “전력저장을 위한 수소 에너지 이용 및 향후 전망”, 전기저널, 2015, 09,Vol. 467
5. Detlef Stolten, “Achievment and Issues of Fuel Cell Transportation at the brink of Market Introduction" WHEC 2014 Conference, Gwang Ju, Korea, June 17, 2014

 


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