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수소경제, 과거와 현재 그리고 다가올 미래

1970년대 ‘수소경제’ 등장…국내 수소연료전지사업단, 수소에너지사업단이 기반 구축
혁신성장 사업으로 ‘수소’ 선정 및 정부 로드맵 발표로 새로운 발전 계기 마련
재생에너지 보급 확대 따라 전력·가스·열 분야서 신산업으로 발전 전망

[월간수소경제 임희천 객원기자] 이제 우리는 ‘수소에너지’, ‘수소경제’라는 말이 과학 기술 분야 및 경제적인 의미로 보편화하여 사용되고 있어서 아주 익숙하게 여겨진다.


그러나 이러한 용어는 1970년대에 등장한 말로 우리에게 익숙해져 가고 있다는 것은 아직 충분하지는 않지만 그 실현성이 구체화하고 있다는 의미로 받아들일 수 있다. 지난 40년 동안 국내 수소경제 부침을 살펴보면서 앞으로의 방향을 제시하고자 한다.


수소경제 ‘과거’
1973년 미국 가스기술협회(IGT)의 그레고리(Gregory) 박사는 ‘수소경제: The Hydrogen Economy’라는 제목으로 2차 에너지 시스템의 수소화를 주장하는 논문을 Scientific American 학술지에 발표했다. 그는 이 논문에서 수소의 파이프라인(Pipe line) 이송과 전력이송의 에너지효율 및 가격을 비교했고, 이는 ‘수소경제’라는 말이 회자되는 계기가 되었다.


이어 1973년 일본 요코하마 대학의 오타(太田時男) 교수는 일본 사이언스 잡지에 게재한 ‘수소에 의한 클린 에너지 시스템’이라는 논문에서 수소에 의한 에너지 시스템을 제안했다. 이러한 개념이 수소를 에너지 캐리어로서 정의한 최초의 개념으로 생각된다.


1974년에는 국제수소에너지협회(IAHE)가 창설된 데 이어 세계 최초의 국제학회(WHEC)가 마이애미에서 개최되어 세계는 본격적인 수소에너지 개발의 시대를 열기 시작했다.


이러한 국제적인 노력과 더불어 지구온난화 문제는 재생에너지 중심의 에너지 사회로 에너지 패러다임이 변화하게 되었다. 2002년 제러미 리프킨(Jeremy Rifkin)은 ‘수소경제(Hydrogen Economy)’라는 그의 저서에서 에너지 수요 공급 면에서 수소가 화석연료를 대신할 수 있다는 경제적 의미를 부여했다. 이어 2003년에도 그는 ‘제3차 산업혁명’이라는 저서에서 재생에너지 시대에서 시스템 통합을 통한 에너지 수급의 중요성을 강조하면서 수소사회의 도래를 예견했다. 이것이 ‘수소경제’로 가는 첫걸음이 되었다.   


• 신재생에너지 기술개발 이용·보급 촉진법
국내의 수소에너지는 1989년 당시 김길환 박사의 주도로 ‘수소에너지학회’ 창립이 이루어지면서 본격적인 수소시대에 대한 준비가 시작되었다. 물론 이보다 먼저 1987년 정부의 ‘대체에너지 개발 촉진법’(현재의 ‘신재생에너지 기술개발 및 이용·보급 촉진법’)이 제정되었고, 이로부터 신재생에너지 기술개발 및 보급을 시작한 것이 수소시대를 준비하는 계기가 됐다.


여기서 수소는 11가지 재생에너지와 더불어 신에너지의 하나로 선정되면서 에너지원 중 하나로 자리를 잡게 되었다. 그러나 수소 분야는 그 중심이 연료전지에 한정되어 에너지 캐리어로서의 수소의 위치는 부각되지 못했다. ‘대체에너지 개발 촉진법’이 제정되면서 자동차 및 발전용 연료전지 분야와 연계된 수소 분야 산업기술개발이 시작되어 기술 국산화 및 보급을 본격적으로 추진하는 계기가 되었다.




• 수소연료전지사업단
국내에서 수소연료전지의 본격적인 보급 및 기술개발이 체계화된 시기는 2004년 4월 이 분야 기술개발 촉진을 위해 산업부 산하 ‘수소연료전지사업단’이 발족하면서부터다.


수소연료전지사업단은 5년간 가정용·상업용 연료전지를 비롯해 수송용·발전용 등 수소연료전지 분야의 모든 과제를 총괄하고 평가·기획하는 기능을 담당했다. 사업단은 실증사업을 통해 자동차 및 가정용 연료전지 보급에 크게 이바지하였고, 그 중 2006년 국내 처음으로 작성한 ‘수소연료전지 로드맵’이 가장 큰 업적이다. 이는 실행력이 부족해 계획으로 끝나기는 했지만 수소연료전지 분야 기술개발 및 보급의 방향성을 제시함으로써 향후 진행될 국내 수소경제의 근간을 제공했다.


기술개발의 진행을 살펴보면 국내 연료전지발전은 1985년에는 한전과 에너지기술연구원이 공동으로 인산형 연료전지 발전시스템을 구성해 국내 최초 운전시험에 성공, 관련 기술을 국내에 소개하면서 본격적인 국산화 기술개발이 시작되었다.


이어 정부 국책사업으로 에너지기술연구소, 한국과학기술연구원 등에서 범 국가연구사업 및 선도기술 개발사업 등을 통하여 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지 등의 개발이 시작돼 40kW급 PAFC, 125㎾급 MCFC 시스템 개발이 이루어졌고, 이는 국내 발전용 연료전지 보급을 위한 기술적 기반을 제공했다. 또 2012년부터 시작된 정부의 정책적 보급지원 사업(RPS 사업)에 힘입어 현재 국내 발전용 연료전지 설비는 310MW 이상이 운영되고 있다.




현대자동차는 1998년 수소전기차 컨셉 카(Concept Car)를 발표했다. 이후 외국 기술에 의존하던 연료전지 스택에 대해 2005년 자체기술을 확보함으로써 자립하는 데 성공했고, 2006년에는 모니터링 사업을 통해 국내 보급을 시작했다. 이어 2013년 세계 최초로 수소전기차 대량 생산 체계를 갖추어 명실상부한 전 세계 수소전기차 기술의 선도회사가 됐다.


2005년에는 발전용과 가정용 연료전지 분야도 국산화 기술이 본격적으로 시작되면서 상업화되기 시작한 시기이다. 포스코에너지는 2005년 용융탄산염 연료전지를 기반으로 국내 보급 실용화 사업을 시작한 이후 2017년까지 총 170MW의 발전설비를 보급했고, 포항에 연산 총 130MW 생산설비를 구축했다. 이는 발전용 연료전지 분야의 기술개발 및 보급이 본격적으로 이루어질 수 있도록 하는 기반이 확보된 계기가 됐다.


한편 2014년 두산에서는 미국 Clear Edge사를 인수해 인산형 연료전지 보급사업에 참여하였고, 현재 130MW 정도를 보급하고 있다. 




• 21세기 뉴프런티어 사업단
연료전지 보급 및 실용화 사업이 산업부 산하 ‘수소연료전지사업단’에서 이루어졌다면 수소 분야 기초연구 및 기술기반은 에너지연구원이 주관한 ‘21세기 뉴프론티어 사업’으로 진행했던 수소에너지사업단이 크게 발전시켰다.


2003년 미래창조과학부 지원으로 시작된 수소에너지사업단은 2013년까지 수소제조 및 저장을 중심으로 정부와 민간 분야 투자를 통해 초기 수소 사회로 가기 위한 기초 기술 분야 기술개발을 통해 그 실현의 가능성을 보여줌으로써 국내 수소사회 진입의 기반을 구축했다.


수소경제 ‘현재’
현재 국내 수소경제는 도입 초기와 달리 구체적인 정책 방향 제시와 함께 실행 가능성이 큰 국책사업으로 추진되고 있어 새로운 단계로 접어들고 있다. 그 구체적인 시작은 2015년 환경부에서 용역사업으로 추진한 ‘수소전기차 보급 및 충전인프라 활성화 방안’에 근거해 정부 부처에서 통합적으로 만들어 제시한 ‘친환경 그린차 보급 계획’이 발표(2017년 12월)되어 수소전기차가 본격적으로 보급되면서부터다.


이어 정부는 2018년 수소산업을 혁신성장의 3대 과제 중 하나로 선정하고, 수소전기차 및 연료전지발전을 수소산업 활성화 과제로 구체적인 실행 계획을 세워 추진하기 시작함으로써 새로운 추진력이 형성되었다.




• 한국수소산업협회·수소융합얼라이언스추진단 창립
이에 앞서 ‘한국수소산업협회’가 2014년 1월 수소경제 사회 조기 구축, 수소 분야 전후방 산업 육성, 수소 연계 융복합 발전을 도모하는 것을 목적으로 설립되었고 현재 수소경제법 제정 및 수소 융복합 충전소 구축 등에 많은 노력을 기울이고 있다.


정부는 2017년 5월 저탄소 수소경제 사회의 조기 달성을 목표로 수소에너지 확산 및 수소 연관 산업의 발전을 위해 관련 부처와 기관 및 업체의 창구 역할을 담당하는 ‘수소융합얼라이언스추진단(H2 KOREA)’을 발족했다.


수소융합얼라이언스추진단은 정책과제 개발 및 건의, 제도개선 및 민간주도의 수소 보급 활성화를 위한 지원 체계 확립을 통해 대한민국이 세계 수소산업을 선도할 수 있도록 노력하고 있다. 


이와 함께 정부와 수소 관련 기업들은 올해 3월 수소전기차 보급을 위한 수소충전소 구축·운영을 담당하는 특수목적법인 ‘수소에너지네트워크(HyNet)’를 공식 출범시켜 수소전기차 및 수소충전소 보급을 촉진하고 있다.




• 수소경제 활성화 로드맵
정부는 새로운 혁신성장 산업의 하나로 ‘수소경제’를 선정한 후 이에 대한 실행 계획을 추진하기 위해 지난 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표했다. 2040년까지 세계 최고 수소경제 선진국 도약을 목표로 수송 및 에너지 분야, 수소 생산 및 가격 분야에 대한 목표를 설정한 것이 로드맵의 주요 내용이다.


로드맵에 따르면 ‘수소전기차’와 ‘연료전지’를 양대 축으로 수소경제를 선도할 수 있는 산업생태계를 구축하기 위해 2040년까지 수소전기차 620만대(누적생산량), 수소충전소 1,200개소 보급을 목표하고 있다. 발전용 연료전지는 2040년까지 15GW(수출 7GW 포함), 그리고 가정·건물용 연료전지는 2040년까지 2.1GW(약 94만 가구)를 보급할 예정이다.


정부는 이러한 목표 달성을 통해 새로운 시장 및 산업, 일자리를 창출하고, 환경문제에 대응하면서 우리나라의 에너지 자립을 도모할 수 있을 것으로 기대하고 있다.



수소경제 ‘미래’
• 기후변화와 수소경제 사회 실현
2016년 12월 파리 기후변화협약에서 ‘파리협정’이 채택돼 ‘신기후체제’가 선포됐다. 지구온난화 대책을 위해 전 세계가 자국 산업구조를 개편하고 재생에너지를 주 에너지로 하는 ‘에너지 전환’ 정책을 가속화하고 있다.


에너지 전환과 수소에너지의 활용도가 높아짐에 따라 미래 산업구조 변화가 예상되고, 친환경차로는 향후 수소전기차 보급이 확대될 것으로 기대된다. 이와 함께 발전 산업 및 재생에너지 보급 확대에 따른 에너지 신산업 등 광범위한 분야에서 산업의 구조가 개편될 것으로 예측되고 있다.  


• 재생에너지 보급에 따른 수소사회 실현
정부는 2030년까지 국내 재생에너지 발전 비중을 20%까지 끌어올리는 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 추진하고 있다. 또한 지난 6월 최종 확정된 ‘제3차 에너지기본계획’에서도 2040년까지 재생에너지 발전 비중을 35%까지 높이도록 했다.


이에 따라 재생에너지 보급 시 계통 안정을 위한 방안으로 수소·연료전지 기술을 이용한 전력저장 방법이 부상할 수 있다. 전력 분야에서는 P2G 기술로 그리드에서 생산된 수소는 발전 및 수송용 연료로도 활용할 수 있다. 이는 궁극적으로 재생에너지, 수전해, 연료전지, 수소에너지 전력저장 등을 기반으로 통합 에너지시스템을 구성할 수 있게 될 것으로 기대된다.


향후 전력, 가스 및 열을 통합적으로 운영한다면 기존 화석연료 기반 에너지시스템을 친환경 지속가능 에너지 시스템으로 전환할 수 있는 중요한 전환점이 될 것으로 예견된다.


• 에너지 통합망 구축 및 수소유통센터
수소연료전지 에너지 시스템이 중심이 되는 사회에서 수소는 에너지 캐리어 역할을 할 수 있다. 연료전지 열병합발전소, 수소전기차, 수소 스테이션, 수소 전력저장장치(H-ESS) 등이 결합된 탄소 제로 고효율 에너지 타운을 조성·운영할 수 있다. 이 경우 수소의 생산과 저장 그리고 이를 유통하는 수소거래는 전력망처럼 운영되는 조건을 가지고 있다.


수소가 에너지의 중심이 되는 경우 수소유통센터를 통해 수소의 가격이 결정되고, 시장에 공급할 수 있는 기능을 갖게 될 것이다.




• 수소타운, 수소도시의 실현
에너지 종합시스템이 구성되면 수소는 전기와 같은 형태로 활용이 가능하며, 기존 열 및 가스 파이프라인을 이용해 열과 전기를 쉽게 공급할 수 있어 열·전기·수송 등의 통합적 관리가 가능하다. 이러한 통합시스템에 대한 실증사업으로 소형 마을, 빌딩, 복합 거주지역 등에 적용한 후 순차적으로 도시로 확대한다면 전국적인 수소연료전지 통합시스템 구축이 가능할 것으로 생각된다. 국토교통부는 이를 위한 수소시범도시 조성사업을 2022년까지 추진할 예정이다.


향후, 수소에너지 중심 에너지 시스템은 정보 IoT 등과 결합되어 에너지 신산업을 창조해 낼 수 있다. 지금까지 역사에서 에너지 변화가 곧 산업 변화를 이끌어 왔던 것처럼 연료전지·수전해·수소저장 등 수소 분야 핵심기술 개발과 연계되어 수소의 이용 확대에 따른 새로운 산업을 형성하게 될 것이다.


수소사회의 실현은 수소연료전지 산업 기술개발과 보급의 활성화부터 시작되며, 이는 실증사업을 기반으로 자리 잡을 수 있을 것으로 예상된다.


실패 경험과 준비된 계획으로 ‘수소경제’ 열어가야
과거로부터 현재를 배울 수 있고 현재 모습이 반영되는 미래를 예측할 수 있다. 지금까지의 수소연료전지 분야의 주요 이벤트들을 살펴보면서 우리는 새로운 미래로 가는 방향을 알 수도 있다.


우리는 실패의 경험과 더불어 준비된 계획을 바탕으로 수소경제의 미래를 열어가야 한다. 수소경제는 에너지 전환의 흐름을 잘 이해하고 이에 대한 발 빠른 대처를 요구하고 있고, 이에 대응하지 못하면 미래의 수소산업 수소경제를 기약하기 어려울 것이다.


향후 재생에너지 중심의 에너지 전환 과정에서 수소연료전지를 중심으로 한 에너지 시스템은 주변 생활 전반에서 시작되어 급속히 전파될 것이다. 수소경제의 실현을 위해서는 이러한 변화에 대응하는 적극적인 정책개발 및 기초 수소연료전지 산업의 육성이 필요하고, 장기적인 관점에서 정책, 기술개발, 기반조성, 보급 등 전체적인 실행계획을 만들어 주저함이 없이 추진해 나갈 수 있기를 기대한다.




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