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세계 최고 기술력으로 수소경제 선도국 도약한다

정부, 지난 10월 31일 ‘수소 기술개발 로드맵’ 발표
수소 전주기 및 안전·표준·인증·환경 분야 상세 계획 마련
저가 수소 대량 생산 기술 상용화 등 5대 목표 제시
수소 전주기 핵심기술 개발 등 3대 중점 추진전략 마련


[월간수소경제 이종수 기자] 전 세계가 ‘수소’에 열광하고 있다. 에너지 패러다임을 탈 탄소화 수소 중심으로 전환하기 위한 움직임이 역동적이다.  


지난 2017년 맥킨지의 세계 수소시장 전망 보고서에 따르면 세계 수소시장 규모는 2017년 1,292억 달러에서 연평균 6% 성장해 2050년 2조5,000억 달러 매출, 누적 3,000만 개 일자리 창출이 가능할 것으로 전망된다.


국내 수소시장도 지속 성장할 것으로 전망된다. 맥킨지는 지난해 한국 수소시장 전망 보고서를 통해 2050년 70조 원 매출과 누적 60만 개의 일자리 창출이 가능할 것으로 전망했다.


현재 국내외 수소의 대부분은 산업용 원료로 사용되고 있으나 수송·건물·발전용으로 활용처가 점차 확대될 것으로 보인다. 


이에 따라 수소전기차 및 연료전지 분야 기업 간 기술경쟁이 치열해지고, 개별국가의 기술적·지리적 한계를 극복하기 위한 글로벌 협력이 활발해지고 있다.


우리 정부는 지난 1월 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 전 세계적으로 각축전을 벌이고 있는 수소경제 선점을 위해서는 ‘기술혁신’이 뒷받침되어야 한다고 진단한 바 있다.


국내 수소에너지 기술 수준은 지난 십수 년간의 연구개발을 통해 지속적으로 향상돼 왔지만 선진국과 비교할 때 여전히 기술경쟁력 제고가 필요한 것으로 평가됐다. 특히, 활용 분야에 비해 기술경쟁력이 취약한 것으로 평가받는 수소 생산, 저장·운송 분야는 기존 기술 고도화를 통해 기술적 한계를 극복하는 동시에 다양한 기술개발을 통해 국내환경에 적합한 기술을 발굴·적용해야 한다는 지적이다.


수소전기차와 연료전지를 양대 축으로 세계 선두를 달리고 있는 활용 분야는 다양한 수요처로 지평을 확대하기 위한 기술개발이 필요하고, 수소에너지 전주기 기술개발에 있어서는 안전성과 환경적인 영향에 대한 검토가 이루어져야 하는 것으로 평가됐다.


정부는 이러한 진단을 바탕으로 ‘수소 기술개발 로드맵’을 수립하고, 지난 10월 31일 ‘제9회 과학기술관계장관회의’를 통해 공식 발표했다. 이번 로드맵의 주요 내용과 의미를 살펴봤다.  


수소 기술개발 로드맵 의미
수소 기술개발 로드맵은 정부가 지난 1월 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 실천하기 위한 기술개발 이행계획이라는 점에서 의미가 크다.   


과기정통부와 산업부, 국토부, 해수부, 환경부, 특허청 등 6개 부처와 산·학·연 전문가 70여 명이 참여해 지난 2월 기술로드맵 수립에 착수, 약 8개월 동안 각종 국내·외 관련 조사·분석을 통해 국내 수소 기술의 현 수준을 직시하고 미래 전망을 예측해 국내 실정에 맞는 상세 기술개발 계획을 도출해냈다.




수소 생산, 저장·운송, 활용과 같은 수소 생태계 기본 구성요소뿐만 아니라 안전·표준·인증·환경과 같이 이를 뒷받침하는 기반요소들까지 고려함으로써 기술로드맵의 완성도를 높였다는 평가다.


수소경제 표준화 전략 로드맵, ‘미래자동차 산업 발전전략’, ‘수소 인프라 및 충전소 구축 방안’ 등 올해 이미 발표된 정책들과도 일관된 방향성을 갖도록 했다.


목표 달성에 직접적인 기여도가 높은 핵심분야를 도출해 그 중 선진국과 초기 경쟁선 상에 있는 분야는 원천기술 확보에, 빠른 시장진입이 필요한 분야는 시스템 개발 및 제품 완성에 주력하는 투 트랙 전략을 제시했다. 수소산업 전반의 기술자립도 제고를 위해 소수 독점성이 강하고 가격 비중이 높은 핵심 소재·부품에 대해서는 국산화 및 성능개량을 추진하는 전략을 제시했다. 


수소 기술 분류체계 정립
우선 기술분류체계를 정립했다. ‘수소경제 활성화 로드맵’의 기본방향(전주기 안전성 확보, 중소·중견 산업생태계 조성)을 토대로 5개 대분류(생산, 저장·운송, 활용-수송수단, 활용-발전·산업, 안전·환경·인프라)를 마련하고 각각의 과학기술적·산업적 특성을 고려해 세부기술을 분류했다.


먼저 ‘생산’은 수소를 포함한 화합물로부터 수소를 제조하는 기술로, 제조 원료(화석연료, 폐자원·바이오매스, 물 등) 및 제조 방법(열화학적, 생물학적, 광화학적, 전기분해 등)을 기준으로 기술을 세분화했다.


‘저장·운송’은 수소를 용도에 맞게 저장하고 운송·분배·공급하는 기술로, 수소의 물리적·화학적 특성과 운송수단을 고려해 기술을 세분화했다.


‘활용-수송수단’은 수소를 활용해 발생한 전기로 모터를 구동하는 방식으로 운행하는 교통수단으로, 육상용·해상용·항공용 수송수단 각각에 대해 연료전지시스템 출력과 용도를 고려해  기술을 세분화했다.


‘활용-발전·산업’은 수소를 활용해 전기와 열을 생산하는 발전시스템으로, 발전 설비용량 및 활용 분야, 타 시스템과의 융·복합 등을 고려해 세부기술을 분류했다.


‘안전·환경·인프라’는 수소 전 주기 기술개발을 뒷받침하기 위해 안전, 표준화·인증, 환경·경제성, 인프라 및 기술실증 등으로 분류했다.


이렇게 해서 5개 대분류 하위에 18개 중분류와 49개 소분류로 구분했다.   


기술개발 이슈 진단 통해 시사점 도출
기술분류체계를 정립한 이후에는 수소 기술개발의 목표와 추진전략을 마련하기 위해 5개 대분류별 기술개발 이슈를 진단해 시사점을 도출했다.


이에 따르면 국내 현실에 적합한 중·소형 개질 수소생산 기술을 확보해 단기 수요에 대응하고, 경제성 확보 및 대량 생산이 가능한 친환경 수소생산 기술 개발을 통해 그린수소로의 점진적 전환이 필요하다.


저장·운송 분야는 수소 대량 저장·공급을 위한 핵심기술 개발이 필요하다. 다만 액체수소 및 액상수소화물 저장·운송 기술은 대규모 인프라를 수반하게 되므로 국내 현실에 적합한 전략적인 수소공급 시나리오 수립이 선행돼야 하고, 핵심기술의 선택과 집중 개발이 필요한 것으로 나타났다.


활용-수송수단 분야는 기술 우위에 있는 승용차 연료전지시스템과 경쟁력이 있는 상용차 연료전지시스템을 전략적으로 활용해 이외의 수송용 분야의 기술격차를 최소화하고, 내연기관에서 전력기반으로 전환하는 데 따른 전기동력 추진체 기술 개발도 병행할 필요가 있다.


활용-발전·산업 분야는 경제성 확보 및 성능 향상을 통해 설치비 및 발전단가를 낮추고 고효율 제품을 개발해 국산 제품 보급 확대에 기여토록 한다.


안전·환경·인프라 분야는 수소 전 주기 지원을 위한 안전성 확보 기준 마련, 국가 주도의 기술 표준화 프로세스 구축, 경제성·환경성 분석 연구, 실증을 통한 기반구축 및 개발 기술·제품의 적용 추진이 필요한 것으로 나타났다.


이밖에 수소산업 핵심 소재·부품 국산화를 통해 상생 협력 기반의 산업생태계를 구축하고 기술자립도를 제고할 필요가 있다.




이러한 시사점을 기반으로 정부는 이번 로드맵에서 ‘세계 최고 수준의 기술력 확보로 수소경제 선도국 도약’을 비전으로 삼고, △저가 수소 대량 생산 기술 상용화 및 그린수소 생산 기술 개발 △다양한 저장·운송 핵심기술 확보 및 전략적 운송 인프라 구축 △연료전지시스템 기반의 수송수단 저변 확대 △발전용 연료전지시스템 고효율·저가화 기술 확보 △수소 안전·제도 완비, 표준 선점, 보급 기반 확대 등 총 5개의 최종 목표를 설정했다. 


중점 추진전략으로는 △수소 전 주기(생산-저장·운송-활용-인프라) 분야별 목표 달성에 필요한 핵심기술 개발 추진 △2030년까지 수소산업 핵심 소재·부품의 기술자립도 제고 △미래시장 개척 및 글로벌 시장 선도를 위한 미래 유망기술 개발 및 시장 확대형 기술개발 추진으로 정했다.


수소 전 주기 핵심기술 개발
먼저 수소 전 주기 목표 달성을 위한 핵심기술 개발을 위해 수소생산 분야는 수소 수요량 대응, 화석연료 수준의 가격경쟁력 확보, 기후변화 대응을 위한 단계별 기술 개발을 통해 친환경 수소로의 점진적 전환을 추진한다.




초기(~2025년)에는 천연가스 개질 기술 개발을 통해 저가 수소 대량 생산 기술을 확보한다. 주요 기술은 거점형 수소생산기지(1,000N㎥/h 이상) 및 소형 온사이트 수소충전소(300~1,000N㎥/h) 구축을 위한 중·소형 개질 수소생산 시스템이다.


오는 2030년까지는 수소 생산량 증대를 위한 고효율·대용량 수전해 시스템(50kWh/kg-H2, 100MW급) 기술을 개발하고, 태양광·풍력 등 다양한 재생에너지원과의 연계 실증을 추진한다. 주요 기술은 수MW~수십MW급 고효율 알칼라인·고분자전해질 저온 수전해 시스템과 재생에너지 연계 P2H(잉여전력을 수소로 저장하는 기술로 대용량·장기저장 유리)가 있다.




저장·운송 분야는 기체 저장·운송 기술을 고도화해 수소 운송량을 증대한다. 차량용 고압기체저장 탱크 가격저감(100만원 → 45만원/kg), 중·장거리 수소 배관망(20bar→100bar), 튜브트레일러용 대용량 복합재용기(200bar →450bar·1,500L) 등이 주요 기술이다.


아울러 수소를 대량으로 안정성 있게 저장·운송할 수 있는 액체수소·액상수소화물 저장·운송 기술 개발을 추진한다. 독일·미국·일본에서도 활발한 연구가 진행 중인 액상유기수소화물 분야는 원천기술을 확보하고, 상용화된 액체수소 분야는 제품화를 추진한다는 것이다.


주요 기술은 액상수소화물 수소 저장·추출 시스템(1,000N㎥-H2/h), 수소액화 플랜트(50톤/일), 액체수소 저장탱크(8만㎥), 액체수소 탱크로리(3.5톤), 액체수소운송선 화물창(16만㎥) 등이 있다.


다만 액체수소·액상수소화물 저장·운송 기술은 대규모 인프라 구축이 수반되므로 기술 실증 전에 경제성·환경성 분석(2025년까지 프로그램 개발 예정) 등을 추진하고, 이를 기반으로 국가 수소공급 전략 수립 후 중점기술을 재정비할 필요가 있는 것으로 나타났다.




활용-수송수단 분야는 수송수단에 모두 연료전지시스템이 적용되므로 타 분야로의 확장성이 큰 연료전지시스템을 전략적으로 활용해 중복 투자를 방지하고 가격 저감을 유도한다는 전략이다.


승용차·상용차용 연료전지시스템을 기반으로 플랫폼 기술을 개발·응용해 다양한 수송수단에 적용하고, 각 제품의 상이한 운영 환경에 따른 성능을 구현하기 위한 기술 개발을 추진한다는 것이다. 주요 기술은 철도차량·건설기계·선박용 연료전지 파워팩, 드론 연료전지시스템 등이다.


활용-발전·산업 분야는 발전용 연료전지시스템(가정·건물용, 분산 발전용, 대규모 발전용)의 경제성 확보를 통해 설치비와 발전단가를 절감한다는 전략이다. 이를 위해 연료전지시스템 핵심부품 모듈화 및 양산화, 시스템 효율 향상 및 내구성 향상을 위한 기술 개발을 추진한다.


주요 기술은 마이크로열병합(가정·건물용) 소형 고효율 연료처리장치 및 연료전지시스템, 분산 발전용 고효율·고신뢰성 시스템 모듈화 및 캐스케이딩, 대규모 발전용 연료전지시스템 대용량 스택 및 시스템 등이다.




안전·환경·인프라 분야는 수소 전 주기 기술개발을 위한 기반이므로 오는 2030년까지 완비를 추진할 계획이다.


우선 안전성 확보를 위한 실증 데이터베이스를 구축하고 평가시스템을 도입한다. 국내 기술의 국제표준 전략적 선점 및 국내 인증품목 확대도 추진한다. 또 해외 의존도가 높은 수소충전소 기자재 국산화 및 수소추진선박 운항에 필요한 벙커링(선박·항만설비에 수소 공급) 기술 개발을 추진하고 수소 생산, 저장·운송, 활용 각 분야에서 개발된 제품을 실증지에 적용한다. 실증지는 도시(‘수소 시범도시’ 우선 검토), 수소산업 집적 클러스터, 농촌 등이 꼽힌다.


주요기술은 안전, 표준·인증, 환경·경제성, 충전설비, 도시·클러스터 기반의 실증 기술이다.


수소산업 핵심 소재·부품 기술자립도 제고
수입 의존도가 높은 소재·부품 중 독점성이 강하고 가격 비중이 높은 핵심 소재·부품에 대해 국산화 및 성능개량(고효율·저가·장수명)을 추진한다.


고압기체수소 복합재 저장용기는 2028년까지 상용화, 수소전기차 및 발전용 연료전지 공용 소재(촉매, 전해질, 집전체 등)는 2030년까지 국산화율 100% 달성(백금 등 원자재 제외), 수소충전소 기자재는 2030년까지 국산화율 100% 달성, 소형 개질 시스템은 2030년까지 국산화 추진, 상용차용 전장 및 전기동력·전달장치는 2025년까지 국산화 추진, 발전용 연료전지 주변장치 상용화 및 수입대체(SOFC: 10년 내 100% 상용화, PAFC, MCFC: 5년 내 수입대체)를 목표로 하고 있다.




또 소재·부품·장치 국산화를 통해 제품 개발 후 상용화 단계에 진입 시 내구성·품질·가격 등의 장애요인 극복을 위한 엔지니어링 기술 개발을 추진한다. 운영·관리비 절감을 위한 내구성 향상 및 운전 최적화, 시스템 신뢰성 향상을 위한 품질 관리, 부품 및 시스템 설계 최적화 등의 기술을 2030년까지 선진국 수준으로 끌어올린다는 목표다.


미래시장 개척 및 글로벌 시장 선도 기술 개발
세계적으로 기술 성숙도가 낮아 시장은 형성되지 않았으나 성장 가능성이 있는 장기 유망분야(가연성 폐자원 가스화·광전기화학 수소생산, 고체흡착 소재·저장, 유인항공기, 수소터빈 등)에 대한 원천기술 확보도 추진한다.


기술적 완성도가 높은 수송·발전용 연료전지 분야(상용차·특장차용 연료전지시스템, 전기·열·수소 동시생산 시스템 등)는 가격저감 및 고부가가치화 등 기술 고도화를 통해 경쟁국과의 초격차를 유지한다는 목표다. 


국내 현실보다 해외에 적합하고 우리가 개발 경험을 가지고 있는 분야(펫코크·석탄 가스화 플랜트 등)는 기술 고도화를 통해 해외 수출시장 및 틈새시장을 공략한다.


‘범부처 수소 R&D 협의체’ 구성·운영
정부는 수소 기술개발 로드맵의 이행력 강화를 위해 ‘범부처 수소 R&D 협의체’를 기반으로 주기적으로 현행화하고 기술개발 사업 추진 및 성과로 연계할 계획이다.


‘범부처 수소 R&D 협의체’는 과기정통부(주관), 산업부, 국토부, 해수부, 환경부, 특허청 등 6개 부처 및 소관 연구관리전문기관(연구재단, 에너지기술평가원, 국토교통과학기술진흥원, 해양수산과학기술진흥원, 환경산업기술원, 특허전략개발원)으로 구성한다. 부처별 R&D 추진현황 및 성과 공유, 신규 R&D 투자 수요 검토, 개발된 기술의 조기 적용을 위한 규제 개선사항 발굴 등이 주요 역할이다.


또한 ‘범부처 수소 R&D 협의체’를 중심으로 국내·외 기술개발 동향 및 기술 적용, IP R&D, 보급 현황 등을 상시 검토하고, 이를 토대로 5년을 주기로 로드맵상의 기술개발 전략을 재검토할 계획이다.


기술로드맵에 제시된 중장기 기술개발 전략 및 중점 투자분야를 기반으로 범부처 R&D 사업을 기획해 수소 전 주기(생산, 저장·운송, 활용)와 연구개발 전 단계(기초·원천, 실증, 상용화) 간 유기적 연계를 통한 가시적 성과 창출을 가속화한다는 계획이다.


이밖에 각 부처가 필요로 하는 기술개발 사업 및 국제 공동연구 과제 발굴, 후속과제 필요성 판단 등에 수소 기술개발 로드맵을 활용할 예정이다. 






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