[월간수소경제 송해영 기자] 일본 경제산업성(METI)은 지난 3월, 수소사회 실현을 위한 요소기술 개발 및 가격 저감 목표, 액션 플랜 등의 내용을 포함하는 ‘수소·연료전지 전략 로드맵’을 발표했다.

해당 로드맵이 발표된 것은 이번이 처음은 아니다. 일본은 2014년 6월 ‘수소·연료전지 전략 로드맵’을 책정한 이후, 수소전기차 출시와 가정용 연료전지 ‘에너팜(Ene-farm)’ 보급 확대 등을 반영해 2016년 3월 개정판을 발표한 바 있다. 그로부터 3년 만인 올해 3월 수소전기차 판매 가격 저감 목표, 수소발전 기술 개발의 구체화, 패키지형 및 편의점 유휴부지 내 수소충전소 설치를 통한 수소충전 인프라 보급 확대 등의 내용이 포함된 3번째 로드맵을 발표한 것이다.

구체적인 목표와 액션 플랜 담은 로드맵
일본은 지난 2014년 4월 발표한 ‘제4차 에너지기본계획’을 통해 ‘수소사회 실현을 위한 로드맵을 작성하고, 그 실행을 담당하는 협의회를 구성할 것’이라고 밝혔다.

이에 따라 산학연관 전문가들로 구성된 ‘수소·연료전지전략협의회’가 설립되었으며, 협의회에서 2014년 6월 책정 및 발표한 것이 ‘수소·연료전지 전략 로드맵’이다.

이후 2017년에는 ‘수소기본전략’이 수립되어 각 부처별 규제 개혁과 기술 개발 및 인프라 정비 등의 정책이 하나로 통합되었다. 지난해 발표한 ‘제5차 에너지기본계획’에서도 세계적인 트렌드인 ‘탈탄소화’를 실현하는 데 있어 수소 및 연료전지 기술의 중요성이 강조되었다.

일본은 지난해 10월, 각국의 정부 관계자들이 모여 ‘수소사회 실현’에 대해 논의하는 ‘수소각료회의’를 개최했다. 당시 회의에서는 수소사회 실현에 있어 세계 각국의 연계가 중요하다는 내용을 골자로 하는 ‘도쿄선언(Tokyo Statement)’이 발표된 바 있다.

즉 ‘수소기본전략’과 ‘제5차 에너지기본계획’의 방향성을 기반으로 ‘도쿄선언’의 내용을 새롭게 반영하고, ‘수소사회 실현’이라는 목표를 달성하기 위해 필요한 요소기술의 스펙 및 가격, 실행 방안 등을 포함해 개정한 것이 이번 3월에 발표된 세 번째 로드맵이다.

‘수소·연료전지 전략 로드맵’의 주요 내용
이번 로드맵에 있어 주목할 만한 점은 크게 두 가지가 있다. 우선 기술 개발과 가격 저감 등에 있어 목표 타겟을 명확히 설정한 점이다. 수소사회를 실현하기 위해서는 다양한 기반 기술 개발이 필요한데, 로드맵에서는 이들 기술의 요구 스펙과 비용을 상세히 제시했다.

현재 수소전기차와 하이브리드차의 가격차는 300만 엔 가량이다. 로드맵은 이 가격차를 2025년 70만 엔까지 좁힐 것이라고 밝혔다. 수소전기차를 구성하는 주요 시스템에 대해서도 부품별 요구 스펙과 더불어 부품 가격을 어느 수준까지 낮출 것인지에 대한 목표치가 제시되어 있다. 수소충전소의 설치·운영비도 그 목표치가 정해졌다.

두 번째 포인트는 전문가들로 구성된 워킹그룹을 신설해 분야별 ‘팔로우 업’을 실시한다는 점이다. 수소 활용을 확대하려면 산학연관 연계는 물론 업종 간 연계를 통해 안정성 및 경제성 확보를 동시에 진행할 필요가 있다. 이를 위해 ‘수소·연료전지전략협의회’ 산하에 연구자, 저널리스트 등으로 구성된 ‘평가 워킹그룹’을 설치하기로 했다.

평가 워킹그룹은 ‘서플라이 체인’, ‘수소 활용’ 등 분야별로 산업계의 의견을 수렴해 현 상황을 파악하고 미래 목표를 재검토하는 등 로드맵 실행에 대한 팔로우 업을 연 1회 진행한다. 또한 기술 개발이나 사회 변화 등으로 인해 방향성 전환 필요성이 생기면, 그 원인을 검증하고 새롭게 목표를 설정하는 역할도 하게 된다.

수소 공급 가격 20엔/Nm³까지 낮출 것
수소를 산업 활동이나 일상생활에서 활용하는 사회, 즉 ‘수소사회’를 실현하기 위해서는 수소 공급 가격 저감이 전제되어야 한다. 아무리 환경성이 뛰어나다 하더라도 여타 에너지원에 비해 경제성이 뒤처지면 소비자의 외면을 받을 수밖에 없기 때문이다. 이에 따라 ‘수소기본전략’은 수소 가격을 2030년까지 30엔/Nm³으로 낮추고, 이후에도 꾸준히 기술 개발을 추진해 장기적으로는 20엔/Nm³을 달성할 것이라고 밝혔다.

이번 로드맵에는 ‘수소기본전략’에서 제시한 목표를 실현하기 위한 구체적인 액션 플랜이 포함되었다. 2011년 동일본대지진 이후 일본으로 수입되는 LNG의 가격은 7~15달러/MMBtu 사이를 오르내리고 있는데, 이를 수소로 환산(열량 기준)하면 9~20엔/Nm³에 해당한다.

2018년 국제에너지기구(IEA)에서 발표한 ‘World Energy Outlook’에 따르면 2040년 일본의 LNG 가격은 10달러/MMBtu(CIF 가격)로 전망된다. 즉 기존 에너지원과 동등한 수준의 가격 경쟁력을 실현하기 위해서는 LNG 가격 10달러/MMBtu(CIF 가격)를 수소 가격으로 환산한 13.3엔/Nm³에 환경 가치를 고려한 수준을 기준으로 삼아야 한다.

로드맵은 그 실현 방안으로 수소 가격 저감을 위한 기반기술 개발, 요소기술의 요구 스펙 및 가격 저감 목표 수립 등을 제시했다. 이외에도 저렴한 해외 에너지 자원을 확보하기 위해 정부·산업계가 나서서 해외 국가들과 우호적인 관계를 구축할 필요가 있다는 점을 명시했다. 한편으로는 일본 내 수소공급능력을 파악하기 위해 부생수소 현황 등에 대한 조사도 실시할 계획이다.

국제적인 수소 서플라이 체인 구축
수소 가격 저감을 위해 일본이 우선적으로 내세우는 방안은 바로 ‘해외의 저렴한 미이용 에너지와 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술 조합을 이용한 수소 수입’이다.

이와 관련해 가와사키중공업, J-POWER, 쉘 재팬, 이와타니산업 등이 참여하는 ‘HySTRA(CO₂ 프리 수소 서플라이 체인 추진기구)’는 호주의 미이용 갈탄을 개질해 수소를 생산하고 그 과정에서 발생한 이산화탄소는 CCS 기술로 처리한 다음 액화수소운반선을 이용해 수소를 수입한다. 관계자에 따르면 2020년부터 본격적인 실증 운전이 시작될 전망이다.

한편 미쓰비시그룹, 닛폰유센, 치요다화공건설, 미쓰이그룹으로 구성된 ‘AHEAD(차세대수소에너지체인기술연구조합)’는 브루나이에서 천연가스 개질 방식으로 생산한 수소를 톨루엔과 화학반응시켜 MCH(메틸시클로헥산) 형태로 수입한다.

AHEAD는 선박을 이용해 MCH를 수입한 다음 가와사키 시에 건설 중인 수소 플랜트에서 MCH를 분리해 수소를 뽑아낸다. 수소 플랜트는 올해 9월 완공될 전망이며, 이후 실증사업을 통해 연간 210톤의 수소를 정제할 예정이다.

이와 관련해 이번 로드맵에서는 수소 서플라이 체인 구축에 필요한 요소기술의 요구 스펙을 명기했다. 우선 가스로(gas furnace)의 효율을 높여 현재 수백 엔/Nm³ 수준인 수소제조비용을 12엔/Nm³까지 저감한다.

지상용 액화수소탱크는 현재 수천m³에서 5만m³급까지 제조 가능하도록 요소기술을 개발한다. 2030년 이후 유기 하이드라이드를 이용한 수소공급 비용을 한층 더 낮추기 위해 현재 1.4% 수준인 톨루엔의 로스(Loss)율을 절반까지 낮춘다.

한편 화석연료를 이용한 수소 제조·운송에서 탈탄소화를 실현하려면 CCS 기술 개발 및 비용 저감, 국제표준화 활동을 추진할 필요가 있어 CCS 실용화를 위한 사업도 지속적으로 추진할 예정이다.

수전해 시스템 가격 및 기술 개발 목표 제시
향후 재생에너지 발전 비중이 높아짐에 따라 미활용 전력(curtailment)을 저장할 수 있는 기술이 중요해진다. 대량의 전력을 장기간 저장할 수 있는 수소에너지의 특성은 일본에서도 많은 주목을 받고 있다.

이번 로드맵에서는 ‘수전해 시스템 비용 5만 엔/kW 달성’이라는 목표와 더불어 알칼라인 수전해 장치와 고분자전해질(PEM) 수전해 장치 각각에 대한 기술 목표치를 제시했다.

우선 알칼라인 수전해 장치는 2030년까지 에너지 소비량 4.3kWh/Nm³, 설비 비용 5만 2,000엔/kW, 전류밀도 0.8A/cm², 촉매의 코발트 사용량 0.7mg/W를 달성한다는 목표다.

고분자전해질 수전해 장치는 2030년까지 에너지 소비량 4.5kWh/Nm³, 설비 비용 6만 5,000엔/kW, 전류밀도 2.5A/cm², 촉매의 귀금속(백금) 함량 0.1mg/W를 달성할 계획이다.

이 같은 목표를 달성하기 위해서는 현재 진행 중인 NEDO 프로젝트의 성과를 바탕으로 전류밀도와 효율, 내구성을 한층 더 향상시킨다. 구체적으로는 셀 열화 등 반응 매커니즘을 규명하고, 내구성 평가법 검토 및 표준화를 추진해 기술 개발을 촉진시킨다.

한편 후쿠시마 수소에너지 연구 필드(FH2R)가 입지한 후쿠시마 현 등 일본 내 몇몇 지역을 대상으로 수소 관련 기술을 집중적으로 적용해 수소사회 실현 모델 도시를 구현한다. 실제로 일본은 올해 중 완공되는 FH2R에서 생산되는 재생에너지 전력 수소를 이용해 2020년 도쿄 올림픽 기간 중 투입되는 수소전기차 및 수소전기버스를 충전할 것이라고 밝힌 바 있다.

수소전기차 및 충전 인프라 보급 ‘박차’ 
현재 일본에는 2,926대(2018년 12월 기준)의 수소전기차가 보급되어 있으며, 103개소(2019년 4월 기준)의 수소충전소가 운영 중이다.

‘수소기본전략’과 ‘에너지기본계획’에서도 수소전기차 및 충전 인프라 보급 확대는 중요한 위치를 차지했다. 구체적인 보급 목표를 살펴보면 수소전기차는 2020년까지 4만 대, 2030년까지 80만 대를 보급할 계획이다. 수소충전소는 2020년까지 160개소, 2025년까지 320개소를 설치하고 2020년대 후반 수소충전소 사업의 자립화를 목표로 하고 있다.

이러한 방향성을 기반으로 이번 로드맵에서는 몇 가지 액션 플랜을 제시했다. 우선 수소전기차와 관련해서는 양산화, 가격 저감, 주행거리 향상 등에 필요한 요소기술 스펙 및 비용 저감 내역을 정리했다. 수소충전소는 설치·운영비 저감이 시급한 만큼 압축기, 디스펜서 등 장비별 비용 목표를 제시했다.

현재는 수소전기차 구매보조금이 지급되고 있어 소비자들은 수소전기차의 가격 문제를 체감하기 힘들다. 하지만 장기적으로 수소전기차 보급을 확대하는 데 있어 ‘차량 가격 저감’은 피할 수 없는 방향이다.

이번 로드맵에서는 2025년까지 수소전기차 가격을 동급 하이브리드차 대비 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 있는 수준으로 낮출 것이라는 목표를 내세웠다. 현재 수소전기차와 하이브리드차의 가격차는 300만 엔 가량이다. 최근 판매대수가 급격히 늘고 있는 전기차와 하이브리드차의 가격차가 70만 엔 가량(닛산 리프-도요타 카롤라 기준)임을 고려해, 2025년 FCV-HV 간 실질적인 가격차를 180만 엔 이하로, 2025년에는 70만 엔까지 낮추는 것을 목표로 한다.

수소충전소는 설치·운영비 문제가 보급 확대를 가로막고 있다는 점을 고려해, 2020년까지 도입 초기 가격(설치비 2억 3,000만 엔, 운영비 2,300만 엔)의 절반 수준으로 낮추는 것을 목표로 삼았다. 장기적으로는 2025년까지 설치비 2억 엔, 운영비는 1,500만 엔으로 절감한다.

또한 사용자 편의성을 높이고 수소충전소 사업 자립화를 실현하기 위해 운영 시간을 확대하는 한편, 기존 주유소나 편의점 여유부지에 구축하는 복합충전소를 적극적으로 확대한다.

수소충전소 운영비의 35% 가량을 인건비가 차지하고 있는 만큼, 원격감시를 이용한 수소충전소 운영의 무인화가 정착되면 운영비를 대폭 절감할 수 있다는 판단 아래 2019년 8월까지 법적·기술적 과제와 필요한 안전 대책 등을 정리해 2020년 7월 도쿄 올림픽 개최 이전까지 무인 수소충전소 운영을 시작할 수 있도록 할 계획이다.

천연가스-수소 혼소발전 기술 개발 및 실증
태양광, 풍력 등 재생에너지는 간헐성이 높아 단순히 발전 비중을 높이는 것만으로는 전력 문제에 대응하기 힘들다. 결론적으로 백업 전원이 필요한데, 공급능력과 조정능력을 모두 갖춘 천연가스화력발전은 재생에너지 발전 비중을 늘리는 과정에서 빼놓을 수 없는 전력원이다.

이에 따라 일본은 NEDO 프로젝트를 통해 천연가스-수소 혼소발전의 요소기술 개발 및 실증을 추진 중이다. 지난해 1월부터 MW급 코제너레이션(cogeneration) 시스템을 활용한 실증을 시작했으며 같은 해 4월에는 수소연료만을 100% 투입한 가스터빈 발전을 이용, 도심 공공시설에 전기와 열을 공급하는 데 성공했다.

수소공급이 원활하지 않은 현재 시점에서는 천연가스 비중을 높이되, 실증 운행을 통해 경제성과 환경성이 균형을 이룰 수 있는 최적의 연료 비율을 찾는다는 계획이다.

이와 관련해 이번 로드맵에서는 2020년 무렵 기존 화력발전 설비 내 수소혼소발전을 도입하는 것을 목표로 필요한 조건을 명확히 할 것이라고 밝혔다. 한편 수소 코제너레이션 시스템의 발전효율을 더욱 높이기 위해 2020년까지 물을 분사하지 않아도 질소산화물(NOx)을 제어할 수 있는 기술을 개발한다. 또한 향후 수소 공급에서도 경제성 확보를 기대하고 수소전소발전을 실현하기 위한 요소기술 역시 확립키로 했다.  ‘  ’

가정·산업용 연료전지 시스템 이용한 수소 활용
2019년 1월 말 기준 일본에는 27만 4,000대의 가정용 연료전지(에너팜)가 보급되어 있다. 산업용 연료전지의 경우, 2017년부터 일본 기업에 의한 SOFC 시장 진입이 이뤄지기 시작했다. 이와 관련해 2020년 도쿄 올림픽 선수촌에 순수소형연료전지를 도입하는 안에 대해서도 검토 중이다.

일본은 2020년까지 에너팜의 시장 자립화를 실현하고 2030년까지 530만 대를 도입한다는 목표를 세웠다. 2020년까지 PEFC(고체고분자연료전지) 시스템은 80만 엔, SOFC(고체산화물연료전지) 시스템은 100만 엔 가격을 실현할 계획이다.

이와 관련해 이번 로드맵에서는 몇 가지 액션 플랜을 제시했다. 우선 기기 소형화를 위해 셀 스택의 고효율화 등 기술 개발을 진행하고 스택 구조 및 부품 설계 재검토를 추진한다는 방침이다.

한편 기존 주택은 물론 공동주택, 한랭지, LPG 공급 지역 등의 시장을 개척할 수 있도록 설치가 용이한 소형 시스템을 개발하고 공동주택의 에너지 소비 패턴에 최적화된 제품을 시장에 투입하며 한랭지역용 기기의 가격을 낮추기로 했다.

상업용 연료전지와 관련해서는 2025년까지 저압 제품의 시스템 가격을 50만 엔/kW, 발전비용을 25엔/kWh로 낮출 계획이다. 고압 제품의 시스템 가격은 30만 엔/kW, 발전비용은 17엔/kWh까지 절감한다.

셀 스택 등 부품과 관련해서는 꾸준한 기술 개발을 진행해 2025년까지 송전단 효율(LHV) 55% 이상 달성을 목표했다. 현재 9만 시간 수준인 내구성은 2025년까지 13만 시간으로 향상시킬 계획이다.