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FOCUS

집중 탐구, 독일 수소전략

독일 수소전략의 핵심은 재생에너지 기반 ‘수전해’
사실상 유럽 이끌며 ‘EU 수소전략’ 밑그림 그려
프라운호퍼 소사이어티 통한 사업화 연계 연구 활발
정부 주도 ‘수소 인프라’ 구축으로 수소경제 기반 확장

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[월간수소경제 성재경 기자] 올해 단연 화제는 지난 7월 8일에 발표된 ‘EU 수소전략’이다. 개별 국가가 아닌 유럽공동체가 나서 수소경제로 진입하는, 에너지 전환의 방향성을 제시했다는 점에 큰 의미가 있다. EU 수소전략은 코로나 펜데믹으로 침체된 경제를 살리기 위한 ‘그린딜’의 연장선에서 새로운 일자리 창출하고 세계 수소산업의 주도권을 확보하겠다는 유럽의 의지에서 출발했다고 볼 수 있다. 


바로 이 ‘EU 수소전략’의 기본 토대는 사실상 유럽연합을 이끌고 있는 독일의 수소전략에서 왔다고 해도 과언이 아니다. 독일은 프라운호퍼 연구소를 통해 수소로드맵을 차근차근 준비해왔고, 그간의 성과와 경험을 바탕으로 한 달 앞서(6월 10일) 국가 수소전략을 발표한 바 있다. 독일은 기존 화석연료를 전기로 대체하기 어렵거나 에너지 저장이 꼭 필요한 분야에서 재생에너지의 활용도를 높이기 위해 수소에 주목해왔다. 

 

독일 수소전략의 핵심은 ‘수전해’

유럽 수소전략의 표본은 독일에서 찾을 수 있다. 독일 수소전략에 따르면, 향후 수소시장 확대를 위해 70억 유로, 수소 확보를 위한 글로벌 파트너십 구축에 20억 유로를 투자할 계획이다. 이 돈을 합치면 총 90억 유로(약 12조 원)에 이른다. 독일은 2030년까지 최대 5GW, 2040년까지 최대 10GW 용량의 수소 생산시설 구축을 제안하고 있다. 


독일 수소전략의 핵심은 ‘그린수소’에 방점이 찍혀 있다. 재생에너지 전력으로 수전해를 통해 생산한 수소는 말 그대로 친환경이다. 독일은 온실가스 배출량에 따라 수소를 그린, 그레이, 블루, 청록 네 가지로 구분하고 있다. 천연가스를 개질한 그레이수소의 경우 수소 1톤을 생산하는 데 10톤의 이산화탄소가 배출되는 것으로 알려져 있다. 




독일은 그레이수소 생산 과정에 나오는 이산화탄소를 포집·저장한 ‘블루수소’, 메탄을 열분해해서 수소를 생산할 때 고체탄소 잔류물 형태로 배출된 이산화탄소를 고체 형태로 영구 유지하는 ‘청록수소’를 탄소중립 수소로 본다. 수전해를 통한 수소생산 비용이 아직은 비싼 만큼, 독일 또한 이 ‘탄소중립 수소’를 그린수소로 넘어가는 과도기 과정으로 허용하고 있다. 


독일의 총 수소 소비량은 약 55TWh(테라와트시)로, 기초 화학 재료나 석유화학 같은 산업 부문에 많은 수요가 몰려 있다. 여기에 들어가는 수소는 대부분 그레이수소(개질·부생수소)에 해당되며, 전체 수요량의 약 7%(3.85TWh)만이 염소·알칼리 전기분해 공정에 의해 생산되고 있다. 


독일 정부는 2030년 국내 수소 수요를 90~110TWh 수준으로 추산하고 있고, 이를 충족시키기 위해 2030년까지 5GW 규모의 그린수소 생산시설을 건설해 연간 14TWh의 수소를 공급하겠다는 계획을 밝혔다. 이는 그린수소 생산설비가 지금의 200배로 늘고, 그린수소 생산에만 2019년 재생에너지 전력 공급량 237TWh의 8.4%에 해당하는 20TWh의 재생에너지가 쓰인다는 뜻이다. 독일은 2030년 이후 2040년까지 그린수소 생산시설 5GW를 추가하겠다는 계획도 언급했다. 


독일은 재생에너지로 생산된 전력으로 수소를 생산해 저장하는 P2G(Power-to-Gas) 사업을 그 어느 나라보다 적극적으로 추진해왔다. 수전해를 통한 P2G가 가능하려면 태양광이나 풍력 같은 재생에너지 자원이 풍부해야 한다. 독일은 2011년 이래 독자적인 에너지 전환 정책을 대대적으로 추진한 결과, 전체 발전믹스에서 재생 가능 에너지 비중을 40% 수준으로 높였다.


이런 재생에너지 인프라를 바탕으로 한 P2G 사업은 독일 수소전략과 맞물려 향후 5년 내 크게 성장할 것으로 기대된다. 독일에는 현재 40여 건의 소규모 P2G 시범사업이 진행 중이며, 가장 큰 프로젝트는 6MW에 이른다. 2013년부터 2015년까지 1,700만 유로를 투자해 건설한 ‘마인츠 에너지파크’가 그것으로, 국내 관련 기관이나 연구자들이 견학을 다녀가는 필수 코스로 통한다.




이곳은 풍력 발전기에서 나는 잉여전기를 활용한 수전해로 그린수소를 생산한다. 지멘스의 Silyzer 200 PEM 수전해 설비를 통해 시간당 90kg의 수소를 생산할 수 있다. 이렇게 생산된 수소는 배관이나 튜브트레일러를 통해 지역에 공급한다. 마인츠 에너지파크 구축비의 절반은 연방정부에서 지원했고, 이후 운영비는 지역 도시가스사, 지멘스와 린데 같은 민간기업에서 부담하고 있다. 제주도에서 3MW급 수전해 기술 개발 프로젝트가 국내에서 이제 막 시작된 걸 감안하면 최소 5년 이상의 기술 격차가 있는 셈이다. 


독일 또한 자국 생산만으로 충분한 양의 그린수소를 확보하기가 어렵다는 걸 잘 알고 있다. 앞으로 크게 늘어날 수소 수요에 대비해 재생에너지 확보에 유리한 북아프리카를 비롯해 중동, 호주 등지에서 수소 수입을 검토하고 있다. 


실제로 프라운호퍼 연구소가 북아프리카의 관문인 모로코에서 진행한 연구를 통해 그린수소의 생산과 수입 가능성을 타진한 바 있다. 독일 수소전략 발표 당일 모로코와 관련 협정을 맺은 것도 이런 이유다. 모로코는 10년 전부터 태양광, 풍력을 활용한 재생에너지에 집중해왔고, 2018년 11월 모하메드 6세 왕은 2030년까지 재생 가능 에너지원에서 발생하는 에너지 비율을 52%까지 높이겠다는 야심찬 목표를 제시한 바 있다.


모로코는 인산염과 암모니아를 활용해 비료를 만들어 수출한다. 모로코는 세계 최대 인산염 생산국이지만, 암모니아는 지난해에만 200만 톤을 수입했다. 독일은 모로코의 풍력과 태양광을 이용해 그린수소를 만든 뒤 이를 암모니아(NH3) 생산에 활용하는 방안을 추진하고 있다. 아프리카는 재생에너지 생산에 잠재력이 크다. 아프리카에서 생산한 그린수소나 그린 암모니아, 그린 메탄올 등을 유럽으로 수입하는 안이 수소전략에 포함되어 있다. 



또한 독일은 지난 9월 11일에 호주와 그린수소 협약을 체결하는 등 지속적인 행보를 이어가고 있다. 호주의 그린수소 생산 인프라와 잠재력을 평가하고 양국이 수소 공급망 개발을 함께하기로 한 점은 우리에게도 익숙하다. 호주는 이미 일본과 한국, 싱가포르 등과 관련 협약을 맺고 수소 인프라 구축 노력을 활발히 진행 중이다. 


정부 주도 ‘수소 인프라’ 구축 사업

독일 수소전략은 하루아침에 나오지 않았다. 로드맵 수립 이전부터 여러 기금을 활용해 수소 관련 기술 투자에 집중해왔다. 가장 대표적인 것이 ‘수소·연료전지 국가혁신 프로그램(NIP)’다. 연방정부 차원에서 2006년에 수립한 사업으로, 2007년부터 2017년까지 10년간 7억 유로를 투입해 수소·연료전지 기술개발에 공을 들여왔다. 또 2016년부터 2026년까지 추가로 14억 유로를 들여 NIP 2단계 사업을 진행 중이다.


NIP 프로그램은 연방 교통부, 경제에너지부, 교육부, 환경부에서 운영되며 예산은 연방정부에서 조달한다. 독일 정부는 NIP 사업의 실행기관으로 2008년 2월에 ‘국립 수소·연료전지기술기구(NOW)’를 설립, 수소 인프라와 공급시장의 활성화, 비용 절감, 신뢰성 향상 등을 지원해왔다. 


독일은 차량이나 열차, 선박, 항공기 같은 모빌리티에 수소연료전지를 장착하고, 그에 따른 수소 연료 공급, 그 기반이 되는 인프라 개발 등에 힘써왔다. 특히 수소차 보급과 인프라 확충을 위해 지난 2016년에 ‘H2모빌리티’를 설립했다. 우리로 치면 현대차, 효성, 한국가스공사 등이 참여하고 있는 수소에너지네트워크(HyNet)라 할 수 있다. H2모빌리티는 에어리퀴드, 다임러, OMV, 셸, 토탈, 린데 등 6개 민간기업에 의해 공동 설립됐으며 BMW, 폭스바겐, 혼다, 현대차, 도요타, NOW가 자문 파트너로 참여하고 있다. 




H2모빌리티는 정부 지원금과 NIP의 지원금을 받아 독일 내 충전소를 2018년 말 57개에서 2020년에는 100개, 2025년에는 400개로 늘릴 계획이다. 독일에는 87개의 수소충전소가 운영 중이며, EU의 지원을 받아서 진행한 수소버스 시범운행 사업을 통해 프랑크푸르트, 쾰른, 슈투트가르트, 마인츠, 비스바덴 등에서 수소버스 60여 대가 운행 중이다. EU는 ‘연료전지 및 수소 공동사업(FCH-JU)’의 자금을 활용해 유럽 내 수소버스와 수소충전소 도입을 지원하는 ‘유럽 수소차 공동 이니셔티브(JIVE)’ 프로그램을 진행 중이다. 


지난 10월에 사이트 구축에 들어간 자르브뤼켄 H2모빌리티 수소충전소의 사례를 보자. 내년 봄 개장을 목표로 하고 있는 이 충전소 구축에는 독일 연방교통·디지털인프라부(BMVI)의 NIP가 제공하는 95만 유로(약 12억5,000만 원)의 자금이 지원된다. 한국의 하이넷에도 이름을 올린 프랑스의 에어리퀴드가 주도적으로 참여하고 있다. 



프랑스의 철도 제조사인 알스톰이 2018년 9월 독일에서 처음 출시한 세계 최초의 여객용 수소열차인 코라디아 아이린트(Coradia iLint)도 주목해야 한다. 2016년 베를린에서 열린 국제 철도박람회인 ‘이노트랜스’에서 처음 시연된 후 이듬해 첫 시운전에 들어간 곳이 바로 독일이다. 이 열차는 지난해 커민스가 인수한 하이드로제닉스의 PEM 연료전지를 장착하고 있다.


150석을 갖춘 코라디아 아이린트는 시속 140km로 최대 1,000km를 주행할 수 있다. 이미 두 대가 2018년 9월 독일 북부 니더작센 주에서 상용 운행을 시작했다. 내년에는 14대의 수소열차를 운행하고, 2022년에는 운행 대수를 27대로 늘릴 방침이다. 이를 위해 린데가 브레머푀르데에 수소충전소를 세우는 공사에 들어갔고, 커민스는 알스톰의 수요에 대응하기 위해 노르트라인베스트팔렌 주 헤르텐에 연료전지시스템 조립 공장을 세우기로 했다.

 

수소경제 진입을 위한 다양한 프로그램 운영

독일은 2차 NIP 프로그램으로 지난해부터 하이랜드(HyLand) 사업을 추진 중이다. 하이랜드는 우리로 치면 ‘수소 시범도시’나 ‘수소 융복합 클러스터’에 견줄 수 있다. 특히 운송 부문에서 재생 가능한 에너지원을 기반으로 수소·연료전지 기술을 통합하기 위한 도시, 지역 개념을 개발하는 과정을 거쳐 각 지역을 3단계로 구분했다. 


NOW는 독일 지자체의 수소경제 구현을 지원하기 위해 38개 지자체 중 9곳을 HyStarter, 28개 지자체 중 13곳을 HyExperts, 6개 지자체 중에 3곳을 HyPerformer로 지정하고 수소 관련 활동을 위한 자금을 지원하고 있다. HyStarter의 경우 풍력 발전이 많은 해안 지역, 산업 구조의 변화가 필요한 갈탄 광산 지역, 자동차 산업 지역, 이동성이 많은 수도권, 연결 가능성이 높은 국경 지역 등이 선정됐다. HyExperts와 HyPerformer의 경우에는 이미 수소의 경험을 쌓았거나 기존 전략을 구현하기 위한 연속성에 초점을 두고 대상 지역을 선정했다.


NOW는 국제협력을 위해 미 에너지부의 연료전지기술사무소(Fuel Cell Technology Office), 일본의 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO), 중국자동차기술연구센터(CATARC), 프랑스의 E-모빌리티 워크그룹, EU 산하 수소연료전지 민관 협력체인 FCH-JU 등과 수소 협력을 맺고 있다.


쾰른 지역의 수소, 연료전지 및 전기 이동성을 위한 지역 클러스터인 HyCologne에서 추진하는 수소 파이프라인 인프라 개발 사업도 주목할 만하다. HyPipCo 프로젝트로 불리는 사업으로, 쾰른과 인근의 화학공단, 석유 정제시설에서 나오는 많은 양의 수소를 위한 파이프라인 건설에 초점을 두고 있다. 


수소 파이프라인은 루르(Ruhr) 지방에서 쾰른 북쪽까지 이어지며, 여기서 레버쿠젠과 도르마겐의 화학단지와 연결된다. 화학단지에서 생산된 그린수소는 GetH2 프로젝트를 통해 해상 풍력의 가능성이 높은 독일 북해 연안과 이어지게 된다. 여기에 더해, 라인강으로 난 서쪽 방향을 따라 네덜란드의 Octopus 프로젝트의 파이프라인 경로로 추가 라인을 연결하게 된다. 이는 네덜란드 북부의 흐로닝언에서 새롭게 건설되고 있는 그린수소 허브와 이어지게 된다. 


기반 시설인 파이프라인은 구축비가 많이 드는 대신 장점도 확실하다. 태양광이나 풍력 단지에 그린수소 생산을 위한 전해조 생산설비가 투입됐을 때도 파이프라인을 통해 바로 회수할 수 있다. 우리나라만 해도 수소 시범도시인 울산, 안산, 전주·완주를 중심으로 수소배관 구축 사업을 진행 중이다.  


독일 정부는 가정용 수소연료전지 개발과 보급지원 사업도 꾸준히 추진해왔다. 2009년까지 가정용 연료전지 설비 시험 연구에 약 4,000만 유로를 투자해 800여 개 설비를 시범적으로 보급했고, Callux 사업(2008~2015년)을 통해 470여 대의 PEMFC, SOFC 소형 연료전지를 가정에 시범 공급했다. 


지금도 독일 정부는 수소 난방 도입을 확대하기 위해 가정용 연료전지에 보조금을 지원하고 있다. 지원 대상은 주거용 건물 내 0.25~5kW 용량의 연료전지 난방기기 구매 비용과 10년간 정비 비용 등이 포함되며, 지원 규모는 용량별로 7,050~2만8,200유로에 이른다.

 

사업화를 위한 연구개발, 프라운호퍼 소사이어티

기술 강국 독일은 산업기술개발에 그 어느 나라보다 적극적이다. 그리고 그 배경에는 프라운호퍼 연구소가 있다. 지난 10월 말 동대문디자인플라자에서 열린 ‘그린뉴딜 엑스포’ 컨퍼런스에서 첫 기조 연설자로 참여한 크리스토퍼 헤블링 프라운호퍼 태양에너지시스템연구소장의 말을 귀담아 들을 필요가 있다.


그는 “지난해 독일 전역의 28개 국책 연구기관과 에너지 전문 민간기업으로 이뤄진 ‘수소 네트워크’를 결성했다”며 “(독일이) 수소경제의 헤게모니를 쥐기 위한 활동에 고삐를 바짝 죄고 있다”고 말했다.


독일은 프라운호퍼 소사이어티를 통해 최근 ‘수소 R&D 전략 로드맵’을 확정했다. 이 로드맵은 소재 개발, 생산·운송·저장설비 설계, 시스템·응용 등 각 분야에 걸쳐 가용 가능한 정부·민간연구소들을 모두 동원하면서 그 역할을 분담해 체계적으로 수소 기술개발을 추진한다는 원칙을 담고 있다. 프라운호퍼 소사이어티는 독일 전역 74개 정부출연연구소와 10만 명의 과학자들로 구성된 유럽 내 최고 R&BD(사업화연계연구개발) 기관으로, 한 해 예산만 약 3조8,000억 원에 이른다. 예산의 3분의 2 이상을 기업과 맺은 연구 계약으로 충당한다는 점도 눈여겨봐야 한다. 


일례로 최근 프라운호퍼 IWS가 다임러와 함께 개발한 연료전지 금속 분리판 카본 코팅 기술을 들 수 있다. 금속 분리판은 막전극접합체(MEA)와 기체확산층(GDL)을 고정하는 셀의 가장자리에 위치하는 연료전지 스택의 핵심 부품이다. 전기 저항을 줄이면서 부식을 방지하기 위해 표면에 귀금속 코팅을 하기 때문에 제조비용이 비싸다. 


프라운호퍼 IWS의 과학자들은 금속판에 금 대신 탄소를 매우 얇게 코팅해 비용을 크게 줄이는 대량생산 방식을 개발했다. 일종의 도금법이라 할 수 있는 물리기상증착(PVD) 방식을 적용, 0.05~0.1mm 두께의 얇은 스테인리스 강판에 카본(흑연) 복합체를 나노미터 두께로 코팅하는 방식이다. 




프라운호퍼 ISI가 과학적 시뮬레이션 모델을 통해 제안한 수소충전소 네트워크 보고서도 하나의 사례에 든다. 독일 전역에 80개가 넘는 수소충전소가 있지만, 대부분은 트럭에 적합하지 않고 충전이 가능하더라도 용량이나 충전시간 등에 제약이 따른다. 프라운호퍼 ISI는 2050년에 독일이 제대로 된 트럭 수소충전소 네트워크를 갖추려면 연간 약 90억 유로(12조 원)의 총 비용으로 대형트럭의 운행을 처리할 140여 기의 충전소가 필요하다는 연구 결과를 내놓은 바 있다. 


지난 11월 12일 서울 강남에서 열린 ‘2020 한-독 수소기술 컨퍼런스’는 한국과 독일 양국이 처음 개최하는 기술세미나로 큰 관심을 모았다. 그 중심에 프라운호퍼가 있다. 프라운호퍼는 이날 컨퍼런스 행사에 맞춰 한국의 수소융합얼라이언스추진단(H2KOREA), 국가과학기술연구회(NST)와 수소산업 기술력 증진을 위한 양해각서를 주고받았다. 




독일이 수소의 생산과 저장, 수소충전소 등 인프라 부문에 강점이 있다면, 한국은 현대차가 주축이 되어 개발한 수소전기차 부문에 강점이 있다. 다임러트럭은 수소트럭 개발을 위해 볼보와 손을 잡고 GenH2 수소전기트럭을 개발 중이다. 시제품이 나오기까지 3년 정도 시간이 필요한 반면, 현대차는 이미 전주공장에서 수소트럭을 생산해 스위스 현지로 수출한 바 있다. 


양국은 서로의 강점을 잘 알고 있고, 수소경제의 주도권을 잡기 위해 기술적으로 서로 보완이 필요하다는 인식을 공유하고 있다. 한국 정부와 산업계, 학계는 독일 수소전략에 관심이 많다. 액화수소, 수전해만 해도 독일이 최고의 기술력을 보유하고 있다. 독일 수소전략을 다시 들여다보는 이유가 여기 있다. 





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