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현대자동차, 전기공학
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수소경제 사회에서의 시장 기회-한국가스공사 백영순 센터장
2005년 06월 07일 (화) 전기공업 webmaster@elenews.co.kr
세계가 수소에너지 시대를 향해 치닫고 있다. 수소가 차세대 에너지원으로 각광을 받는 이유는 너무나 풍부한 자원이기 때문이다. 우주를 이루는 원소의 90%가 수소이고, 물의 3분의 2가 수소 원자로 구성돼 있다. 수소는 물을 분해하여 생산하고 연료전지를 통해 이를 이용한 후 다시 물로 순환하는 무공해 경제를 이룰 수 있기 때문이다. 더불어 에너지의 대부분은 탄소(C)와 수소(H) 원자로 구성되어 있는데, 석탄(C/H≒1-2)과 같은 고체에서 석유(C/H≒0.5) 같은 액체로, 그리고 천연가스(C/H≒0.25)와 수소(C/H=0) 등의 기체로 변화되고 있다. 이는 에너지 수송 속도가 빨라지고 탄소비율이 낮아 이산화탄소 방출량이 적은 에너지이기 때문이다.
미국 부시 대통령은 2003년 연두교서를 통해 수소인프라, 연료전지 및 하이브리드 자동차 시장을 선도하겠다는 발표를 했다. 이후 미국 에너지부가 수소에너지 로드맵을 작성, 2004년부터 ‘대통령 수소에너지 이니셔티브’에 5년간 17억불을 투자하여 2030년경 수소경제시대를 활짝 열겠다는 전략이다. 일본의 고이즈미 총리도 세계 최초로 수소․연료전지 자동차를 실용화하겠다는 야심 찬 계획을 발표하는 한편 연료전지 자동차와 가정용 연료전지를 3년 이내에 실용화 한다는 방침 하에 2010년까지 5만대의 연료전지 자동차, 가정용 연료전지 220만 kW(약 70만가구), 건물용 연료전지 90만 kW라는 공급목표를 설정하고 있다. 이에 뒤질세라 유럽연합(EU)도 오는 2006년까지 수소․연료전지에 20억 9000만 달러를 투자할 방침이다. 한편 2010년에는 수소에너지 시장이 현재 세계 반도체 시장의 3배 수준에 달하는 1000억 달러로 확대될 것이라는 분석도 나와 있다. 이에 따라 수소에너지 시대 주도권을 선점하기 위한 선진국들의 관련 기술 개발 경쟁이 본격화되고 있다.
우리나라의 수소경제 전환 추진전략은 오는 2040년께로 예상되는 석유․석탄 등 화석연료 고갈에 대비하여 기후변화협약 등 국제적인 환경규제가 강화되는 추세에 발맞추기 위한 것이다. 유가가 상승할 때마다 국가 경제 전체가 출렁이는 석유 의존경제 체제로는 지속적인 경제발전에 한계가 있어 이에 대한 장기적인 대책을 마련하고 있다. 현재 한국의 수소에너지 관련 기술수준은 최고의 기술력을 보이고 있는 일본의 60 %에 머물고 있어 정부는 2005년 상반기 중 마련되는 수소경제 종합계획 추진에 따라 기술 격차를 줄이는 노력을 하고 있다.
미래 수소에너지가 활용될 핵심기술의 하나로 연료전지를 꼽고 있다. 이러한 연료전지는 전자, 자동차 등 다양한 산업에 혁신적 변화를 초래할 수 있는 기술로서 석유 중심의 에너지 체제를 수소에너지 중심, 내연기관의 자동차를 연료전지로의 전자기기의 하나, 중앙 집중적 전력생산을 누구나 전력을 생산하는 분산형 구조로 탈바꿈할 수 있는 획기적인 통합기술로 평가되기 때문이다. 연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 전지로 물의 전기분해 역반응으로 연료를 계속해서 공급 해주면 무한히 발전이 가능하다는 점에서 일종의 발전기이며, 연료로 사용되는 수소는 가스 등을 개질(改質)하여 얻거나 물의 전기분해를 통해 얻는다. 연료전지는 기계장치를 사용하지 않고 발전하기 때문에 거의 소음이 없으며, 수소와 산소가 반응해 전기를 생성하기 때문에 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등 공해물질을 거의 배출하지 않는다. 내연기관과 비교하면 전체 배출량은 20-50% 저감된다.(그림 1 참조) 둘째로는 연료전지는 효율이 높아 에너지 절감효과가 크다. 연료전지의 발전효율은 현재 30-50%로 내연기관보다 우수하며, 온수로 회수되는 열량까지 고려하면 효율은 80 %까지 높아질 수 있다. 연료전지 자동차의 경우는 화석연료에서 수소를 제조하여 연료전지 자동차를 움직일 경우 수소 연료생산 효율은 낮지만, 차량 효율은 매우 높아 가솔린 차량에 비해 약 3배 이상 고효율 자동차이다. (그림 2 참조) 셋째로 휴대용에서 발전용까지 다양한 응용이 가능하며, 연료전지 셀의 개수를 늘리면 출력을 높일 수 있어 연료전지 형태에 따라 수W-수십 MW의 전력 생산이 가능하며, 휴대기기용, 주택용, 자동차용, 항공기용, 우주선용 등 현재 석유, 가스, 전력 등 에너지를 사용하는 거의 모든 분야에 응용이 가능하다.

그림 . 기존 차량과 연료전지 차량의 이산화탄소 배출량 비교
(자료: Fuel Cells Canada, 2003)



그림 . 기존 차량와 연료전지 차량의 총 효율 비교
(자료: IGU WOC2 report, 2001)


21세기의 수소경제(Hydrogen Economy)로 진입하기 위해서는 물로부터 수소를 제조하는 것은 개발 비용이 높기 때문에 선행 단계로 천연가스로부터 수소제조 및 공급이 이루어질 것으로 사료된다. 따라서 단기적인 사업기회는 현지 설치형(on-site) 소규모 천연가스로부터 수소제조 사업에 있다. 연료전지, CHP(Combined Heat & Power, 이하 CHP), 그리고 수소자동차용 시장에 혁신적인 현지 설치형 소규모 개질기 개발로 대규모 수소 생산 개질기와 비슷한 가격으로 제조할 수 만 있다면 가스회사는 수소의 시장을 쉽게 접근할 수 있다. 천연가스 자동차(이하 CNG) 충전소를 CNG/수소 충전소로 전환할 수 있는 기회가 있다. HCNS(=Hythane) 버스용 충전소로의 활용을 들 수 있다. 디젤에 비해 CNG의 환경 친화적인 장점을 끊임없이 개선하는 것 이외 기존 엔진에 천연가스와 수소 혼합연료 활용은 수소경제를 향한 자연스러운 전환을 이룰 것이며 연료전지 자동차에 비해 쉽게 시행할 수 있기 때문이다. 천연가스에 수 %의 수소첨가로 천연가스를 쉽게 점화시키므로 연소가스중 이산화탄소를 낮출 수 있어 천연가스 활용 기기에도 접목할 수 있을 것이다. 중기적인 기회는 수소를 연료로 하는 CHP 시장이다. 수소 공급 인프라 구축은 수소 연료의 CHP와 마이크로터빈의 개발을 유도할 것이며, 둘째로는 수소연료전지 자동차용 충전소이다. 상업용으로 최초의 수소연료전지 자동차는 버스가 될 것이다. 사용 가능하게 될 현지 실치형 소규모 개질기의 경쟁력으로 가스회사가 CNG 충전소를 CNG/수소 충전소로 전환하여 사업 기회를 가질 것이고 거대한 자동차 연료시장의 중요한 사업자가 될 것이다. 장기적인 기회로서는 재생에너지에서 수소를 제조하거나 이산화탄소를 원천적으로 처리 가능한 대규모 천연가스 개질기로부터 수소를 제조하는데 있다. 따라서 이산화탄소를 원천적으로 처리한 대규모 SMR(Steam Methane Reforming)로부터 궁극적이고 화석연료의 탈 탄소가 되어질 때 대규모 SMR 플랜트에서 경제성으로 인하여 수소 가정용 기기와 발전으로의 활용이 기대된다.

한국가스공사 연구개발원 LNG 기술연구센터장 백영순
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