올해 서울모터쇼에 출품한 현대자동차 수소연료전지버스.

왜 수소에너지를 말하는가?

작년 배럴당 120달러의 원유가를 기록하다가 세계적인 경제위기와 함께 최근 40～50달러 대를 오르내리면서 다소 안도의 한숨을 돌릴 시간을 가졌다.

주종 에너지로 자리 잡은 화석에너지는 오랜 세월에 걸쳐 만들어진 유한한 자원인 탓에 수급 불균형은 얼마든지 심화될 수 있고, 환경적인 면과 에너지의 효율적 이용이란 측면에서 다양한 원료로 만들어낼 수 있다는 점 때문에 제1차 석유위기가 있었던 1970년대 중반부터 수소에너지에 관심을 갖게 됐다.

그러나 유가 급상승시에만 반짝 관심을 가지는 정도의 반복으로는 획기적인 기술혁신을 기대하기 힘들다.

그동안 상대적으로 값싼 석유에 안주한 탓에, 신재생에너지에 대한 기술 개발과 투자가 정체되어 왔었으며, 지금과 같은 집중적인 투자가 이루어지기 시작한 것은 21세기에 들어서부터이다.

IEA의 한 보고서에서 발표한 바에 따르면 현재 신재생에너지에 대한 정부 투자액 연간 80억 달러 중 수소에너지관련기술에는 10억 달러가 투입되고 있다.

기업체 투자 분은 정부투자분의 3-4배에 이를 것으로 보기 때문에 수소연료전지분야에만 50억 달러 정도가 매년 투자되는 셈이다.

수소연료전지분야의 기술발전이 계획보다 더딘 걸음을 하고 있기는 하지만 대략 오는 2015년까지는 연구개발에 주력하면서 틈새시장 진입을 시도하게 될 것이라고 보아도 무리 없다.

무엇을 어떻게 할 것인가?

수소는 석탄, 석유, 가스와 같이 채굴을 통해 얻을 수 있는 ‘1차 에너지’는 아니며 수소를 함유한 물질을 분해하여 얻어야 하는 ‘2차 에너지’에 해당됨을 다시 한 번 환기시켜야겠다. 궁극적으로는 과학과 기술로서 지구상의 풍부한 물로 수소로 만들어 이용하여 다시 물로 되돌아가게 하면 친환경적인 완벽한 에너지순환이 이루어지는 셈이다.

수소경제의 주요 변수는 수소에너지기술과, 또한 경쟁관계에 있는 여러 기술의 진보 정도에 달려 있다.
연료전지의 경우 이동형 전자기기용으로는 이차전지와 경쟁관계에 있으며 자동차용으로서의 용도는 바이오연료나 기타 합성연료를 사용하는 기존 엔진과 경합을 벌여야할 처지에 있다. 그러나 자동차업계에서는 전 세계가 궁극적으로는 무공해차량을 지향하고 있기 때문에 연료전지차량을 최종 개발 목표로 보는 견해에는 변함이 없다.

신정부 들어 저탄소녹색성장이 뜨고 있다. 녹색성장은 신성장동력과 일자리를 창출하는 신국가발전 패러다임임을 2008년 8.15 경축사에서 천명하고, 그린에너지 산업을 녹색 성장의 핵심동력으로 추진하는 것으로 방향을 잡았다.

온실가스를 획기적으로 감축하는 혁신적 에너지기술에 기반을 둔 산업이 각광을 받게 될 것이라는 전망 때문에 각 지자체나 기업에서도 서둘러 이에 맞는 정책과 지원을 펼치고 또 주도할 준비를 하기에 부산하다.

하지만, 고효율 저가화를 이룰 원천기술확보가 밑받침이 되어 있지 않다면 단기적으로는 이득이 생길지 모르나 장기적으로는 국민 세금의 손실을 불러오는 일임을 간과해서는 안 된다.

기술이 부족한 현실에서의 보급정책은 기술개발을 촉진하기 위한 보조수단이지 시장을 해외기술로 채우고 해외기술에 시장을 내어주자는 의미는 아니다.

다시 한 번 우리의 강점과 약점을 분석하고 강점은 더욱 더 다지고 약점은 보완하는 방향으로 방향을 잡아야 국가의 성장 동력으로 자리 잡을 수 있다.

국내외 개발 현황

수소제조

어느 나라든지 현 기술 수준을 감안할 때, 시장 진입시점에서는 우선 분산전원용, 수소충전소 등 수소를 필요로 하는 지역에서 상용기술을 활용한 수소제조나 부생수소이용을 우선적으로 고려하여 왔다.

시범운행단계에 있는 연료전지자동차의 시장진입을 위해서는 기존 화석연료를 이용한 수소 제조기술의 소형화 및 고효율화가 필요하며, 전 세계적으로 LPG, 가솔린, 나프타, 천연가스, 전기 분해 등을 이용한 수소충전소를 건립 운용하고 있다.

기존 수소제조나 유통을 담당하고 있는 산업체가 관심을 가지고 적극 참여하고 있다. 연료전지 효율이 3배가량 높기 때문에 기존 화석연료를 더 효율적으로 이용하는 방안이 될 수 있기에 가능한 일이다.

궁극적으로는 탈 화석연료를 지향하는 방안으로서 태양광을 이용하여 물을 분해하는 기술에 집중하고 있는데, 이상적이기는 하나 효율이 아직 너무 낮아 장기적인 전략으로 수행하고 있다.
물의 분해는 다음과 같은 반응이 일어나야 한다.
H2O → H2 + 1/2 O2 , ΔGo = 237 kJ/mol (Eo= -1.23V)
이 과정에서 필요로 하는 에너지는 방법에 따라 빛, 전기 또는 열 등의 형태로 공급할 수 있으며 이때 촉매나 미생물 등 매개체 역할을 할 수 있는 물질도 관여하게 된다.

수전해는 상온 또는 고온에서 이루어지는데, 고온의 경우가 전체적인 효율 측면에서 유리하나, 아직 기초연구단계이며, 상온에서의 수전해기술이 일찍이 상용화되어 전 세계 수소생산량의 4% 정도를 이 방식으로 만든다.

자연은 식물의 광합성이라는 매우 효과적인 과정으로 산소도 지구에 제공했고 식량도, 에너지도 공급해왔다. 지금은 미국의 에너지부장관이 된, 노벨 물리학상 수상자(1997년)인 스티븐 추(Steven Chu) 박사가 로렌스 버클리 국립연구소장 재직 시에 고려대 개교 100주년 기념 노벨 수상자 강연시리즈에서 ‘공학문제에 대한 생물학적 접근방법’이란 제하의 주제발표를 통해 ‘생물학을 활용한 태양 에너지의 축적과 전환’의 개념을 언급한 바 있었다.

실험실 최적조건에서 조류와 같은 광합성 미생물은 가시광선이 가지는 에너지의 약 22%를 화학에너지로 변환할 수 있는데, 햇빛 중 가시광선이 약 44% 정도 차지하므로 태양에너지의 10%를 변환하는 셈이다.
하지만 실제 우리 주변의 나무나 곡식의 태양에너지 변환 효율은 1% 이내로 추정되며, 이것만으로도 식량, 연료(나무나 석탄) 등 충분한 생물학적 에너지 축적기술의 혜택을 주고 있는 셈이다.

자연을 모사한 에너지변환시스템의 고효율화가 화두가 된 지금, 광합성에 대한 이해에 상당한 진보가 있으나 시스템의 기능에 대해서는 아직도 분명하지 않은 부분이 있어 이를 해명하고 흉내 내려는 노력이 지속되고 있다.

수소 저장기술

대표적 무공해 차량인 연료전지자동차의 경우 연료인 수소를 차량에 수소형태로 저장 탑재하였다가 공급하는 방식, 특히 고압으로 압축하여 저장하는 방식이 주류를 이룬다.

고압저장방식은 경량, 고강도 복합 소재의 압력용기 개발에 힘입어 가장 실용화에 근접한 기술로서, 압축천연가스버스에서는 208기압 고압용기가 이미 상용화되어 있다.

압축저장기술이 주목받는 이유는, 액화 저장을 제외하고는 저장효율 면에서 월등하고, 액화저장용기의 복잡성 및 단열 등을 고려할 때 시스템 구성이 단순하고 경제적이기 때문이다.

수소는 질량당 에너지 밀도는 높으나 기존 천연가스차량의 4배에 해당하는 800bar로 압축해도 용적에너지 밀도는 가솔린의 1/3도 되지 않는다. 하지만, 연료전지의 높은 효율이 이러한 단점을 상쇄한다. 고압수소저장기술은 1회 충전 후 충분한 주행거리를 가질 수 있도록 저장압력을 높이면서도 차량에서 발생할 수 있는 여러 상황에서 사용자의 안전성을 보장할 수 있도록, 국제 표준(ISO)이 만들어지고 있는 만큼 단기적으로는 충분히 안전하게 이용할 수 있는 기술로 자리 잡을 것이다.

궁극적으로는 낮은 압력에서도 효율적으로 수소를 저장하는 기술 즉 고체 및 액체 상태로의 저장 기술 개발이 초점이 되고 있다. 어떤 형태로 수소를 저장하든 연료전지자동차 입장에서는 안전성, 충분한 수소 저장 능력, 가격경쟁력, 소형 경량화, 내구성, 빠른 충전 및 안정적인 수소공급 등은 필수조건이다.

국제 환경 변화와 전망

수소에너지 이용기술의 대표 격인 연료전지기술은 가장 활발한 연구가 이루어지고 있는 분야로 환경 친화적이며, 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 고효율 변환이 가능하기에 휴대전자기기전원부터, 자동차, 잠수함, 항공기 및 수소발전용까지 기술개발 결과에 따라 시장규모는 얼마든지 확대될 가능성이 크다.

따라서 수소인프라분야와 연료전지는 기업체가 적극적인 관심을 가지고 있는 참여하고 또 주도하고 있는 분야이며, 국내만 해도 PEMFC, DMFC는 삼성전기, 삼성SDI, LG화학 등, MCFC등은 포스코파워 등이 주도하고 있다. 가정용 연료전지도 이미 아파트에까지 공급되고 있는 수준이 되었다.

지금도 세계 곳곳에서 전시회, 국제회의 등 수소연료전지에 대한 이벤트가 끊임없이 경쟁적으로 열리고 있고, ISO, IEC 등에서는 수소와 연료전지에 관련되는 분야의 표준을 만들려는 노력을 진행하고 있다.
이런 협력과 논의 과정에서도 각국은 자국의 경쟁력을 높이고, 이익을 대변하기 위하여 애쓰고 있음도 현실이다.

앞으로 최소한 10년을 더 기다려야할 미래 시장을 미리 탐색하고 시장의 요구에 무리 없이 적응하기 위해서는, 응용 가능성이 높은 원천 기술의 개발과 확보, 재료 분야의 획기적인 혁신을 요청하고 있다.

세계적인 경제의 어려움으로 단기간에 성과를 낼 수 있는 분야에 집중하는 전략을 세우고 있고, 미국 에너지부도 2010년도 예산을 재조정을 할 것으로 보도하고 있기는 하지만 그동안의 투자가 헛되이 되지 않기 위해서는 수소분야의 기초원천기술과 해결과제에 집중하고 적합한 응용처를 찾아 접근해 나가야 한다.

수소분야에 기술발전이 필요한 영역이 엄연히 존재하고 또 앞으로도 있겠지만 기적이 필요한 수준은 아니다.

연료전지 등 수소관련 기술은 사람들이 생각하는 것보다 더 상용화에 근접해 있는 분야이며, 산업용 수소는 이미 시장도 관련 산업도 형성되어 있는 분야이다.

그동안 수소이용의 핵심 분야로 연료전지승용차나 버스와 같은 수송용을 꼽아왔다. 대표적인 에너지 소비국인 미국의 경우, 원유의 67%를 수송에너지로 사용하고 있고, 이산화탄소 총배출량중 수송용 연료가 차지하는 비율이 33%(2006년)에 이르며 발전용은 40%를 차지하고 있다.

우리나라도 2005년 현재 수송 분야에서 이산화탄소 배출량의 18% ,에너지산업이 30%대를 차지하고 있다.
원유채굴에서 구동까지의 효율은 휘발유자동차의 경우 14%대이지만, 연료전지자동차로 하면 42%대까지 끌어 올릴 수 있다는 것이 세계 주요 자동차업계의 분석이다.

우리나라 자동차산업의 규모는 이미 세계 6위권에 들어와 있고 무공해차량을 지향하고 있는 세계추세에 맞추어 전기자동차나 연료전지자동차의 개발은 거의 필수적이 되었다. 수송용으로 수소를 사용한다는 것은 궁극적으로는 원유소비를 대폭적으로 줄이고 대도시 지역의 대기질을 획기적으로 개선할 수 있다는 것을 의미한다.

하지만 연료전지의 자동차 적용은 사실 가장 어려운 분야임에는 틀림없다.
사계절을 견뎌내고, 진동 및 시동과 정지를 계속하는 조건을 이겨내야 한다.
현재 예상하기로는 2010년대 초면 연료전지 내구성 5000시간 확보하고 기존 자동차와 동일한 성능임을 입증이 될 것으로 본다.

신뢰성, 편의성 입증으로 소량이나마 생산, 보급이 이루어지는 시기는 2015년 전후가 될 것으로 예상된다.
수년정도의 오차는 있겠지만 다가올 미래는 준비된 자의 것임을 인지하여야 할 것이다.