신문이나 뉴스를 꼼꼼히 읽고 보는 사람이라면 수소(Hydrogen) 또는 수소경제(Hydrogen Economy)라는 단어가 이제 더이상 공상과학영화에서나 들을 수 있는 낯선 개념이 아님을 이미 인지하고 있을 것이다.
하지만 아직도 많은 비(非) 에너지 전문가(일반대중)들의 대부분은 수소경제의 의미를 수소자동차와 일치시켜 생각하고 있다.
그만큼 수소자동차는 수소경제의 핵심인프라이며 수소경제와 수소자동차는 동전의 양면처럼 떼려야 뗄 수 없는 필요충분조건의 명제이다.
즉 지극히 평범한 시민들이 일상에서 수소자동차들을 목격하게 되는 그 순간이 실질적인 수소경제가 도래하는 날이라 해도 허언(虛言)은 아닌 셈이다.
수소충전소(Hydrogen Station)는 이처럼 수소경제의 심장이라 할 수 있는 수소자동차가 상용화되기 위해 반드시 필요한 인프라(기반시설)이다.
아무리 우수하고 저렴한 수소자동차를 개발․보급한다 해도 연료를 공급해줄 수 있는 수소충전소가 적재적소에 충분히 확보되어 있지 않다면 무용지물에 불과하기 때문이다.
현재 우리나라를 포함, 수소경제를 추구하고 있는 모든 국가들이 수소자동차와 함께 수소충전소 관련 기술개발에 전력을 기울이고 있는 것이나 수소자동차 도입시기와 발맞춰 수소충전소 건설 목표를 설정하고 있는 이유가 바로 여기에 있다.
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2005년 5월 현재 전세계에 가동중인 수소충전소는 약 1백개소 정도로 추정된다.
지난해 11월까지 약 74개소(미국 BTI社 집계, 관련기사 제68호 8면)의 수소충전소가 완공 또는 건설중이었음을 감안하면 6개월만에 무려 30개소의 신규 수소충전소가 세계 곳곳에 모습을 드러낸 것이다.
이처럼 수소충전소 건설이 활기를 띄고 있는 것은 미국, 독일, 일본 등 일부 선진국들의 주도하에 이루어졌던 수소에너지 연구에 전세계 각국이 앞다투어 동참한 영향도 있겠지만 수소자동차 관련 연구가 연구실 수준의 R&D단계를 넘어 실증단계에 들어섰음을 의미하는 것이기도 하다.
실제로 현대․기아자동차를 비롯 BMW, GM, 포드, 토요다 등 주요 자동차메이커들은 이미 다양한 종류의 수소연료전지자동차를 개발 완료한 상태로 지난해부터 시험트렉과 같은 한정된 공간을 벗어나 일반도로에서의 주행 연구에 속속 돌입했고 이를 지원하기 위해 많은 수소충전소가 지어졌다.
이와관련 전문가들은 올해내에 약 15개 수소충전소가 추가 준공될 예정이며 내년에도 최소 30~40개소의 신규 충전소가 건설돼 2006년말에 이르면 전세계적으로 총 1백50여개소의 수소충전소가 가동될 것으로 예측하고 있다.[그림-1]
[CGH2 충전방식이 대세]
수소생산방식, 충전방식, 이동성 여부, 수소생산을 위한 에너지원 등에 따라 각기 상이한 설비와 시스템을 갖추고 있다.[표-1]
이러한 기준에 따라 구분하면 수소충전소의 종류는 수십여종에 달하게 되며 세계 각국은 충전소의 설치.운용 목적, 주변환경조건 등을 고려해 자국(또는 설치지역)에 가장 적합한 충전소의 종류를 결정하여 설치하고 있다.
즉 수소충전소는 국가적, 지리적, 환경적 조건에 따라 장단점이 공존하므로 특정 시스템이 기술적.구조적으로 우월하다고 단정지을 수는 없는 상황이다.
일례로 풍부한 지열(地熱) 자원을 보유하고 있는 아이슬란드는 지열을 이용한 물전기분해 수소충전소를 선호하며 캐나다 동부해안의 프린스에드워드섬에서는 풍력을 이용해 물분해에 필요한 전력을 생산하는 풍력-수소 충전소 건설을 추진중이다.
물론 우리나라처럼 주목할만한 자연에너지(재생에너지)가 존재하지 않는 국가들의 경우 대부분 '정치형 천연가스증기개질 충전소'를 선택하고 있지만 이 방식이 기술적으로 우위에 있어서 라기 보다는 여타 시스템에 비해 저렴하게 수소생산이 가능해 수소경제 초기에 가장 적합하기 때문이다.
그러나 취급하는 수소의 형태에 따라 수소충전소를 분류하면 압축기체수소충전소가 최근의 대세를 이루고 있다.
구체적으로 미국의 연료전지전문지인 Fuel Cell Today의 조사에 따르면 1988년부터 올해 5월까지 건설된 1백여개 충전소 중 압축기체수소충전소(CGH2)가 70%, 액체수소충전소(LH2)가 15%, 액체수소를 압축기체수소로 전환하여 충전(LCGH2)하는 경우는 4%를 점유하고 있다.[그림-2]
이에비해 지난해 5월부터 1년간 건설된 30여개 충전소는 CGH2가 92%, LH2가 8%로 나타났으며 LCGH2는 이 기간동안 단 한곳도 건설되지 않았다.
특히 8%에 해당하는 LH2충전소 모두가 LH2와 CGH2 디스펜서를 함께 보유하고 있는 것으로 조사됐다.
이같은 CGH2의 약진은 최근 실증연구가 활발히 수행되고 있는 수소자동차들 대다수가 연료로 CGH2를 사용하고 있는데서 이유를 찾을 수 있다.
또한 LH2는 CGH2에 비해 효율성이 탁월한 만큼 극복해야할 기술적 장벽도 많아 조기 상업화 측면에서 메리트가 떨어진다는 점, LCGH2는 원료인 액체수소를 외부에서 공급받아야 한다는 치명적인 단점으로 정치형 온사이트 충전소를 추구하는 세계적 흐름에 부합하지 않는 점 등도 하나의 원인으로 분석된다.
[미국 약진 두드러져]
수소충전소 건설추이를 지역별로 살펴보면 지난 1년간 미국, 캐나다 등 북미지역의 약진이 유달리 두드러졌다.
이는 미국과 캐나다가 국가, 기업, 단체 모두에서 전세계 어느 나라보다도 많은 관심과 자금을 수소에너지 분야에 투자하고 있음을 반증하는 결과이다.
또한 Air Quality Management District(AQMD), 캘리포니아수소고속도로프로젝트, 일리노이수소고속도로프로젝트(2H2), The Northern H, Hi Way Initiative, Hydrogen Corridor or Hydrogen Highway 2 등 미주지역에서 다수의 대규모 수소프로젝트들이 새롭게 가동된 반면 유럽, 아시아 등의 신규프로젝트 출범이 저조했던 것도 인프라(수소충전소) 구축 속도의 차이를 가속화시켰다.
실제로 미국이 2010년까지 총 2백개의 수소충전소 건설을 목표로 하고 있는 캘리포니아수소고속도로프로젝트와 14개 충전소를 건설할 예정인 AQMD를 필두로 수소인프라 구축에 박차를 가한 것과 달리 유럽은 CUTE(유럽도시청정)가 계획된 인프라 구축을 완료한데 더해 신규프로젝트도 HYCHAIN(Ruhr-Alps-Milan Hydrogen Supply Chain Integrated Project), 노르웨이수소고속도로프로젝트(HyNor) 정도에 불과했다.
2008년 베이징올림픽에 대비, 수소연료전지버스 도입을 적극 추진하고 있는 중국의 사례에서처럼 오히려 아시아 지역에서 일본, 한국, 중국, 호주, 대만, 싱가포르 등의 국가가 수소충전소와 같은 인프라 구축에 적극적인 모습을 보였다.
수소충전소의 지역별 분포를 표현한 [그림-3]을 보면 이는 좀더 명확해 진다. 이를보면 미주 2개국이 현존하는 수소충전소의 44%를 보유하고 있는 것으로 나타났으며 지난해 완공된 충전소의 50%, 올해 완공된 충전소의 65%가 미국 또는 캐나다 국토 위에 건설됐다.
이와는 반대로 초기에 미국과 함께 수소에너지의 양대강국으로 부상했던 유럽의 대표주자 독일은 전체 충전소 보유량에선 14%를 차지하지만 2004년에 8%로 낮아졌고 올해들어선 5월까지 신규충전소 건설이 전무한 실정이다.
[연료전지, 성장성 'Yes' 수익성 'No']
수소에너지를 전기에너지로 변환하는 장치인 연료전지는 수소충전소와 함께 수소경제를 구현하기 위해 반드시 필요한 존재이다.
이는 수소자동차가 기존 휘발유자동차와는 전혀 다른 구동원리를 갖고 있기 때문으로 가솔린자동차가 휘발유, LPG 등 연료 자체를 발화.연소시켜 발생하는 힘으로 내연기관을 구동하는 것과 달리 수소자동차는 연료전지를 통해 수소를 전기에너지로 변환하여 동력을 얻는다.
쉽게말해 수소자동차는 수소를 활용한 일종의 전기자동차인 셈이며 연료전지는 수소자동차의 심장이라 할 수 있다.
이러한 연료전지는 작동온도와 전해질(전류를 흐르게 하는 물질), 연료의 종류에 따라 알칼리연료전지(AFC), 직접액체연료전지(DLFC), 직접메탄올연료전지(DMFC), 용융탄산염연료전지(MCFC), 인산형연료전지(PAFC), 고분자전해질형연료전지(PEMFC), 고체산화물연료전지(SOFC) 등으로 구분된다.
이중 수소자동차에 사용되는 것은 PEMFC로서 DMFC와 동일한 수소이온교환막을 전해질로 사용하지만 80℃의 저온에서 작동하고 효율과 순간출력이 탁월하다는 것이 장점이다.
이로인해 현재 개발된 수소자동차의 대부분이 PEMFC를 장착하고 있으며 버스, 선박, 비행기, 잠수함, 열차, 스쿠터 등 거의 모든 수송장비의 동력원으로 다각적인 연구개발이 진행되고 있다.
PEMFC 이외의 연료전지들도 각각의 특성에 따라 2012년 5백50억달러(약 55조원)로 추산되는 미래시장을 선점하기 위해 발전설비, 모바일기기, 우주항공 등의 분야에서 활발한 연구가 이뤄지고 있음은 물론이다.
이처럼 연료전지는 수소경제라는 무대에서 결코 빼놓을 수 없는 주연배우에 틀림없고 누구도 부인할 수 없는 무한한 가능성과 잠재력을 지니고 있지만 현재 대다수 연료전지업체들은 과도한 R&D투자와 관련시장의 미성숙으로 인해 심각한 수익성 악화에 허덕이고 있다.
최근 미국 PwC가 발표한 자료에 따르면 전세계 주요 연료전지기업 20개사 중 지난해 이익을 창출한 업체는 단 한 곳도 없으며 전체의 85%에 해당하는 17개사가 매출액보다 많은 순손실을 기록했다.[표-2]
올해 6월 Ballard Power社가 PEMFC분야의 선도업체인 Ballard Power Systems의 지분을 크라이슬러와 포드에 매각한 것도 손실액(1억7천5백40만달러)이 매출(8천1백37만달러)의 2배를 넘어서는 현실을 더이상 감내하기 어렵다는 판단에 기인한 결정이었다.
이에따라 현재 각 연료전지업체들은 시장이 본격 개화(開花)할 때까지 살아남는 것을 최대 당면과제로 삼고 가능한 모든 방법을 동원해 수익성 확보에 주력하고 있는 상황이다.
그러나 업계전문가들은 지금도 전세계적으로 수많은 업체들이 새롭게 시장에 뛰어들고 있다는 사실을 들어 당분간 연료전지업체들이 수익을 내기는 힘들 것으로 예상하고 있다.
이와관련 최근 시장경쟁력 강화를 위해 Stuart Energy Systems社를 인수한 Hydrogenics社의 Pierre Rivard 사장은 "연료전지가 고성장 산업이라는 것은 틀림없지만 과도하게 많은 중소업체들의 존재로 인해 적정수준의 수익을 올리는 것이 어려운 상황"이라며 "머지않아 많은 업체들이 존폐의 위기에 직면하게 될 것"이라고 경고하기도 했다.
