<편집자주>
올해초 ‘고효율 수소에너지 제조.저장.이용기술 개발 사업단(단장 김종원)’은 제주 서귀포시에서 제1회 워크샵을 개최했다.
이번 행사는 수소개발사업단의 연구활동을 대내외적으로 알리고 각 분야별 연구원들의 정보교류 활성화를 위해 마련된 것으로 지난해 말 이후 국내에서도 수소에너지에 대한 정부차원의 지원이 본격화되고 있는 상황에서 이번 워크샵은 산업용가스 업계는 물론 전체 에너지 분야 관계자들에게 매우 중요한 지표를 제공했다.
이에 행사기간 동안 발표된 총 45편의 연구논문중 수소의 제조, 저장, 이용, 정책 부문을 총망라하여 시기적 또는 기술적으로 의미있는 주제를 선정하여 시리즈로 게재한다.
독자들의 이해를 돕기 위해 원문(原文)에 편집자의 부가설명과 첨언, 각색이 더해졌음을 미리 밝혀둔다.
에너지의 수요증가에 영향을 미치는 주요 요인들 중 경제성장은 매우 커다란 변수의 하나이다. 지속적인 경제성장을 위해서는 에너지 사용의 증가가 필수적이기 때문이다.
아직까지 이러한 에너지 수요의 대부분을 석유, 석탄, 가스 등 화석연료가 담당하고 있으며 이같은 상황은 당분간 계속될 것으로 전망된다.
그러나 전문가들은 인류가 석유자원을 사용할 수 있는 기한이 앞으로 약 50년정도에 불과하다는 견해를 피력하고 있으며 일부에서는 오는 2020년경에 이르면 어떤 방식으로든 석유자원의 원활한 사용에 차질이 빚어질 것이라는 지적도 제기하고 있다.
결국 인류가 화석연료의 고갈 및 환경보존이라는 대명제에 맞춰 새롭게 개척해야할 에너지는 재생가능(renewable)에너지 그리고 수소와 같은 청정에너지로 귀결되는데 이들의 사용시점은 향후 30년 전후로 예견된다.
이와 관련 우리가 사용하는 에너지는 과거 고체에너지에서 액체에너지로 이동한 후 다시 기체에너지로 전환되고 있다.
이는 에너지 활용비중이 탄소와 수소로 이루어진 연료에서 수소의 비율이 높은 연료로 바뀌고 있음을 의미하며 환경에 대한 관심증대와 각국의 기후변화협약에 의해 연료로서 수소의 사용은 더욱 촉진될 것이 자명한 상황이다.
[수소기술개발의 불확실성]
수소는 생산과정을 제외하면 기존 화석연료인 석유에 사용되고 있는 인프라 및 시스템의 대부분을 그대로 활용할 수 있다는 장점을 지닌다.
그러나 수소에너지 관련기술은 실용화에 이르기까지 장기간의 연구개발과 대규모의 인프라 투자, 막대한 자본투입이 요구된다. 또한 이렇듯 많은 자금과 시간을 투자했다하더라도 반드시 기술개발에 성공한다는 보장도 없다.
다시 말해 천문학적인 자금과 수십 년의 연구가 수반된다 해도 기술개발에 실패할 개연성은 얼마든지 있으며 더욱이 원하는 기술을 개발했다고 해도 그 기술이 실제로 상용화되어 투자비용을 회수할 수 있을지 여부는 불투명하다.
아무리 훌륭한 기술이라도 세계 각국과의 표준화 경쟁에서 밀리면 해당 기술은 국지적인 용도로 사용될 수밖에 없기 때문이다.
물론 상용화 단계에서도 정부의 정책적 지원은 절실하다. 일례로 수소경제시대의 핵심인 수소자동차의 경우 수년내 상용화가 가능할 만큼 이미 기술력이 상당한 수준에 올라있지만 대당 억대를 넘어서는 높은 가격이 실용화의 최대 걸림돌이 되고 있다.
추가적인 기술개발과 대량생산시스템을 통해 공급가를 낮출 수는 있지만 관련업체들은 상용화 초기에는 수소자동차 1대의 가격이 최소 수천만원을 호가할 수밖에 없을 것으로 예상하고 있다.
즉 수소자동차가 실제로 활용되기 위해서는 수소의 생산.저장.수송.충전기술이나 자동차 제조기술 등 제반 인프라의 구축 못지않게 정부차원의 각종 자금 및 세제지원이 요구된다.
이처럼 수소관련 기술은 투자금액 대비 높은 불확실성을 갖추고 있기 때문에 산업계의 독자적인 투자를 기대하기 어려우며 현실적으로 국가적 차원의 투자와 지원이 필수불가결한 분야이다.
하지만 최소한 10여년 이전부터 대체에너지, 청정에너지로서 수소에 대해 집중적이고 방대한 투자를 지속하고 있는 미국, 유럽, 일본 등 선진국들과 달리 우리나라는 지난해에야 고효율수소에너지 제조.저장.이용기술개발사업단 출범, 원자력-수소생산시스템 개발사업 추진 등 정부차원의 연구개발프로젝트들이 첫걸음을 내딛었다.
그나마 연구개발 자금 규모는 선진국들과 비교해 극미한 수준에 불과하다.
[해외 기술개발 및 투자 현황]
□ 미국
미국 부시 행정부는 지난 2001년 5월 취임 초기부터 ‘국가에너지정책(National Energy Policy)’을 발표하고 에너지와 환경문제에 집중적인 관심을 쏟고 있다.
특히 미국 정부는 수소분야의 연구개발을 에너지 정책의 최우선 순위에 두고 지난해초 국회 연두교서에서 수소자동차 개발에 12억달러를 투자할 것임을 선언하는 대대적인 지원을 단행하고 있다.
이중 지난 2002년 부시대통령은 ‘자동차협력연구선도계획(Freedom CAR Initiative)’을 발표, 자동차제조업체들과 함께 수소연료전지자동차 생산에 필요한 선진기술개발에 본격 나섰으며 현재 Freedom CAR and Fuel Initiative(FCFI)로 개념을 확장해 관련연구를 진행중이다.
이러한 FCFI의 골자는 수소연료전지, 수소인프라 그리고 혁신적 자동차 기술의 확보를 위해 향후 5년간 총 17억달러를 투자한다는 것이다.
이를 통해 현재 휘발유 대비 4배가량 높은 수소의 생산원가를 오는 2010년까지 지금의 휘발유 가격수준으로 낮추는 한편 재생 가용자원, 핵에너지, 석탄을 원료로 한 수소생산방안 등을 개발해낼 계획이다.
또한 저장기술과 관련 소비자가 요구하는 다양한 용도의 수소자동차 저장시스템을 개발하며 내연기관 대비 10배이상 비싼 연료전지 제조원가의 절감에도 매진하고 있다.
이와 함께 발전(發電) 용도로서의 수소와 관련하여 21세기 청정 전력생산기술인 ‘비전21프로젝트’(Vision 21 Project)에 12개 핵심기술중 하나로 수소연료전지기술이 포함되어 있다.
이 프로젝트는 5년에서 20년에 걸친 장기과제로서 기본 인프라 구축은 물론 플랜트 건설, 실증, 상용화에 이르는 모든 과정에 집중적인 투자가 이루어질 것으로 예상된다.
현재 8만시간동안 ㎾당 1백달러~2백달러의 운영비로 가동될 수 있는 연료전지 개발이 추진되고 있으며 궁극적으로 30㎿급 이상의 대규모 연료전지를 개발해낸다는 방침이다.
□ 캐나다
캐나다는 지난 20여년간 화석연료 고갈, 기후변화협약 등에 대비하기 위해 수소를 비롯한 신에너지의 개발에 많은 노력을 기울여왔다.
연방정부기관인 천연자원부에서 수소 및 연료전지 관련 연구개발프로그램을 담당하고 있으며 실무사항은 CANMET 에너지기술센터에서 수행하는 방식으로 진행된다.
이러한 캐나다의 수소개발프로젝트의 핵심은 지난 2001년부터 천연자원부가 추진하고 있는 수송연료전지협력프로그램(CFTCA)이다.
연료전지자동차를 위한 수소연료 인프라 개발을 목표로 하는 CFTCA는 총 2천3백만 캐나다 달러가 투자되는 5개년 시범계획으로 오는 2005년까지 연료전지 및 수소기술 표준, 교육훈련 및 시험절차 등의 개발을 완료할 예정이다.
이러한 정부의 적극적 투자에 힘입어 수소 및 연료전지 관련 산업계에서도 지난 2년간 약 3억5천8백만 캐나다 달러를 수소관련기술 연구개발에 쏟아 부은 것으로 조사됐다.
지난 2000년 캐나다 자동차업계의 연구개발비 지출이 총 2억3백만 캐나다 달러 수준이었음을 감안하면 수소에 대해 산업체들이 관심이 얼마나 지대한가를 엿볼 수 있다.
덧붙여 지난 2001년 산업계의 연구개발비 지출비중은 대기업 88%, 중소기업 12%이었지만 2002년과 2003년에는 각각 74%와 26%로 나타나 중소기업들의 투자가 확대되고 있는 추세이다.
한편 이달 5일 캐나다 천연자원부는 오는 2010년 개최되는 벤쿠버 동계올림픽에 대비, 벤쿠버와 휘슬러 지역을 연결하는 일명 ‘수소고속도로(Hydrogen Highway)’를 건설키로 결정했다고 발표했다.
이를 위해 천연자원부는 향후 3년6개월간 수소고속도로에 48만5천달러, 인프라구축 등에 48만5천5백달러 등 총 1백10만 캐나다 달러를 투자할 계획이다.
이중 수소연료 인프라는 설계, 건설, 시험, 평가를 담당하는 기관들과 컨소시엄을 구성할 예정이며 수소자동차, 수소연료충전소, 휴대용 및 마이크로 전력응용기기 등의 개발도 적극 추진할 방침이다.
천연자원부측은 이번 수소고속도로가 실현되면 국가의 환경친화 이미지 제고는 물론 오는 2011년경 약 4백60억달러의 시장을 형성할 것으로 예견되는 전세계 수소기술시장 선점에도 상당한 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대하고 있다.
□ EU
유럽연합(EU)는 지난해 ‘미래비전(A Vision of Future)'이라는 보고서를 통해 2003년~2010년, 2011년~2020년, 2021년 이후 등 3단계의 수소연료전지기술개발 전략을 소개하고 유럽 수소.연료전지 자문위원회를 주축으로 각국의 파트너쉽 구축을 촉구하고 있다.
특히 아이슬란드와 독일은 EU국가중 가장 적극적인 정책을 펼치고 있는 국가로 손꼽힌다.
먼저 지난 99년 세계최초로 수소경제국가로의 전환 계획을 천명했던 아이슬란드는 지난해 세계최초 상업용 수소충전소 가동을 시작으로 오는 2015년까지 기존 석유 수요를 수소로서 전량 대체한다는 계획이다.
미국 등과 달리 자체적인 기술개발 보다는 해외자본과 선진기술을 적극 도입함으로서 일거에 수소사회를 구현한다는 방침이며 주요 프로그램으로는 수소연료전지버스 도입을 위한 친환경도시교통시스템(ECTOS) 프로젝트와 Norsk Hydro에 의해 주도되는 수소경제파트너쉽 HYNET 그리고 신개념 에너지 개발을 위한 DISPOWER 프로젝트 등이 있다.
유럽수소통합프로젝트(EIHP)에 참여하고 있는 독일도 지난 97년부터 ‘독일수소프로젝트(German Hydrogen Project)’를 추진, 뮌헨 공항내에 액체수소충전소를 설립하여 수소자동차를 운용하고 있는 등 수소경제실현에 누구보다 앞장서고 있다.
또한 독일은 수송에너지전략(TES) 프로그램을 통해 오는 2007년까지 수소충전소 30개소 설치, 2010년까지 수전해에 의한 수소충전소 3백개소 설치, 2010년~2015년까지 파이프라인을 통한 수소공급인프라 구축을 추진 중이다.
□ 일본
우리나라와 마찬가지로 에너지자원 빈국에 속하는 일본은 지난 93년 Sunshine프로그램, Moonlight프로그램, 환경기술연구개발프로그램 등 3개 프로그램을 통합하여 신에너지.환경기술연구개발계획인 뉴선샤인프로그램(New Sunshine Program)을 시작했다.
특히 일본은 경제산업성 산하단체인 신에너지.산업기술종합연구기구(NEDO)의 WE-NET(world energy network) 프로젝트를 중심으로 수소와 관련된 모든 국책연구사업을 수행하고 있다.
이를위해 일본정부는 93년부터 2020년까지 28년간 3단계에 걸쳐 총 25억달러를 투자할 계획이며 2002년 종료된 2단계 프로젝트까지 이미 1억4천1백만달러가 투입됐다.
또한 2005년경 수소연료전지 자동차의 시장진입을 목표로 700bar수소실린더, 수소관련 표준, 전자기기용 마이크로연료전지 등의 개발을 추진하고 있는 ‘신수소프로젝트’(New H2 Project)에 2007년까지 2억5천만달러가 투자될 예정이다.
이외에도 GM, 다임러크라이슬러, 토요타, 혼다, 닛싼 등 5개 완성차 제조업체가 참여하고 있는 ‘수소연료전지 실증프로젝트’(JHFC)와 주택 및 자동차용 고체고분자형 연료전지(PEFC)의 조기상용화를 위한 총예산 3천억원규모의 ‘밀레니엄PEFC프로젝트’ 등도 일본의 대표적인 수소 연구개발 프로젝트의 하나이다.
한편 일본정부는 이같은 투자와 기술개발을 바탕으로 오는 2020년경 수소연료전지자동차 5백만대를 보급한다는 목표이다.
[국내 수소기술개발 프로젝트]
앞서 언급했던 바와 같이 지난해에 들어서야 국가차원의 대형 연구개발프로그램을 개시한 우리나라는 수소분야의 후발주자로서 미국, 유럽, 일본 등 선진국들에 비해 기술수준과 투자규모 측면에서 상당히 뒤쳐져 있는 것이 사실이다.
현재 이러한 국내의 수소프로젝트는 과학기술부와 산업자원부를 양대축으로 각종 연구와 기술개발이 추진되고 있다.
□ 수소프론티어사업
과기부는 먼저 21세기 프론티어사업의 일환으로 지난해 12월 ‘고효율 수소에너지 제조.저장.이용 기술개발 프론티어 사업단’을 출범시켰다.
사업단은 올해부터 2013년까지 10년간 3단계에 걸쳐 총 1천1백14억원(정부 9백49억원, 민간 1백65억원)을 지원받아 수소제조.저장.이용 등의 분야에서 세계 5위권의 기술력을 확보할 계획이다.
이를 통해 2013년경에는 약 19만TOE(1TOE=7.33배럴)의 석유에너지를 수소로 대체하고 2조원 이상의 수소관련 시장 및 신규인력의 창출을 기대하고 있다.
현재 1단계 사업으로 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원, 현대자동차, SK, 삼성엔지니어링, 한국가스공사, 덕양에너젠 등 26개 기업 및 기관들이 수소충전소, 수소에너지 제조.저장기술, 고효율 수소연소 동력시스템, 수소안전관리기술 등을 개발중이다.
□ 원자력-수소 (VHTR)
과기부가 미래형 원전 사업의 하나로 추진하는 ‘원자력 이용 수소생산시스템 개발사업’은 초고온가스로(VHTR)에서 생성되는 1000℃이상의 열에너지를 활용, 열화학적 물(H2O) 분해 및 물 전기분해 방식으로 대량의 수소를 생산하는 기술로서 한국원자력연구소, 에기연, 과기연 등 3대 국가출연 연구기관들이 공동 연구를 진행하고 있다.
과기부는 여기에 올해부터 2019년까지 19년간 총 9천8백60억원의 자금을 투입, 연간 3만톤의 수소를 생산한다는 계획이다.
총 5단계에 걸쳐 사업이 진행될 예정이며 현재 1단계(2004년~2005년)로 예비개념설계 작업이 이루어지고 있다.
이번 수소생산원자로의 개발이 성공하면 2020년경 국내 수송에너지의 20%에 이르는 연간 8천5백만배럴의 원유를 수소에너지로 대체, 3조원의 석유수입 대체효과와 1천만톤의 CO2배출감축 효과를 기대할 수 있게 된다.
특히 VHTR은 미국, 일본, 중국 등과 함께 우리나라가 세계 4대 강국으로 꼽히고 있어 더욱 많은 기대를 받고 있는 분야이다.
□ 차세대 성장동력
과기부와는 별도로 산업자원부도 지난해 11월 수소.연료전지를 차세대 10대 성장동력산업으로 선정하고 올해부터 5년간 총 1천5백억원의 자금을 지원한다.
수소제조는 천연가스 직접분해, 저장은 고압기체수소 및 액체수소 저장기술을 개발할 예정이며 이용부문에서 발전용.자동차용.건물용.가정용.이동용 연료전지를 각각 별도로 개발한다는 방침이다.
특히 자동차 분야에서는 수소.연료전지 자동차 및 버스를 개발, 보급하는 한편 인프라 구축을 위한 시범사업으로 수소충전소 건설을 추진할 계획이다.
산자부는 중장기적으로 2011년까지 수소.연료전지기술개발과 보급에 약 4천7백억원의 예산이 소요될 것으로 판단하고 있으며 에너지자원특별회계, 전력산업기반기금 등을 통해 재원을 충당해나간다는 복안이다.
또한 지난 4월 국내 자동차업계와 공동으로 '미래형 자동차 기술개발사업단'을 발족, 수소연료전지자동차를 포함한 미래형자동차 관련 기술개발에 2010년까지 3천2백억원(민간자금 포함 총 6천4백억원)의 정부자금을 지원할 계획임을 밝히기도 했다.
이와 함께 산자부는 친환경차량의 기술개발 자금지원, 구매자의 세제지원, 수소생산 및 수소공급시설 설치 지원 등을 골자로 하는 ‘환경친화적 자동차 개발 및 보급촉진에 관한 법률(안)’의 제정을 추진중에 있는데 지난달 15일 법안이 국무회의를 통과했으며 현재 국회의 입법처리를 앞두고 있는 상황이다.
[정책적.기술적 국제협력 필요]
이처럼 국내외 국가들의 수소에너지 정책과 기술개발 및 투자현황을 분석해본 결과, 우리나라는 기술수준과 투자규모에서 선진국 수준에 상당부분 뒤쳐져 있는 것으로 나타났다.
이에 따라 후발주자인 우리나라가 미래 수소경제시대의 주역으로 부상하기 위해서는 다양한 분야에 전방위적인 투자를 단행하기 보다는 현실적으로 강점을 누릴 수 있는 기술을 정확히 선택하여 집중적인 연구개발을 전개하는 ‘선택과 집중’의 전략이 필요할 것으로 판단된다.
또한 기술개발에 있어 시행착오를 최소화하고 향후 치열하게 전개될 것으로 보이는 세계 각국의 기술보호장벽을 넘어서기 위해 선진국들과의 공동연구 및 협력에도 적극 나서야만 할 것이다.
이를 위해 연구진은 국내 수소생산현황 및 이용현황을 비롯 미국, 일본, 독일, 캐나다, EU 등 선진국들의 수소에너지 정책에 대한 분석을 수행하였으며 여기서 도출된 시사점들을 중심으로 국내 수소에너지 정책방향에 대한 평가분석 작업을 진행할 예정이다.
또한 제조, 저장, 이용 등 각 분야별로 기술개발 내용을 분석하여 수소프론티어사업단의 기술개발분야에 비교검토하는 작업도 추진하고 있다.
국제협력에 있어서는 선진국들이 개발완료한 기술들을 신속하게 습득하기 위한 방법으로 국제기구들을 적극 활용할 계획이다.
국제기구의 활용은 다시 정책분야와 기술분야로 구분하여 정책분야에서는 수소경제파트너쉽(IPHE), 국제에너지기구(IEA), 아시아태평양경제협력체(APEC) 등을 통해 우리나라가 참여할 수 있는 구체적인 기술분야가 있을 경우 수소사업단의 참여를 유도할 계획이다.
반면 IEA의 수소기술개발프로그램 등과 같은 국제프로젝트는 기술부문의 노하우를 습득하기 위한 선택이다.
그러나 기술분야의 경우 이미 기존 참가국 및 기관들이 많은 기술축적을 이룬 상태이기 때문에 초기에는 옵저버(observer) 형태의 참여가 가능할 것으로 보여진다.
이후 국제동향을 면밀히 분석하여 우리나라가 정식가입이 가능하다고 판단되면 공식회원으로 활동하며 여의치 않을 경우 국제기구를 통해 상대국들의 분야별 전문연구기관들을 파악한 후 이들과 양자 또는 다자간 기술협력을 체결하는 방법도 현실적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
