고유가시대와 화석연료 고갈문제가 화두가 되고 있는 현재 전세계적으로 가장 많은 자금 투자가 이루어지고 있는 R&D(연구개발) 분야는 수소에너지이다.
수소에너지는 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에서 이용될 수 있으며 향후 석유에너지 고갈에 따른 대체에너지 개발의 차원과 환경오염의 문제를 야기시키지 않을 뿐 아니라 기존의 화석연료 에너지 시스템에 대체하여 사용할 수 있는 가장 적합한 에너로서의 특성을 갖고 있다.
미래에너지에 대한 각 국의 궁극적 목표는 태양광이나 풍력과 같은 신재생에너지원으로부터 생산된 전기에너지를 물의 전기분해를 통해 전기에너지로 다시 변환해 사용하는 클린에너지 개념이다.
하지만 현재 인류는 신재생에너지를 이용한 수소제조방법이 기술상의 제약조건들로 인해 상당한 시간이 소요될 것으로 보고 있다. 효과적으로 수소를 생산할 수 있는 기술이 개발되기 전까지의 수십 년 동안은 천연가스와 같은 기존 화석연료의 개질을 통해 공급될 수밖에 없는 실정이지만 우리나라를 비롯해 세계 각국은 미래에 현실화될 수소에너지 사업에 막대한 투자를 하고 있다.
이처럼 미래에 현실화될 수소에너지 시대의 중심에는 사실상 수소자동차가 존재한다. 이는 수소에너지의 다양한 적용분야 가운데 운송수단의 연료로서 수소의 역할이 수소경제시대의 핵심이기 때문이다.
현재 수송용 에너지는 전체 에너지원의 30%를 사용하는 중요한 에너지 소비처이다.
향후 십수년 내에 수소경제시대로 진입이 된다고 가정할 때 이와 같은 수송용 에너지원으로서 수소를 이용할 수 있도록 하기 위해서는 핵심 인프라인 수소스테이션 개발을 통한 수소인프라 구축이 필수 요소이다.
수소자동차의 도입이 차츰 늘어감에 따라 세계 각국이 수소충전소와 관련한 기술개발에 막대한 투자를 하는 이유라고 볼 수 있다.
이번 호에서는 이같은 수소경제 관련 핵심 인프라인 수소충전소에 대해 살펴보고 향후 과제에 대해 알아보도록 한다.
수소충전소의 종류 및 구조
수소에너지 관련 기술은 친환경적이고 안전해야하며 석유(가솔린)에 버금가는 연료 효율성을 제공하면서 저렴한 가격에 공급할 수 있어야 한다는 몇몇 대전제들을 제외하면 수소의 생산, 공급, 배송, 저장 등 모든 측면에서 그 어떤 기술도 아직까지 탁월한 우위를 점하고 있지는 않다.
이와 같은 이유로 수소충전소들도 설치목적과 주변조건, 활용도 등에 따라 각기 다른 시스템 및 설비를 갖추고 있기 때문에 세부적으로 분류하면 수소충전소의 종류는 수십여종 이상이 된다.
수소충전소는 크게 원료수소를 자체적으로 생산하는 ‘온사이트형 충전소’와 별도의 수소공급업체로부터 원료수소를 공급받아 수소자동차에 충전하는 ‘원료수소 외부수급형 충전소’ 그리고 차량을 이용한 ‘이동형 충전소’로 구분할 수 있다.
이중 온사이트형 충전소는 수소생산방식에 따라 증기개질형, 물전기분해형, 수소발생기형 등으로 재차 구분되며 증기개질형은 천연가스증기개질형, 메탄증기개질형, 등유증기개질형 등으로 물전기분해형은 전력공급방식에 따라 일반 전기공급방식, 풍력 방식, 태양열 방식 등으로 다시 나뉜다.
외부수급형 충전소 역시 액체수소(LH2)수급형과 압축기체수소(CGH2)수급형으로 구분할 수 있는데 LH2 수급형에는 LH2를 FCV에 직접 충전하는 방식과 CGH2로 변환한 후 충전하는 방식 등 2종류가 존재하고 CGH2 수급형에도 수소운반장비에 따라 실린더방식, 트레일러방식, 파이프라인방식 등으로 구분이 가능하다.
이와 달리 단순히 수소의 형태가 액체인지 기체인지만을 감안하여 LH2충전소, CGH2충전소, LCGH2충전소(LH2를 CGH2로 변환하여 충전)로 구분하기도 한다.
한편 이러한 다양한 수소충전소들은 각각 상용화 가능성, 투자비용, 국가적․지리적 환경조건 등에 따라 장점과 단점이 공존하기 때문에 현 단계에서 어떤 종류의 충전소가 기술적, 구조적으로 우월한지를 판단하기는 매우 어렵다.
그러나 최근 몇 년간 건설된 충전소들을 살펴보면 원료수소 외부수급형 보다는 온사이트형 충전소의 비중이 높아지고 있으며 LH2 보다는 CGH2공급형 충전소가 상대적으로 다수를 차지하고 있음을 알 수 있으며 LH2/CGH2, CGH2/전기, H2/CNG/LCNG 등 2종 이상의 충전능력을 갖춘 다목적 수소충전소의 설립도 확대되고 있음이 보여 진다.
업계전문가들은 이같은 현상에 대해 이제 수소충전소가 폐쇄된 장소에서 몇몇 연구용 FCV차량에 연료를 충전해주는 소극적 의미의 단순 조력자에서 벗어나 하나의 산업으로서 실용화 단계에 접어들고 있음을 말해주는 반증으로 받아들이고 있다.
현재 전 세계적으로 수소제조장치의 핵심요소 개발 및 콤팩트화를 위한 엔지니어링 기술개발이 긴박하게 이루어지고 있는 상황이다. 그리고 세계 각국에서 수소관련 기술의 선점을 위한 연구들이 대외비로 진행되고 있기 때문에 향후 수소경제시대에 대비하기 위해서는 수소제조기술 개발을 통한 시스템 원천기술을 확보하기 위해 노력하고 있다.
이와 관련 현실적으로 가장 상용화 가능성이 높은 수소충전소의 하나로 손꼽히는 증기개질형 CGH2 충전소의 시스템은 크게 수소제조장치, 수소정제장치, 압축설비, 저장설비, 충전설비(디스펜서) 등으로 구성된다.
수소제조장치는 탄화수소연료(천연가스․메탄올․LPG 등)를 증기 개질하여 원료수소를 생산하는 설비로 개질공정, 탈황공정, 수성가스 전이공정 등이 진행된다. 가스정제장치는 대부분 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식을 사용해 원료수소의 순도는 5N(99.999%) 수준으로 끌어올린다. 이렇게 생산된 수소연료는 고압압축기를 통해 저장설비에 저장되거나 디스펜서로 공급되는데 디스펜서에는 유량계, 압력조정기, 유량 및 압력억제장치, 비상정지장치 등이 설치되어 있다.
수소자동차와 수소충전소
앞으로의 수소시장을 보면 향후 분산형 전원시장과 수소용 및 IT 기기용 이동전원 분야에서의 잠재적 시장규모가 천문학적 규모로 예상되고 있다. 이에 따라 수소 연료전지 기술 확보에 대한 세계 각국의 연구개발 경쟁은 더욱 치열해질 것으로 전망되고 있다.
전 세계적으로 연료전지 자동차의 대량 생산은 2010년부터 시작될 것으로 예측되고 있다. 세계 각 자동차 생산회사별로 살펴보면 GM이 2010년부터 년 간 5만~10만대 생산을 목표로 하고 있고 Ford사 경우에도 약 5만대, 다임러크라이슬러사와 도요타사도 2010년부터 대량 생산을 목표로 하고 있으며 BMW사도 수소내연기관 자동차를 2010년부터 대량 생산할 것을 목표로 하고 있다.
향후 미국은 1만5천개소의 개질형 수소 스테이션을 설치해 연간 8백만톤의 수소를 생산할 예정이며 일본은 4천개소의 수소스테이션(2005년 연료전지 자동차 5만대, 2020년 5백만대용), 독일의 경우는 2012년까지 1천4백40개소와 2020년에 6천2백40개소의 수소스테이션을 건설한다는 계획이다. 또한 유럽 전역에 걸쳐 2020년까지 1만5천~2만개소의 수소스테이션을 구축할 예정으로 되어있다.
우리나라의 경우 수소 연료전지에 대한 정부의 최종 보급 목표는 1단계(2003~2005년)에서는 기술 개발 및 신뢰성 회복과 2단계(2006~2008년)에서 실증적용을 위해 수소스테이션 10개소 보급 그리고 3단계(2009~2012년) 시장 진입 및 확대단계를 통해 수소스테이션 50개소 건설과 분산전원 시스템 누적 300기(250~1000KW), 상업용 발전시스템은 누적 2000기(10~50KW), 가정용 발전시스템은 누적 1만기(3KW이하) 보급과 수소스테이션 표준화를 예정하고 있으며 4단계(2012~2015)에서는 수소스테이션을 전국적으로 1천개소 설치 및 파이프라인에 의해 공급되는 수소충전스테이션 기술을 확보한다는 계획을 가지고 있다.
