현대 인간이 살아가는데 있어서 필수적인 요인중에서 ‘에너지’를 빼놓고 이야기한다면 앙꼬없는 찐빵이라고 해도 과언이 아니다.
현재 일반적인 에너지원으로 사용되고 있는 가스, 원유 등은 연료로서 생활에 아주 밀접한 관계를 가지는 화석에너지(연료)가 대부분이다.
화석연료(에너지)는 지각변동과 더불어 오랜 세월에 걸쳐 파묻힌 동식물의 유해(遺骸)가 화석화하여 만들어진 연료로서 현재 인간이 이용하고 있는 에너지의 대부분이 이에 해당한다.
인간은 문명의 발달에 따라 불의 발견, 증기기관의 발명 등을 통해 적극적인 에너지 이용방법을 자연스럽게 진화시켜 왔으며 석탄을 에너지로 사용하기 시작한 산업혁명이후 석유와 천연가스가 발굴돼 에너지 사용량도 급격히 늘어나 오늘에 이르게 됐다.
하지만 편리성만큼이나 문제점도 적지않게 드러나고 있는 에너지관련 문제를 자원고갈과 환경오염 등을 대안삼아 본지에서는 수소를 중심으로 한 미래에너지 개발을 위한 전 세계적인 동향과 지향해야할 방안에 대해 보도하고자 한다. <편집자 주>
[전세계 대체에너지 개발붐 확산]
20세기 초까지 인류의 중요 에너지 자원은 석탄이었으나 지금은 생산기술의 발달과 경제성, 효율성 등에 의해 석유와 천연가스에 의한 유체(流體) 에너지로 대체됐다.
현재 석유나 천연가스는 전세계적으로 전체에너지 의존량의 85% 이상을 차지할 정도로 그 사용량이 방대한 실정이다.
그러나 이같은 화석에너지는 자원 편중은 물론 가격과 공급 면에서 항상 불안정한 요소를 가지고 있기 때문에 우리나라와 같은 화석에너지 빈국은 그 심각성면에서 사용에너지의 변환에 골몰하고 있는 상황이다.
더욱이 화석에너지의 경우 재생이 불가능한 동시에 매장량의 한정성과 대기오염이라는 중대한 단점을 지니고 있어 장기적으로는 사용량의 감소가 불가피하다는 게 전세계적인 움직임으로 나타나고 있다.
이러한 원인으로 각 국가에서는 화석연료 의존도를 줄이는 방안 연구와 함께 환경을 생각하는 새로운 에너지원을 찾기에 부심하고 있다.
현재 전세계적으로 확산되고 있는 대체에너지 개발 붐은 각 국의 현실성을 감안해 추진되고 있으나 우리나라의 경우는 태양, 풍력, 수력, 해양, 지열, 바이오와 같은 자연을 이용한 에너지와 연료전지, 수소에너지 그리고 폐기물 에너지 11개 분야를 법률로 지정해 대체에너지개발을 적극 검토하고 있다.
이에 따라 수소가 미래의 에너지원으로서 세계적인 주목을 받게 되는 상황으로 나타나고 있으며 이는 수소를 이용하는 연료전지 기술이 자동차와 발전 등에 파급될 수 있을 정도로 큰 역할을 하고 있다.
인류의 장기적인 에너지개발 과제로서 물(H2O)로부터 수소(H2)를 제조하고 다시 물로 돌아가는 이상적인 에너지의 순환시스템은 기술의 발전에 따라 환경적인 요소뿐만 아니라 경제적으로도 수소의 제조단가가 화석연료의 생산단가보다도 낮게 되는 시점이 2010년 이후에 도래할 것이라는 전망이다.
지난 80년대부터 연료전지가 자동차의 동력으로 환경친화적이라는 평가를 받아온 이후 향후 10년 후에는 연료전지 자동차의 본격적인 실용화가 예상되고 있지만 수소의 제조, 저장, 운송, 배분 등과 관련한 인프라(Infra) 구축에 투자한다는 것에도 상당한 연구와 투자가 이뤄져야할 것으로 보인다.
우리나라는 과학기술부를 중심으로 이미 4년전에 국책사업의 일환으로 수소제조분야에 대한 연구를 시작했고 지난 2003년 9월부터 21C프론티어사업으로 ‘고효율 수소에너지 제조·저장·이용 기술개발 사업단’을 출범시켰다.
또한 원자력을 이용한 수소제조방법을 본격 추진키 위해 관련법의 제정은 물론 선진국의 기술개발에도 적극 참여하고 있다.
우리나라의 2002년 에너지 수입액은 전체 수입액의 약 21%에 해당하는 3백17억달러(약 38조원)에 이르고 있다.
이러한 상황에서 국산화가 가능한 태양열, 풍력, 조력 등 모든 에너지를 총동원하여 에너지 수입의존도를 줄이는 것은 당연히 해야 할 숙제지만 현재도 국산화가 충분히 가능할 것이라고 예견되는 수소에너지의 기술터전을 마련함으로써 좀 더 가까운 미래에 국가 경쟁력을 높일 수 있는 기회를 조속히 마련하기를 기대해 본다.
지금까지 우리 정부의 대체에너지분야에 대한 지원은 단위기술 위주의 기술개발 형태로 진행된 탓에 실질적으로 적용될 수 있는 여건이 매우 미흡했던 것이 현실이었다.
따라서 기술개발로 인한 결과물이 보급 확대로 이어지는 체계적인 기술개발 및 운용프로그램이 현실적으로 더 필요하다는 지적이다.
[수소에너지]
수소에너지는 청정에너지 중의 하나이다.
수소는 연소시 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는 공해물질이 배출되지 않으며 직접 연소를 위한 연료 또는 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하다.
또 무한정인 물을 원료로 해 제조할 수 있으며 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있는 장점이 있다.
게다가 산업용 기초소재에서부터 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 응용돼 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 평가되고 있는 것이다.
미국, 일본, 독일 등 선진 각국에서는 지난 70년대 말부터 수소의 제조, 저장, 이용 등 분야별 연구개발에 힘을 쏟고 있다.
미국의 경우 우주개발, 군사용 등 특수 분야에 실용화 기술을 확보해 놓고 있다. 일본은 새롭게 추진되고 있는 뉴선샤인 계획을 통해 지속적으로 연구를 수행해 오고 있으며 WE-NET프로그램 등으로 관련연구의 국제화도 추진하고 있다.
독일은 대체전원으로부터 수소의 제조와 저장 그리고 이를 연료전지, 수소보일러, 수소자동차 등에 이용하는 수소에너지 시스템기술 실증플랜트를 설치, 운용하고 있다.
향후 15년 뒤에는 석유와 가스를 분해해서 얻어지는 수소가 일부 차량의 동력원으로 이용될 것으로 전망하고 있으며 50년 뒤에는 물에서 분해된 수소가 대부분의 용도에서 석유를 완전히 대체할 것으로 보인다.
이런 점에서 1차 에너지가 아닌 2차 에너지로서의 에너지 매개수단으로 보아 에너지매체(energy carrier)라 한다.
이와 함께 수소에너지는 다양한 형태로의 수송과 저장이 용이하고 물을 원료로 하여 재사용이 가능하다.
그러므로 현재의 인류가 당면한 에너지문제와 환경오염문제의 가장 유력한 해결 대안으로 부각되고 있다.
지금 전 세계는 수소에너지 개발에 전력을 다하고 있다.
미국은 지난 90년. 이른바 마츠나가 수소연구 개발법안 (Matsunaga Hydrogen Research and Development Act)을 본격 통과하여 요소기술(Critical Technology)을 개발했다.
96년에는 미래 수소법에 따라 수소의 생산, 저장, 이용 등에 관한 연구개발을 추진하여 2001년까지 1억6천4백만불을 투자했다.
한편 2025년까지 단기(～2005년)/중기(～2010년)/장기(～2025년)로 기간을 나누어 수소 도입 목표를 정량적으로 제시하고 있는데 2025년 전체에너지 공급량의 10%를 태양 등 재생가능에너지로부터 제조된 수소의 공급을 목표로 하고 있다.
독일은 「German Hydrogen Project」를 97년부터 추진하였는데 97년도 2,500만 ～ 3,100만DM 투자를 하여 뮌헨공항의 차량 수소화 프로젝트를 추진하고 있다.
아일랜드는 2001년까지 수소연료전지 자동차를 개발하고 2015년까지 석유소비를 전부 대체한다는 계획을 추진 중이다. 일본은 수소이용 국제 클린 에너지시스템 기술개발을 위해서 1993년부터 2020년까지 24억불을 투자할 계획이다.
[연료전지]
연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다.
이러한 연료 전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다.
연료전지의 일반적인 특성은, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열도 발생하므로 총효율을 80% 이상으로 높이는 고효율 발전이 가능하며 기존의 화력 발전에 비해 효율이 높으므로 발전용 연료의 절감이 가능하고 열병합 발전도 가능하다.
또한 NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전의 1/38과 1/3 정도이며 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술이다.
이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고 입지선 정이 용이하다.
따라서 도심지역 또는 건물내 설치가 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있으며 천연가스, 도시가스, 나프타, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으므로 기존의 화력 발전을 대체하고 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원 등에 적용될 수 있다.
연료 전지 발전 시스템은 수소를 함유한 일반 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스 메탄올 등)로부터 연료 전지가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변환하는 연료 개질 장치, 연료 개질 장치에서 들어오는 수소와 공기 중의 산소로 직류 전기와 물 및 부산물인 열을 발생시키는 연료전지 본체 그리고 연료 전지에서 나오는 직류를 교류로 변환시키는 전력 변환 장치로 구성된다.
연료전지 기술을 선도하고 있는 미국은 1962년 제미니 계획에 의하여 우주 및 군용의 알칼리 연료전지 연구를 처음 시작했다.
최근에는 FCG-1 계획에 의해 IFC, WH(Westinghouse)사에서 전기 사업용 MW급 연료 전지 기술 개발 사업을 수행하고 있고 25-400 kW급의 현지 설치형을 개발하여 200kW급은 이미 상용화되었으며 제조 단가를 현재의 약 3천＄/kW에서 1천5백～1천＄/kW 이하로 낮추고 수명을 4만시간 이상 지속시킬 수 있는 발전 시스템을 개발하기 위해 노력하고 있다.
일본은 1981년부터 6년 동안 에너지 절약 기술 개발 계획(Moonlight Project)의 일환으로 연료 전지의 신뢰성 향상과 고효율화 기술의 개발을 추진했다.
최근 동향은 New Sunshine 계획에 의해 1996년까지 가압형 5MW, 상압형 1MW급 발전 설비의 실증 실험을 목표로 9개의 전력 회사와 4개의 가스회사 및 전력중앙연구소로 구성된 연구 조합을 구성, NEDO 주관하에 대규모 실용화 연구를 수행하고 있다.
현재의 기술 수준은 화력 대체와 분산 전원용으로 이미 1MW급 실증 플랜트의 운전 시험을 완료하였으며 동경전력은 11MW급 인산염형 연료 전지 발전소를 1991년 완공하여 운전시험을 하고 있다.
우리나라의 연료전지 기술 개발은 1985년부터 한국에너지기술연구소와 한전기술연구원 공동으로 5.9kW급 인산염형 연료전지 본체를 수입하여 국내 최초로 발전 시스템을 구성하여 성능 실험을 실시한 것이 효시다.
이를 계기로 우리나라에서도 연료전지 개발의 중요성을 인식하게 되었으며, 최근에는 연구 개발 사업이 활성화되어 인산염형, 용융 탄산염형, 고체 전해질형 및 고분자 전해질 연료 전지도 개발하고 있다.
에기연은 1987년부터 6년 동안 과기처 국책 연구 사업을 주관하여 연구소, 대학 등이 공동으로 참여하는 인산염형 연료전지 개발 연구를 수행하였으며 92년도에는 1kW 인산염형 연료 전지 본체를 성공적으로 개발한 바 있다.
이 사업은 93년부터 시작된 국가 선도 기술 개발 사업으로 연계되어 산.학.연 공동 참여에 의해 실질적인 50kW급 인산염형 연료전지의 실용화를 위한 요소 기술을 개발하고 있으며, 2000년까지 200kW급 인산염형 연료전지 발전 시스템 개발을 목표로 설정하고 있다.
현재 국내의 기술 수준은 전반적으로 기초 연구 단계이나 연료 전지 본체를 포함한 연료개질, 전력 변환 장치 등의 소규모 시제품 개발을 목표로 하여 추진중이며 최근 10kW급 인산형 발전시스템과 5kW급 고체고분자 발전시스템이 한국에너지기술연구소에 의해 개발된 것을 시작으로 단기간내 현재의 선진 기술 수준에 근접할 수 있을 것으로 전망된다.
