2004년 현재 전세계를 막론하여 가장 많은 자금투자가 이루어지고 있는 R&D(연구개발) 분야의 순위를 정한다면 1위의 자리는 단연 '수소(H2)'의 차지가 될 것이다.
수소가 에너지 고갈위기에 직면한 인류를 구원할 최적의 차세대 친환경 대체에너지로 지목되면서 지난 20세기말 지구촌을 뜨겁게 달구었던 IT(정보기술) 열풍을 능가하는 관심이 수소에 집중되고 있으며 각국 정부들을 비롯 연구기관, 공공기업, 사기업들이 총망라되어 미래의 에너지 패권을 검어 쥐기 위해 가히 천문학적 규모의 자금을 기꺼이 쏟아 넣고 있다.
이러한 천문학적 투자와 기술개발을 통해 머지않은(?) 미래에 현실화될 수소에너지 시대의 중심에는 ‘수소자동차’가 존재한다.
수소에너지의 적용분야는 다양하지만 자동차, 선박, 비행기 등 운송수단의 연료로서 수소의 역할이 수소경제시대의 핵심이기 때문이다.
이같은 이유로 대량수소제조기술, 고압수소저장기술, 수소연료전지 등 수소에너지와 관련한 연구개발의 대부분이 수소자동차와 직간접적 연관관계를 맺고 있으며 지금까지 가장 많은 기술적 진전이 이루어진 분야 또한 수소자동차 관련 분야이다.
수소충전소(hydrogen refueling station)는 바로 이러한 수소자동차 및 수소내연기관의 조기 상용화를 이룩하는데 필수불가결한 핵심 인프라(infra)로서 현재 전세계 수소선진국들은 수소자동차의 도입이 점차 가시권에 들어오면서 수소충전소와 관련한 기술개발과 도입에 한층 열을 올리고 있다.
[수소자동차와 수소충전소]
지난 1967년 이래 지난해까지 전세계 자동차 제조업체 및 연구기관들에 의해 개발된 연료전지 차량(자동차, 버스, 트럭, 오토바이 등)은 약 1백10종에 달한다.
이중 약 36종이 수소를 내연기관의 연료로 사용하고 있으며 2003년말 현재 시범보급사업이나 기술개발 등을 목적으로 전세계에서 실제 생산되어 운용중인 수소연료전지차(FCV)는 총 1백70여대로 추정되고 있다.
특히 FCV의 도입은 지난 95년 이후 유럽, 미국, 일본, 한국 등 각국 정부와 다임러크라이슬러, 포드, 도요타, 현대자동차 등 자동차제조업체들의 수소자동차 보급계획과 맞물려 급물살을 타고 있으며 2010년을 기점으로 기하급수적인 증가추세를 나타낼 것으로 전망된다.
구체적으로 일본은 2010년까지 5만대의 FCV를 도입하고 2020년에는 이를 5백만대 수준으로 확대할 계획이며 2020년 FCV의 양산에 본격 돌입하는 미국도 캘리포니아주를 중심으로 2010년에 약 1만2천여대, 2020년경 약 33만여대의 FCV를 운용할 예정이다.
유럽 또한 2010년까지 수백대 규모의 시범운행을 거친 후 2020년경 2백만대에서 최대 9백만대에 이르는 FCV 도입계획을 수립했다.
우리나라의 경우에도 지난 2000년 국내 최초의 FCV인 싼타페 연료전지자동차를 개발한 현대.기아자동차가 2010년경 10만대 규모의 FCV 양산계획을 수립했고 산업자원부도 지난해 말 발족한 수소연료전지사업단을 통해 향후 10년이내에 국내에 3천2백여대의 수소자동차를 도입.운용한다는 방침이다.
수소충전소는 이러한 각국의 수소자동차 도입계획을 성공적으로 이끌어내기 위해 반드시 수반되어야 하는 필수적인 인프라이다.
주유소가 없는 자동차를 생각할 수 없듯 아무리 탁월한 성능의 FCV가 개발.보급된다 해도 연료인 수소를 공급해주는 수소충전소의 지원 없이 수소자동차는 결코 존재할 수 없기 때문이다.
각국 정부가 수소자동차 도입계획 수립시 반드시 수소충전소 건설계획을 함께 마련하는 것이나 미국, 독일, 일본 등 수소자동차 도입을 서두르고 있는 국가일수록 수소충전소의 건설 및 수소충전시스템 기술개발에 한층 적극적으로 매진하고 있는 것도 같은 맥락에서 이해할 수 있다.
일례로 비교적 단기간내에 신속하게 수소자동차를 상용화시킬 계획인 일본은 FCV 도입과 맥을 같이하여 2010년까지 도쿄를 비롯한 3대 대도시에 5백개소의 수소충전소 건설을 추진하고 있다.
이어 2020년까지 서비스지역을 주요 대도시로 확대, 수소충전소 숫자를 3천5백개소로 늘리고 최종적으로 2030년경 일본 전역에 총 8천5백개소의 수소충전소를 설립할 계획이다.
이는 2010년경 5~60개소 정도의 수소충전소를 건설할 계획인 우리나라와 비교하면 매우 빠른 도입계획이다.
[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.
이와같은 이유로 수소충전소들도 설치목적과 주변조건, 활용도 등에 따라 각기 다른 시스템 및 설비를 갖추고 있기 때문에 세부적으로 분류하면 수소충전소의 종류는 수십여종 이상이 된다.
현존하는 주요 수소충전소들의 종류를 분류해 놓은 <표-1>을 보면 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 있는 추세이고 LH2 보다는 CGH2공급형 충전소가 상대적으로 다수를 차지하고 있으며 LH2/CGH2, CGH2/전기, H2/CNG/LCNG 등 2종 이상의 충전능력을 갖춘 다목적 수소충전소의 설립도 확대되고 있음이 보여진다.
업계전문가들은 이같은 현상에 대해 이제 수소충전소가 폐쇄된 장소에서 몇몇 연구용 FCV에 연료를 충전해주는 소극적 의미의 단순 조력자에서 벗어나 하나의 산업으로서 실용화 단계에 접어들고 있음을 말해주는 반증으로 받아들이고 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 증기개질하여 원료수소를 생산하는 설비로 개질공정, 탈황공정, 수성가스 전이공정 등이 진행된다.
가스정제장치는 대부분 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식을 사용해 원료수소의 순도를 5N(99.999%) 수준으로 끌어올린다.
이렇게 생산된 수소연료는 고압압축기를 통해 저장설비에 저장되거나 디스펜서로 공급되는데 디스펜서에는 유량계, 압력조정기, 유량 및 압력억제장치, 비상정지장치 등이 설치되어 있다.
[전세계 수소충전소 현황]
미국 워싱턴 소재 연료전지 관련단체인 Breakthrough Technologies Institute(BTI)社가 집계한 바에 따르면 올해 11월 현재 전세계에는 총 74개소(중소형 파일럿충전소 및 건설중인 충전소 포함)의 수소충전소가 존재하고 있는 것으로 집계됐다.
이같은 수치는 올해 4월 유럽위원회(EC) 산하 미래기술연구소(IPTS)가 ‘수소의 잠재적 가치 보고서’를 통해 “2003년말 현재 69개소의 수소충전소가 완공 또는 건설중이며 11개소의 충전소가 추가 건설될 예정”이라고 밝힌 내용과도 상당부분 일치하는 결과이다.
그러나 두 기관의 조사결과는 전체 숫자에선 일맥상통하지만 수소충전소의 소재지 등과 같은 세부내용에서는 다소 차이가 보여 진다.<표-2><표-3>
이는 전세계 각국에서 정부기관, 국가연구기관, 대형연구개발프로젝트컨소시엄, 자동차제조업체, 거대 정유사 등이 각각의 목적에 따라 수시로 신규 수소충전소 건설을 추진하고 있는데다 상용목적의 충전소보다는 연구목적의 중소형 파일럿(pilot) 충전소가 다수를 차지하고 있어 정확한 현황파악이 현실적으로 어렵기 때문으로 판단된다.
결국 BTI社는 미국을 비롯한 미주지역, IPTS는 유럽지역에서 상대기관에 비해 보다 정확한 조사가 가능했으리라는 가정하에 양 기관의 데이터를 종합해보면 현재 전세계에는 약 70~80여개소의 수소충전소가 가동 또는 건설중에 있는 것으로 분석된다.
수소충전소 보유국 또는 보유예정국은 유럽지역이 독일.포르투갈.스페인.스웨덴.벨기에.이탈리아.룩셈부르크.아이슬란드.덴마크.영국.네덜란드.프랑스 등 16개국으로 가장 많으며 미주지역이 미국.캐나다.멕시코.브라질 등 4개국, 아시아지역은 일본.한국.싱가포르.홍콩.대만.중국.인도 등 8개국, 그리고 오세아니아의 호주와 아프리카의 이집트를 포함해 총 30개국에 이르는 것으로 추정된다.
대륙별로 수소충전소의 숫자를 살펴보면 독일을 정점으로한 유럽과 미국(캘리포니아洲)을 전면에 내세운 미주지역이 각각 30개소 정도의 수소충전소를 보유, 양강구도를 형성하고 있으며 경제대국 일본이 앞장서고 있는 아시아가 신흥강자로서 뒤를 바짝 추격하고 있는 양상이다.
지난해까지만 해도 CUTE(Clean Urban Transport For Europe), EIHP(European Integrated Hydrogen Project), ECTOS(Ecological City Transport System), CEP(Clean Energy Partnership) 등 다수의 수소프로젝트를 수행하고 있는 유럽이 수소자동차 도입이나 수소충전소 숫자에서 우위를 점하고 있었지만 올해이후 CaFCP(California Fuel Cell Partnership Program), FCHEV(Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle) 시범운행 프로젝트, 캘리포니아 수소고속도로 프로젝트, 캐나다 수소고속도로 프로젝트 등으로 맹추격한 미주국가들에게 추격을 허용했다.
국가별로는 WE―NET(World Energy Network) 프로젝트 등을 통한 정부의 적극적 투자를 등에 업은 일본의 약진이 눈에 띤다.
일본은 미국이나 독일보다 10년가량 뒤진 지난 2001년에야 처음으로 자국내에 연구용 수소충전소(혼다자동차 건설)를 준공했지만 이후 3년간 집중적인 투자와 지원을 단행, 지금은 전세계 국가 중 미국과 독일에 이어 3번째로 많은 수소충전소를 자국내에 보유하고 있다.
특히 현재까지 발표된 각국의 수소자동차 도입계획 및 수소충전소 건설계획을 비교할 때 2010년에 이르면 일본은 미국, 독일을 제치고 단일국가로는 세계최다 수소충전소 보유국가로 등극할 것이 확실시된다.
한편 <표-4>는 수소충전소의 역사에 하나의 이정표를 세운 주요 수소충전소들의 특징을 설명한 것이다.
[국내 수소충전소 도입 현황]
11월 현재 국내에서 가동중인 수소충전소는 현대.기아자동차가 자사가 개발한 수소자동차의 연구를 위해 지난 2001년 5월 경기 화성의 남양연구소내에 건설한 정치형(定置形) 수소충전소 1개소가 유일하다.
6,000psig 압력의 2단계 PPI 컴프레서를 장착한 남양충전소는 350bar의 충전압력(최대충전압력 400bar)으로 5N(99.999%)의 고순도 수소를 FCV에 충전할 수 있도록 설계됐으며 72리터의 수소를 충전하는데 약 15분 정도가 소요된다.
현대자동차는 또 지역별, 계절별, 도로조건별 등 국내 특수상황에 맞춰 수소자동차의 성능과 내구성을 평가하기 위해 고압실린더를 통해 원료수소를 공급하는 충전압력 350bar, 충전능력 40대/日의 이동식 수소충전소 1대를 수입, 확보하고 있지만 고압가스의 이동식 충전을 불허하는 현행 고압가스안전관리법의 제약으로 인해 전혀 활용하지 못하고 있는 실정이다.
이와 관련 현대자동차는 현재 용인시 마북지역에 추진중인 환경기술연구소 설립과 관련해 연구소내에 국내최초의 700bar 수소충전소를 건설할 예정에 있으며 내년 연말경에는 초저상 연료전지 버스도 개발, 선보일 계획이다.
과학기술부 산하 고효율수소에너지제조.저장.이용기술개발사업단(이하 수소사업단, 단장 김종원)도 사업단이 위치한 대덕연구단지 한국에너지기술연구원내에 20N㎥/hr 규모의 천연가스개질방식 수소제조 공급시스템 개발을 위한 연구용 수소충전소를 건설중이다.
내년초 완공될 예정인 이 충전소는 하루에 약 10~15대의 수소자동차에 수소연료를 충전할 수 있는 규모로 설계되어 있다. 수소사업단은 이를 통해 수소충전소의 충전효율 및 성능향상을 위한 연구를 진행, 충전용량을 향후 10배까지 높인다는 계획이다.
이외에도 산업자원부 산하 수소연료전지사업단(단장 홍성안)이 ㈜SK와 한국가스공사를 통해 2년내 국내에 수소충전소 2개소를 건설한다는 계획을 세우고 있으며 이와 관련 가스공사는 최근 ㈜덕양에너젠(대표 이덕우)과 수소충전소 건설을 공동 추진키로 합의했다.
국내 수소전문가들은 지금과 같은 추세라면 수년내에 국내에도 연구용이 아닌 일반인들에게 공개된 상용 수소충전소가 출현할 것으로 보고 있다.
한편 <표-5>는 수소연료전지사업단의 수소자동차 및 수소충전소 도입목표를 설명한 것이다.
[향후 과제]
우리나라의 수소에너지 관련 기술력은 선진국들에 비해 약 10여년 정도 뒤쳐져 있다는 것이 전문가들의 일반적인 시각이며 수년전에야 비로소 본격화된 정부의 수소프로젝트 관련 투자도 미국, 일본, 유럽 등의 국가들과 비교하면 극히 미미한 것이 사실이다.
이같은 상황에서 우리나라가 수소에너지를 통해 에너지독립을 이룩하고 미래수소경제시대를 주도적으로 이끌어나가기 위해서는 국가적 차원에서 앞으로 더욱 많은 관심과 지원, 투자가 단행되어야만 한다.
직접적인 정부투자액 확대에 더해 가장 시급한 문제로 지적되는 것은 법제도적인 지원시스템의 구축이다.
이미 수소를 포함한 신.재생에너지와 관련해 ‘대체에너지개발및이용.보급촉진법’이 제정, 시행되고는 있지만 신.재생에너지의 궁극적 최종 목표점이 수소에너지인 만큼 수소에너지만을 위한 수소에너지 관련 특별법 제정이 필요하다는 지적이다.
이를통해 수소자동차 개발기관 및 활용기업, 수소충전소 설치.운영기관 등에 대한 보조금 지급, 감세조치 등을 시행함으로서 국책프로젝트에 참여하지 않아 자금지원을 받지 못하는 기업이나 기관들이 보다 적극적으로 기술개발에 매진할 수 있는 풍토를 조성해야 한다는 것이다.
또한 현행법에는 수소관련 기술개발을 저해할 수 있는 각종 규제들이 존재하고 있다는 점에서 특별법을 통해 한시적으로라도 이를 완화 또는 폐지해야한다는 주장도 제기되고 있다.
일례로 현행 고법의 이동식 충전 금지규정은 국내 도로환경에 최적화된 수소자동차의 개발을 원천적으로 봉쇄하고 있는 대표적인 독소조항의 하나로 꼽힌다.
현대자동차가 수소자동차를 개발한 것이 지난 2000년의 일임에도 불구하고 지금까지 단한번도 국내 도로주행시험을 만족스럽게 수행할 수 없었던 것도 바로 이 조항 때문이다.
미국, 유럽, 일본 등에서는 이미 수년전부터 다수의 이동식 수소충전소가 설치.운영되어 수소자동차의 보급을 촉진하고 있지만 우리나라의 경우 아직도 LPG나 일반산업용가스를 관리.통제하기 위해 수십년전 만들어진 법률을 잣대로 미래에너지인 수소를 바라보고 있는 셈이다. |
