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눈앞의 현실로 다가온 수소경제 사회

미래 자동차 시장 선점하다

2002년 제레미 리프킨이 저서 ‘수소혁명’에서 수소 기반의 경제가 도래할 것을 예측한지 17년이 지난 지금, 글로벌 자동차 기업의 수소연료전지자동차 상용화 경쟁이 본격화하고, 주요 선진국을 중심으로 관련 수소인프라 구축과 각종 지원정책을 쏟아내면서 비로서 ‘수소경제’사회가 우리 눈앞의 현실로 다가오고 있다. 특히 친환경자동차의 최종 승자로 경쟁하고 있는 순수 전기자동차가 폭발적인 성장세에 들어갈 것으로 전망되는 가운데, 전기차 보다 많은 장점을 지닌 수소연료전지 자동차에 대한 주목도 함께 커지고 있다.

우리나라 자동차산업은 세계 5위권(2015, 2016년)이며, 부품업체와 판매, 정비 및 보험 등 광범위한 전후방 산업이 연관되어 있는 종합시스템 산업으로 국내 제조업 중에서 국민소득 증대, 고용창출, 수출증대에 큰 역할을 하고 있다. 지구온난화와 미세먼지에 의한 도시 대기질 악화로 환경규제는 강화되는 추세이며, 자동차 메이커는 이 규제치를 만족시키지 못하면 벌과금을 물어야하는 상황이다.

세계 자동차 업계를 대상으로 한 2018년 설문조사1)에서 처음으로 수소전기차가 1위의 트렌드로 상승한 배경에는 환경규제로 전기구동자동차에 대한 관심과 가능성이 부각된 때문이다. 전 세계적으로 보면 포크리프트와 백업장치(무정전전원장치, UPS)가 먼저 성공적으로 시장에 진입하여, 미국의 경우 2018년 기준으로 포크리프트는 2만대 이상, 백업전원으로는 240MW 이상이 공급되었다. 수소전기차로는 현대자동차가 2013년 투싼, 2018년 넥쏘를 선보였고, 일본도 도요타 미라이는 2014년 12월, 혼다 클라리티는 2016년 3월부터 시판하였다. 전 세계적으로 약 1.1만 대 이상의 수소전기차가 운행되고 있으며, 이중 5,899대는 미국에서 운행되고 있다. 일본은 3.3천대, 우리나라는 1천대를 넘어섰다. 수소충전소도 미국 캘리포니아주는 2025년 200개 소, 우리나라는 2022년 310개소 구축을 목표로 하고 있다. 일본은 이미 113기가 구축되어 있으며, 2025년 320기를 목표로 하고 있다. 독일도 50기를 운영 중이며 추가로 50기 이상 증설 계획 중이다. 향후, 트럭, 버스 등 상용차, 트램, 선박, 건설기계 등 적용 대상도 다양해질 것으로 보이는 데, QYR Energy Research Center(2017)는 수소에너지 및 연료전지 시장 규모는 2017년 131억$/년, 2022년 261억 $에 이를 것으로 예측한 바 있다.

수소전기차의 연료는 수소, 어떻게 만드나?

산업계에서는 전 세계 연 5천만 톤, 국내만 해도 170여만 톤을 제조 이용하고 있어, 수소 전기차 운행에 당장 필요한 수소의 생산 및 수송기술도 있고 또 다루어본 경험도 많다. 산업용 수소는 대부분 화석연료에서 추출되나, 점차 지속가능한 방법으로 생산된 수소로 대체될 것이다. 화석연료로 제조해도 환경적인 측면에서 이득이 크다.2) 풍력 및 태양광과 같은 재생 에너지를 수소로 전환하면 대량 또는 계절간 저장이 가능하여 재생에너지 공급 확대, 에너지안보의 향상, 에너지절약과 환경부하저감에 큰 기여를 할 것으로 기대되고 있다. 재생에너지 자원의 환경은 지역마다 국가마다 다르다. 현 정부에 들어서서 30년에 20%까지 재생에너지 비율을 높이겠다고 하는 3020계획을 발표했다. 4월 19일에는 산업통상자원부가 2040년 30~35%로 대폭 늘리는 ‘제3차 에너지기본계획(안)’을 공개했다. 지난 정권에서 우리나라는 2030년, 37%의 이산화탄소를 줄이는 목표를 국제사회와 약속한 바 있다. 해외에서의 사업으로 저감해야할 이산화탄소양을 고려한다 면, 우리 자본과 기술로 해외의 수력, 풍력, 태양광이 풍부한 지역에서 전기를 만들어 현지에 공급하고 일부를 수소로 전환하여 공급한다는 계획도 가능할 것이다. 그린(재 생에너지-수소), 그레이(화석연료-수소), 블루(원자력-수소) 수소에 대한 공급 계획도 전 과정 평가 및 온실가스 배출량 분석으로 국제공인도 받고, 국민적 합의도 이루면서 진행하는 것이 필요할 것이다.

전기차와 수소전기차는 모두 전기구동차

친환경자동차(ZEV)는 전기구동화 경향이 대세이며 근거리 및 소형차는 전기자동차, 장거리 또는 상용차는 수소전기차의 우위가 예상된다. 배터리와 연료전지 두 기술이 경쟁적으로 발전하면서 하이브리드화로 상호 보완해주는 역할을 하게 될 것이다. 두 기술 모두 큰 가능성을 가지고 있어 어느 하나라도 포기할 수도 또 놓칠 수도 없다. 수소전기차는 이미 연료전지와 배터리의 하이브리드이며, 배터리 용량도 비교적 큰 편이어서 배터리 시장 확대에도 도움이 된다.

수소충전소 등의 기반 시설과 대중 수용성

수소전기차의 운행을 위해서는 수소충전소가 필요한데, 수소 생산, 수송 및 분배체계가 부족한 상황에서 수소 시장을 확대하려면 민관의 위험비용 및 역할 분담이 필요하다. 기반 시설인 수소충전소 구축을 정부가 앞장서서 도와주고 있음은 유럽, 일본, 우리나라 등 세계 공통적인 행보이다. 이밖에 규제, 코드, 표준화의 공조, 다른 에너지와 마찬가지로 안전을 기본으로 하는 공급 망의 확산이 필요하다. 작년 10월 28일 동경에서 열린 수소각료회의에서 합의내용으로 보도된 바와 같이, 국제적 협력 연구와 정보교환, 전주기 분석 평가와 CO2 저감량 지표화, 수소관련 인력양성을 위한 교육과 대중 수용성을 높이기 위한 홍보 등이 병행되어야 한다.

상용차(버스, 트럭)

1990년부터 2010년 사이에 대형 트럭이 배출하는 이산화탄소 배출량이 35% 늘어났고 계속 증가되고 있다. 하루 16시간을 운행하는 버스 한 대는 25대의 중형차량과 맞먹는 연간 50톤의 이산화탄소를 배출한다. 이미 중국은 2018년 중대형 수소전기구동 트럭의 세계적인 선도국이 되었다. 발라드가 추산한 바에 따르면, 약 1,500대의 트럭과 버스가 보급되었으며, 국가보조금을 받기 위해 제출하는 차량목록(MIIT Promotion Catalogue)에 75종의 연료전지 차량이 등재되었다. 21기의 수소충전소가 운용중이며 41기를 건설중인 것으로 파악된다.

수소전기열차, 트램 및 전철

알스톰(ALstom)이 만든 수소전기기차 Coradia iLint는 전기기차와는 달리 전혀 동력선이 없거나 부분적으로 동력선이 없는 구간도 운행할 수 있다는 장점이 있는 데, 2018년 9월 이후 엘베(Elbe)에서 베세르(Weser)에 이르는 구간에서 상용 서비스를 하고 있다. 올 1월에 6개 주를 도는 로드 쇼를 실시한 바 있다. 중국에서는 China South Rail Corporation의 자회사인 Sifang이 중국 최초의 수소연료전지 도시용 트램(최고속도 70km/h로 380명 탑승)을 2년간에 걸쳐 연구하여 실증하였는데, 3분 충전으로 100km 정도를 운행하며, 운영비 저감과 도심 대기질 개선에 기여한다고 말하고 있다. China North Vehicle Yongji Electric Motor Corporation과 Southwest Jiaotong University도 2011년에 수소연료전지 구동 경량 전철을 실증한 바 있었다. Tangshan Railway Vehicle Co Ltd (TRC)도 2016년 헤베이 지역에서 수소연료전지와 슈퍼캐퍼시터 하이브리드로 운행한 바 있다. 일본은 2017년 11월, Railway Technical Research Institute에서 수소연료전지 기차를 시험주행하고 있다. 독일 지멘스도 수소전기구동 기차 (Miero)를 실증 중이다.

수소전기선박

2018년 국제해사기구(IMO)는 2050년까지 온실가스배출량을 2008년의 절반수준으로 줄인다는 내용의 규제를 발표한 바 있다. IMO에 따르면 2008년 11억 3,500만 톤의 이산화 탄소가 선박에서 배출되었는데, 당해년도 전체 이산화탄소 배출량의 3.5%에 이르는 양이 다. 이산화탄소 배출 저감을 위해 수소전기 선박, 배터리 하이브리드 선박용으로 100kW부 터 MW에 이르기까지 다양한 제품이 출시될 것이며, 에너지밀도가 높은 액체수소로 사용한다면 장거리 항해와 빠른 충전이 가능하다. 향후 재생에너지로부터 얻은 그린 수소를 연료로 사용한다면, 연료전지 시스템은 well to wake3) 제로 배출 동력원이 될 것이다.

국가마다 상황이 다르기는 하지만, ‘핑크빛전망’ 만을 말하던 시기에서 벗어나, 가시적인 시장진입과 확산을 도모하는 시점에 와있다. 국제기구로는 기존의 IPHE (수소경제를 위한 국가간 파트너십, 정부 간 채널), IEA-HIA (세계에너지기구 수소이행협정, 국제공동 연구 를 위한 연구자 중심의 조직)외에 정부와 투자자간의 협력 조직이라 할 수 있는 미션 이노베이션, 산업체들이 모여 만든 수소위원회가 창설되었다. 특히 수소위원회는 2017년 다보스 포럼에서 창설당시 13개에서 54개로 선도적인 에너지, 자동차, 산업체 등의 참여가 급격히 늘어났다.

세계에서 가장 큰 전기차 생산국인 중국도 수소전기차 개발에 집중할 것으로 보도 되었다.4) 차이나 데일리는 중국정부가 2020년 5천대, 2025년 5만대, 2030년 1백 만대의 수소전기차 운행을 기대하고 있다고 보도했다.(2019년 4월) 현대자동차도 70억 달러를 수소연료전지 분야에 투자할 것을 공언했다. 다임러, 아우디도 수소전기차 출시계획을 발표했다. 수소위원회는 2030년 12대 중 한대를 수소전기차로 하겠다는 목표를 설정했다. 자율주행, 공유, 컨넥티비티, 상용차 전기구동화 등의 변화는 수소전기구동의 장점이 부각될 기회가 될 것이다.

김종원 박사님은 한국과학기술원(KAI ST)에서 1987년 박사학위를 받았으며, 이후 현재까지 한국에너지기술연구원 수소연구실에서 책임연구원으로 근무하고 있다. 한국수소 및 신에너지학회 장, 수소에너지사업단장(과기정통부 21 세기 프론티어사업)을 역임하였으며, 주요 관심사는 수소에너지 제조, 저장 및 이용분야 등이다