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  1. 2019.04.19 ‘수소 사회 2.0’ 시작, 재생에너지 이용한 수소 생산비용 절감이 원동력

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1886호(2019. 3. 6. 발행)에 기고한 원고입니다. 

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‘수소 사회 2.0’ 시작, 재생에너지 이용한 수소 생산비용 절감이 원동력.pdf
1.93MB

 

[ 요 약 ]

 

수소 사회 2.0’이라 불러도 좋을 새로운 수소 사회 구현 움직임이 일본, 독일, 영국 등 수소 경제 선진국에서 전개되고 있음. 수소 사회 2.0에서는 수소연료전지 뿐만 아니라 축전지나 재생가능에너지가 수소 생산 비용을 크게 낮춤으로써 중요한 역할을 하게 됨. 화석연료에 의존하지 않으며 에너지 이용비용이 극히 낮은 사회의 구현을 위해 세계가 움직이기 시작한 것인데, 우리나라도 협소한 수소차 논의에서 벗어나 수소 사회의 본질적 가치에 대한 논의를 심화시킬 필요가 있음

 

 

[ 본 문 ]

 

수소 에너지를 주축으로 하는 사회라는 뜻의 수소 사회는 수십 년 전부터 회자되어 왔지만, 현재 논의되는 수소 사회는 이전에 논의되던 것과는 전혀 별개라 해도 좋을 정도로 내용이 다름

 

최근 이야기되는 수소 사회는 불과 몇 년 전에 논의하던 것과도 다를 정도로 내용이 새롭기 때문에 가히 수소 사회 2.0’이라 부를 만함

 

지금까지의 논의와 가장 크게 차이나는 것은 두 가지인데, 하나는 새로운 수소 사회는 동시에 축전지가 도시 곳곳에 편재하는 축전지 사회이기도 하다는 점

 

전기를 동력으로 하려면 전지 혹은 연료전지를 이용해야 하는데, 전지는 닫힌 계에서 화학적으로 전기에너지를 저장한 후 충전된 전기를 방전하면서 구동하는 방식이고, 연료전지(Fuel Cell)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 방식임

 

연료전지는 일반적으로 연료가 계속 공급되는 한 지속적인 발전이 가능한 것이 특징으로 발전효율이 40~60%로 상당히 높다는 장점이 있으며, 연료와 산화제로는 여러 가지를 이용하는데 가령 수소연료전지는 수소를 연료로 산소를 산화제로 이용하게 됨

 

반면 일반적으로 연료전지 방식은 연료의 생산, 보관, 운송 등에 높은 비용의 문제가 있고, 이에 비해 축전지는 리튬이온전지 가격이 2005kWh(킬로와트시)1,500달러에서 2020100달러로 하락할 것으로 예상되는 등 상대적으로 비용상 이점이 있음

 

수소 사회 실현의 최대 난제는 경제성이었는데 가격 하락 중인 리튬이온 2차전지(LIB) 등의 축전지를 논의에 포함시킴으로써 비로소 경제적 타당성이 성립할 수 있는 방안이 보이게 된 것이고, 최근 수소 사회 사업자들은 축전지와 연료전지가 공존하는 사회를 그리고 있음

 

[ 그림  1]  연료전지 (FC) 와 축전지를 결합한 수소 사회  2.0  개념도 (자료: XTECH)

 

최근의 수소 사회 논의가 이전과 질적으로 다른 또 다른 이유는 수소의 양산 프로세스가 이전과 크게 달라지며 조달 비용을 낮출 수 있게 된 것인데, 여기에는 재생가능에너지의 역할이 큼

 

이전까지 수소의 양산 프로세스에서는 천연가스, 즉 메탄(CH4)에 고온의 수증기를 맞힘으로써 개질(改質, reforming)을 하는 수증기 개질이 수소의 주된 제조방법이었음

 

개질이란 석유 정제 공정의 하나로서 열이나 촉매의 작용에 의하여 탄화수소의 구조를 변화시켜 가솔린의 품질을 높이는 화학 작용을 의미함

 

이러한 수증기 개질 방식으로는 수소의 조달 비용을 낮출 수가 없는데, 천연가스의 비용에 개질 비용, 그리고 다루기가 보다 어려워지는 데 따른 추가 비용이 합쳐지기 때문임

 

게다가 이런 방식은 천연가스만으로 자동차를 구동할 수 있는데 굳이 천연가스에서 수소를 뽑아야 하느냐는 의문과 메탄에서 뽑아낸 수소로 움직인다면 결국 화석연료를 사용하기 때문에 친환경적이라고 할 수 있느냐는 합리적 의문에도 맞닥뜨려야 함

 

개질 방식의 장점이라면 이산화탄소(CO2)의 배출 장소를 개질 공장으로 한정할 수 있어 향후 CCS(Carbon dioxide Capture and Storage, 이산화탄소 포집 및 저장) 기술을 이용할 경우 CO2를 크게 줄일 수 있는 가능성이 있다는 것 정도

 

이에 비해 새로운 수소 사회 논의에서 수소 조달의 주요 시나리오는 재생가능에너지로 발전한 전력을 이용해 수전해(물 전기분해, 水電解)’ 함으로서 얻는다는 것인데, 이런 방식은 전력을 수소 가스로 변환하는 것이기 때문에 ‘Power to Gas(P2G)’라고도 불림

 

P2G 방식 역시 이전부터 회자되던 것이었지만 불과 몇 년 전까지만 해도 실현성이 낮아 SF(공상과학)로 치부되던 것이었는데, 지금은 가장 유력한 수소 조달 방안이 되고 있으며 특히 재생가능에너지가 발전해 있는 국가들에서 적극 추진 중에 있음

 

재생에너지는 이미 일부 국가에서 가장 비용이 낮은 에너지로 자리매김할 가능성을 내비치고 있는데, 이를 수소 생산에 이용함으로써 생산비용을 낮출 수 있고 수소 연료전지의 친환경적 요소를 강화할 수 있기 때문

 

현재 수소 사회 건설의 기치를 내건 대부분의 단체들은 잉여 재생에너지를 이용해 P2G 방식으로 로 수소를 양산하는 것에 주목하고 있으며, 이미 구체적 움직임이 시작된 곳들도 있음

 

전세계 차원의 수소 사회 건설을 추진하는 수소협의회(Hydrogen Council)는 세계의 CO2 배출을 줄이기 위해서는 발전 시스템의 대부분을 신재생에너지로 할 필요가 있으며, 다만 출력 변동의 버퍼링이 전제가 되어야 하는데 수소는 그 수단으로 아주 유효하다고 설명

 

수소협의회는 20171월 스위스 다보스 포럼에서 발족되었으며, 최초 참가 기업은 13개 이었지만 20191월 말 현재 50개를 넘었으며 본부는 벨기에에 있음

 

구체적인 움직임도 이미 시작되고 있는데, 연료전지 기술에서 가장 앞서 있는 것으로 평가받는 일본의 경우 20191월 말에 후쿠시마 재생에너지 연구센터에서 100% 신재생에너지로 제조한, CO2가 없는 수소를 도쿄에 보내 연료전지 자동차(FCV)를 주행시킨 바 있음

 

이 이벤트는 도쿄올림픽에 즈음해 20207월에 후쿠시마현에서 본격 가동할 예정인 P2G 연구 시설 ‘FH2R’의 사전 시연으로 진행된 것임

 

FH2R(후쿠시마 수소에너지 연구장, Fukushima Hydrogen Energy Research Field)은 재생가능에너지를 이용해 대규모로 수소를 제조하기 위해 건설 중인 수전해 시설로, 최대 10 MW의 전력으로 시간당 1200Nm3(표준 체적) 규모로 수소를 제조할 수 있다고 함

 

독일에서도 2018년에 100MW 규모의 P2G 시설 건설 프로젝트가 여러 시작되었으며, 2022년을 전후해 가동될 전망인데, 독일 정부는 2G~3GWP2G2030년까지 실현하는 것의 타당성에 대한 검토도 시작하였음

 

[ 그림  2]  독일의  P2G(Power to Gas)  방식 수소 생산 플랜트

최근 P2G와 관련해 또 하나 눈여겨 볼 것은 대형 발전소뿐 아니라 이용자 단의 수소 스테이션과 소형 연료전지(FC) 발전소에서도 신재생에너지를 이용한 수소 생산을 구현하고 있다는 점

 

일본에서는 혼다가 소형 수전해 장치로 수소를 그 자리에서 만들 수 있는 스마트 수소 스테이션(SHS)’20개 제작해 배포했는데, 이런 방식의 수소 충전소가 확산되면 수소 경제의 기술적 난제 중 하나인 수소의 저장 및 운송 문제를 해소하는데 기여할 수 있음

 

도시바 역시 하나의 컨테이너에 축전지, 수전해 장치, 수소 저장 장치, FC 발전 시스템, 온수 저장 시스템을 모두 갖춘 올인원 장치를 개발해 역 등에 설치하기 시작했음

 

독일 북부의 니더작센주에서는 2018년 가을부터 수소연료전지 열차의 운행을 시작했는데, 15대의 FC 열차에 필요한 수소를 10MW의 풍력발전을 이용해 제조한다는 계획

 

중국에서는 재생가능에너지와 연료전지 관련 국가 프로젝트를 담당하는 상하이의 퉁지대학(Tongji University)이 지난 2016년 대련시에 태양광 발전과 풍력 발전의 출력으로 수소를 제조하여 그 자리에서 제공하는 수소 스테이션을 설치한 바 있음

 

[ 그림  3]  재생에너지로 수소 제조하는 중국의 충전소

 

이러한 재생가능에너지 기반 P2G의 구현은 신재생에너지 발전 사업자들의 고민인 재생에너지 잉여의 문제를 해소해 줄 수 있다는 점에서 양자 사이에 윈윈관계 형성이 가능함

 

 앞으로 기술이 더 발전하면 신재생에너지의 대부분은 잉여가 될 가능성이 높아 날씨가 에너지 생산에 호조건일 때는 헐값에 팔거나 버릴 수밖에 없는데, 이 전력을 수전해에 사용하면 재생에너지 발전 사업자와 수소 이용자는 윈윈관계가 되어 다양한 이점을 얻을 수 있게 됨

 

재생에너지 사업자가 얻는 이점을 살펴보면 우선 시간적 평준화가 쉬워지는 장점이 있는데, 이는 재생가능에너지의 출력이 기후에 의해 크게 변동하는 문제 해결에 도움이 됨을 의미

 

즉 출력 변동주기가 1일 이하인 고주파 성분은 리튬이온 2차전지(LIB)에서 흡수하고, 1일을 넘는 장마나 간절기의 저주파 성분은 수소 생산을 제어하는 데 흡수할 수 있는데, 이로써 재생가능에너지를 기저 부하 전원(Base Load Power)'처럼 사용할 수 있는 가능성도 생김

 

 또 다른 장점은 공간적 평준화도 실현할 수 있다는 것인데, 태양광 발전이나 풍력 발전 시설이 서로 다른 지역에 집중되어 있는 데에 따른 어려움을 크게 경감할 수 있다는 뜻으로, 이는 재생가능에너지로 생산된 수소의 운반이 가능하기 때문

 

 이는 비단 한 국가 내에서 만의 이야기가 아니며, 가령 호주나 칠레의 재생가능에너지로 발전한 전력을 수소로 변환한 다음 우리나라에 수입할 수도 있는 것임

 

그간 의문시되던 재생에너지에 의한 수전해의 경제적 타당성 이슈도 최근 고정형 축전지를 이용해 수전해 장치 규모를 줄이고 가동률을 높일 수 있다는 연구결과가 나오며 해소의 계기를 마련

 

지금까지 재생가능에너지에 의한 수전해는 경제적 타당성이 없다는 지적이 뒤따라 다녔는데, 그 근거는 물 전기분해 장치의 초기 가동률이 낮을 것으로 예상된다는 것이었으며, 특히 잉여 전력에 한해서는 가동률이 5% 이하로 매우 낮을 것으로 추정되었음

 

따라서 물 전기분해량을 확대하려면 장치의 규모를 출력 변동의 피크에 맞출 필요가 있는데, 이렇게 되면 투자비용을 회수하지 못하고 수소의 제조비용이 매우 높아진다는 것이 그 동안 학계의 정설이었음

 

그런데 201812월 도쿄대학 국제고등연구소는 기존 정설을 뒤집는 조건을 발견했다고 발표했는데, 관건은 전력 계통에 연결하는 고정형 축전지로 상대적으로 저렴한 축전지라면 하루의 변동분을 저렴한 비용으로 평준화할 수 있다고 함

 

이렇게 되면 수전해 장치의 규모가 작아져도 되고 가동률이 높아지게 되어 투자를 단기간에 회수할 수 있으며, 그 결과 수소의 제조 원가를 크게 낮출 수 있다는 주장임

 

2030년에 예상되는 일본의 태양광 발전 비용을 7/kWh, 축전지 시스템 비용을 2만 엔/kWh, 수전해 장치의 투입전력당 비용을 5만 엔/kW, 수명을 10년 등으로 가정하면 수소의 제조원가가 약 30/Nm3로 추정되는데, 이는 현재 가솔린의 약 1/3 미만 수준임

 

이러한 기술적 발전성과를 토대로 새로운 수소 사회의 실현을 위해 대도시 거리의 상점과 호텔에 수소연료전지 발전 장치를 설치하는 움직임도 시작되고 있

 

파나소닉과 도시바 에너지 시스템은 지금까지 도시가스를 개질하여 연료전지(FC)에서 발전하는 장치를 개발해 왔지만, 최근 순수한 수소를 전제로 한 FC 발전 장치를 각각 개발하였음

 

양쪽 모두 고체고분자형연료전지(PEFC) 타입이지만 개질에 에너지를 사용하지 않기 때문에 발전 효율은 파나소닉의 장비가 57%, 도시바 에너지 시스템의 장비가 50% 이상으로 모두 기존 PEFC 유형의 장치에 비해 높음

 

파나소닉은 현재 1호기를 가와사키시의 수소 스테이션에 설치하고 이 스테이션의 수소를 사용하여 발전한 전력을 그 쇼룸에서 이용하고 있으며, 앞으로는 수소 스테이션 인근의 편의점이나 아파트 등에 수소 파이프라인을 부설하고 FC 발전기로 발전하는 것을 계획 중임

 

[ 그림  4]  파나소닉의 순수소  FC  발전 장치 (자료: XTECH)

 

도시바 에너지 시스템즈는 20181월에 세븐일레븐 본사 내의 점포에 순수소 FC 발전기인 ‘H2Rex’를 도입했으며, 20185월에는 하네다 공항 인근의 호텔에 발전 시의 발열을 온수로 이용할 수 있는 기능도 갖춘 ‘H2Rex’를 공급하였음

 

H2Rex는 이 호텔이 사용하는 에너지의 약 30%를 조달하고 있다고 하는데, 수소는 약 5킬로 떨어진 폐플라스틱 공장에서 수소 파이프라인을 통해서 공급하고 있음

 

순수소 FC 발전기의 발전 효율이 향상되면 이론적으로 화력 발전소를 대체할 가능성도 있지만 현재는 논의되지 않고 있으며, 단 수소를 가스 터빈에서 사용하는 실증 실험은 진행 중임

 

순수소 FC 발전기의 발전 효율은 PEFC 유형에서 57%, 고체산화물연료전지(SOFC) 유형에서 65%이며, PEFCSOFC의 장점만을 합한 꿈의 기술인 양성자 전도성 세라믹 연료전지(PCFC) 유형에서 발전 효율은 75%로 기대되고 있음

 

이는 화력 발전소 가스 터빈의 발전 효율인 최대 65%를 상회하는 것이기 때문에 자연스레 FC 발전기를 대형화하여 화력 발전소를 대체할 가능성에 대한 논의로 이어지게 됨

 

실제로 이러한 구상은 1980년대부터 있었지만, 가스 터빈은 규모의 이점이 있는 반면 FC 발전은 출력과 비용이 단순 비례하기 때문에 현재는 고려하고 있지 않다고 하며, 단 수소를 가스 터빈에서 사용하는 실증 실험은 현재 진행 중에 있음

 

FC 발전과 수소 가스 터빈의 발전 규모 분기점은 1MW 정도라고 하는데, 이를 감안하면 가정에서 중간 규모 정도의 빌딩까지는 FC 발전을, 대형 빌딩과 지역사회 용도로는 수소 가스 터빈을 이용하는 구도를 그려볼 수 있을 것임

 

가령 영국 중부 지역에서는 천연가스를 수소로 전환하는 프로젝트가 여러 도시에 걸쳐 초대형 스케일로 진행되고 있는데, 앞으로 이러한 수소 사회 건설의 목소리와 움직임이 세계 곳곳에서 전개될 것으로 예상됨

 

[ 그림  5]  영국의 대규모 수소 생산 및 파이프라인 (자료: XTECH)

 

우리나라에서도 최근 수소 경제에 대한 논의가 벌어지고 있지만 너무 수소연료전지 자동차에만 한정되어 논의가 전개되는 아쉬움이 있음

 

자동차가 우리 일상생활에 직접적인 영향을 미치는데다가 현대기아차가 우리나라 자동차 산업, 나아가 한국 경제에서 차지하는 비중이 있기 때문에 수소차 중심으로 논의가 전개되는 것은 어쩔 수 없는 면이 있음

 

그러나 친환경차의 대표 주자가 전기차와 수소차 중 누가 될 것인가라는 면에서만 논의가 이루어진다면 자칫 수소 사회 또는 수소 경제라는 숲을 보지 못할 우려가 있음

 

이미 시장에서 자리 잡아 가고 있는 전기차와 비교할 때 상대적으로 신생 비즈니스인 수소연료전지차는 현재 상태로만 보면 사업적, 기술적으로 확실한 이점을 어필하기 어려운데, 이것이 수소 사회에 대한 부정적 인식으로 이어질 수 있기 때문

 

여기에 대당 30억 원이 소요된다는 수소차 충전소를 현대기아차가 구축하지 않고 정부에만 의존하는 모습을 보이면서, 세금을 특정 기업의 사업과 직접적으로 연계된 곳에 투입하는 것이 맞느냐 등의 정치적 논쟁으로까지 번지는 양상도 우려하지 않을 수 없음

 

최근의 기술적 진보를 바탕으로 이전과는 전혀 다른 차원에서 수소 사회 건설을 논의하고 있는 선진국들의 행보와 비교할 때, 우리나라도 수소차에서 벗어나 거시적 관점에서 수소 경제에 대한 논의를 전개하고 토대를 갖춰나가야 할 것임

 

이런 면에서 우리나라보다 앞서 수소 사회로의 전환을 선언하고, 수소를 기반으로 하는 친환경 에너지 생태계구축을 목표로 준비를 해나가고 있는 선진국의 모습을 벤치마크할 필요가 있음

 

일본과 독일 등은 수소차의 대량 생산과 충전 인프라 구축보다는 수소의 생산과 저장·운반 등 수소의 공급에 대한 기술 고도화 활용 방안에 먼저 초점을 맞추고 있음

 

생태계 구축비용을 절감하기 위해 연료전지와 상반되는 축전지 기술의 활용을 연구하는 것이나, 특히 재생에너지 인프라와 수소 사회를 어떻게 연결할 것인가에 대한 연구를 선도적으로 수행하고 구현해나가려는 노력은 주목할 필요가 있음

 

수소 사회의 궁극적 목표와 구현 방법에 대한 사회적 합의를 도출하는 것은 아주 중요한데, 앞서 살펴본 것처럼 현재 전세계적으로 수소 생산에 재생에너지를 사용하려는 움직임이 두드러지지만 우리 사회 일각에서는 핵발전소와 수소 경제를 연결해야 한다는 주장도 나오고 있음

 

수소 사회 구현을 위해 기술적, 사회적으로 차근히 대응해 나가야 할 점이 많다는 점을 감안한다면, 지엽적인 이슈에서 벗어나 수소 경제를 통해 우리 사회가 얻으려 하는 가치가 무엇이고, 어떤 방식으로 달성해 나갈 것인지에 대한 논의를 심도 있게 해나가야 할 필요가 있음

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