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서준 인
6 years ago
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1 호 ( ) 수소경제 - 어떻게볼것인가? 경영연구 2 센터 이상규, 탁승문 포스코경영연구소

2 Executive Summary 한일협정문서공개에따른급효과와대응방안 < 수소경제 - 어떻게볼것인가? > 최근고유가가지속됨에따라석유및환경문제를동시에해결할수있는유력한대안의하나로수소경제가부상함 수소에너지는에너지안보, 환경, 경제적효과측면에서많은장점이있어세계적으로주목받고있으며, 주요국가와관련업체에서는 2030년이후를수소경제의도래시기로보고본격적으로대비하고있음 석유메이저사를비롯한관련업계에서는수소가세계에너지체계의혁명적변화를가져올것으로판단하고이에본격적으로대비하고있음 또한이들은선제적인기술투자를강화함으로써수소연구및차세대에너지시장의주도권을선점하고자함 일본의경우에너지자립국으로서의위치확보와미래주도신사업창출전략의하나로수소를비롯한신 재생에너지를적극육성하고있고, 에너지업체뿐아니라철강사에서도자신들이가진역량을최대한활용, 새로운사업기회로활용하려는움직임을보이고있음 우리나라도금년을수소경제원년으로선포하고, 기술개발및보급확대를위한대대적인지원정책을펼칠계획임. 이와관련, 산업자원부는 수소경제마스터플랜 을준비중임 수소에너지의상용화를위해서는수소의제조에서저장, 운송, 활용까지의전부문에서동시에기술개발이이루어져야하는만큼관련업체들의긴밀한협조체제도요구됨 그러나수소를미래의유일한에너지대안으로보는지나친낙관론은경계할필요가있으며, 국가또는기업별여건에맞춰수소경제사회에대한단계별진입전략을마련하는것이바람직함 -ⅰ- 2

3 한일협정문서공개에따른급효과와대응방안 목차 I. 에너지패러다임의변화 1 II. 수소에너지의가능성과기술적해결과제 2 1. 왜수소의가능성에주목하는가? 2 2. 수소에너지활용을위한기술적해결과제 3 III. 미래에너지환경변화에대한주요국및업체의대응 5 1. 주요국대응동향 5 2. 석유에너지업체의대응동향 8 3. 철강사의대응동향 9 IV. 수소경제 - 어떻게볼것인가? 수소경제를보는회의적시각 수소경제, 어떻게볼것인가? 11 V. 종합및시사점 ⅱ-

4 Ⅰ. 에너지패러다임의변화 최근고유가가오랜기간지속됨에따라차세대에너지원으로수소에너지에대한관심이대내외적으로증폭되고있음 주요국정부지도자들이수소에너지에대한육성의지를여러차례밝힌바있음. 우리정부도 2005년을수소경제원년으로선포하고에너지자주성확보를위해수소에너지기술개발을의욕적으로추진하고있음 수소에대한관심은석유자원의한계성에대한우려에서 출발했으며, 최근의유가급등과고유가지속전망은이러한우려가현실로나타나고있음을보여줌 과거우발적요인에의한단기급등과는달리, 최근의유가급등은소비증가대비공급능력의하락에따른구조적인문제로지적되어, 에너지공급의안정성확보가큰문제가되고있음 - 지질학자및석유전문가들은석유가채량의절반이소모되는시점을 2010년이후, 늦어도 2020년이전으로전망하고, 그이후의수급상황이급격히악화될것이라보고있음 < 주요에너지원의가채년수 > 에너지원석유천연가스석탄가채 03년말기준 42.3년 68.5년 192.3년년수 04년말기준 40.6년 66.7년 164.1년자료 : BP Statistical Review of World Energy 2004, 2005 또한당면현안인지구온난화문제는에너지사용에대한근본적인재검토를요구하며, 화석에너지에서수소및신 재생에너지로의에너지패러다임전환을가속화시키고있음 1

5 신 재생에너지로의패러다임변화는환경친화적이고무한재생이가능하며, 자원의매장지역이아닌기술이중심이되는에너지환경으로의변화를의미함 특히수소는에너지패러다임변화를선도하는유력한대안으로, 수소경제 가새로운화두로부상함 그러나수소경제에대한회의적시각도존재하며, 기술적, 경제적측면에서불확실성이높은만큼지나친낙관론은경계할필요가있음 다만수소로대표되는 에너지패러다임에주목, 이에대한전략적접근방안을모색하고수소경제에대비할필요가있음 II. 수소에너지의가능성과기술적해결과제 1. 왜수소의가능성에주목하는가? 수소는에너지안보, 환경, 경제적측면에서많은장점이있음 다양한생성원을통해제조될수있어지역적편재성이없고, 생성원에따라무한재생이가능함 - OPEC 국가의석유가채년수는 17년에불과하며, 천연가스의 73% 는중동및舊소련지역에집중되어있음 (BP 통계, 2005) - 우리나라와같이에너지수입의존도가 97% 에달하는자원빈국에서는수소에너지가에너지자립의중요한대안이될수있음 수소는자체적으로오염물질을배출하지않는청정에너지원으로온실가스배출문제의근본적인해결책이될수있음 - 천연가스에서제조된수소를사용한연료전지자동차 (FCV) 의 CO 2 배출량 ( 수소생산과정포함 ) 은가솔린의 70% 수준이며, 운행시 2

6 CO 2 배출이없는것만으로도큰장점이됨 수소에너지활용을위한기술개발은관련산업의동반성장을수반해경제적파급효과가매우클것으로예상됨 년연료전지시장규모는 $1,000억으로전망되고있으며 (J. P. Morgan) 관련산업에대한파급효과및일자리창출효과도상당할것으로전망됨 - 일본은 2004년발표한 신사업창출전략 보고서에서향후일본을지탱할전략산업의하나로연료전지를선정하였고, 우리나라도차세대성장동력사업에포함하여추진하고있음 - 산자부는 2040년국내수소및연료전지산업이총 GDP의 5.2% (109조원) 에달하고, 약 100만의고용효과가있을것으로전망함 저명한경제학자이며미래학자인제러미리프킨교수는저서인 Hydrogen Economy 에서수소에너지를인간문명을재구성할새로운에너지체계로규정한바있음 또한인터넷과유사한수소에너지망을통해누구나소비자인동시에공급자가될수있는민주적에너지권력시대가도래할것으로예견하였음 2. 수소에너지활용을위한기술적해결과제 수소에너지의본격활용을위해서는수소의제조, 운송, 이용등전분야에서기술적애로사항들이동시에해결되어야함 1) 수소의제조기술 수소제조에있어서는화석연료대비현저히높은생산단가를낮출수있는기술의개발이절실함 3

7 천연가스개질법을이용한수소제조법이현재까지가장경제적이고효율적인방법으로알려져있으나, 가솔린보다 2배가량높은비용이소요됨 풍력, 태양광등재생에너지에서발전한전기로물을전기분해할경우의수소생산비용은천연가스개질법의 2.5~5배에달함 제철소, 정유공장등에서발생하는산업부생가스도중요한수소생성원이며, 이중제철소발생부생가스인 COG(Coke Oven Gas) 는수소 56%, 메탄 27% 가주성분으로, 가장효율이높은생성원으로평가됨 COG는개질과정없이수소를분리해생산단가는낮아지나, 제철소전체에너지수지에대한검토가필요함 일본은 COG에서분리가능한수소로 FCV 700만대에공급이가능할것으로평가함 (FCV 1만km/ 년주행기준 ) 산자부는국내부생가스에의한수소공급량을 10년까지 6만톤, 40년까지 23만톤으로계획하고있음 ( 수소경제마스터플랜 ( 안 )) 2) 수소의저장및운송기술 부피당열량이매우낮은수소의특성상, 저장밀도를높이는기술의개발이요구되며, 이는특히 FCV 에서매우중요한문제임 현재가장유력한방안은고압기체저장법이며, 이경우약 700 대기압에해당하는압력 (700bar) 이요구됨 - 현재사용되는저장탱크의압력은 350bar 정도로, 700bar 수준의탱크도개발되었으나, 중량및비용감소가요구됨 액체수소는기체수소보다저장용량이크지만 -253도이하의저온이요구되며, 외부열에의한수소증발문제로현 4

8 단계에서는상용화가능성이높지않음 한편, 최근국내연구진에의해얼음입자속에수소를저장하는기술이개발되어수소저장에대한새로운가능성이제시됨 기체수소의대량운송을위해서는파이프라인을통한방법이효과적이지만, 천연가스대비 3 배의운송비용이필요하며, 운송후배분비용역시매우높은문제점이있음 파이프라인을통한액체수소의수송은보다큰비용을필요로하므로고려되지않고있음 3) 수소의이용기술 수소가가진화학에너지를전기및열로전환하는연료전지는수소에너지체계의핵심이지만, 높은가격이상용화의걸림돌임 현재 FCV의대당가격은 100만달러에달하며, 연료전지시스템의가격은동일출력을가진내연기관보다 10배이상높은것으로알려짐. 이에따라운송부문은수소경제에서가장관심받는분야이면서, 실현가능성이가장불투명한것으로평가되기도함 III. 미래에너지환경변화에대한주요국및업계의대응 1. 주요국대응동향 주요국들은 2030~2040 년경수소경제가실현될것으로보고본격적인대응을하고있음. 특히수소에너지기술개발에서주도권을확보하기위한경쟁은이미치열하게전개되고있음 IEA는전세계정부및민간부문을합해매년 40억달러 ~50억 5

9 달러가수소관련기술개발에투자되고있는것으로추정함 < 주요국가별수소경제진입목표시기 > 국가 목표시기 미국 2025년이후수소경제실현목표 2030년총에너지소비의 10% 를수소로공급할계획 EU 2020년까지관련기술개발및실증시험, 시장탐색기간을거친후, 2050년까지수소중심의경제실현목표 일본 2005년이후를도입단계, 2010년이후를보급단계로보고있으며, 2020년이후를수소경제도래시기로보고있음 2040년까지수소경제체제진입목표 한국 1) 2040년총에너지소비의 15%, FCV 점유율 54%, 연료전지발전 22% 점유가구체적달성목표 1) 산업자원부 수소경제마스터플랜 ( 안 ) 기준 < 수소에너지기술및인프라구축을위한주요지원정책 > 국가미국 EU 일본기타 지원정책 Freedom Fuel: 수소의생산및저장에대한기술개발프로그램 ( 03~ 15년) 으로 08년까지 12억달러투자 Freedom Car: 운송용연료전지개발에 07년까지 5억달러투자 캘리포니아수소고속도로계획 : 10년까지고속도로상에수소스테이션 200개설치목표 ( 공적기금 5,400만달러지원 ) Quick Start Hydrogen Initiative: 15년까지 28억을투자해수소생산, 인프라구축, 수소전력시스템연구 93년부터수소제조, 저장, 이용기술개발을위한 WE-NET 프로그램을실시, 현재 3기연구중이며, 2020년까지 24억달러투자계획 중국 : FCV 개발에향후 5년간 10억위엔 ( 약 1,500억원 ) 지원 인도 : 2010년 FCV 1천대생산을목표로향후 5년간총 75억루피 ( 약 1,900억원 ) 투자계획 6

10 상대적으로선진국에비해대응이미진했던우리나라도수소경제에대한논의가활발해지고있음 산자부는 04년수소 연료전지, 풍력, 태양광등신 재생에너지 3대핵심분야에단일사업으로는최대규모인 5년간 2,500억원이상을투입하는 R&D 사업을시작하였음 또한 2004년 12월 신에너지및재생에너지이용보급촉진법 을제정, 공포해지원기반을강화하였고, 수소를비롯한신 재생에너지의보급촉진을위한세부정책을준비중에있음 - 현재발전의무비율할당제 (RPS) 의도입, 발전차액지원제도의활성화, 공공기관신축건물의신 재생에너지설비설치의무확대등을추진또는검토중임 <RPS (Renewable Portfolio Standard) 의개념 > 발전사업자의총발전량및판매사업자의총판매량의일정비율을신 재생에너지원으로공급또는판매하도록의무화하는제도 정부가재생에너지발전에의해삭감되는 CO 2 배출량의가치에대한증서 (Credit) 를재생에너지발전사업자에교부하고, Credit의판매를가능하게하는것이기본개념임 전력소매업자는일정비율의 Credit 보유의무를지며, 재생에너지전력또는 Credit의구입으로의무를수행함 재생에너지발전사업자는전력및 Credit 판매를통해얻는수익으로초기설비투자에대한회수가용이하도록함 국내에서는제도도입에앞서정부와기업간자발적협약 (VA) 형태로추진될계획임 한편 2005년 3월산자부는업무보고에서 친환경 수소경제로의이행기반구축 을 12대핵심추진과제중하나로보고하였고, 수소경제마스터플랜 을준비중임 7

11 - 수소경제마스터플랜에서는 수소경제이행촉진법 제정, 수소경제센터신설등을검토하고있어, 수소에너지에대한보다구체적인기술개발및보급지원책이나올것으로기대됨 - 아울러 2005년말연료전지시범주택인 3리터하우스 의준공, 환경친화적자동차개발및보급계획확정등수소경제를향한움직임이점차가시화되고있음 2. 석유에너지업체의대응동향 1) Shell 쉘은탄화수소의종말을대비중이며, 21 세기화석연료는수소를기반으로하는혁명적인새에너지체계로대체될것이다 ( 필립와츠전임회장 ) 쉘은에너지장기시나리오에서 2050 년경에신 재생에너지가전체에너지소비의 1/3 이상점유할것으로보고있음. 이에따라핵심에너지원으로평가되는풍력, 태양광, 수소 연료전지에 70 억달러이상을투자하였음 수소에너지사업전담계열사인 Shell Hydrogen 을 1999년설립하고, 주요국가에서수소인프라구축사업에참여중임 한편바이오디젤, 에탄올, 석탄액화등다양한재생에너지사업에도참여하고있음 2) BP 2005 년까지실증프로젝트및시장개척활동을거쳐, 2010 년이후본격적인수소에너지사업전개를계획하고있음 현재 250kW급발전용 SOFC 연료전지개발및수소스테이션 8

12 설치등인프라구축활동을전개하고있음 - SOFC 연료전지는고체산화물연료전지로, 기술적어려움이있으나발전및운송용에모두사용할수있고, 전자, 소재등관련산업의동반성장이가능한장점이있음 한편세계최초로천연가스를수소와 CO 2 로변환하여수소는 350MW급발전소연료로활용, CO 2 는북해석유저장소에영구저장하는계획을발표함 - 6억달러를투자해 2009년가동할계획이며, 이에따른 CO 2 감축효과는연간 130만톤에달할것으로예상됨 또한자회사인 BP Solar 를중심으로태양에너지, 풍력, 폐플라스틱열분해등재생에너지기술개발및상업화노력도병행하고있음 2. 철강사대응동향 1) 수소는장래의클린에너지로중요하고유망한분야이며, 사업으로추진할수있기를기대한다 ( 오쿠무라나오키부사장 ) 은장기간에걸쳐배양된철강및엔지니어링기술을바탕으로수소제조, 수송및저장, 연료전지, 천연가스액체연료화 (GTL), 바이오매스, 풍력발전등다양한신에너지분야의기술개발과사업화를적극추진하고있음 특히수소에너지와관련해서는제철소부생가스인 COG 를활용한고효율액체수소의제조에서부터연료전지자동차에공급까지의일관체제구축을추진하고있음 이미 2004년 3월, 君 제철소에세계최초의실증플랜트를건설하고, 후속연구를강화하고있음 9

13 2005 년일본에서개최된아이치엑스포에서일본최대규모의 수소스테이션을東 가스등과공동으로설치, 수소버스의 연료로공급하였음 2) JFE JFE 는 DME( 디메틸에테르, 수송용청정에너지 ), 고효율 SOFC 연료전지 (50kW 급, 캐나다와공동연구 ), 천연가스하이드레이트, COG 이용수소제조 ( 프로젝트참여 ), 풍력발전등청정에너지관련기술개발에그룹역량을결집하고있음 특히천연가스, 석탄, 바이오매스등다양한생성원에서제조가가능한 DME 는 JFE 의핵심연구과제로서, 장기적으로철강, 엔지니어링에이은제3의핵심사업으로육성할계획으로, 총비용이 1,000 억엔을상회할것으로추정되는동사업의상업화에박차를가하고있음 III. 수소경제 - 어떻게볼것인가? 1. 수소경제를보는회의적시각 수소는 1차에너지가아니라, 타에너지원을통해제조되어야한다는측면에서수소경제에대한회의적인시각도존재함 화석연료에서수소를제조해연료전지로발전하는것이기존시스템에비해경제적이고효율적인가? - 현기술로는비효율적이나기술개발에따른개질비용의감소와연료전지의높은발전효율로향후경쟁력을가질것으로보고있음 풍력, 태양광등재생에너지를이용하여수소를생산하기위해필요한발전시설을세우는것이현실적으로가능한가? 10

14 - 미국의경우모든운송수단의연료를수소로할경우, 캘리포니아 절반면적을차지하는풍력발전기가필요하다는연구결과가있음 수소인프라구축에대한사회적합의가가능한가? - 수소가일반적으로위험한물질로알려진상황에서저장및충전을위한수소스테이션, 파이프라인과같은인프라의건설이반대없이진행될수있는가는기술적문제와별개로매우중요한사안이될수있음 수소경제가원자력의사용확대를위해의도적으로강조되는것은아닌가? - 주로환경단체에서제기하는문제이며, 실제로수소제조를위한전기또는열의공급원으로원자력이주목받고있음 - 반면독일은원자력사용을줄이기위한방안으로수소를강조하고있으며, 이를위해신 재생에너지의동반육성을적극추진함 수소경제에대한비판적시각은대부분기술적문제의해결가능성과접근방식의타당성에대한의문에서비롯된것이며, 수소의가능성자체를부정하는것은아님 2. 수소경제, 어떻게볼것인가? 수소경제 를거창하게정의하면장밋빛미래의모습이오히려실현가능성에대한의문을품게하고, 현실적접근을어렵게함 이상적인모습의수소경제사회는재생에너지를통해수소를생산하고에너지의상당부분을수소로충당해, 환경오염과자원고갈의우려가없는사회일것임 그러나이같은의미에서수소경제를바라볼경우, 실현가능성은더욱불투명해지고, 기업차원에서 30년이후의불확실한미래에대해어떻게대비할것인가는매우어려운문제가될것임 11

15 따라서현재로서는에너지패러다임이화석연료일변도에서벗어나수소등신 재생에너지로바뀌는정도로이해하는것이현실적임 장기적으로전체에너지믹스에서신 재생에너지가차지하는비중이빠르게증가할것이고, 수소는이러한에너지믹스변화를촉진시킬핵심에너지활용기술이될것임 수소를지나치게강조하기보다는수소와타대체에너지원에대한고려가함께이루어져야함 이렇게보면수소경제사회는기술개발성과와각국가의여건에따라보다현실적이고다양한모습으로도래할것으로보임 수소경제사회는혁명이아닌점진적변화의모습으로도래할가능성이높음. 따라서초장기적접근보다는중 단기대응전략수립이현실적인접근방안이될것임 이런측면에서사탕수수에서추출한에탄올을자동차연료로사용하고, 향후에탄올에서수소를제조, 가정및분산발전용연료로사용할계획인브라질의사례는시사하는바가있음 - 브라질은에탄올, 바이오디젤등재생에너지의비중이전체에너지수요의 44% 에달함, 또한에탄올가격은가솔린의절반수준이며. 유망수출산업으로성장하고있음 Ⅴ. 종합및시사점 수소경제실현에대한회의적시각에도불구, 각국은정부의적극적지원하에수소및신 재생에너지기술개발노력을가속화하고있음 일본의경우에너지자립국으로서의위치확보와, 미래주도신사업창출전략의하나로수소및신 재생에너지를육성하고있고, 산업계역시정부의정책에적극동참하고있음 12

16 우리나라도 2005 을수소경제원년으로선포하고, 수소경제마스터플랜을준비하는등본격적인대비를하고있음 수소에너지의상용화기술개발에막대한비용이소모되는만큼, 정부의보다구체적인방향제시와적극적인지원정책이필수적임 한편정유사등에너지업체와철강사를비롯한에너지다소비업체, 자동차사와같은활용기술개발업체등관련업체들의긴밀할협조도요구됨 다만수소경제에대한지나친낙관이나비관이아닌균형된시각을바탕으로, 단계적으로도래할수소경제를현실적인문제로인식, 이에대비하는것이바람직할것임 13

+ 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 그림 3 지역 및 에너지원별 1차 에너지 수요 증가율 그림 4 최종 에너지 소비량 중 에너지원별 점유율 시장 전망에서 세계 GDP 성장률은 연평균 3.4% 인 증가를 선도하겠지만 이후에는 인도가 지배적인 역할 구는 0.9% 증

+ 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 그림 3 지역 및 에너지원별 1차 에너지 수요 증가율 그림 4 최종 에너지 소비량 중 에너지원별 점유율 시장 전망에서 세계 GDP 성장률은 연평균 3.4% 인 증가를 선도하겠지만 이후에는 인도가 지배적인 역할 구는 0.9% 증 Special Issues 특집 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 1 개황 국제에너지기구(IEA)는 매년 세계 에너지시장에 대한 중장기 전망을 발표해 오고 있다. 2014년 세계 에너지시장 전망은 분석기간을 2040년까지 확대해 장기 전망과 분석을 수행했고 에너지소비와 수급측면의 종합적인 동향과 석유 천연 가스 석탄 전력 신재생에너지 및 에너지효율 등의