수소연료전지 자동차(FCEV) 충전용 수소 시장조성을 위한 정책 연구

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1 수시연구보고서 수소연료전지자동차 (FCEV) 충전용수소시장조성을위한정책연구 김재경

2 참여연구진 연구책임자 : 연구위원김재경 연구참여자 : 수소융합얼라이언스추진단권성욱

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4 < 요약 > 1. 연구필요성및목적 환경친화적자동차로서국내수소연료전지자동차 ( 이하수소전기차 ) 보급에대해서도정부지원이잇따르고있다. 또한 2016년부터강화된연비 온실가스배출규제기준적용등으로국내자동차산업차원에서도수소전기차개발, 생산, 판매를위한노력이가속화되고있다. 이러한노력에힘입어 2017년 12월부터제3세대수소전기버스가시범사업차원에서울산시내노선버스정규노선에투입되었으며, 2018년 2월에는국내최초로일반소비자대상보급형수소전기차모델 ( 승용차, 모델명 : 넥쏘 ) 도출시되었다. 이로인해 2018년부터수소전기차가그동안의시험생산내지소량생산단계를넘어서본격적인대중화의단계로들어서는초입 ( ) 에도달하였다고평가할만하다. 이처럼 2018년본격적이대중화를앞두고있는수소전기차이지만, 이를충전할국내수소충전소는매우부족한것이또한현실이다, 2017년 10월기준구축되어운영중인수소충전소는 12개소이며, 이중일반수소전기차이용자에게개방되어접근가능한상업용충전소는고작 6개소에불과하다. 현재건설중인충전소를포함 2018년말까지는 16개소가추가구축될예정이지만아직턱없이부족하기는마찬가지이다. 물론향후정부의수소충전소보급목표에따라 2020년 80개소, 2025년 210개소그리고 2030년까지 520개소 ( 누적 ) 가구축될계획이며, 이러한계획이달성된다면수소전기차보급을저해하는수 요약 i

5 소충전소부족문제도일정정도는완화될수있을것으로사료된다. 그러나수소충전소라는물리적인프라가구축되었다고하더라도이를제대로지속가능하게운영하기위해서는수소충전소를기반으로한수소충전소운영사업 ( 즉, 수소차충전사업 ) 도함께육성되어그기능을수행할수있어야한다. 또한이러한수소충전소운영사업이단독으로영위할수없는바, 이와관련된사업들이어우러진건강한수소차충전용수소시장의조성이필요하다. 다시말해수소전기차보급은물리적인인프라인수소충전소와이를운영하기위한수소충전소운영사업의육성, 그리고더나아가수소차충전용수소시장의조성이전제되어야한다. 결국궁극적으로는수소전기차시장과수소차충전용수소시장은공진화 ( ) 할수밖에없다. 이때문에수소차- 충전용수소시장의공진화적발전을위한중장기적정책지원이필요하며, 정부도이에대한필요성을인식, 정부차원의노력을기울일필요가있다. 본연구는이러한견지에서국내수소차충전용수소시장을종합적으로진단및평가해보고, 수소차충전용수소시장의조성및육성을위해요구되는정책적니즈 (needs) 를도출하고자하였다. 그리고이를바탕으로수소차충전용수소시장조성과육성을위해요구되는정책방향을제언하고자하였다. 2. 내용요약 닭과달걀 (chicken and egg) 문제로인해수소전기차나수소충전 소중어느한쪽이부족할경우에는상호간보급 확산의저해하는요 인을작용하는악순환구조가형성될수있다. 이러한 닭과달걀 ii

6 (chicken and egg) 문제해결을위해서적어도손익분기점에도달할수있을정도로수소전기차가충분히보급되기이전까지는한시적으로정부등공공부문에서공적재원을활용하여충분한수소충전소를구축하는것이바람직할수있다. 그러나활용및확보에제약이있는정부예산만으로충분한재원확보가한계가있음을고려한다면, 민간수소충전소운영사업자를육성하여민간투자를유도하는방안이유효할수있다. 그러나 2017년현재국내에누적보급된수소전기차는 170대수준이며, 이들에게충전용수소를공급할수소충전소역시상업적으로운영되고있는곳은단지 6개소이다. 그리고이들수소충전소는대부분지방자치단체가직접운영을담당하고있다. 이로인해국내에는경제적수익창출을목적으로하는수소충전소운영사업자는적어도 2017 년현재까지는존재하지않는다. 다만, 현재민관합자투자회사형식으로설립이예정된수소충전소운영사업특수목적법인 (SPC) 이한시적으로국내유일한민간수소충전소운영사업자 ( 수소차충전사업자 ) 의역할을하게될것으로보인다. 그리고이미구축되어있거나향후구축예정인지방자치단체운영수소충전소까지위탁운영이해당특수목저적법인담당할경우, 수소차충전용수소시장의조성에마중물역할을하게될것으로보인다. 이처럼민간충전수소운영사업자 ( 수소차충전사업자 ) 가충전소구축과함께운영을담당하게될경우, 일정임계수준이상, 즉손익분기점이상으로수소전기차가보급되기이전에는저조한가동률로인해, 운영손실이불가피하다. IEA(2015) 는이처럼보급초기단계에서충전수요부족등으로수소충전소의운영손실이불가피한기간을대략 요약 iii

7 10~15년정도로보고, 이기간을소위 죽음의계곡 (Valley of Death) 로명명한바있다. 그리고이러한죽음의계곡을극복하는방안으로서투자비용및운영비용절감, 가동률제고와함께공적지원이필요함을주장한바있다. 결국민간수소충전소운영사업자를육성하는한편수소충전소구축에대한민간투자를유도하는차원에서, 정부등공공부문에서공적재원을활용하여수소충전소운영자체를한시적으로지원하는방안마련이필요하다. 한편국내에운영중인튜브트레일러는약 500여대로추산되는데, 수소저장용기인튜브 (tube) 는주로수소공급사업자들이직접소유하고있는경우가대부분이며, 이를물류회사와운송계약을맺고, 물류회사소유의트레일러에적재하여이송하게하게된다. 만일수소공급사업자가수소충전소로충전용수소를이송할경우, 튜브와관련하여두가지옵션이사용되는데, 먼저수소공급사업자소유의튜브를충전소에대여해주는형식으로수소와함께제공하는경우와충전소가직접튜브를조달하여해당튜브에수소만담아서제공하는경우가그것이다. 전자의경우에는충전용수소의공급가격에튜브임대비가포함되어정산되지만, 후자의경우는자연스럽게이러한튜브임대비가제외되는구조이다. 이러한구조하에서는수소충전소로공급되는일종의도매수소공급비용을절감하는차원에서튜브를수소충전소가소유하거나혹은이를저렴한비용으로임대하는제3의기관이나기업이시장에존재하는것이수소전기차보급 확산및충전용수소시장의육성에보다바람직할수있다. iv

8 3. 결론및정책제언 본연구는국내수소차충전용수소시장조성과육성을위해다음과 같이제언하고자한다. 가. 충전용수소소매가격 ( 수소충전요금 ) 에대한한시적보조민간수소충전소운영사업자가소위죽음의계곡을극복하기위해서는해당기간동안을지탱할수있도록일정정도의수익창출을통한현금흐름확보가필요하다. 이를위해서는우선고려될수있는방안은가동률저조로인해발생할수밖에없는운영손실분중전부내지일부를수소전기차이용자에게전가하는방안이있을수있다. 이경우자연스럽게충전용수소의소매가격, 즉수소충전요금의인상이불가피해진다. 사실수소전기차가보급되기위해서, 즉자동차소비자들에게수용되기위해서는적어도수소전기차와대체관계에있는유사내지동급차종, 특히경유자동차의연료비용보다는충분히낮은수준이되도록수소충전요금이설정될필요가있다. 다시말해충전소설치투자비용회수나운영비용보전등을고려하여수소충전요금이대략 8,000원 /kg 수준을넘어설경우, 자동차소비자에게수소전기차구입을통한연료비절감의편익을제공함으로써수소전기차구매를유도하기는사실상어렵게된다. 이처럼수소충전소운영사업자의운영손실보전의필요성과저렴한수소충전요금을원하는수소전기차이용자들의요구를모두충족시키기위해서본연구는충전용수소소매가격 ( 수소충전요금 ) 의일부를한시적으로보조해주는방안을제안하고자한다. 요약 v

9 우선수소충전소운영사업자는손익분기점에도달하기까지사업을영위할수있는최소한도의수준에서운영손실분의일부내지는전부를수소전기차이용자에게전가시킬수있도록충전용수소소매가격 ( 수소충전요금 ) 을설정한다. 수소전기차이용자는설정된소매가격에충전용수소를구매하는대신, 정부가구매금액의일부, 특히운영손실분중이용자에게전가된부분만큼을산정하여공적재원을활용하여보전해주는가칭 수소차충전보조금 을수소전기차이용자에게지원하는방안을제안하고자한다. 이러한수소차충전보조금제도를도입할경우수소충전소운영사업자가실제수취하는금액과수소전기차이용자가실제부담하는금액간에차이가발생하게되면서, 전자는운영손실보전을후자는저렴한충전요금부담이라는혜택을상방간에동시에누릴수있게된다. 물론수소차충전보조금의규모나단가그리고지급기간등에대해서는추가적인연구와심도있는논의가필요하지만, 이미시행된사례가있다는점등을고려한다면충분히적용이가능하다고사료된다. 더욱이현재전기차이용자에게제공되는연료비공적지원혜택과의형평성차원에서라도수소전기차이용자를대상으로한수소충전요금공적보조에대한도입검토가필요하다. 나. 충전용수소대리점설립추진민간수소충전소운영사업자가소위죽음의계곡을극복하기위한다른방편으로충전용수소를충전소에들여올때발생하는제반비용 (= 도매공급가격 + 기타비용 ) 을절감하는방안도고려할수있다. 특히앞서언급한바와같이수소공급사업자가수소충전소로수소를공급, vi

10 이송하는과정에서발생하는튜브임대비용은튜브소유를통해일정정도내부화가가능하다. 그러나튜브구입에투자되어야할비용을고려할경우, 가능하다면몇개소의수소충전소만을위해활용하기보다다수의수소충전소로구성된수소충전소네트워크를구성하여활용하는편이규모의경제효과를누려운영단가를낮출수있다는점에서보다바람직할수있다. 그러나구축비용만 30억이상이소요되는수소충전소들로네트워크를구성하기위해서는그자체만으로도상당한재원확보가필요하다. 이러한점을감안하여본연구는 충전용수소대리점 설립추진을제안하고자한다. 단일수소충전소 ( 운영사업자 ) 가개별적으로수소공급사업자와거래할경우, 공급가격협상에서상대적인열위에위치하게될수밖에없는관계로불리한조건을감내해야하는경우가생길수있다. 그러나충전용수소대리점이거래처인다수의수소충전소 ( 운영사업자 ) 를대신해사실상의공동구매협상창구역할을하게된다면수소공급사업자와의공급가격협상에서의협상력을한층고양시킬수있다. 그만큼저렴하게충전용수소를공급받을여지도커지게된다. 이와함께대리점이수소저장용기인튜브를소유하고, 이를충전용수소이송에활용할경우, 튜브임대비용등을내부화시켜상대적으로공급가격을인하하는데기여할수도있다. 물론이러한기능과역할을수행하는충전용수소대리점이개설된다면충전용수소시장조성및육성을넘어수소전기차산업및수소산업육성및발전에긍정적인영향을미칠수있다. 그러나현단계에서자연발생적으로이러한대리점설립을기대하기는어려운것이현실이다. 이러한충전용수소대리점의필요성에대한인식을공유하 요약 vii

11 고절감하는이해관계자들이재원을분담하여합작투자를통해특수목적법인형태로설립하는방안이가장현실적일수있다. 특히최근보유중인천연가스나 LPG 배관망을활용한수소공급인프라구축및운영사업을검토중인공공기관 ( 한국가스공사 ) 이해당사업과연계할경우, 충전용수소대리점설립에일정정도기여할수있을것으로사료된다. 이에대해적극적인정책적고려와검토가필요하다. viii

12 ABSTRACT 1. Purpose of Research The government has introduced a series of policies designed to support the domestic supply of eco-friendly hydrogen fuel cell vehicles (or hydrogen vehicles ). With the strengthening of fuel efficiency and greenhouse gas emission standards since 2016, efforts to develop, produce, and sell hydrogen vehicles have been accelerating in the domestic automobile industry. Thanks to these efforts, third-generation hydrogen buses have been put into regular service in the city of Ulsan since December 2017, as one of the city s pilot projects. Also, in February 2018, Hyundai introduced its Nexo hydrogen vehicle in Korea. With these developments, it can be said that hydrogen vehicles have now reached the initial stage of full-scale popularization, having gone beyond trial and small-scale production. Therefore, Korea will soon see the wide-scale release of hydrogen vehicles in However, there are still very few hydrogen fueling stations in the country. A total of 12 hydrogen fueling stations were in operation, according to the set standard, as of October 2017, only six of which are commercial stations accessible by users. Although 16 additional fueling stations, including those currently under construction, will enter operation by the end of 2018, there will still be far too few. However, the government has a plan to have a cumulative total of80 Abstract i

13 fueling stations in operation by 2020, with that number rising to 210 by 2025 and 520 by If this plan is realized, the problem of insufficient hydrogen fueling stations is expected to be eased to some degree. However, even if the physical infrastructure, including hydrogen fueling stations, is established, hydrogen fueling station operating companies (or station operators ) will still need to be fostered in order to sustain the infrastructure. In addition, since companies will not be able to engage in the hydrogen fueling station operation business independently, it is necessary to establish a healthy hydrogen fueling market that spans all hydrogen-related businesses. In other words, the dissemination of hydrogen vehicles needs to occur in line with the expansion of hydrogen fueling stations (the physical infrastructure for hydrogen vehicles), the development of the hydrogen fueling station business, and the establishment of the hydrogen fueling market. Ultimately, the hydrogen vehicle and hydrogen fueling markets must be developed and expanded together. For this reason, the government needs to recognize the need for and develop mid- and long-term policy support for the co-evolution of hydrogen vehicles and the hydrogen fueling market. From this perspective, the purpose of this study is to comprehensively examine and evaluate the domestic hydrogen fueling market, and identify the policy needs that need to be satisfied in order to ensure the establishment and development of the market. Based on the results of our examination and evaluation, we propose policy directions for the establishment and growth of the hydrogen fueling market. ii

14 2. Summary In the case where there is an insufficient number of either hydrogen vehicles or hydrogen fueling stations, the supply and expansion of one or the other will be restrained, thereby forming a vicious cycle, akin to the chicken-and-egg situation. To avoid such a situation, it may be desirable to build a sufficient number of hydrogen fueling stations, supported by the public resources of the public sector, for a limited period of time, until the number of hydrogen vehicles introduced into the market is sufficient for station operators to reach the break-even point. However, considering the limitations of the government budget and the constraints on securing and utilizing public resources, it may be more effective to promote private investment by encouraging private businesses to operate hydrogen fueling stations. However, as of 2017, there are a total of 170 hydrogen vehicles in Korea and only six commercially operated hydrogen fueling stations, the majority of which are directly operated by local governments. For this reason, as of 2017, it is not possible for a hydrogen fueling station operating company to generate profits in Korea. However, the Special Purpose Corporation (SPC) is scheduled to be established in the form of a public-private joint-venture investment company and will serve as the only private operator of hydrogen fueling stations in Korea for a certain pre-defined period of time. As it will be commissioned to operate the hydrogen fueling stations that have already been or will be built by local governments, the SPC is expected to play Abstract iii

15 a key role in fostering the growth and development of the hydrogen fueling market. If a private company were to build and operate hydrogen fueling stations, it would inevitably incur financial losses until the number of hydrogen vehicles in the market rises above a certain threshold. The IEA (2015) reported that such station operators would be unable to generate profits for the next 10 to 15 years, due to the lack of demand and other factors in the early stages of market expansion, calling this period the Valley of Death. To overcome this issue, the IEA has argued that it is necessary to reduce investment and operating costs, increase the utilization rate of hydrogen fueling stations, and provide public support. As a result, in order for the government to foster private station operators and encourage private investment in the construction of hydrogen fueling stations, it must prepare a plan for temporarily supporting the operation of hydrogen fueling stations based on the public resources of the public sector. Approximately 500 hydrogen tankers are estimated to be in operation in Korea. The hydrogen storage tanks transported by these trucks are mainly owned by hydrogen suppliers, who have contracts with logistics companies for the transport of their tanks. However, regarding the transportation of hydrogen to a hydrogen fueling station via hydrogen tanker, there are two options: the station operator can lease a hydrogen tank from a hydrogen supplier, or it can purchase and use its own tank. In the former scenario, the price of fueling includes the cost of leasing iv

16 the tank, while in the latter, it does not. In popularizing hydrogen vehicles and expanding the hydrogen fueling market, it may be preferable for third-party companies to lease hydrogen tanks at a lower cost or for stations operators to purchase their own tanks in order to reduce the cost of the hydrogen supplied to their hydrogen fueling stations. 3. Conclusions and Policy Implications This study makes the following suggestions regarding the establishment and development of the domestic hydrogen fueling market. A. Provision of temporary support for the retail price of hydrogen fuel (hydrogen fuel subsidy) In order to overcome the so-called Valley of Death, a station operator needs to secure sufficient revenue to sustain itself until the market matures. To achieve this, the operator may consider transferring all or part of its operating losses, caused by the low utilization rate, to its customers. In this case, an increase in the retail price of hydrogen for hydrogen vehicles, via a subsidy, will be inevitable. To satisfy both the need of station operators to offset their operating losses and the desire of hydrogen vehicle users for cheap hydrogen, this study suggests a policy of temporarily supporting the price of hydrogen through a hydrogen fuel subsidy. Abstract v

17 First, the station operators set a retail price for hydrogen that allows them to transfer all or part of their operating losses to hydrogen vehicle users. This price must be set only high enough to allow the operators to breakeven. In return for purchasing hydrogen at the set retail price, hydrogen vehicle users will receive from the government a hydrogen fuel subsidy, which will be calculated as a portion of the purchase price (up to the point where it covers the operator s operating losses). With such a subsidy system, there will be a difference between the gross revenue of station operators and the actual price paid by hydrogen vehicle users, allowing the former to cover their operating losses and the latter to enjoy cheaper hydrogen. Although further research and in-depth discussion on the size, unit price, and payment period of the hydrogen fuel subsidy needs to be conducted, the policy has already been proven effective in real-world cases. B. Establishment of hydrogen fuel dealers Another way to overcome the Valley of Death is to reduce the costs (wholesale supply price + other costs) of transporting hydrogen to fueling stations. As mentioned above, the cost incurred by a station operator for hydrogen transport can be internalized to some extent by the operator s purchasing and using its own hydrogen tanks. However, considering the cost of purchasing tanks, it would be more advantageous for a network of multiple hydrogen fueling stations to purchase tanks together, thus reducing their operating costs through economies of scale. vi

18 However, to establish such a network of hydrogen fueling stations, each of which requires KRW 3 billion in construction costs, it is necessary to secure considerable financial resources. This study therefore suggests the establishment of hydrogen fuel dealers. When dealing with a hydrogen supplier, an individual station operator may be at a relative disadvantage in terms of price negotiations. However, if a hydrogen fuel dealer representing multiple station operators acts as a de facto joint purchasing negotiator, the operators will have greater negotiating power in price negotiations with suppliers In addition, if a hydrogen fuel dealer also owns hydrogen storage tanks and uses them to transport the hydrogen to fueling stations, it may help lower the supply prices even further by internalizing the cost of leasing the tanks. Of course, if such a hydrogen fuel dealer system is adopted, it would have a positive effect on the development of the hydrogen and hydrogen vehicle industries, going beyond the establishment and expansion of the hydrogen fueling market. In reality, however, the spontaneous establishment of such dealers at this stage is unlikely. It would be more realistic for stakeholders, aware of the need for a dealer system, to establish special purpose corporations through joint ventures. In this regard, active policy consideration and review is necessary. Abstract vii

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20 제목차례 제 1 장서론 1 제2장국내수소연료전지차및수소충전소현황 3 1. 수소연료전지차 ( 수소전기차 ) 의구조와구동원리 3 가. 수소연료전기차 ( 수소전기차 ) 의정의 3 나. 연료전지 (Fuel Cell) 의작동원리와종류 4 다. 수소전기차의구조 수소충전인프라의구성및유형 16 가. 수소충전소의구성 16 나. 수소충전소의부지확보전략에따른유형 국내수소전기차보급및수소충전인프라구축현황 26 가. 국내수소전기차 ( 수소전기버스포함 ) 개발및생산동향 26 나. 국내수소전기차보급및수소충전인프라구축정책현황 31 다. 국내수소충전인프라구축현황 37 제3장수소차충전용수소시장의구조와현황 수소차충전용수소의수급및유통체계 41 가. 수소차충전용수소의유통단계 41 나. 수소차충전용수소의생산및활용 42 다. 수소차충전용수소의이송수단 46 차례 i

21 2. 국내수소차충전용수소시장의현황 51 가. 국내수소차충전용수소생산및공급자현황 51 나. 국내수소차충전용수소이송체계현황 53 다. 국내수소충전소운영사업 ( 수소차충전사업 ) 현황 54 제4장수소차충전용수소시장조성을위한정책제언 국내수소차충전용수소시장조성을위한정책적니즈 (needs) 59 가. 개관 59 나. 수소차충전용수소의상류부문 ( 생산및공급부문 ) 61 다. 수소차충전용수소의중류부문 63 라. 수소차충전용수소의하류부문 ( 수소충전소운영사업 ) 국내수소차충전용수소시장조정을위한정책제언 67 가. 충전용수소소매가격 ( 수소충전요금 ) 에대한한시적보조 67 나. 충전용수소대리점설립추진 70 참고문헌 73 ii

22 표차례 < 표 2-1> 그린카산업발전전략및과제 의보급목표 31 < 표 2-2> 국내수소충전소현황 ( 월 ) 38 < 표 3-1> 전세계수소의주요용도별소비량 45 차례 iii

23 그림차례 [ 그림 2-1] 연료전지 ( 스택 ) 의구성 4 [ 그림 2-2] 연료전기내부에서의전기발생원리개념도 5 [ 그림 2-3] 연료전지의유형별특징 8 [ 그림 2-4] 연료전지유형별전해질, 반응기체, 작동온도비교 9 [ 그림 2-5] DMFC 장착지게차 10 [ 그림 2-6] 수소전기차구조개략도 12 [ 그림 2-7] 수소전기차핵심모듈구성도 13 [ 그림 2-8] 내장배터리의역할에따른수소전기차의유형비교 15 [ 그림 2-9] 수소충전소의일반적구성 16 [ 그림 2-10] 수소충전소 ( 중앙공급방식 ) 에서의충전과정개념도 18 [ 그림 2-11] 수소충전소의충전기 ( 미국캘리포니아주트루제로수소충전소 ) 19 [ 그림 2-12] 기존수소충전소와패키지형모듈수소충전소비교 21 [ 그림 2-13] 국내에서개발중인컨테이너형태의패키지형수소충전소모형 21 [ 그림 2-14] 울산 옥동수소-LPG 복합충전소 23 [ 그림 2-15] 수소-LPG 복합충전소조감도 23 [ 그림 2-16] 운영중인일본의이동식충전소 24 [ 그림 2-17] 국내에개발된이동식액화수소충전소모형 25 iv

24 [ 그림 2-18] 산타페 FCV( 좌 ) 와투싼 FCV-I( 우 ) 26 [ 그림 2-19] 현대투싼ix FC( 좌 ) 와도요타미라이 ( 우 ) 28 [ 그림 2-20] 일반보급형제2세대수소전기승용차 ( 모델명 : 넥쏘 ) 29 [ 그림 2-21] 제3세대수소전기버스 30 [ 그림 2-22] 수소차보급및시장활성화계획 보급목표 32 [ 그림 2-23] 수소차보급및시장활성화계획 상의수소충전소구축전략 33 [ 그림 2-24] 미세먼지관리대책 의보급목표비교 35 [ 그림 2-25] 현행수소전기차보급로드맵 36 [ 그림 2-26] 현행수소충전소보급로드맵 36 [ 그림 2-27] 구축시기별수소충전소분포 37 [ 그림 2-28] 수소충전소의지역적분포 39 [ 그림 3-1] 수소차충전용수소의유통단계 42 [ 그림 3-2] 수소의생산방식유형 43 [ 그림 3-3] 수소의형태에따른이송방식 46 [ 그림 3-4] 180bar급 type1형튜브 ( 수소저장용기 ) 47 [ 그림 3-5] 미국 Hexagon Composites 의 type4형튜브트레일러 47 [ 그림 3-6] type1형과 type4형튜브비교 48 [ 그림 3-7] 액화수소초저온저장용기 ( 좌 ) 와액화수소탱커트럭 ( 우 ) 49 [ 그림 3-8] 울산지역수소파이프라인배관망 ( 덕양, 좌 ) 와수소파이프라인매설사례 ( 우 ) 49 [ 그림 3-9] 수소충전소유형별이송수단 50 [ 그림 3-10] 국내수소생산 공급구성현황 51 차례 v

25 [ 그림 3-11] 국내수소생산 공급사업의생산, 공급가치사슬현황 52 [ 그림 3-12] 국내수소파이프라인구축현황 54 [ 그림 3-13] 친환경차충전인프라구축방안 상의복합휴게소개념도 55 [ 그림 4-1] 수소전기차보급목표에따른충전용수소수요량전망 61 [ 그림 4-2] 국내주요석유화학단지내수소여유생산능력 62 [ 그림 4-3] 튜브트레일러를활용한충전용수소이송방식의구조 63 [ 그림 4-4] 보급초기단계에서의수소충전소연간현금흐름구조개념도 66 [ 그림 4-5] 전기자동차구입결정요인 (450명중응답비중 (%)) 67 [ 그림 4-6] 에너지원별차종간단위거리당연료비용비교 68 [ 그림 4-7] 석유대리점의역할과기능 71 vi

26 제 1 장서론 2015년파리기후협약을계기로기후변화대응과지속가능한성장의조화를위해연비향상과온실가스배출기준등에대한환경규제가전세계적으로보다강화되고있다 ( 김재경, 2018). 이로인해현재와같은내연기관차중심의자동차산업으로는강화일변도인온실가스규제에대한대응이어려우며, 더욱이보다다양화되어가는소비자수요충족을위해서라도환경친화적자동차의필요성에대한인식이확산되고있다 ( 김재경, 2018). 한편이러한환경친화적자동차로서국내수소연료전지자동차 ( 이하수소전기차 ) 보급에대해서도정부지원이잇따르고있다. 또한 2016년부터강화된연비 온실가스배출규제기준적용등으로국내자동차산업차원에서도수소전기차개발, 생산, 판매를위한노력이가속화되고있다. 이러한노력에힘입어 2017년 12월부터제3세대수소전기버스가시범사업차원에서울산시내노선버스정규노선에투입되었으며, 2018 년 2월에는국내최초로일반소비자대상보급형수소전기차모델 ( 승용차, 모델명 : 넥쏘 ) 도출시되었다. 이로인해 2018년부터수소전기차가그동안의시험생산내지소량생산단계를넘어서본격적인대중화의단계로들어서는초입 ( ) 에도달하였다고평가할만하다. 그러나이처럼 2018년본격적이대중화를앞두고있는수소전기차를충전할국내수소충전소는매우부족한것이또한현실이다, 2017년 10월기준구축되어운영중인수소충전소는 12개소이며, 이중일반수소전기차이용자에게개방되어접근가능한상업용충전소는고작 6개소에불과하다. 현재건설중인충전소를포함 2018년말까지는 16개소가추가구축될예정이지만아직턱없이부족하기는마찬가지이다. 제 1 장서론 1

27 한편 닭과달걀 (chicken and egg) 문제로대변되는수소전기차와수소충전소간상호보완적관계와상호의존적성장구조로인해, 수소전기차나수소충전소중어느한쪽이부족할경우에는상호간보급 확산의저해하는요인을작용하는악순환이발생할수밖에없다. 이로인해수소전기차의보급 확산을위해서라도수소전기차가충분히보급되기이전까지는한시적으로정부등공공부문에서공적재원을활용하여충분한수소충전소를구축하는것이바람직할수있다. 그러나활용및확보에제약이있는정부예산만으로충분한재원확보가한계가있음을고려한다면, 결국민간투자를유도하는방안이효과적일수있다. 그러나수소충전소라는물리적인프라가구축되었다고하더라도이를제대로지속가능하게운영하기위해서는수소충전소를기반으로한수소충전소운영사업 ( 즉, 수소차충전사업 ) 도함께육성되어그기능을수행할수있어야한다. 또한이러한수소충전소운영사업이단독으로영위할수없는바, 이와관련된사업들이어우러진건강한수소차충전용수소시장의조성이필요하다. 본연구는이러한견지에서국내수소차충전용수소시장을종합적으로진단및평가해보고, 수소차충전용수소시장의조성및육성을위해요구되는정책적니즈 (needs) 를도출하고자한다. 그리고이를바탕으로수소차충전용수소시장조성과육성을위해요구되는정책방향을제언하고자한다. 2

28 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 1. 수소연료전지차 ( 수소전기차 ) 의구조와구동원리 가. 수소연료전기차 ( 수소전기차 ) 의정의 ( 수소 ) 연료전지자동차 (Fuel Cell Electric Vehicle: FCEV; 약칭수소전기차 ) 란수소를사용하여발생시킨전기에너지를동력원으로사용하는자동차로정의된다 ( 환경친화적자동차의개발및보급촉진에관한법률 ( 이하친환경자동차법 ) 제2조 ). 보통수소를에너지원으로활용하는자동차를 수소자동차 (Hydrogen Car) 로통칭하는데, 수소를엔진을통해직접연소하여구동에너지로활용하는수소연료자동차 (Hydrogen Fueled Car) 와함께수소연료전지차가이에속한다. 그러나수소차개발초창기각광받던수소연료차가상대적으로낮은연료효율로인해사실상사장 ( ) 된데 1) 반해서수소를직접연소하지않고, 연료전지를활용하여전기에너지로구동에너지를활용할경우상대적으로효율성이높다 ( 동급내연기관차의약 2배 ) 는점에서 1) 에너지원으로서수소는연소시발생하는열로작동하는열엔진이나갈바니전지 ( 즉연료전기 ) 를이용하게된다. 먼저수소 (H 2 ) 가순수한산소 (O 2 ) 와결합하여연소되며, 이때순수한물이생성된다. 이때온도는연소가스의비율과산소의농도에따라 2,000 C-3,000 C 의고온까지올라간다. 그러나이처럼수소연소과정에서발생하는열을역학적에너지로전환하는열엔진은열에너지의일부만을역학적에너지로전환할수있어, 열엔진의효율은이론상최대효율인카르노효율보다낮다는단점이있다. 이로인해에너지를얻기위한목적으로수소를 ( 고온 ) 연소하는경우는많지않으며, 수소연소를이용한내연기관에대한연구개발도최근거의이루어지고있지않고있다. 더욱이수소동력을사용하는열엔진에요구되는기술적요구조건때문에, 연료로서의수소는이제거의연료전지에만사용되고있다.(Shell, 2017). 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 3

29 수소차의중심이수소연료전지차개발로이동하였다. 그래서최근에는사실상수소연료전지차가 수소차 의동의어로인식되고있다. 이로인해본연구는수소연료전지자동차의약칭인 수소전기차 와함께수소차를병행해서사용하고자한다. 나. 연료전지 (Fuel Cell) 의작동원리와종류 수소 연료전지 차라는명칭에서직접적으로알수있듯이, 수소전기차는구동에너지생산을 연료전지 에의존한다. 연료전지는막전극접합체 (Membrane Electrode Assembly, MEA), 가스확산층, 분리판, 가스켓 ( 가스밀폐 ) 등으로구성된다 ( 이주영, 2017c). [ 그림 2-1] 연료전지 ( 스택 ) 의구성 자료 : ( 검색일 : ) 먼저연료전지의핵심구성요소이며, 중심에위치하는막전극접합체 는백금촉매와탄소로이루어진다공성전극 ( 음극, 양극 ) 과양극사이 에배치된전해질 ( 이온전도체 ) 막 (membrane) 2) 이일체형으로접합되어 2) 전해질막은기체 ( 수소, 산수 ) 를서로분리하지만, 특정이온 ( 즉전기대전 ( ) 입자 ) 은투과할있다 (shell, 2017). 4

30 있는구조이다 (Shell, 2017). 그리고막전극접합체의바깥부분, 즉양극과음극이위치한바깥에수소또는공기 ( 산소 ), 물을공급또는배출시키는역할을하는기체확산층 3) 과분리판 4) 등이위치하게된다 ( 이주영, 2017c). [ 그림 2-2] 연료전기내부에서의전기발생원리개념도 자료 : 수소차보급및시장활성화계획 ( ) 그리고연료전지, 특히막전극접합체에서의전기발생과정은다음과같다. 먼저기체확산층을통해양극에공급된수소기체는다음과같은반응식과같이백금과의촉매반응작용을통해이온으로분리되어전자를방출한다. 이렇게생성된전자들은외부회로를통해음극으로보내지고, 다시 음극에서다음반응식에따라산소를이온화시키게된다. 3) 기체확산층은유입된기체와반응생성물을균일하게분포하게하며, 전자와반응과정에서열이제거하는역할을수행한다 (Shell, 2017). 주로탄소소재의 carbon cloth, paper, felt 의형태로이뤄져있다 ( 이주영, 2017c). 4) 분리판은수소, 산소를기체확산층으로공급하거나발생된물을배출시키는역할을한다. 주로기체확산층바깥에서연료를공급하고반응에의해발생된물을배출하도록유로의기능을하며, 탄소또는탄소복합재, 표면처리된금속, 합금등이사용되고있다 ( 이주영, 2017c). 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 5

31 그리고대전된산소및수소이온은일정수준이상의열에너지를 통해결합하여전기적으로중성인물을생성하게된다. 이처럼산소와수소를결합하여물을생성하고직류전기를발생시키는반응으로서의연료전지의기본원리는이미 년대에발견된바있으며, 직류전기를사용해물을산소와수소로분리하는물분해과정 ( 즉수전해 ( )) 의역반응과정으로이해될수있다 (Shell, 2017). 연료전지는효율이낮은열엔진과는달리, 열-전력공정 5) 에의존하지않고전적으로화학적반응작용만으로수소에잠재되어있는화학에너지를직접전기와열에너지 6)7) 로전환하여효율이높다는장점이있다 8) (Shell, 2017). 연료전지를통해수소 1mole당 286kJ의에너 5) 연료전지대신열엔진으로전기를생산하는에너지전환공정이열 - 전력공정이며, 주로화력발전기에적용된다. 6) 연료전지의촉매반응과정에서도달하는온도는연료전지유형별차이는있지만, 수소연소온도보다훨씬낮은 60 C ~ 1,000 C 수준인관계로, 연료전지의반응과정을 냉간 ( ) 전기화학적연소 (cold electrochemical combustion) 라고도한다 (Weber 1988, Shell, 2017 재인용 ). 7) 연료전지는전기와함께열에너지, 즉폐열을발생시키는데, 이때발생하는폐열을열병합발전에이용할수있다. 특히고체산화물연료전지 (SOFC) 와용융탄산염연료전지 (MCFC) 와같은고온연료전지가대표적으로열방합발전에이용된다 (Shell, 2017). 8) 특히연료전지가자동차의구동에너지발생장치에적용되었을경우, 상대적으로적은부하에서도높은효율성을달성할수있다. 부분부하 (, part load) 에서도일반적인내연기관보다대략두배이상의효율성달성이가능하다. 더구나차량내부난방이필요할경우, 연료전지스택에서발생하는열을냉각재회로를통해그대로활용할수있기때문에, 배터리전기차와비교할경우, 보조적인난방장치사용으로인한전력손실을최대 5kW 까지줄일수있다 (Tschöke 6

32 지가생산되는데, 이에너지를전기에너지로전환할경우, 이론상연료전지의전지최대효율은 80% 이상 9) 으로알려져있다 (Eichlseder and Klell, 2012; Shell, 2017 재인용 ). 한편연료전지는주로전해질유형과전지가작동하는온도에따라분류된다. 우선전해질유형에따라알칼리연료전지 (Alkaline Fuel Cell, AFC) 10), 인산염연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 11), 용융탄산염연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 12), 고체산화물연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 13) 그리고고분자전해질막연료전지또는양성자교환막연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Fuel Cell or Proton-Exchange Membrane Fuel Cel, PEMFC) 2014, Shell, 2017 재인용 ). 9) 만일손실되는전압을고려하면실제달성할수있는전지효율은 80% 를밑돌게된다 (Shell, 2017). 10) 알칼리연료전지 (AFC) 는 100 이하에서작동하는저온형연료전지로서, 저온에서작동하기때문에시동이빠르고, 크기가작고, 단순전해질 ( 수산화칼륨용액 ) 과저렴한촉매 ( 비금속 ) 를사용해제조비용이저렴하다는장점이있다. 그러나이산화탄소내성이매우낮아높은순도의기체, 특히순수한산소를공급해줘야한다는단점도있다. 우주선의전원공급장치로사용되는등초창기우주산업에최초로사용된바있다 (Shell, 2017). 11) 인산염연료전지 (PAFC) 는중간온도범위 ( 약 160 C-220 C) 에서작동하는연료전지로서, MW 대범위에서넓은출력범위를갖으며, 고정형전원으로는높은수준의기술적안정성을갖는다. 주로대형고정형연료전지 ( 소형발전소등 ) 에사용된다 (Shell, 2017). 12) 용융탄산염연료전지 (MCFC) 는작동온도는 600 C-700 C 인고온형연료전지로, 탄산염용융물을전해질로사용한다. MW 대범위에서넓은출력범위를갖고있으며많은공간이필요로한관계로주로발전소에서사용된다. 고온에서작동하기때문에내부개질공정을거치면수소뿐아니라수소함유기체 ( 예 : 천연가스, 바이오가스 ), 메탄올등도이용할수있다 (Shell, 2017). 13) 고체산화물연료전지 (SOFC) 는고온전지 ( 약 500 C-1,000 C) 로서, 전해질이다공성의고체산화세라믹물질로이루어져있는관계로산화세라믹연료전지 (Oxide Ceramic Fuel Cell) 로도지칭된다. 주로고정형으로분산전원시스템 (kw 대 ) 에서발전소 (MW 대 ) 에이르기까지광범위하게사용될수있다 (Shell, 2017). 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 7

33 등다섯종류로분류된다. 작동온도 14) 에따라서는약 100 이하에서작동하는저온형, 100 이상의중간온도형, 500 이상의고온형등세종류로나눠진다. 전해질, 반응기체나작동온도등은전지의유형에따라달라진다 (Shell, 2017)([ 그림 2-3] 참조 ). [ 그림 2-3] 연료전지의유형별특징 자료 : ( 검색일 : ) 14) 일반적으로, 필요한수소의순도는온도가상승함에따라감소한다. 이를테면, 온도가가장낮을때가장순수한수소가필요하다. 연료전지의효율은주로공기또는순수한산소와의작용에좌우된다 (Shell, 2017). 8

34 [ 그림 2-4] 연료전지유형별전해질, 반응기체, 작동온도비교 자료 : Shell (2017) 이중고분자전해질막연료전지 (PEMFC) 만이현재수소전기차에사실상전적으로활용되고있다. 고분자전해질막연료전지는알칼리연료전지 (AFC) 와같이 80 C 정도의온도에서작동하는저온형연료전지의하나이다. 그러나동일한저온형연료전지이지만수산화칼륨용액을전해질로 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 9

35 사용하는알칼리연료전지 (AFC) 와는고분자막을전해질을사용한다는점에서구별된다 (Shell, 2017). 또한알칼리연료전지와는달리순수한산소대신대기중의공기만으로도작동할수있다는장점이있으며, 전력밀도가높고, 부피가작기때문에수소전기차등을포함이동형전원공급원으로사용하는데적합하다. 반면비싼귀금속인백금을촉매로사용하고있는관계로제조비용이높다는점과함께황과일산화탄소가촉매를오염시키기때문에순수한수소를공급해야한다는단점도지니고있다. 최근개발된고분자전해질막연료전지의사용수명은약 5,000시간으로, 이는 150,000~200,000km를주행하는데충분한수명으로평가된다 (Shell, 2017). [ 그림 2-5] DMFC 장착지게차 자료 : ( 검색일 : ) 10

36 참고로이러한고분자전해질막연료전지를응용하여직접메탄올연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 도개발되어있다. 직접메탄올연료전지는고분자전해질막연료전지와비슷한온도 (50 C-120 C) 에서작동하지만, 메탄올 (CH3OH) 에포함된수소를직접사용해, 메탄올의높은저장밀도를활용할수있다는장점이있다. 다만직접메탄올연료전지의효율이 20% 로상대적으로낮다는단점이있어, 주로지게차 (forklift) 나드론등소형수송장치등에사용되고있다 (Shell, 2017). 이같은연료전지를차량의동력전달장치 (powertrain) 로사용하기위해서는최소 100kw 이상의출력을낼수있을정도로충분한숫자의연료전지들의 묶음 이필요하다. 앞서살펴본원리에따라전기를생산하는단일한연료전지를 단위전지 (Unit Fuel Cell) 라하며, 이러한단위전지를여러개적층하여묶음으로만들어차량의구동에너지로활용할정도로충분한전기를발생시키는장치가 연료전지스택 (Fuel Cell Stack) 이다. 다. 수소전기차의구조 이러한연료전지스택과함께수소전기차는운전장치 ( 수소공급 공기공급 열관리장치등 ), 수소저장장치및전장장치등으로구성된동력전달장치 (powertrain) 를장착하고있다 ( 이주영, 2017c). 이중전장장치는일반전기차 (Electric Vehicle) 와유사하여, 공유되는구성품이다. 반면연료전지스택및운전장치 ( 수소공급 공기공급 열관리장치등 ) 를합친 연료전지시스템 과수소저장장치가기존내연기관이나전기차와구별되는수소전기차만의특징적구성품이라할수있다 ( 이주영, 2017c). 특히연료전지시스템은수소전기차의구동에너지 ( 즉 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 11

37 전기에너지 ) 를생산하는일종의소형발전기로서, 사실상의엔진역할 을한다. [ 그림 2-6] 수소전기차구조개략도 자료 : 구영모 (2018) 연료전지스택과함께연료전지시스템을구성하는운전장치에는연료전지스택에수소와공기를공급하고스택에서의전기생산을지원하는수소공급장치와공기공급장치 15) 가포함된다. 이와함께연료전지스택에서발생되는열을공기중으로방출시켜스택이적정한온도와습도를유지해작동할수있도록관리하는기능을하는열관 15) 공기공급장치는공기중의불순물을제거하는에어필터, 소음저감을위한소음기, 고유량공기공급용에어블로워, 공급공기상대습도조절을위한가습기, 배압조절을위한압력조절밸브등으로구성돼있다 ( 이주영, 2017c). 이러한공기공급장치로인해수소전기차는미세먼지를필터링하는공기청정기의역할로도주목받고있다. 12

38 리장치 16), 스택의폐열을활용할수있는공조장치등이운전장치로 포괄된다 ( 이주영, 2017c). [ 그림 2-7] 수소전기차핵심모듈구성도 자료 : 구영모 (2018) 한편수소저장장치는연료전지시스템에연료로서의수소를공급함 으로서, 내연기관차의연료공급장치의기능을한다. 주로수소를 700 bar 17) 로저장하는고압용기와고압수소를연료전지스택에공급하기위 16) 연료전지스택에서발생하는열을방출시킴으로써연료전지스택내부의온도와습도를조절하는역할을열관리장치가한다. 수소전기차는공급된에너지의약 50% 미만을열로방출하며수소전기차는열을공기중으로방출시키기위해수랭식을채택하고있다. 연료전지의작동온도가과도하게상승할경우연료전지전해질막이손상되기때문에적정작동온도를유지시켜야하기때문이다. 주로열관리 ( 열및물관리 ) 는워터펌프, COD 겸용히터, 대용량라디에이터, 전동식 3way V/V, 이온제거기등으로구성된다 ( 이주영, 2017c). 17) 압축된수소의표시단위는 bar, psi( 평방인치당파운드 ), MPa( 메가파스칼 ) 등이사용된다. 이때 1 bar 는 100kPa 로서대기압을의미한다 (.Jaffery and Singh, 2017). 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 13

39 한고압밸브및배관류, 고압용기에압력이나온도가증가할경우수소를방출하고용기파손을방지하는안전장치, 수소충전관련장치등이이러한수소저장장치를구성한다 ( 이주영, 2017c). 이중수소충전관련장치는수소전기차가수소충전소에서수소충전시충전소압축기압력, 공급유량, 탱크용기상태등을모니터링하면서제어할수있는부품들로이뤄진시스템을의미한다 ( 이주영, 2017c). 주로외부로부터충전된고압수소를저장하고압력을조절하는역할을하며, 수소탱크, 압력조절밸브, 탱크내장형솔레노이드밸브, 압력센서, 수소센서등으로구성된다 (IRS Global, 2017). 마지막으로이상의연료전지시스템과수소저장장치와는별도로수소전기차는보통의전기차와마찬가지로리튬이온 (lithium-ion) 전지나니켈-수소합금 (nickel-metal hydride, NiMH) 전지등의이차전지를구동배터리 (traction battery) 로서내장하고있다 (Shell, 2017). 이러한배터리는주로연료전지스택으로부터또는구동장치의회생제동을통해발생한전기를일시적으로저장하는기능을수행한다 (Shell, 2017). 이러한특성때문에수소연료전지차도전기를구동에너지로활용한다는점에서전기차의일종으로분류되기도하는데, 이것이수소연료전기차와함께 수소전기차 라는명칭이병용되는이유이기도하다. 한편내장된두가지구동에너지원인연료전지스택과구동배터리간의역할배분에따라수소전기차는두가지유형으로구분되기도한다. 먼저연료전지스택은직접구동에참여하지않는대신, 단지구동배터리에전기를공급, 충전하는역할만을수행하고, 구동배터리에충전된전기에너지만으로전기모터를구동하는수소전기차는 주행거리확장형배터리전기차 (battery electric vehicle with range 14

40 extender) 로지칭된다 (Shell, 2017). 이경우는실제구동에너지가배터리로부터나온다는점에서배터리전기차의일종으로볼수있으며, 외부전력충전만으로는주행가능한거리가한정된다는문제점을해결하기위해, 보조적인수단으로서수소연료전지스택이전기차에내장된것으로볼수있다. 반면수소연료전지스택에서생산한전기로직접전기모터를구동하는수소전기차는 연료전지주도형 (fuel cell-dominant) 전기차 로지칭된다 (Shell, 2017). 이경우구동배터리는연료전지스택의보조적인역할만을수행하여, 단기적이거나일시적인피크부하에대응하는수단으로활용된다. [ 그림 2-8] 내장배터리의역할에따른수소전기차의유형비교 자료 : Shell (2017) 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 15

41 2. 수소충전인프라의구성및유형 가. 수소충전소의구성전절에서살펴본바와같이수소전기차는순수한고압수소를외부로부터수소저장장치에충전, 저장하고이를연료전지시스템내수소공급장치를통해연료전지스택에전달하여, 공기공급장치를통해유입된대기중의산소와의화학적반응을통해직류전기를생산, 구동에너지로사용하게된다. 수소차개발초창기에는차량내천연가스나도시가스개질기 (reformer) 를탐재하여직접수소를생산하는방식도고려되었지만, 차체중량이나개질에필요한열문제등으로현재는사실상배제되었으며, 외부에서수소를충전하는방식만이수소전기차에적용되고있다. 이처럼외부에서수소전기차에수소를공급하는인프라가수소충전인프라이며, 특히그중심에는수소충전소 (Hydrogen Refueling Station, HRS) 가있다. 수소충전소는보통수소공급장치, 압축장치 (compressor), 수소저장장치 ( 탱크 ), 예냉장치 (pre-cooler), 충전기 (dispenser) 및충전소운전장치 (priority panel) 로구성된다 ( 강승규외, 2017, Shell, 2017). [ 그림 2-9] 수소충전소의일반적구성 자료 : 강승규외 (2017) 16

42 한편수소충전소도수소전기차충전용수소를공급받아야충전서비스를제공할수있다. 수소충전소가수소를공급받는방식은크게두가지방식을고려할수있는데, 먼저천연가스나도시가스등을활용한개질설비나수전해장치등의수소제조설비를충전소내에설치하여공급하는현지생산방식또는일체형 (On-site) 충전소가있다 ( 강승규외, 2017, Shell, 2017). 이경우, 수소제조설비가별도의 수소공급장치 로서충전소에내장되었다고볼수있다. 반면충전소외부에위치한수소제조설비를통해생산된수소를액화내지압축하여운반수단을통해이송, 충전소에공급하는중앙공급방식 (Off-site) 충전소가있다 ( 강승규외, 2017, Shell, 2017). 이러한중앙공급방식충전소는액화또는압축된수소의운반수단자체가해당충전소의수소공급장치의역할을하게된다. 가령운반수단이보통 50~180 bar로수소를압축하는튜브트레일러일경우, 해당튜브트레일러에서수소를하역하여, 충전소내압축장치 (compressor) 18) 를거치면서저장압력으로압축, 수소저장탱크에저장된다 ( 이택홍외, 2017). 수소저장탱크는저장압력에따라 20~200 bar의저압저장탱크 19), 200~-450 bar의중압저장탱크, 800~1,000 bar의고압저장탱크로분류된다. 수소전기차의수소저장탱크압력은 350 bar( 수소버스 ) 나 700bar( 보통신형승용차 ) 이기때문에 350 bar 차종의충전시에는중압저장탱크만으로도가능하지만, 700 bar 차종충전시에는고압저장탱크는그대로, 저압저장탱크의경우에는충전과정에서재압축하는절차를거치게된다. 18) 압축장치로는피스톤압축기, 압축공기형압축기, 다이어프램압축기, 이온압축기등이있으며, 충전소의설계 ( 가동률, 에너지소비, 비용효율등 ) 에따라적절한압축기가선택된다 (Shell, 2017). 19) 180 bar 수소튜브테일러는충전소에서단기적으로저압저장탱크로활용이가능하다 (Shell, 2017). 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 17

43 [ 그림 2-10] 수소충전소 ( 중앙공급방식 ) 에서의충전과정개념도 자료 : 이택홍외 (2017) 한편수소저장탱크에저장되어있던압축수소가수소전기차에충 전될때는다시운전장치 (priority panel) 와압축장치, 예냉장치 (pre-cooler) 그리고충전기 (dispenser) 를거쳐최종적으로수소전기차 의수소저장장치에충전된다 ( 이택홍외, 2017). 수소전기차가충전소에 들어오면 ( 고압내지중압 ) 저장탱크에있던수소가우선적으로사용되 어압력차이 ( 차압 ) 를이용하여충전하게되며, 수소전기차저장탱크의 압력과저장탱크의압력이비슷해지면더이상차압으로수소충전이 되지않기때문에압축기를작동하여추가적인압력으로충전하게된 다 20) ( 이택홍외, 2017). 이과정은보통총 3-5 분내에충분히이루어 20) 수소는고압탱크로부터저압탱크로직접이동하지만, 반대방향으로는이동하지않는다. 이로인해차량에수소를채우려면수소충전소탱크의압력이차량의탱크보다더높아야한다. 그렇지않은경우에는충전소에서수소를추가압축해주어야한다 (.Jaffery and Singh, 2017). 18

44 져전기차에비해상대적으로신속하게충전서비스가제공될수있다. [ 그림 2-11] 수소충전소의충전기 ( 미국캘리포니아주트루제로수소충전소 ) 자료 : ( 검색일 : ) 이처럼충전과정에서는압축과정이필수적인데, 수소기체압축시에는불가피하게온도가상승할수밖에없다. 만일충전소에서충전된수소가가열되었을경우차량의수소저장장치의 ( 과압 / 과열 ) 한계범위를넘어설가능성 21) 이있기때문에, 주위온도, 수소공급온도, 차량수소저장탱크의목표압력등에따라예냉 (pre-cooling) 하는과정 21) 수소차충전프로토콜표준인 SAE J2601 은차량의수소저장탱크의온도가 85 C 를초과해서는안된다고권고하고있다 (Shell, 2017). 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 19

45 이요구된다 (Shell, 2017). 보통 700 bar 차종을충전하는경우라면, -40 C 정도로수소를예냉한다 (Shell, 2017). 예냉을위해서일반적으로압축냉동기나열교환기를사용하지만, 만일공급된수소가극저온액체수소 (LH 2 ) 인경우액체펌프를통해증발기 (evaporator) 로기화하여보내는방식이사용되기때문에굳이액체수소를냉각하지않고차량으로직접공급할수있다 (Shell, 2017). 그리고직접수소전기차에충전하는충전기 (dispenser) 는 350 bar나 700 bar 등수소저장탱크의압력에맞게설계되어있으며, 각각또는둘다사용될수있도록구성되어있다. 충전기는사용자인터페이스로서압력, 충전정도, 측정량등을표시하는디스플레이가장착되어있다 (Shell, 2017). 나. 수소충전소의부지확보전략에따른유형앞서살펴본바와같이수소충전소는수소를공급하고, 저장하고, 충전할수있는설비들로이루어진다. 물론이러한설비간의안전거리확보를위해서는충분한부지가필요하다. 더욱이주차공간이나판매공간, 세차장등에필요한충분한부지확보의필요성은수소충전소라고해서기존주유소나 LPG, CNG 충전소등과크게다르지않다이로인해도심지등충분한부지확보가어려운지역에서는충전소구축에난항이있을수밖에없는것이현실이다. 이를해결하기위해최근에는부지면적을축소를위해압축, 저장, 제어반등의구성요소들을모듈화하여하나의컨테이너형태로구축하는, 패키지형모듈충전소시스템의개발도이루어지고있다 ( 이택홍외, 2017). 20

46 [ 그림 2-12] 기존수소충전소와패키지형모듈수소충전소비교 자료 : 제 3 차환경친화적자동차개발및보급기본계획 (2015) [ 그림 2-13] 국내에서개발중인컨테이너형태의패키지형수소충전소모형 자료 : ( 검색일 : ) 그러나이러한노력에도불구하고, 부지확보문제는수소충전소구축과관련하여불가피한측면이있다. 이러한부지확보문제와관련하여대략적으로다음과같은세가지옵션이이용되고있다. 우선수소충전소만의전용부지를매입, 새로이단독으로설치하는방식 ( 단독충전소 ) 이있다. 이때기존시설물의제약을받지않는다는장점도있지만. 수소충전소운영을위한판매공간이나충전서비스등에대한고 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 21

47 객의수요등도고려해신중하게결정할필요가있다 (Shell, 2017). 다음으로기존주유소나 LPG, CNG 충전소등다른에너지원충전소의부지를활용하여수소충전소를구축하는방법이있다. 그리고이와같은방법을활용하여구축되는수소충전소는병설, 복합, 융합충전소로다시구분된다 ( 박지원외, 2017). 우선병설충전소는도로를경계로두고수소충전소와다른에너지원의충전소를나란히구축하되분리된사업소를구성하는형태이며, 복합충전소는수소충전소가다른에너지원충전소와단일사업소를구성하는형태를, 그리고융합충전소는수소제조설비가설치된현지생산방식 (On-site) 수소충전소가다른에너지원충전소와단일한사업소를구성하는형태를의미한다 ( 박지원외, 2017). 22) 물론아직까지국내에융합충전소는부재하지만, 복합충존소의경우 2017년 울산옥동수소-LPG 복합충전소 23) 가개소되어운영됨에따라서, 이는국내첫사례 24) 로기록되었다. 22) 융복합및패키지형자동차충전소시설기준등에관한특례기준 ( 안 ) ( 산업통상자원부고시제 호 ) 에따른정의로서, 동고시에는 기존의 CNG ( 압축천연가스 ) 또는 LPG( 액화석유가스 ) 등과같은다른에너지원의충전소와수소충전소를하나의사업소로설치운영을하는것을복합충전소, 제조식수소충전소를하나의사업소내에설치 운영하는것을융합충전소 로정의하고있다 ( 박지원외, 2017). 23) 옥동수소복합충전소 는환경부의 수소연료전지차및충전소설치사업 에따라국비 15 억원, 시비 15 억원등총 30 억원이투입돼건립됐으며, 산업통상자원부 충전소안전기준개발및제도화를위한실증사업 의일환으로향후 3 년간인건비등운영비가국비로지원될예정이다 ( 이주영, 2017d). 24) 현재진행중인환경부의 수소연료전지차및충전소설치사업 은울산, 광주, 창원등 3 개지자체가참여해기존 LPG 충전소 ( 울산 ), CNG 충전소 ( 광주 ), 주유소 ( 창원 ) 에수소복합충전소를건립 운영하는사업으로서, 이중울산 옥동수소복합충전소 가가장먼저준공되었으며, 다른충전소들도순차적으로향후준공될예정이다 ( 이주영, 2017d). 22

48 [ 그림 2-14] 울산 옥동수소 -LPG 복합충전소 자료 : ( 검색일 : ) [ 그림 2-15] 수소 -LPG 복합충전소조감도 자료 : ( 검색일 : ) 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 23

49 마지막으로수소충전소구축이여의치않지만, 수소충전수요는충분한지역에서는이상의고정식충전소의대안으로서최근이동식충전소가활용되는사례가늘고있다. 이경우액체또는압축수소저장탱크로서이동식컨테이너, 트럭형트레일러등이주로활용된다 (Shell, 2017). 가령 2015년일본이와타니산업, 도요타통상, 다이요닛산등 3개사가공동으로설립및운영하고있는, 트레일러에수소저장탱크를탑재해직접수소전기차에수소를공급하는충전소는이러한이동식충전소의대표적인사례라할수있다 ( 이주영, 2017b). 25) [ 그림 2-16] 운영중인일본의이동식충전소 자료 : ( 검색일 : ) 25) 일본이와타니산업, 도요타통상, 다이요닛산등 3 개사가공동운영이동식수소충전소는소형충전소설치비 (4~5 억엔 ) 의절반가격 (2~3 억엔 ) 이면설치가가능하며면적도기존충전소의 30% 정도만차지하는것으로알려져있다 ( 이주영, 2017b). 24

50 [ 그림 2-17] 국내에개발된이동식액화수소충전소모형 자료 : ( 검색일 : ) 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 25

51 3. 국내수소전기차보급및수소충전인프라구축현황 가. 국내수소전기차 ( 수소전기버스포함 ) 개발및생산동향앞서언급한바와같이이미 년대에기본원리가발견된연료전지를자동차등수송수단에적용하기위한시도는실험용시범제작의형식으로이미 1960년대부터시작되었다. 그러다본격적인차량용연료전지개발은 1990년대에들어서보다가속화되어, 기존내연기관차를수소전기차로개조한다양한시험용모델들이등장하기도하였다. 국내에서도 1987년 12월 대체에너지기술개발촉진법 이제정되면서, 1988년부터 2003년까지 100억원규모의연료전지연구개발프로그램이시작되었다. 그리고 2003년이후연료전지기술이국가주요기술로채택되면서 ( 손민희외, 2016), 연료전지를탑재한수소전기차개발도본격화되었다. 국산수소전기차개발은주로현대자동차 ( 주 ) 에의해주도되었으며, 1998년부터개발에착수, 2002년미국 UTC 파워 로부터연료전지시스템을이전받아 75kW급연료전지시스템을장착한국내최초수소전기차시험모델 ( 모델명 : 산타페 FCV ) 이출시되었다 ( 이재연, 이충환, 2015). [ 그림 2-18] 산타페 FCV( 좌 ) 와투싼 FCV-I( 우 ) 자료 : 이재연, 이충환 (2015) 26

52 그러나당시연료전지스택제조기술은이전받지못한관계로, 2004년부터추가적으로국산 80kW급연료전지스택의개발에착수하여, 2006년 65kW급연료전지스택개발에성공하였다 ( 이재연, 이충환, 2015). 그리고 2010년 10월 100kW급연료전지시스템과 2기의수소저장장치 (700 bar) 가탑재된시험모델 ( 모델명 : 투싼 ix FCV) 개발에성공하게된다. 개발성공직후인 2010년 12월관계부처 ( 지식경제부, 환경부, 국토해양부, 녹색성장위원회 ) 합동으로 2015년까지그린카양산과수출을목표로한 그린카산업발전전략및과제 가발표되었다. 이후 2012년정부 ( 지식경제부 ) 와자동차제조사 ( 현대자동차 ( 주 )) 가민관합동으로수소전기차양산계획을발표하면서, 본격적으로시험및소량생산단계에서양산단계로의진입을위한준비가시작되었다. 양산단계의서막은 2013년 2월세계최초로국산수소전기차양산모델 ( 모델명 : 투싼ix35 FCEV) 이출시되면서열리게되었다. 당시판매가격은 1억 5,000만원수준으로유럽에서는정부나지자체및공공기관을대상으로, 미국캘리포니아에서는리스 (Lease) 를통해일반소비자를대상으로시판이시도되었다 ( 손민희외, 2016). 그러나실제양산에성공, 시장진입에성공한모델은 2014년 12월에출시된일본토요타의수소전기차 ( 모델명 : 미라이 (Mirai)) 로보통평가되고있다. 토요타는수소전기차보급확대를위해보다공격적인저가전략 ( 약 7천2백만원수준 ) 과글로벌특허공개 26), 강력한정부지원등 ( 손민희외, 2016) 과함께차량출시이전사전판매로개 26) 토요타는미라이출시와동시에자사수소연료전지차관련특허실시권을무상제공한다는방침을밝혔는데, 무상제공되는특허는세계약 5,680 건에달했다. 또한연료전지스택관련특허 1,970 건을비롯해 3,350 건에달하는연료전지시스템제어등개발과생산근간이되는특허를개방했다 (IRS Global, 2017). 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 27

53 인대상차량판매 ( 장성혁, 2017c) 가시장에성공적안착에기여했다 고평가되고있다. [ 그림 2-19] 현대투싼 ix35 FCEV( 좌 ) 와도요타미라이 ( 우 ) 자료 : 좌 ), 우 ) ( 검색일 : ) 이러한경쟁모델의등장에대응하고자 2015년초에는국산수소소전지차양산모델가격을 8,500만원으로 40% 이상인하하는조치를단행하였다. 그럼에도불구하고당시정부가지급하는구매보조금이공공기관에한정해서 5,500만원 ( 국비 + 지방비 ) 이지급된관계로, 주로공공기관 ( 지자체또는법인등 ) 만을대상으로판매가이루어져대중화를통한시장진입에는한계가있다. 2013년양산시작이후총누적판매대수는 2017년 12월까지총 170대에그친실정이다 ( 장성혁, 2017c). 이러한한계를넘어서고자 2018년평창동계올림픽개최시점에맞춰, 2018년 2월 17일일반소비자대상보급형수소전기차모델 ( 승용차, 모델명 : 넥쏘 ) 가최초로공개되었다. 28

54 [ 그림 2-20] 일반보급형제 2 세대수소전기승용차 ( 모델명 : 넥쏘 ) 자료 : _YXmrbkcZ.png?type=f508_367 ( 검색일 : ) 새로출시된일반보급형수소전기차는기존양산형모델 ( 투싼ix) 의한계를극복하여 1회충전주행가능거리 580km에도달하였을뿐만아니라출력도 20% 증가한 163마력정도의성능을보일것으로알려졌다 ( 장성혁, 2017c). 특히문제가되었던차량판매가격 ( 출고가기준 ) 도 6,500만원수준으로서, 1,750만원의정부국비지원금과 1,000~1,750만원수준의지방자치단체지방비지원금을합한차량구매보조금을수령할경우지역에따라 3,000~4,750만원수준으로구입이가능해질것으로보이다 ( 장성혁, 2017c). 이경우약 3,000만원수준인동급내연기관차량과는적어도차량구매가격면에서경쟁이가능해질것으로예상되기때문에, 궁극적으로수소전기차의본격적인대중화의문을여는단초를제공해줄수있을것으로기대된다. 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 29

55 [ 그림 2-21] 제 3 세대수소전기버스 자료 : ( 검색일 : ) 그리고이러한일반보급형수소전기차 ( 승용차 ) 모델과함께수소전기버스의출시도본격화되고있다. 최근개발이완료되어시범운행에들어간제3세대수소전기버스 27) 6대가평창동계올림픽기간행사지원차량으로투입되었다 ( 장성혁, 2017c). 또한울산시는 2019년수소전기버스를시내노선버스정규노선투입을목표로, 2017년 12월부터제3세대수소전기버스 28) 2대를투입, 시법사업을수행하고있다 ( 이주영, 2017d; 장성혁, 2017c). 27) 제 3 세대수소전기버스는친환경상용차개발 3 단계로드맵에따라압축천연가스 (CNG), 액화천연가스 (LNG) 등대체연료적용제 1 세대수소전기버스, 하이브리드, 플러그인하이브리드시스템을적용한제 2 세대수소전기버스이후신규개발된신차종을의미한다 (IRS Global, 2017). 28) 울산시범사업에투입된수소전기버스는 100kW 급연료전지시스템 2 개모듈과 350 bar 수소저장탱크 ( 수소 40kg 저장가능 ) 가장착되어있으며, 최고속도는 100km/h, 1 회충전주행가능거리는최대 500km, 승차정원은 51 명이다 (IRS Global, 2017). 30

56 나. 국내수소전기차보급및수소충전인프라구축정책현황앞서언급한바와같이 2010년국산시험모델 ( 모델명 : 투싼???ix35) 개발에성공한직후, 2010년 12월정부 ( 지식경제부, 환경부, 국토해양부, 녹색성장위원회 ) 는 그린카산업발전전략및과제 를발표하였다. 해당전략에따라처음으로국산수소전기차및수소충전소보급목표가설정되었는데, 2015년까지수소전기차는 10,100대, 수소충전소는 43개소를보급하기로하였다. < 표 2-1> 그린카산업발전전략및과제 의보급목표 구분 년까지 년까지수소차충전소수소차충전소 보급목표 50대 18개소 10,100대 43개소 보급실적 5대 8개소 42대 10개소 자료 : 산업통상자원부 환경부 (2015) 그러나전소절에서살펴본바와같이, 2013년 2월수소전기차양산모델출시와 2015년초판매가격인하조치등에도불구하고, < 표 2-1> 에서확인할수있듯이 2015년말까지수소전기차보급대수는고작 42대에불과하였다. 이처럼저조한보급실적을타개하고, 수소를기반으로환경과경제의상생생태계조성을위해, 공적자금의재정지원없이수소전기차의자생력확보가가능할수있도록 2030년까지수소전기차판매비중이신차판매의 10% ( 약 53만대 ) 가될수있도록보급을지원하는내용으로 수소차보급및시장활성화계획 ( 환경부, 산업통상자원부 ) 이 2015년 12월마련되었다. 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 31

57 [ 그림 2-22] 수소차보급및시장활성화계획 보급목표 자료 : 자료 : 산업통상자원부 환경부 (2015) 해당계획상의수소전기차누적보급목표는 2020년 9천대, 2025년 10만대그리고 2030년까지 63만대로설정되었으며, 이들을지원하기위해 2020년 80개소, 2025년 210개소그리고 2030년까지 520개소 ( 누적 ) 의수소충전소를구축하도록하였다. 이를위해정부보조금 ( 국비 2,750만원 + 지방비 ) 지원과함께 2015 년 8,500만원수준이었던수소전기차판매가격을 2018년까지 6,400만원, 2020년까지전기차수준인 5,100만원, 2025년까지하이브리드차수준인 3,800만원으로인하를유도하도록하였다. 이와함께동계획은수소전기차보급의기반조정을위해, 수소충전방식의다원화및수소충전소설치 운영및시설확충보조등을내용으로하는수소충전소구축전략도함께규정하였다. 다음장에서살펴보겠지만수소생산방식은총 21가지에이른다. 이처럼다양한생산방식중수소충전수요를충당할만큼충분한생산잠재여력있는부생수소 29) 나 CNG( 또는도시가스 ) 개질방식 30), 그리고풍력, 태양광발전에 29) 부생수소등을튜브트레일러로운송하여수소를공급하는충전소로서, 석유화학단지등수소생산지에서최대 200 이내지역위주로구축할계획이다. 30) 기존 CNG 충전소 ( 전국 CNG 충전소 194 개소 ) 에 CNG 를원료로개질기또는발전용연료전지충전소내에서수소를생산 공급하는충전소로서, 주로상대적 32

58 기반한수전해방식 31) 등을활용하되, 각생산방식별생산거점을중심으로수소충전소를확충해나아가는전략이마련되었다. 이와연계하여수소차및충전소중점보급도시 ( 광주, 울산, 창원, 충남내포등 ) 를선정하여수소차와충전소설치비용을지원하는방안도포함되었다. [ 그림 2-23] 수소차보급및시장활성화계획 상의수소충전소구축전략 자료 : 자료 : 산업통상자원부 환경부 (2015) 특징적으로동계획에는물리적 인프라 로서수소충전소의구축전략과함께수소전기차충전용수소유통체계구축을위한전략도마련되었다. 우선수소충전요금이동급다른에너지원차량과비교해서비싸면수소전기차보급및충전소운영에차질이발생할수밖에없다. 으로부생수소사용이용이하지않은지역을중심으로우선적으로구축하기로하였다. 특히 CNG 와수소공급이가능하여수소차, CNG 버스, H-CNG 버스, 전기차 ( 발전용연료전지충전소 ) 등다목적충전소로활용가능하며, 특히도시가스개질등의융합수소충전소형태로추진될예정이다. 31) 풍력, 태양광발전소인근지역에풍력, 태양광발전소의전기로수전해를통해수소를생산 운반하여공급하는충전소이다. 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 33

59 이러한문제를해결하기위해, 보급목표달성에필요한적정수소충전요금을설정하도록하였다. 또한적정한수소충전요금을유지하기위해서는충전용수소의수급이일정정도관리될필요도있다. 이에수소공급사업자로부터수소를대량구입 ( 입찰 ) 하여안정적수소공급과적정가격을유지하되, 특히이를공공기관인한국가스공사에서전담하여구매및관리후수소충전소로이송하는등충전용수소도매사업자의역할을수행하게하는방안도포함되었다. 이러한 수소차보급및시장활성화계획 은동년동월 제3차환경친화적자동차개발및보급기본계획 에그대로반영되어발표되었다. 제3 차환경친화적자동차개발및보급기본계획 은 친환경자동차법 제3 조에따라법적근거를가지고마련된공식적인정부계획인만큼, 해당계획은일정정도법적구속력을지니고있어, 최소한 2020년까지정부의공식적인수소전기차및수소충전소보급및구축전략의기본적인틀로볼수있다. 한편 2016년 3월전국 CNG 노선버스를수소전기버스로교체하는 수소버스보급계획 ( 기획재정부 ) 이발표되었다. 전국등록 CNG버스 26,000대 (2016년 1월말기준 ) 중연간 2,000대규모로수소전기버스로대체하는한편, 기존 CNG 충전소에수소충전소를설치하여, 복합내지융합충전소로구축한다는방침이담겨있다. 또한 2016년 7월에는 2020년까지기존 9000대에서 1만대로수소전기차의보급목표를상향조정하는한편수소전기버스및수소택시등상용차중심으로시장규모확대하고, 글로벌기업과의파트너십을기반으로주요국의내수시장공략하여 1.4만대수출로세계시장선도하다는 전기차 수소차발전전략 이발표되었다. 특히해당전략은수 34

60 소전지차대중화를위해서그동안공공기관만을대상으로지급됬던구매보조금 (2,750만원/ 대 ) 을개인대상으로확대하는한편카쉐어링 ( 광주 ), 수소택시 ( 울산 ), 수소노선버스 ( 울산 ) 등의사업을통해일반인의수소차이용경험확대및 국민홍보강화를위한계획등이포함되었다. 2016년봄중국발미세먼지가큰사회적이슈가되자, 2016년 6월정부는관계부처합동으로 미세먼지관리특별대책 을수립, 추진하기로하였다. 당시수소전기차보급은전기차보급과함께미세먼지저감수단으로등재되어, 2020년까지수소충전소누적보급목표가 90 개소에서 100개소로상향조정되었다. [ 그림 2-24] 미세먼지관리대책 의보급목표비교 자료 : 미세먼지관리종합대책 ( ) 이와함께미세먼지문제해결을최우선과제로설정한신정부의정 책기조를반영하여 2017 년 9 월에는 미세먼지관리종합대책 이발 표되었다. 미세먼지관리종합대책 에서도이전대책과마찬가지로 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 35

61 미세먼지저감수단으로수소전기차보급이등재되었다. 그러나 2022 년까지수소충전소누적보급목표는 110개에서 310개소로재차상향조정된데반해수소전기차누적보급목표는 24,000만대에서 15,000만대로오히려하향조정되었다. [ 그림 2-25] 현행수소전기차보급로드맵 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2018) [ 그림 2-26] 현행수소충전소보급로드맵 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2018) 36

62 다. 국내수소충전인프라구축현황 2001년 5월경기도화성의남양연구소내에개발중이던수소전기차의연구를위해구축된남양수소충전소를시작으로, 2017년 10월까지총 21개소의수소충전소가국내에구축되었다. 이중사실상용도폐기된 5개소와실제운영을하지않는 4개소를제외한 12개소만이운영되고있다. 그나마이중절반인 6개소는연구목적으로특정연구시설내에위치하고있어일반이용자들의접근이사실상제한되어사실상 6개소정도만이상업용으로활용이가능한실정이다. 다시말해국내에는 2017년 12월말기준 170대의수소전기차를위해 6개소정도의상업용수소충전소만이존재한다. [ 그림 2-27] 구축시기별수소충전소분포 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2018) 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 37

63 구축시기 설치지역 < 표 2-2> 국내수소충전소현황 ( 월 ) 충전소형태 용량 일 폐기 운영불가 경기 화성 튜브트레일러 - 운영형태 미운영 운영 비고 경기 용인 튜브트레일러 110 상업용 대전 유성 개질 서울 신촌 개질 납사 인천 송도 개질 대전 유성 개질 서울 홍릉 이동식 경기 남양 튜브트레일러 울산 매암 튜브트레일러 여수 중흥 파이프라인 경기 화성 튜브트레일러 제주 김영 수전해 서울 양재 튜브트레일러 서울 상암 개질 매립가스 전북 부안 수전해 울산 매암 튜브트레일러 520 상업용 대구 서변 수전해 110 상업용 광주 진곡 튜브트레일러 충남 내포 튜브트레일러 430 상업용 경남 창원 튜브트레일러 250 상업용 울산 옥동 튜브트레일러 250 상업용 합계 자료 : 수소융합얼라이언스추진단내부자료 38

64 [ 그림 2-28] 수소충전소의지역적분포 (2017 년 11 월기준 ) 자료 : 이영철 (2018) 제 2 장국내수소연료전지차및수소충전소현황 39

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66 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 1. 수소차충전용수소의수급및유통체계 가. 수소차충전용수소의유통단계전장에서는수소를연료처럼사용하는연료전기를통해, 구동에너지를얻는수소전기차와이러한수소전기차에수소를공급하는수소충전소 ( 충전인프라 ) 의현황에대해살펴보았다. 앞서언급한바와같이수소충전소중에는충전소에서소요될수소를전량또는부분적으로충전소내부에설치된수소제조설비를이용하여생산, 활용하는현지생산방식또는일체형 (On-site) 충전소가존재한다. 그러나이경우충전소구축비용이상대적으로상승할뿐만아니라대규모의수소생산및유통을통해향유가능한규모의경제효과가크게반감됨에따라수소공급단가도높아져, 수소전기차보급촉진을위해수소충전요금 ( 판매가격 ) 을저렴하게유지하는데도움이되지않을수있다. 이로인해현지생산방식보다충전소외부에위치한대규모수소생산시설로부터수소를공급받아규모의경제효과에기반하여상대적으로저렴한수소공급을가능케하는중앙공급방식 (Off-site) 충전소가적어도수소전기차보급단계에서는수소차충전인프라구축에서의주축을이루어는것이바람직할수있다. 대신현지생산방식 (On-site) 충전소는다양한이유로중앙공급방식 (Off-site) 충전소로수요를충족시킬수없는지역에한정해서구축, 보완적인역할을수행하도록하는전략이유효할수있다. 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 41

67 한편충전소외부에위치한대규모수소생산시설로부터수소를공급받는중앙공급방식 (Off-site) 충전소가다수포진되어분포할경우, 수소생산부문, 즉상류부문 (upstream sector) 에서하류부문 (downstream sector) 인수소충전소까지충전용수소가이동하려면, 이송, 저장, 유통등의기능을담당해야할중류부문 (midstream sector) 이필요하다. 이러한중류부문은주로유통단계간의가격차이 ( 즉유통마진 (margin)) 나저장시설임대료, 운송서비스요금등을통해수익을창출하며사업을영위하게된다. [ 그림 3-1] 수소차충전용수소의유통단계 자료 : 구영모 (2017) 본절에서는이러한수소전기차충전용수소생산부문과함께중류 부문을중심으로한유통체계를살펴보고자한다. 나. 수소차충전용수소의생산및활용비록우주질량의약 75% 를차지하는원소인수소이지만, 적어도지구상자연상태에서는다른원소들과화학적으로결합된화합물형태로대부분존재한다. 32) 그래서수소를경제적으로활용하기위해서는먼저생산 32) 수소 (hydrogen, ) 는주기율표첫번째자리를차지하는비금속원소로, 원소 42

68 을위한특정한공정이필요하다. 현재전세계적으로수소생산에활용내 지는개발되고있는생산방식은총 21 가지에달한다 ([ 그림 3-2] 참조 ). [ 그림 3-2] 수소의생산방식유형 자료 : 구영모 (2017) 이를크게나누어천연가스나 LPG, 석탄등수소와화학적으로결합된 탄화수소계열의화석연료로부터개질 (Reforming) 또는부생가스 33) 등의 기호 H, 원자량 g/mol, 끓는점 C, 녹는점 C, 밀도 g/L 이다. 지구상에존재하는가장가벼운원소로무색, 무미, 무취의기체로, 우주질량의약 75% 를차지하는가장풍부한원소이기지만, 지구중력의부족으로대기중구성비율은매우낮다 (IRS Global, 2017). 33) 부생수소는석유화학산업과제철산업에서주로발생한다. 석유화학공정중부생수소가발생하는대표적인공정은납사로부터에틸렌과프로필렌을생산하는납사분해공정과염소와가성소다를생산하는염소 - 알칼리 (CA) 공정이있다. 또한제철산업에서는철광석을환원하기위해코크스를사용하는데, 석탄을고온의가열로에서건류하여코크스를생산하는과정에서도다량의수소를포함하고있는 COG( 코크오븐가스 ) 가생산된다. 이러한부생수소는주로정 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 43

69 열화학적생산방식, 다양한방식으로생산된전기를활용하여물을전기분해 ( 수전해 ) 하는전기화학적생산방식, 광전기화학반응을이용한광학적생산방식, 바이오매스등에함유된수소를추출하는생물학적생산방식그리고압력순환흡착법으로대표되는물리적생산방식등이있다. 이러한다양한생산방식에도불구하고 2014년기준전세계적으로는전체생산량의 96% 가탄화수소계열의화석연료로부터열화학적생산방식으로추출되고있다. 그래서가장많이활용되고있는수소생산원료는단연천연가스로서전체원료중 49% 를차지하며, 액화석유가스 (LPG) 등이 29%, 석탄 18% 를차지하고있으며, 나머지 4% 를전기분해나부생가스가담당하고있다 (IHS Chemical, 2015). 한편이렇게생산된수소 ( 가스 ) 는전장에서살펴본연료전지의연료, 즉에너지원으로활용될뿐만아니라암모니아 34), 메탄올 35) 같은화합물의대량합성공정이나원유정제공정 36) 에투입되는등산업용원료로서도활용된다. 산업용원료로서의수소는다른물질이나중간재를 유공장에서발생한다. 정유공장에서는납사를방향족화합물로전환하는납사개질공정에서막대한양의수소가생산되지만그만한양의수소가수소첨가탈황공정과수소첨가분해공정에서소모돼, 수소를외부에공급할여력이부족하다. 또한정유공장에서는경우에따라서는부족한수소를공급하기위해별도로납사수증기개질공정을가동하거나외부에서수소를공급받기도한다 (IRS Global, 2017). 34) 비료의주성분인암모니아 (NH 3 ) 는기본적으로수소 - 질소화합물로서수소와질소합성을통해직접결합시키는공정인하버 - 보슈법을통해대량생산된다. 이과정에서질소는공기를저온에서분리하여얻지만, 수소는주로천연가스스팀개질을통해생산한다 (Shell, 2017). 35) 메탄올은일산화탄소의촉매수소화공정을통한합성으로대량생산된다 (Shell, 2017). 36) 석유정제공정에서의수소는주로촉매와함께석유 ( 반 ) 제품의탈황처리에사용된다. 이때석유 ( 반 ) 제품은수소와함께가열되고, 황과수소가결합해만들어진황화수소가배출된다. 한편생산수율을향상을위한장쇄탄화수소 (long-chain hydrocarbon) 를수소와촉매를통해단쇄탄화수소 (shorter-chain hydrocarbon) 로전환하는공정에사용되기한다 (Shell, 2017). 44

70 추가처리하거나정제하는과정에첨가되는방식으로활용되며, 이때 대부분원하는결과를얻기위해압력, 온도, 또는반응을촉진하는촉 매를통해특별한공정을거치게된다. 참고로전세계수소연간생산규모는 2014 년기준약 6,804 억 Nm 3 ( 약 6,120 만톤 ) 정도이며, 주로암모니아, 메탄올제조와원유정제공정 에가장많이사용되고있으며이외에도화학산업, 제철, 유화, 전자, 유 리산업등에서도다량소비되고있다. 이중가장많은비중을차지하 고있는것은암모니아로써세계전체소비양의 50.8% 를차지하고있 다. 그다음은원유정제공정으로 28.7% 를, 메탄올제조에는 13.6% 를 사용하고있다 (IHS Chemical, 2015). < 표 3-1> 전세계수소의주요용도별소비량 단위 : 백만 Nm 3 미국 서유럽 중국 일본 기타 전체 암모니아 22,822 22, ,063 2, , ,712 원유정제 59,007 20,674 25,858 10,007 79, ,988 메탄올 2,772 3,407 38,096-48,128 92,403 화학제품류 4,412 4,014 8,227 2,025 6,926 25,604 제철 544 1, ,420 4,009 유화 ,121 전자제품 유리 기타 4, , ,594 15,625 전체 94,583 51, ,080 14, , ,395 * 주 : Cyclohexane, Aniline, Hydrogen Peroxide, Caprolactam, Oxo Chemicals, Toluene Diisocyanate, Hexamethylenediamine, Adiic Acid 생산공정자료 : IHS Chemical (2015) 이로인해적어도사실상전량을산업용원료로소비되는수소산업 의관점에서수소전기차충전용수소시장은비중이매우적어, 중요도 가그리고높지않은파생시장정도로볼수있다. 다만, 수소전기차 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 45

71 보급확대가가속되어해당시장에서의수소수요가충분히증가하게 되면, 새로운판매처로서유의미한위상을갖게될것으로보인다. 다. 수소차충전용수소의이송수단이처럼다양한생산방식을활용하여생산된수소중일부가수소전기차충전을위해수소충전소로이송되게된다. 이때이용되는이송수단은생산된수소의성상에의조적일수밖에없다. stations [ 그림 3-3] 수소의형태에따른이송방식 자료 : 강병우외 (2016) 우선생산된수소를기체상태로이송할경우에는 180 bar 이상의 압력으로실린더내에압축되고, 이를적재한튜브트레일러 (tube 46

72 trailer) 를이용하여이송하게된다. 일반적으로현재활용되는튜브트레일러는소형튜브 (6m 또는 6.10m) 에서점보실린더 (11.5m 또는 m) 까지길이가다른 10-36개의고압실린더를적재할수있다 (Jaffery and Singh, 2017). [ 그림 3-4] 180bar급 type1형튜브 ( 수소저장용기 ) 자료 : ( 검색일 : ) [ 그림 3-5] 미국 Hexagon Composites 의 type4 형튜브트레일러 자료 : ( 검색일 : ) 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 47

73 국내에서는보통 180~200bar 수준의압력으로사용하는 type 1형튜브를적재한트레일러가사용되어왔다. 다만, 최근압력 450bar로압축하면서도소재는탄소섬유를사용한 type 4형튜브가개발되어출시되었다. 해당튜브가탄소섬유를사용하기때문에오히려튜브의중량이감소할수있는데, type 1형의중량이 31톤이었다면 type 4형이 20톤으로중량이 35% 축소된반면에, 적재량은 180kg에서 950kg 으로 5.2배증가하여, 1회에 1톤가까운양을저장 운반할수있게되었다 ( 수소융합얼라이언스추진단, 2018). [ 그림 3-6] type1형과 type4형튜브비교 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2018) 한편수소는 -253 에서과냉각되어액화된다 (Jaffery and Singh, 2017). 이렇게수소를액체상태로이송할경우, 듀어 (Dewar) 탱커트럭에적재하여이송하는데, 이트럭에는극저온액체를운반하도록압력상승을방지하기위해안전방출밸브과파열판등으록구성된절연듀어플라스크가장착되어있다 (Jaffery and Singh, 2017). 이러한탱커트럭에적재되어이송된수소는수소충전소에서액체상태로저장되거 48

74 나또는재기화장치를통해상온에서기화시켜저장및충전에이용할 수있다 (Jaffery and Singh, 2017). [ 그림 3-7] 액화수소초저온저장용기 ( 좌 ) 와액화수소탱커트럭 ( 우 ) 자료 : IRS Global(2017) 이밖에도주로원료용수소를정유공장이나석유화학공장으로이송하는수단인수소파이프라인이된다. 이러한파이프라인을통해공급된수소는일정한정제과정을거쳐수소충전소내에서압축되어저장되어사용된다. [ 그림 3-8] 울산지역수소파이프라인배관망 ( 덕양, 좌 ) 와수소파이프라인매설 사례 ( 우 ) 자료 : 수소융합얼러이언스추진단 (2018) 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 49

75 물론이러한파이프라인을활용하기위해서는파이프라인이사전에매설되어야하지만, 이경우상당한투자비용이발생한다는단점이있다 (Jaffery and Singh, 2017). 주로대규모수소생산시설에서도시교외지역에위치한대형수소충전소로대규모이송이요구될때활용을검토할수있는안으로사료된다. 이러한수소이송수단은앞서언급한바와같이주로중앙공급방식 (Off-site) 충전소에적용될수있다. 현장생산방식충전소의경우이처럼수소를직접이송하기보다는개질에필요한원료 ( 천연가스나 LPG) 를이송하거나전력망을통해수전해용전기를이송하는방식으로대체할수도있다. [ 그림 3-9] 수소충전소유형별이송수단 자료 : 구영모 (2017) 50

76 2. 국내수소차충전용수소시장의현황 가. 국내수소차충전용수소생산및공급자현황 국내수소생산규모는 2015년기준 190만톤이다 ( 수소융합얼라이언스추진단, 2018). 이중원유정제공정에서 74.9%, 석유화학제품생산을위한납사분해공정에서 12.9% 가생산되어국내수소의대부분 (87.8%) 은사실상석유로부터추출된다고볼수있다. [ 그림 3-10] 국내수소생산 공급구성현황 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2018) 또한염소 - 알카리 (Chlor-Alkali, CA) 37) 공정 (2.8%) 나제철공정 (0,4%) 37) 염소 - 알카리 (Chlor-Alkali, CA) 공정은소금물을전기분해하여수산화나트륨 (NaOH) 와 Cl 2 ( 염소 ) 를제조하는공정으로이과정에서수소가발생한다 ( QWxrYWxp&enc=utf8&section=kin&rank=1&search_sort=0&spq=1&pid=TpHPdwpySooss uf48kzssssssrk &sid=ryekrhvsh6r5iwuphvajhg%3d%3d, 검색일 : ). 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 51

77 까지포괄할경우수소자체를목적으로하는생산보다는타공정에서부수적으로생산되는소위 부생수소 가적어도현재까지는사실상국내생산수소의동의어라고해도과언이아닌수준이다. 반면수소자체를생산하는생산방식중국내에서유의미한생산하는방식은현재까지는아직천연가스개질공정 (6.4%) 정도라할수있다. [ 그림 3-11] 국내수소생산 공급사업의생산, 공급가치사슬현황 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2017) 그러나원유정제공정에서의생산된수소는다시정유공장내탈황공정등에재투입, 자체적으로사실상전량을소비하는관계로실제다른용도로사용되기위해외부로공급되는물량의비중은상대적으로적은것이현실이다. 대신석유화학공장의납사분해과정등에서발생한부생수소중일부나천연가스개질등을통해생산된수소가 52

78 주로정유공장밖으로공급되는데, 대략전체수소생산의 14% 정도인 26만톤 (2015년기준 ) 정도로추정된다. 그나마정유공장밖으로공급되어거래되는수소도주로납사분해공정에서발생한순도가낮은부생수소를수소공급사업자가공급받아순도를높이는정제공정 (PSA) 을통해고순도수소를생산하거나또는부족분이있을경우천연가스개질등의방식으로추가생산하여다시파이프라인을통해주요석유화학업체나정유공장에재투입하는방식으로석유화학단지내부에서상당량이활용된다. 이같은국내수소공급사업은주로 덕양, SPG, Air Liquide Korea, SDG 등소수의중소또는중견기업들이담당하고있다. 한편이러한국내수소생산의구조적특성으로인해, 대규모석유화학단지가위치한울산, 여수, 대산등이국내수소의주된산지로서, 해당 3개지역에서만국내전체생산량의 86.3% 인 164만톤 (2015년기준 ) 이생산되고있다. 이렇게석유화학단지내부에서순환되는수소중에서일부잉여물량이정유및석유화학업체밖으로나와전자소재업체나공업용가스업체등으로공급된다. 나. 국내수소차충전용수소이송체계현황 이렇게생산 공급되어유통되는국내산수소물량의 88% 인 22.9 만톤 (2015년기준 ) 은주로파이프라인을통해유통되고있다. 국내에구축된수소파이프라인의총연장길이는약 200km 정도로서, 앞서언급한바와같이대규모석유화학단지가위치한울산 (99km), 여수 (63km), 대산 서산 (13km) 등에집중되어있다. 이들 3개지역외에도안산, 군산등에소규모수소파이프라인이구축되어운영되고있다. 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 53

79 [ 그림 3-12] 국내수소파이프라인구축현황 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2018) 반면국내에운영중인튜브트레일러는약 500여대로추산되며, 이를통해이송되는수소공급물량은파이프라인이송물량의 13.5% 인 3.1만톤수준으로상대적으로미미하다. 현재주로사용되고있는수소저장용기인일반형튜브 ( type 1) 은강철재로서 200bar의압력으로약 180kg을저장 운반할수있다. 또한점보형튜브도사용되고있는데, 압력은 200bar로서일반형과동일하지만용기의크기를확대해수소를 340kg까지한번에적재할수있다. 한편국내에서는아직액화운송방식이활용되지않고있다. 다. 국내수소충전소운영사업 ( 수소차충전사업 ) 현황 앞서언급한바와같이 2017년말현재국내에누적보급된수소전기차는 170대수준이며, 이들에게충전용수소를공급할수소충전소역시상업적으로운영되고있는곳은단지 6개소이다. 그리고현재운영중인수소충전소는전적으로정부출자금 ( 국비 15억원 + 지방비 15 억원 ) 으로설치되고대부분지방자치단체가직접운영을담당하고있 54

80 다. 이로인해국내에는경제적수익창출을목적으로하는수소충전소운영사업자, 곧수소차충전사업자는적어도 2017년현재까지는존재하지않는다고보는것이타당하다. 다만, 최근이러한국내수소수소차충전사업의현실에변화의조짐도있다. 사실지금까지와같이수소충전소구축에필요한재원을운영에제한적인정부예산에의존하는방식으로는정부가계획하고있는보급목표달성에한계가있을수밖에없다. 되도록민간자본투자를유도하여민간수소차충전용수소시장을구축, 시장주도형충전인프라구축을도모하는방안이보다효과적일수있다. 이러한점을감안하여정부 ( 국토교통부 ) 는 2017년 2월 친환경차충전인프라구축방안 을통해민간에도로휴게소운영권을보장해주는대신휴게소와함께수소충전소포함친환경차충전소를동시에구축하는 복합휴게소 개념을제시하였다 ( 장성혁, 2017a). [ 그림 3-13] 친환경차충전인프라구축방안 상의복합휴게소개념도 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2017) 제시된복합휴게소계획안은 2025년까지총 200개복합휴게소를설치를통해사실상 200개의수소충전소가구축되는효과를기대할수있다 ( 장성혁, 2017a). 더욱이복합휴게소계획안이아직보급초기단계인전기차나수소전기차등의충전소운영에서발생할수있는적자를휴게소상업시설의운영수익으로보전할수있는수익모델에기반하며 ( 장성 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 55

81 혁, 2017a), 구축재원을정부예산만이아닌민간자본투자유인을통해 달성을시도한다는점에서기존전략에비해진일보했다고평가된다. 물 론고속도로휴게소운영사업이해관계자들의반발과복합휴게소규모 가기존고속도로휴게소의약 1/10 수준인간이휴게소 38) 라는점과함 께, 대상지가고속도로만아니라국도, 순환도로등기타도로라는점등 으로인한실효성논란 ( 장성혁, 2017a) 이있어아직실행에어려움을겪 고있는것이사실이다. 그러나수소충전소운영의새로운수익모델이 연계된수소충전소구축전략이제시되었다는점에서향후수소차충전 사업창출에긍정적인영향을미칠수있을것으로사료된다. 더욱이 2017 년 12 월 29 일개정되어 2018 년부터시행에들어간 친환 경자동차법 제 8 조와 친환경자동차법시행령 제 17 조등을통해수소생 산, 공급, 판매와함께수소충전소운영사업자 ( 수소차충전사업자 ) 를대상 으로한정부지원이가능하도록하는법적근거도마련되었다. 해당개정 으로수소충전소운영사업자 ( 수소차충전사업자 ) 를대상으로수소충전소 설치비 ( 의융자또는융자알선 ) 이나설치부지 ( 의제공및알선 ), 또는그 밖에지원에필요한것으로산업통상자원부장관및환경부장관이공동으 로정하여고시한사항등을정부가지원할수있도록규정하였다. 이에따라환경부는올해부터시행하게될 수소연료전지차충전소설 치민간자본보조사업 을통해 2018 년구축예정인수소충전소 10 개소 중 3 개소를대상으로정부지원금 (15 억원 ) 과민간투자금 (15 억원 ) 을 50:50 의매칭펀드형식으로지원하는방안을공표한바있다. 정부지원을일부 받아수소충전소를구축한사업자는의무적으로해당충전소를 3 년간운 38) 국토부가제시한예시도면상총부지면적 2,000~3,000 ( 약 605~907 평 ) 내에융 복합충전소와주차장, 근린생활시설로복합휴게소가구성되어있어화장실, 편의점, 분식형태의식당만정도만이설치될수있는간이휴게소수준으로평가된다 ( 장성혁, 2017a). 56

82 영해야한다는단서조항도추가함과동시에대상사업자를대기업이아닌중소, 중견기업으로제한함으로서, 중소, 중견기업을수소충전소운영사업자 ( 수소차충전사업자 ) 로육성하기위한정책적 착수 ( ) 는이미이루어졌다고평가된다. 그리고실제민간수소충전소운영사업자 ( 수소차충전사업자 ) 의등장이이미가시권안에들어온것으로보인다. 이와관련하여 2016년 8월정부 ( 산업통상자원부 ) 와지방자치단체, 한국가스공사, 현대자동차를비롯하여주요지자체, 수소차부품업체, 수소제조유통업체, 수소충전소설치업체등 42개의회원사가참여하는민관협의체인 수소융합얼라이언스 가발족되었으며 (IRS Global, 2017), 그상설기구인 수소융합얼라이언스추진단 ( 이하추진단 ) 도 2017년 2월출범하였다 ( 조규정, 2017b). 수소융합얼라이언스 및추진단이추구하는주된목표는정부지원과함께민간투자금을유치하여수소충전소를구축하고, 이를운영할수소충전소운영사업특수목적법인 (Special Purpose Company) 의구성이라할수있다. 이와관련하여추진단은 2017년 3월특수목적법인설립준비위원회을구성, 향후설립될법인의사업방향을결정한바있다 ( 이종수, 2018). 이에따라 2022년까지특수목적법인은정부 ( 환경부 ) 의보급목표를고려하여, 현재충전소구축된지역 ( 울산, 광주, 창원, 충남 ) 과향후수소차보급이용이한대도시 ( 서울, 경기, 부산, 인천, 대전, 대구등 ) 중심으로신규수소충전소를 80개소를구축하며, 이를향후 10년간운영할계획이다 ( 이종수, 2018). 만일현재이미구축되어있거나향후구축예정인지방자치단체운영수소충전소까지위탁운영이가능해진다면, 해당시장에서주도적인민간사업자로서, 수소차충전용수소시장의조성에마중물역할을할수있을것으로기대된다. 제 3 장수소차충전용수소시장의구조와현황 57

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84 제 4 장수소차충전용수소시장조성을위한정책제언 1. 국내수소차충전용수소시장조성을위한정책적니즈 (needs) 가. 개관 전술한바와같이, 2017년 12월부터제3세대수소전기버스가시범사업차원에서울산시내노선버스정규노선에투입되었으며, 2018년 2월에는국내최초로일반소비자대상보급형수소전기차모델 ( 승용차, 모델명 : 넥쏘 ) 도출시되었다. 이로인해 2018년은수소전기차는그동안의시험생산내지소량생산단계를넘어서본격적인대중화의단계로들어서는초입 ( ) 에도달하였다. 이러한수소전기차에대해정부도여러차례보급 확산의지를표명한바있으며, 2017년 12월기준 170대보급된수소전기차를 2020 년까지는 1만대, 2025년 10만대그리고 2030년까지 63만대를 ( 누적 ) 보급함으로서수소전기차의신차판매비중을 10% 수준으로끌어올리겠다는장기적목표아래관련지원정책을추지해나아가고있다. 비록정부의정책적지원아래경쟁력있는차량모델이양산될지라도수소전기차보급 확산을위해서는수소전기차에수소충전서비스를제공할수소충전소도함께구축및운영되어야함은두말할필요가없다. 그러나대중화진입을앞둔수소전기차를지원할국내수소충전소는매우부족한것이또한현실이다, 2017년 10월기준구축되어운영중인수소충전소는 12개소이며, 이중일반수소전기차이용자에게개방되어접근가능한상업용충전소는고작 6개소에불과하다. 현재 제 4 장수소차충전용수소시장조성을위한정책제언 59

85 건설중인충전소를포함 2018년말까지는 16개소가추가구축될예정이지만아직턱없이부족하기는마찬가지이다. 물론향후정부의수소충전소보급목표에따라 2020년 80개소, 2025년 210개소그리고 2030년까지 520개소 ( 누적 ) 가구축될계획이며, 이러한계획이달성된다면수소전기차보급을저해하는수소충전소부족문제도일정정도는완화될수있을것으로사료된다. 그러나이러한정부의수소충전소보급정책은물리적인프라인충전소자체의설치에국한된다. 수소충전소인프라가구축되었다고하더라도이를제대로지속가능하게운영하기위해서는수소충전소를기반으로한수소충전소운영사업 ( 즉, 수소차충전사업 ) 도함께육성되어그기능을수행할수있어야한다. 또한이러한수소충전소운영사업이단독으로영위할수없는바, 이와관련된사업들이어우러진건강한수소차충전용수소시장의조성이필요하다. 다시말해수소전기차보급은물리적인인프라인수소충전소와이를운영하기위한수소충전소운영사업의육성, 그리고더나아가수소차충전용수소시장의조성이전제되어야한다. 결국궁극적으로는수소전기차시장과수소차충전용수소시장은공진화 ( ) 할수밖에없다. 이때문에수소차- 충전용수소시장의공진화적발전을위한중장기적정책지원이필요하며, 정부도이에대한필요성을인식, 정부차원의노력을기울일필요가있다. 본연구는이러한견지에서국내수소차충전용수소시장을진단, 평가해보고수소차충전용수소시장의조성및육성을위해요구되는정책적니즈 (needs) 를도출하고자한다. 60

86 나. 수소차충전용수소의상류부문 ( 생산및공급부문 ) 수소가새로운에너지원, 즉신에너지로분류되지만, 사실수소를기반으로한수소산업자체는이미일정정도규모의시장을형성한성숙된산업이다. 앞서살펴본바와같이국내수소시장내수소공급부문은 덕양, SPG, Air Liquide Korea, SDG 등소수의중소또는중견기업들로구성되어있으며, 주로대규모석유화학단지를중심으로정유공장이나석유화학공장등에서부산물로발생하는부생수소와함께일부천연가스개질을통해생산된수소를석유화학단지를중심으로그내부에서순환, 유통하는방식으로운영되어왔다. 사실현재 2017년 12월기준 170대의수소전기차에수소충전서비스를제공하는 6개소의수소충전소에서소요되는충전용수소의양은국내전체수소공급량에비하면, 사실상유의미하지않을정도로미미한것이현실이다. [ 그림 4-1] 수소전기차보급목표에따른충전용수소수요량전망 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2018) 제 4 장수소차충전용수소시장조성을위한정책제언 61

87 다만, 정부의정책적의지가반영된보급목표가달성됨을전제할경우, 향후충전용수소시장의조성가능성도열려있다. 만일현행보급로드맵에따라수소전기차를 2025년까지 10만대 ( 누적 ), 2030년까지 64만대 ( 누적 ) 보급목표가달성된다면, 이를충전하기위해 2025년에는 26만톤, 2030년에는 16.8만톤정도의수소가요구될것으로전망된다 ( 수소융합얼라이언스추진단, 2018). 그럼에도불구하고이처럼증가가예상되는충전용수소수요역시현수준의공급역량으로도충당이가능하다. 울산, 여수, 대산등국내대규모석유화학단지내에서수소생산능력은 2015년기준 204만톤에이른다. 그러나실제생산된수소는 164만톤으로최대약 40만톤이상의여유생산능력을보유하고있다. 만일 2030년까지정부의보급목표가달성되어 16.8만톤정도의충전용수소공급이추가적으로요구된다고하더라도현생산시설에추가적인증설투자없이도이를충분히충당할수있게된다 ( 수소융합얼라이언스추진단, 2018). [ 그림 4-2] 국내주요석유화학단지내수소여유생산능력 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2018) 62

88 결국기존수소시장에서파생된수소차충전용수소시장이조성되 어수소가생산, 공급되는데큰문제가없을것으로사료된다. 다. 수소차충전용수소의중류부문 비록 2015년기준국내수소유통물량중 88%(22.9만톤 ) 가수소파이프라인으로이송됨에도불구하고, 수소충전소에대한이송은주로튜브트레일러가담당하고있다. 현재국내에운영중인튜브트레일러는약 500여대로추산되는데, 수소저장용기인튜브 (tube) 는주로수소공급사업자들이직접소유하고있는경우가대부분이며, 이를물류회사와운송계약을맺고, 물류회사소유의트레일러에적재하여이송하게하게된다. [ 그림 4-3] 튜브트레일러를활용한충전용수소이송방식의구조 자료 : 수소융합얼라이언스추진단 (2018), 저자일부수정 현재수소공급사업자가수소충전소로수소공급을위한이송은튜브와관련하여두가지옵션이사용되는데, 먼저수소공급사업자소유의튜브를충전소에대여해주는형식으로수소와함께제공하는경우와충전소가직접튜브를조달하여해당튜브에수소만담아서제 제 4 장수소차충전용수소시장조성을위한정책제언 63

89 공하는경우가그것이다. 전자의경우에는충전용수소의공급가격 39) 에튜브임대비가포함되어정산되지만, 후자의경우는자연스럽게이러한튜브임대비가제외되는구조이다. 이러한구조하에서는수소충전소로공급되는일종의도매수소공급비용을절감하는차원에서튜브를수소충전소가소유하거나혹은이를저렴한비용으로임대하는제3의기관이나기업이시장에존재하는것이수소전기차보급 확산및충전용수소시장의육성에보다바람직할수있다. 라. 수소차충전용수소의하류부문 ( 수소충전소운영사업 ) 마치 닭이먼저이냐달걀이먼저이랴 와같은순환적인과관계로 인한딜레마상황과같이, 수소전기차보급 확산을위해서는수소충 전소가필요하지만, 또한반대로수소충전소구축및운영확대를위 해서도역시수소전기차보급 확산이필요하다. 보통 닭과달걀 (chicken and egg) 문제로지칭되는딜레마로인해, 수소전기차와수 소전기차충전소가상호보완재적인성격때문에발생하는현상으로 서, 결국두재화의보급 확산은상호간간접적인네트워크 (indirect network) 효과 40) 로인한선순환구조가형성되게된다 ( 이승문 김재 39) 참고로 2017 년 7 월기준충남수소충전소는 7,150 원 /kg, 창원수소충전소는 6,910 원 /kg, 울산수소충전소는 5,500 원 /kg 에공급사업자로부터충전용수소를공급받고있다. 반면강원도내구축중인수소충전소의경우수소공급사업자들이제시하고있는예상공급가격이 1 만원 /kg 이상인것으로알려져있다 ( 수소융합얼라이언스추진단, 2018). 40) 네트워크효과란어떤상품이나서비스를사용하는사람들이많아질수록그상품이나서비스의보급속도가증가하고가치가올라가는것을의미한다. 수소전기차와수소충전소성호간간접적네트워크효과란수소전기차보급, 확산이수소충전소보급에긍정적영향을미치고수소충전소보급의확대는수소전기차보급증가에긍정적영향을미치는선순환구조자체를의미하게된다 ( 이승문 김재경, 2016). 64

90 경, 2016). 그러나이러한 닭과달걀 (chicken and egg) 문제로인해수소전기차나수소충전소중어느한쪽이부족할경우에는상호간보급 확산의저해하는요인을작용하는악순환구조로도얼마든지전환될수있다. 이러한 닭과달걀 (chicken and egg) 문제해결을위해서적어도손익분기점에도달할수있을정도로수소전기차가충분히보급되기이전까지는한시적으로정부등공공부문에서공적재원을활용하여충분한수소충전소를구축하는것이바람직할수있다. 그러나활용및확보에제약이있는정부예산만으로충분한재원확보가한계가있음을고려한다면, 민간수소충전소운영사업자를육성하여민간투자를유도하는방안이유효할수있다. 그러나앞서언급한바와같이 2017년현재국내에누적보급된수소전기차는 170대수준이며, 이들에게충전용수소를공급할수소충전소역시상업적으로운영되고있는곳은단지 6개소이다. 그리고이들수소충전소는대부분지방자치단체가직접운영을담당하고있다. 이로인해국내에는경제적수익창출을목적으로하는수소충전소운영사업자는적어도 2017년현재까지는존재하지않는다. 다만, 현재민관합자투자회사형식으로설립이예정된수소충전소운영사업특수목적법인 (SPC) 이한시적으로국내유일한민간수소충전소운영사업자 ( 수소차충전사업자 ) 의역할을하게될것으로보인다. 그리고이미구축되어있거나향후구축예정인지방자치단체운영수소충전소까지위탁운영이해당특수목저적법인담당할경우, 수소차충전용수소시장의조성에마중물역할을하게될것으로보인다. 이처럼민간충전수소운영사업자 ( 수소차충전사업자 ) 가충전소구축과함께운영을담당하게될경우, 일정임계수준이상, 즉손익분 제 4 장수소차충전용수소시장조성을위한정책제언 65

91 기점이상으로수소전기차가보급되기이전에는저조한가동률로인해, 운영손실이불가피하다. IEA(2015) 는이처럼보급초기단계에서충전수요부족등으로수소충전소의운영손실이불가피한기간을대략 10~15년정도로보고, 이기간을소위 죽음의계곡 (Valley of Death) 로명명한바있다. 그리고이러한죽음의계곡을극복하는방안으로서투자비용및운영비용절감, 가동률제고와함께공적지원이필요함을주장한바있다. [ 그림 4-4] 보급초기단계에서의수소충전소연간현금흐름구조개념도 자료 : IEA (2015), 저자일부수정 결국민간수소충전소운영사업자를육성하는한편수소충전소구축에대한민간투자를유도하는차원에서, 정부등공공부문에서공적재원을활용하여수소충전소운영자체를한시적으로지원하는방안마련이필요하다. 66

92 2. 국내수소차충전용수소시장조정을위한정책제언 가. 충전용수소소매가격 ( 수소충전요금 ) 에대한한시적보조 민간수소충전소운영사업자가소위죽음의계곡을극복하기위해서는해당기간동안을지탱할수있도록일정정도의수익창출을통한현금흐름확보가필요하다. 이를위해서는우선고려될수있는방안은가동률저조로인해발생할수밖에없는운영손실분중전부내지일부를수소전기차이용자에게전가하는방안이있을수있다. 이경우자연스럽게충전용수소의소매가격, 즉수소충전요금의인상이불가피해진다. 그러나이경우수소전기차보급에장애가발생할수있다. 일반적으로수소전기차등친환경자동차구매자들은다른요소보다연료비에민감한것으로알려져있다. 가령한국에너지공단 (2017) 은전기차구매자들의절반가량은구입결정시연료비절감가능성을제일중요하게고려하고있다는사실을밝힌바있다 ([ 그림 4-5] 참조 ). [ 그림 4-5] 전기자동차구입결정요인 (450명중응답비중 (%)) 자료 : 한국에너지공단 (2017) 제 4 장수소차충전용수소시장조성을위한정책제언 67

93 물론앞서언급한바와같이현재까지는수익을목적으로한수소충전소운영사업자체가부재한관계로, 지방자치단체운영수소충전소는충전용수소를무상으로제공하고있다. 이로인해실제수소충전요금이어느정도수준인지정확하게파악하기는현단계에서는사실상어렵다. 다만, 수소공급사업자로부터충전용수소를공급받는지역별평균 ( 도매 ) 가격은 2017년 7월기준충남지역이 7,150원 /kg, 창원 6,910원 /kg, 울산 5,500원 /kg 수준으로알려져있다 ( 수소융합얼라이언스추진단, 2018). [ 그림 4-6] 에너지원별차종간단위거리당연료비용비교 자료 : 수소융합얼라인언스추진단 (2018) 수소전기차가보급되기위해서, 즉자동차소비자들에게수용되기위해 서는적어도수소전기차와대체관계에있는유사내지동급차종, 특히 경유자동차의연료비용보다는충분히낮은수준이되도록수소충전요금 68

94 이설정될필요가있다. 다시말해충전소설치투자비용회수나운영비용보전등을고려하여수소충전요금이대략 8,000원 /kg 수준을넘어설경우, 자동차소비자에게수소전기차구입을통한연료비절감의편익을제공함으로써수소전기차구매를유도하기는사실상어렵게된다. 이처럼수소충전소운영사업자의운영손실보전의필요성과저렴한수소충전요금을원하는수소전기차이용자들의요구를모두충족시키기위해서본연구는충전용수소소매가격 ( 수소충전요금 ) 의일부를한시적으로보조해주는방안을제안하고자한다. 우선수소충전소운영사업자는손익분기점에도달하기까지사업을영위할수있는최소한도의수준에서운영손실분의일부내지는전부를수소전기차이용자에게전가시킬수있도록충전용수소소매가격 ( 수소충전요금 ) 을설정한다. 수소전기차이용자는설정된소매가격에충전용수소를구매하는대신, 정부가구매금액의일부, 특히운영손실분중이용자에게전가된부분만큼을산정하여공적재원을활용하여보전해주는가칭 수소차충전보조금 을수소전기차이용자에게지원하는방안을제안하고자한다. 구체적인적용방법은현재 화물자동차운수사업법 제43조제2항에따른화물자동차, 여객자동차운수사업법 제50조제4항에따른버스및택시등에지급되는유가보조금지급방식을준용할수있다. 현재화물자동차나버스, 택시등은 2001년단행된제1차에너지세제개편에따라유류에부과되는세금등의인상액에상당한금액의전부또는일부를보조해주는유류세 ( 연동 ) 보조금을지급받고있다. 이에본연구는이를준용하여다음과같은지급방식을제안한다. 먼저수소전기차이용자 ( 차주 ) 가차량에카드협약사가발급하는 제 4 장수소차충전용수소시장조성을위한정책제언 69

95 RFID(Radio-Frequency IDentification) 태그가내장된카드를부착하고, 수소충전소에설치된 RFID 리더기를통해차량여부를인식하고충전내역을충전량확인시스템을통해 수소충전보조금관리시스템 에전송하게된다. 충전이완료되면수소전기차이용자 ( 차주 ) 는카드협약사에서발급한 수소충전카드 로충전요금을결제하게되며, 이때충전량및충전요금등의거래내역등의정보가 수소충전보조금관리시스템 에전송된다. 이후카드협약사는 수소충전카드 대금결제일에보조금액을제외한금액을수소전기차이용자에게청구하며, 보조금액은따로정부 ( 관할관청 ) 의보조금관리시스템에청구하여지급받는방식을활용할수있다. 이러한수소차충전보조금제도를도입할경우수소충전소운영사업자가실제수취하는금액과수소전기차이용자가실제부담하는금액간에차이가발생하게되면서, 전자는운영손실보전을후자는저렴한충전요금부담이라는혜택을쌍방간에동시에누릴수있게된다. 물론수소차충전보조금의규모나단가그리고지급기간등에대해서는추가적인연구와심도있는논의가필요하지만, 이미시행된사례가있다는점등을고려한다면충분히적용이가능하다고사료된다. 나. 충전용수소대리점설립추진 민간수소충전소운영사업자가소위죽음의계곡을극복하기위한다른방편으로충전용수소를충전소에들여올때발생하는제반비용 (= 도매공급가격 + 기타비용 ) 을절감하는방안도고려할수있다. 특히앞서언급한바와같이수소공급사업자가수소충전소로수소를공급, 이송하는과정에서발생하는튜브임대비용은튜브소유를통해일정 70

96 정도내부화가가능하다. 그러나튜브구입에투자되어야할비용을고려할경우, 가능하다면몇개소의수소충전소만을위해활용하기보다다수의수소충전소로구성된수소충전소네트워크를구성하여활용하는편이규모의경제효과를누려운영단가를낮출수있다는점에서보다바람직할수있다. 그러나구축비용만 30억이상이소요되는수소충전소들로네트워크를구성하기위해서는그자체만으로도상당한재원확보가필요하다. 이러한점을감안하여본연구는 충전용수소대리점 설립추진을제안하고자한다. 본연구에서제안하는충전용수소대리점과유사한기능을하는사례로서석유대리점이있다. 석유대리점은석유제품을판매하는도소매유류판매사업자의지위를갖고있으며, 정유사와수입사또는다른대리점으로부터대량으로석유제품을공급받아이를저장하고수송하여주유소 ( 일반판매소 ) 나실수요자에게판매하는역할을수행한다. 보통석유대리점은정유사가자사직영주유소나자영주유소에공급하는공급가격보다낮은가격으로석유제품을대량구입하여거래처 ( 주유소 ) 에저렴하게공급하는기능을수행한다 ( 김상환, 2018). [ 그림 4-7] 석유대리점의역할과기능 자료 : 김상환 (2018) 제 4 장수소차충전용수소시장조성을위한정책제언 71