신 재생에너지원별기술동향 제 1 절수소에너지 한국에너지기술연구원수소연구실책임연구원김종원 전미래창조부 21 세기프론티어사업 21 세기수소에너지사업단장 1. 개요 수소는우주에서는가장많은원소이지만, 지구상에서는수소단독으로는거의존재하지않고, 물, 천연가스등의화합물형태로존재하기때문에이러한물질에서추출해내야한다. 수소자체는무독성, 무색, 무취의가스이며, 전기와마찬가지로에너지원이아닌에너지캐리어이다. 기존화석연료외에재생에너지를비롯한다양한원료를이용하여청정한에너지매체인수소를만들어냄으로써환경오염문제, 에너지자원의지역적인편중으로인한수급불안문제및에너지자원의고갈을동시에해결할수있다는가능성때문에, 1973 년 1차석유위기를겪은이후 지속가능한수소경제사회 에대한논의가시작되었다. 1974 년국제에너지기구 (IEA) 가탄생되었고, 1977년수소이행협정 (IEA-HIA) 을출범시켜탈석유시대를추구하기위한수소의잠재력을점검하는계기를만들었다. 특히, 21 세기들어화석연료고갈과지구환경문제가심각한문제로대두됨에따라미국의주도로수소경제진입을위한국가비전을내걸고, 국제조직인 IPHE 1) 를출범시키는 1) IPHE- 국제수소연료전지파트너십 (Partnership for International Hydrogen and Fuel Cells in the Economy, www.iphe.net ) 은수소및연료전지관련기술개발, 표준화, 정책기준및정보교환등을촉진하기위한국제협력체제구축을목표로 2003 년에미국을중심으로제창, 결성되었다. 2014 년 10 월현재, 오스트레일리아, 브라질, 캐나다, 중국, 유럽위원회, 프랑스, 독일, 아이슬란드, 인도, 이탈리아, 일본, 대한민국, 뉴질랜드, 노르웨이, 러시아, 남아프리카공화국, 영국, 미국, 제 1 절수소에너지 197
등, 세계각국들도앞다투어수소관련기술개발프로그램을추진하였다. 미래지향적이며원천기술개발측면이강한수소에너지기술은요소, 시스템및응용기술을연계하는장기적인개발이필요하여일찍부터우주개발에나선선진국이우위를점하고있다. 역사적으로보면, 이미 1세기넘게수소에너지기술이이용되어왔고지금도세계적으로매년 5천만톤의산업용수소를사용하고있지만, 천연가스, 나프타등의화석연료로부터생산되는것이대부분 (95%) 이다. 따라서이러한방식으로는기존의화석연료가가지고있는문제점을그대로내재하고있어, 재생에너지기반의수소생산기술의필요성이강조되어왔다. 하지만, 전체적인수소생산 -이용경로를볼때, 수소를화석연료로부터생산해도연료전지의고효율로환경보전과화석연료절감효과를기대할수있다. 궁극적으로는수소를지속가능한방법으로제조하고, 저장, 수송및효율적이용기술을연계시켜수소사회로진입하자는것은인류가가진목표이자꿈이다. 기존탄소기반의경제체제에서수소기반의경제체제로전환된다는것은단순한에너지시스템의변화뿐만아니라경제, 사회, 문화전반에걸친패러다임의변화를동반하는것을의미한다. 우리나라는세계 10위의에너지소비국이면서도해외에너지원에대한의존율이 97% 에이르고있어, 에너지자립에기여할지속가능한수소제조방법, 저장및수송분야의핵심기술등수소에너지기술개발은지속적으로이루어져야할것이다. 2. 국내 외시장동향현재의수소시장규모는산업용유통량만으로도세계시장 208억 $( 자체소비량 230 억 $ 를포함하면총 438 억 $ 2), 국내는적어도 6,000억원수준 3) 이며, 산업용수소는석유화학산업, 전자, 재료, 반도체제조공업, 제철공업및우주항공산업등에서꾸준한수요증가를보여왔다. 향후선진국들의온실가스감축의무이행에따른수소연오스트리아등이참여하고있다. 2) http://www.h2journal.com/displaynews.php?newsid=397&phpsessid=oiscragp3407l3k 43ofe8f8ko4 3) 시중유통량 21만톤, kg당 3000~4000원수준기준 료전지자동차및연료전지의보급등이이루어진다면, 이에따라에너지용도의수소사용량이급증할것이다. 현재는수소원으로화석연료에의존하고있으나, 수소제조기술분야의원천기술개발및화석연료의공급부족, 청정에너지필요성등으로 21세기중반쯤에는지속가능한수소제조기술의경제성이확보될것으로예측하고있다. 에너지로서의수소의수요는연료전지자동차나포크리프트, 무정전전원장치 (UPS) 등순수한수소를사용하는연료전지의상용화보급에달려있다. 2016 년에개정된수소연료전지전략로드맵에따르면 2025 년도까지 20만대를목표 ( 초기의 1/10 수준으로하향 ) 로하고있다. 또한동년도의수소스테이션보급목표도 320 기로수정하여제시하였다. 대당연간주행거리 1만km, 1kg 수소로 100km 주행이가능하다는가정으로보면 2025년의예상수소수요는일본의경우 2만톤 / 년이다. 수소를저장할용기나압축기, 수소검지기에대한수요도자동차보급이나인프라확대에따라늘어날것이다. 미래의수소연료전지세계시장전망에대해서는다양한기관들이내놓은바있지만, 발표시기나기관에따라그차이는매우크다. 미국의파이크리서치사에서는연료전지자동차의 2020년누적판매대수가 280 만대에이를것으로예측한바있다. 4) 예측내용을보면, 2014~2020년까지의판매대수는서부유럽이 37%, 아시아태평양지역이 36%, 북아메리카지역이 25% 를차지할것으로보았으며, 판매수익도 2020 년에는매년 2,390 억달러에이를것으로예측했다. 파이크리서치사는수소스테이션에대한예측보고서 5) 에서도, 2020년경에 5,200개소이상의수소스테이션이운영이될것으로전망하고있으며, 수소스테이션에대한투자도연간 16억달러로 10년간총 84억달러에이르고, 수송용수소수요는 2010 년 775 톤에서 2020년에는 41.8 만톤에이를것으로추산하였다. 이들의분석에따르면, 2020년의수소수요는포크리프트가기여하여전체시장의 36% 를차지할것이며, 승용차가 33%, UPS 전원공급용으로 27% 를차지할것으로보았다. 리서치앤마켓에서는 2014 년 9월보고서에서, 수소생산시장이청정에너지를요구하는수요에따라연평균성장률 5.9% 라는가정하에, 2019 년에는 1,382 억달러에이를것이라고추산하였다. 6) 대부분의수소제조사는국제적으로확장해나가기위해 4) http://www.pikeresearch.com/newsroom/fuel-cell-vehicle-sales-to-total-2-8- million-by-2020 5) http://www.pikeresearch.com/newsroom/more-than-5200-hydrogen-fueling-stationsto-be-operational-by-2020 6) http://www.researchandmarkets.com/research/7jspbh/hydrogen 198 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 199
공급계약에주로의존하는데, 화석연료에비교하여수소생산비용의증가, 적정한수송및분배체계의부족등의이유로실패했을때산업체가갖는리스크는크기때문이다. 수소스테이션등시장확대를위한리스크비용분담이민관이합의되지않으면인프라구축이어렵다. 연료전지시장의확대는일부수소의시장과밀접한관련이있다. 리서치앤마켓은 2019 년연료전지시장을 52억달러에이를것으로보았다. 7) 우리나라의경우, 2010 년 12월, 범정부차원의그린카발전로드맵을지식경제부 ( 현산업통상자원부 ), 환경부, 국토해양부및녹색성장위원회가공동으로마련하여당시김황식국무총리주재로열린제10 차녹색성장위원회보고대회 8) 에서수소스테이션과연료전지차량의양산과보급을위한지원책을발표했다. 수소스테이션의그린벨트내건립은 2014 년 9월 3일제 2차규제개혁장관회의에서 그린벨트내에설치할수있는시설로 수소연료공급시설 을추가하되부지면적을 3,300 m2이하로한다. 9) 고심의의결하였다. 2015 년 12월 8일발표된제3차환경친화자동차개발및보급기본계획 (2016~2020) 에서, 환경친화적자동차를기후변화대응의핵심수단이자우리자동차산업의새로운성장모멘텀으로활용하기위한안을확정했다. 10) 2-1. 국내수소생산및유통량과수소제조방식 1) 수소제조기술의분류수소제조법의분류기준은원료, 공정, 제조장소등여러관점이있지만, 기술적측면, 실용화정도, 에너지 ^환경문제의해결측면을고려하여, 제조원료로서화석연료사용여부에따라 < 표 3/2/1-1> 과같이구별하였다. 화석연료를이용한공정은상용화되었으며수증기개질, 이산화탄소개질, 부분산화법, 자열개질, 직접분해법등이있다. 그리고물을원료로한, 전기분해, 열화학, 광화학적, 생물학적제조방법은물전기분해기술을제외하고는대부분연구단계수준에머물고있다. 7) http://www.researchandmarkets.com/research/zx8zzc/fuel_cell 8) http://www.korea.kr/policy/pressreleaseview.do?newsid=155705250 9) 월간 i-gas 저널, 183호, p55 (2014.10) 10) 2015.128 일자산업통상자원부보도자료 ( 자동차항공과 ) < 표 3/2/1-1> 수소생산기술의분류 구분방법원료에너지원기술수준 화석연료이용 비화석연료이용 수증기개질천연가스, LPG, 나프타열상용 이산화탄소개질천연가스열 - 부분산화중질유, 석탄열상용 자열개질천연가스, LPG, 나프타열상용 직접분해천연가스열상용 전기분해물전기상용 열화학분해물고온열 ( 원자력, 태양열 ) 연구중 생물학적분해물또는바이오매스열, 미생물연구중 광화학적분해물태양광연구중 (1) 화석연료개질기술 수소는세계적으로 96% 를화석연료에서얻고있으며, 석탄및경유는부분산화법, 나프타는수증기개질, 천연가스의경우수증기개질, 부분산화자열개질법이이용된 다. CO2 분리와처리및저장을고려하지않는다면, 천연가스를이용한수증기개질 공정이세계적으로가장경제적인대량수소제조법이다. ( 가 ) 수증기촉매개질공정 (SMR, Steam Methane Reforming) SMR 공정은메탄에수증기를넣어 Ni 계촉매상에서분해반응을일으키는공정이 다. 생성물중에 CO2 의생성비가낮고일정량의탄화수소로부터더많은양의수소를 얻을수있다는장점이있지만공정온도가 750 전후로높아에너지소비가많다는 단점을가지고있다. CH4 + H2O CO + 3H2 ( 식 1) 국내에서는석유화학공정에필요한수소의대부분을나프타분해방식으로생산하 며, 2014 년부터는천연가스또는 LPG 개질방식이도입되었고, 프로판탈수소화, 소금 물전기분해, 제철소코크오븐가스 (Coke-Oven Gas) 정제등의방식등으로도일부 생산되고있다. 화학공업에서는공장자체에서소요되는수소를충당하기위하여나프타개질공 정을가지고있는경우가많고, 잉여분은유통망을통해시장에서판매되고있다. 200 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 201
( 나 ) 프로판탈수소화 프로판탈수소공정 (PDH, Propane Dehydrogenation) 은프로필렌생산이주목적이며, 수소가부생한다. C3H8 C3H6 + H2 Propane Propylene Hydrogen ( 식 2) 우리나라에서유통되는수소중대략 5% 정도가이와같은방식으로생산되며, 2016 년초상업가동될연산 60 만톤의프로필렌을생산하는 SK 어드밴스드울산 PDH 공장이가동되면, 연간 3 만톤규모의수소가추가로발생될것으로추산된다. ( 다 ) 소금물전기분해법 식염전해법에의한가성소다제조반응에서는양극에서염소가스, 음극에서는가 성소다가만들어짐과동시에수소가스가발생한다. 2 NaCl + 2 H2O 2 NaOH + Cl2 + H2 ( 식 3) 양극에서염소이온이산화되어염소가발생하고, 선택적이온분리막은 Na + 는통 과시키지만, OH -, Cl - 는통과하지못한다. 음극에서는물이 OH -, H + 로나뉘고 NaOH 와수소가발생된다. 반응식에서질량비율로본다면가성소다 80 에대해서 2( 즉, 가성소다 1 톤당 280 m3 ) 의수소가발생되고, 수분외에는거의불순물이없어 99.9% 이상 의순도의수소를얻을수있다. 국내가성소다생산업체는한화석유화학, LG 화학, 백광 산업, OCI, 삼성정밀화학등총 205 만톤의 NaOH 생산규모이며가동률에따라차이가 있지만연간 4 만톤 (4.48 억 N m3 ) 의수소가생산되는것으로추산된다. 염소는독극물로이동의제한성및보관의어려움이있어전해조설비가동률은가성 소다수요뿐만아니라염소수요의영향을받는다. < 표 3/2/1-2> 우리나라가성소다생산량규모 업체명가성소다생산능력점유비율 * 1 (2014)(%) 비고 한화석유화학 55% LG 화학 18% 삼성정밀화학 15% OCI 3% 백광산업 9% 합계 100% (205 만톤 *2 ) *1 2016.2 월보도 (http://biztribune.co.kr/n_news/news/view.html?no=9298) *2 한국클로르 알칼리공업협회자료 ( 라 ) 매립지가스개질 - 한화케미칼은울산 CA 공장 (20 만톤규모 ) 을유니드에매각 *1 - 삼성정밀화학은롯데정밀화학으로출범 (2016.2, EBN 화학뉴스 ) 매립지에서나오는가스는바이오가스와유사하며, 메탄가스가 50% 수준이므로정제후개질하여수소를만들어낼수있다. 서울상암동의수소스테이션에서이용하고있던방식으로서, 하루 720N m3, 시간당 300Nm 3 수준의수소를생산한바있다. ( 마 ) 제철소부생가스 국내의포항제철은철광석의환원반응에석탄을이용하는과정에서생기는막대한양의부생가스 ( 열량기준으로원료탄의 42% 수준 ) 를거의전량연료로사용하며, 소요에너지의약 94% 를석탄으로부터얻고있는전형적인석탄베이스에너지시스템이다. 자료 : 서울특별시상암수소스테이션 [ 그림 3/2/1-2] 매립지가스 ( 바이오가스 ) 개질기술 [ 그림 3/2/1-1] 소금물전기분해법 202 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 203
제철가스는코크스로에서발생하는 COG(Coke Oven Gas), 고로를중심으로하는 제선과정에서발생하는 BFG(Blast Furnace Gas), 그리고전로를이용하는제강공정 에서발생하는 LDG (Lintz Donawhitz Gas) 가있는데, 각각의조성은 < 표 3/2/1-3> 에 보인바와같다. < 표 3/2/1-3> 제철가스의조성 H2 CH4 조성 (Vol.%) CnHm CO CO2 N2 발열량 (kcal/nm³) COG 56 25 4 7 6 2 4,800 LDG 2 - - 68 12 18 2,000 BFG 3 - - 24 23 50 800 CFG 18 1-42 27 12 4,900 자료 : POSCO 이가스들은정제장치를거쳐제철소내각공정의소요열량에따라일정비율로 혼합된후, 코크스로연료, 고로연료, 철재가공열원등으로이용하고전력생산에도 일부이용된다. BFG 는화학원료로서가치가있는 CO, H2 의함량이낮아연료로이 용하는것이일반적이나, COG 는정제하여수소를얻거나혹은포함된탄화수소를 부분산화또는수증기개질을하여합성가스를얻을수있다. 한때포항제철에서는 COG 로부터 H2 를회수하기위하여 H2 PSA 를포항에 700N m3 /hr 2 기, 광양에 500N m3 /hr, 550N m3 /hr 각 1 기를사용한바있었으며, 현재는 300N m3 /hr 정 도만생산하고있다. 자료에따라차이가있기는하지만, 2014 년신소재경제신문에서수소유통업체의수급 에대하여조사보도한기사에서 < 표 3/2/1-4> 와같이, 연간 21 만톤정도의수소가시 장공급가능한양인것으로추정하고있다. 이를근거로수소생산공정의비중을보면 < 표 3/2/1-5> 와같이, 나프타개질, 소금물전해, 천연가스개질의순으로공급비율을차 지하고있다. 수소의주요용도는화학공업의원료물질, 탈황, 포화탄화수소제조등매 우다양하다. 수소공급단가는배관, 튜브트레일러등공급방식과공급량에따라달라지며, 대 략 kg 당 4,000 원내외인것으로보고있다. < 표 3/2/1-4> 국내산업용수소총공급가능량 업체명원료공급처지역제조방식 덕양 SPG 케미칼 에어리퀴드 린데 SDG 생산능력 ( m3 /hr) 2014 년 2013 년 2012 년 한화석유화학여수소금물분해 35,000 35,000 20,000 SK 울산나프타분해 10,000 10,000 10,000 삼성정밀화학울산소금물분해 15,000 15,000 9,000 삼성토탈서산나프타분해 9,000 9,000 9,000 태광화학울산프로판탈수소 14,000 14,000 7,000 LG 화학여수소금물분해 11,000 11,000 - 백광화학 롯데케미칼 군산소금물분해 5,000 5,000 5,000 여수소금물분해 1,500 1,500 1,500 서산나프타분해 3,000 3,000 3,000 여수나프타분해 3,000 3,000 - 삼성 BP 화학울산나프타분해 2,500 2,500 2,500 덕양 * 1 울산 NG 분해 50,000 - - 소계 159,000 109,000 67,000 SPG 케미칼안산메탄올개질 2,000 - - 롯데케미칼, LG 화학 여수나프타분해 45,000 40,000 40,000 대산나프타분해 10,000 4,000 4,000 삼성토탈대산나프타분해 - 2,000 2,000 삼성 BP 화학울산나프타분해 3,000 2,000 2,000 이수화학울산프로판탈수소 - 1,000 1,000 효성울산나프타분해 - 1,000 1,000 소계 60,000 50,000 50,000 에어리퀴드 1 여수나프타분해 15,000 7,000 7,000 에어리퀴드 2 여수나프타분해 38,000 38,000 38,000 소계 53,000 45,000 45,000 LG 화학대산나프타분해 9,000 9,000 9,000 삼성기흥 CNG 개질 1,600 1,600 1,600 린데포항나프타분해 1,200 1,200 1,200 포스코포항코크스 300 300 300 소계 12,100 12,100 12,100 대한유화울산나프타분해 5,000 6,000 6,000 태광산업울산나프타분해 3,000 - - 효성울산나프타분해 2,000 - - 소계 10,000 6,000 6,000 대성산업가스대성산업가스파주메탄올 2,000 2,000 2,000 204 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 205
업체명 원료공급처 지역 제조방식 생산능력 ( m3 /hr) 2014년 2013년 2012년 창신화학 롯데케미칼, LG화학 서산 나프타분해 3,200 2,800 - 총 계 299,300* 2 226,900 182,100 *1 2014.7.1. 일완공된덕양의수소제조공장에서는천연가스개질로부생되는이산화탄소를하루 300톤이공급가능하다. 현재는 LPG의가격이낮아짐에따라공정을보완하여 LPG 개질수소제조공정으로운용중이다. 동일용량의공정을 1 기증설중이다. *2 총유통가능량 : 299,300m3 /hr은 24시간, 년 330일가동을기준으로본다면 211,647ton H2/yr 에해당된다. ( 자료 : 신소재경제신문, 2014.7.1.) < 표 3/2/1-5> 국내유통되는수소의생산공정별비율 공정 생산능력 ( m3 /hr) 비율 (%) 소금물전기분해 67,500 22.6 나프타분해 161,900 54.1 프로판탈수소화 14,000 4.7 천연가스개질 51,600 17.2 메탄올개질 4,000 1.3 COG 300 0.1 합 계 299,300 100 < 표 3/2/1-6> 수소의공급단가추정치정유부산물 나프타기반 LNG기반 석탄기반 수소단가 ( 원 / m3 ) - 350~400 250~350 200~250 자료 : SK 상황에따라서는수소수요처에서직접만드는것이경쟁력이있을수있다. 2012 년 11월. 삼천리와덕양이한국전자재료인천공장부지에천연가스개질수소제조시스템을 도입한사례가그것이다. 수소수요급증, 운송비및원자재가격상승, 고압으로인한 수송및보관탱크의안전성문제를해결하기위한것으로시간당최대 100N m3의비교 적소규모의천연가스개질수소제조시스템이다. 우리나라는그어느나라보다도천 연가스배관망이잘만들어져있다는것이큰장점이다. 3. 기술개발현황 3-1. 미국미국은부시행정부시절에수소에너지연구개발을에너지정책의최우선으로하였으며, 2001 년 5월취임초반부터국가에너지정책 (National Energy Policy) 을발표하는등에너지와환경문제를집중적으로다루기시작하였다. 대부분의수소연료전지연구개발은에너지부 (DOE, Department of Energy) 를통해수행하며, 정부는위험성이높은초기연구개발분야에중점적으로기금을투자하는것을연구개발전략으로설정하였다. 당시미국정부는 2003 년을기점으로 5년간 12억 $ 를투자하는 Hydrogen Fuel Initiative 를시작하면서연구개발규모를비약적으로증가시키기시작하였다. 이후 FreedomCar and Fuel Partnership 을통해투자비용을 5억 $ 를증액시켰다. 국제수소연료전지파트너십 (IPHE) 도미국의주도로만들어진것이다. 제조기술연구개발은제조비용절감을위한과제를중점적으로진행했고, 저장기술은정치형및이동형분야의발전을위한핵심기술로 300마일이상의주행이가능한자동차용수소저장시스템및수소운반, 충전인프라, 전력단지, 자동차충전용인터페이스시스템등에대한연구개발을중점적으로진행한바있다. 2009년초미국오바마행정부로바뀌면서전기자동차에집중하면서, 2010 년예산안부터수소연료전지분야의예산삭감이진행되어현재는연간대략 1억달러수준의예산을유지하고있다. 11) 이과정에서수소연료전지에대한미국의앞선기술유지및상용화기반마련, 새로운일자리창출, 원유수입과온실가스배출을줄여줄에너지기술의포트폴리오를이루는중요한부분이라는점등을고려하여야한다는점도환기되었다. 2016 년의수소연료분야연구개발과제에서는재생에너지자원으로부터수소생산비용의저감즉, 2011 년기준 8$/gge 12) 인운송및수소분배비용을 6.7$/gge ( 세금불포함, 충전소에서의가격기준 ) 수준으로낮추는것을목표로하고있다. 2020 년의목표는 4$/gge 이다. 수소저장기술은 2013 년기준 17$/kWh 보다 25% 낮은비용으로낮추는기술을개발하는것에주안을두고있다. 11) http://hydrogen.energy.gov/pdfs/13004_historical_fuel_cell_h2_budgets.pdf 12) gge: gallon gasoline equivalent (1갤론의가솔린연료와등가의수소연료 ) 206 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 207
한 H2FIRST 프로젝트 (Hydrogen Fueling Infrastructure Research and Station Technology) 를만들어샌디아국립연구소와국립재생에너지연구소를주축으로하여, 국가연구소가가지고있는능력을바탕으로, 스테이션건설시간과비용을줄이고, 성능과안정성을높여수소연료전지차량의보급확산에도움을주도록하는프로젝트인 HyStEP (Hydrogen Station Equipment Performance) 을수행하고있다. 현재의문제점은각자동차사가수소충전소에서자동차연료주입을실행하여통과해야만수소충전소가허용되도록되어있어인허가에상당한시간이소요될수밖에없다는데있다. 캘리포니아주의경우 2016년에 35개의신규충전소를허가해주어야하는상황에비추어볼때, 수소충전소네트워크를적시에개발하도록지원하는데에는실용적이지못했다. 이러한요구를만족시키기위해 HyStEP Device 를개발하여, 1주일내에수소충전소성능을입증해줄수있는안전하고, 기술적으로효과적이며, 연료전지자동차사용자입장을대변해줄수있도록하고있다. 3-2. 일본 (Dollars in Thousands) FY 2014 Enacted FY 2015 Enacted FY 2016 Request Fuel Cell R & D 33,383 33,000 36,000 Hydrogen Fuel R & D 36,545 35,200 41,200 Manufacturing R & D 3,000 3,000 4,000 Systems Analysis 3,000 3,000 3,000 Technology Validation 6,000 11,000 7,000 Safety, Codes and Standards 7,000 7,000 7,000 Market Transformation 3,000 3,000 3,000 NREL User Facility 1,000 1,800 1,800 Total, Fuel Cell Technologies 92,928 97,000 103,000 [ 그림 3/2/1-3] 미국에너지부의수소연료전지예산추이 1 3 )1 4 ) 수소인프라는연료전지차량의상용화및보급을위한필수조건이기때문에, 미국 에너지부는새로운선도계획인 H2USA 를추진하여인프라구축을돕고있다. 15) 또 13) http://energy.gov/sites/prod/files/2015/03/f20/fy16_fcto_at-a-glance.pdf 14) 한국에너지기술평가원연료전지 PD 15) http://www.hydrogenfuelnews.com/department-of-energy-launches-new-hydrogenfuel-initiative /8510640/) 일본은 1980 년에창립된 신에너지 ^산업기술종합개발기구 (NEDO) 를통하여연료전지기술과수소이용기술을꾸준히개발하여, 2009 년 가정용열병합발전시스템 ( 에네팜 ) 을일본시장에도입하였다. 상용화출시예정인연료전지자동차에대해서도토요타등자국의자동차산업경쟁력강화를위해판매지원과함께수소스테이션정비를하고있다. 2011 년 3월 11일발생한동일본대지진및도쿄전력후쿠시마제일원자력발전소사고이후 2014 년 4월결정된 에너지기본계획 ( 제4 차 ) 에서 수소는 1차에너지원으로부터다양한방법으로제조할수있고, 기체, 액체, 고체등모든형태로저장 ^수송이가능하므로이용방법에따라서는높은에너지효율, 낮은환경부하, 비상대응등의효과가기대되고, 장래의 2차에너지의중심적역할이기대되고있다 면서, 수소사회 의실현을향한대처에속도를내겠다고강조하고있다. 수소에너지의도입추진은, 에너지기본계획에있는방향성인 에너지의안정공급, 경제효율성의향상, 친환경, 안전성과국제화추진, 세계시장개척과경제성장 에공헌하는길이라는것이다. 이어서, 2014 년 6월, 경제산업성에서는수소사회의실현을향한대처의가속을위한 수소연료전지전략로드맵 을책정하고지금까지진행해온에네팜의보급확 208 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 209
대, 연료전지자동차시장의정비에덧붙여수소발전의본격적인도입과같은수소수요의확대와이에대응한수소공급망의구축필요성을제시하였다. 그리고 2015년에개정된 일본재흥전략 2014 에서이로드맵에입각한필요조치를취했다. 아베노믹스에따라시작된경제의선순환을일과성이아닌, 지속적성장궤도가되도록하는것을겨냥해서, 새로운일본의재흥전략에서는 전략시장창조플랜테마 2: 청정하고경제적인에너지수급의실현 중에수소사회의실현을향한로드맵실행을내걸고, 수소연료전지전략로드맵 을근거로수소의제조부터수송 / 저장및가정용연료전지와연료전지자동차등의이용에이르기까지필요한조치를착실히진행하는것과, 산학관으로구성된협의회에서진척상황을모니터링하도록정하였다. 수소는원유정제시나오는가스등미이용에너지, 재생에너지로부터만드는것뿐만아니라지정학적리스크가낮은지역으로부터싼값에공급받는것을검토하고있다. 특히일본은연료전지분야특허출원건수, 에네팜상품화및보급등으로볼때경쟁력이높고, 일본의자동차산업이고용의 10%, 수출의 20% 를점하는기간산업임에도국제적인경쟁이격화되고있어연료전지자동차라고하는새로운영역에서세계를선도하는것이산업경쟁력확보관점에서중요하다고분석하고있다. 앞으로국제표준화를포함한적극적인해외전개를주도하여연료전지자동차의세계시장을선도해나간다는전략이다. 일본의정책현황을요약하자면크게 3가지로요약된다. 첫째, 일본의소재및자동차산업의강점을살려새로운시장을주도해나가겠다는장기적지속적전략을책정했다. 둘째, 수소제조 / 저장 / 수송 / 이용을아우르는모든분야에대량공급및저가화를위한기술개발을지속적으로추진한다. 셋째, 연료전지자동차및인프라보급대책을아베정권의전폭적인지원과지자체및산학관협력으로추진하고있다는것이다. 수소공급이용기술연구조합 (HySUT, Research Association of Hydrogen Supply Utilization Technology) 는수소공급인프라의구축과비즈니스환경의정비를목적으로하여 2009 년 7월에설립된법인으로, 수소공급에의한저탄소사회의실현을목표로에너지관련기업 13개사로활동을시작하였으며, 현재는자동차회사도참여하여 23개의조합원사가있다. 연료전지자동차및수소공급인프라의일본내규제적정화, 국제기준조화, 국제기준화에대한연구개발, 연료전지자동차및수소스테이션용저비용기기시스템등에관한연구개발, 수소스테이션안전기반정비에대한연구개발등을수행중이다. 16) 16) http://hysut.or.jp/en/profile/index.html 3-3. 독일독일도지속가능한에너지공급과환경오염저감에목표를두고수소를수송용으로적용하기위해 1970 년대부터연구프로젝트를진행하였으며, 다임러벤츠사의주도로 1983~1987 년수소를연료로하는자동차의개발이진행되기도하였다. 1998년 " 수송에너지전략 "(Transportation Energy Strategy) 이산업체와정치인들사이에수송분야의대체에너지개발을목적으로시작된이래, 그결실로 2003 년도에클린에너지파트너십 (Clean Energy Partnership) 이만들어졌다. 이프로젝트의목적은연료전지, 고압수소저장뿐만아니라, 내연기관, 액체수소저장등수소연료자동차를실증하는것이었다. 2008 년이후로는수소에대한모든국가과제가국가혁신프로그램 (NIP, National Innovation Program) 으로합병되었으며, 국가수소기구 (NOW, National Hydrogen Organization) 의관할을받았다. 이프로그램하에서연방정부와기업이동등하게투자하여 10년간 14억유로를투자하고있으며, 연구와실증을통해시장진입을도모하고자하고있다. 독일은 2050 년까지 1990 년대비 80% 의온실가스저감을목표로하고있다. 재생에너지전기를수소나메탄으로전환하여저장하는 P2G(Power-to- Gas) 개념으로수소, 산업, 열공급, 발전등다양한분야에적용하고자하고있으며, German Energy Agency (http://www.dena.de/) 가중심적인역할을하고있다. 단기적인실증을위한계획외에도장기적으로수소인프라를어떤방식으로확대할것인가에대한구체적인로드맵을만들려는노력에의해, 독일의 H2Mobility 파트너쉽은 2023년까지약 400개소의스테이션을건립하는데합의하였으며, 전체적인투자액규모는 350백만유로정도가될것이라고보고있다. 17) 대도시에는 10개소이상, 대도시를잇는고속도로에서는최소한 90km 마다 1개소의스테이션등총 400개소의수소충전인프라를만드는것을목표로하고있다. 3-4. 영국영국의수소연료전지연구허브 (The Hydrogen and Fuel Cell Research Hub, H2FCsupergen) 는, Research Councils energy programme 에의해자금지원을받 17) http://www.now-gmbh.de/en/press/2013/h2-mobility-initiative.html 210 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 211
으며, 수소연료전지분야의핵심이슈를해결할목적으로만들어졌다. 18) 영국의에너지, 저탄소에너지시스템에있어서, 수소연료전지의영향에대해서연구하며, 정책 / 사회경제적측면, 시스템, 안전, 교육 / 훈련, 수소생산, 저장, PEMFC, SOFC/ 고온수전해, 집적화 / 연계등의내용을포함하고있다. 영국의북서잉글란드 (North West England) 를잇는수소연료의확산에관한파트너십 (Greater Manchester Hydrogen Partnership) 은맨체스터지역과맨체스터메트로폴리탄대학간에이루어진것으로수소연료의효율적인생산과함께수소연료사용가속화에주안을두었다. 19) 2013 년, 영국정부와산업체가협력하여 2030 년까지영국에 160 만대의연료전지자동차보급로드맵을검토한보고서를내놓았다. 20) 처음도입할때, 소비자가구입하는신차의 10% 를연료전지자동차로하고, 인구집중지역에 65개소의수소스테이션을설치하면초기의연료전지차판매를위한수소충전수요를충분히감당할수있다는것이다. 2020 년쯤이면수소는디젤과가격경쟁력을가지게되며, 디젤이배출하는이산화탄소보다 60% 정도가낮으며, 2030 년쯤이면재생가능에너지원으로생산이됨에따라 75% 까지낮출수있고, 2050 년경이면 100% 낮추게된다고본다. 연료전지자동차판매증가에따라 2030년경이면 1,150 개소로스테이션이늘어나며, 수소의 51% 는재생전원을이용한수전해로생산되어, 2030 년경이면연간 3백만톤의이산화탄소를저감하게된다. 연료전지자동차는 2060 년경에는 30~50% 의시장점유율을갖게된다. 영국이초기의수소스테이션인프라에들이는비용은 2030년까지 400백만파운드로추산된다고한다. 전문가들은 (1) 정부의일관성있는정책 (2) 초기의정부지원이반드시필요하다고말하고있다. 3-5. 우리나라우리나라수소에너지분야연구개발역사를보면 1970 년대말관련기초연구가시작 18) http://www.h2fcsupergen.com/ 19) http://www.hydrogenfuelnews.com/new-hydrogen-fuel-partnership-takes-form-inthe-uk/859432/ 20) http://www.fuelcelltoday.com/news-events/news-archive/2013/february/governmentindustry-study- sees- up-to-16-million-fuel-cell-vehicles-on-uk-roads-by-2030 되기는하였으나미미한수준이었으며, 1989 년당시과기처의지원을받아, 한국에너지기술연구원이연구총괄하여수소관련기초연구 ( 열화학 / 광화학 / 생물학적수소생산, 수소저장, 안전기술등 9개과제 ) 를대학및타연구소와공동으로수행하였으나 1단계 (1989~92 년 ) 의연구지원 ( 총약 3.5억원규모 ) 으로중단되었다. 이후 G7 과제에포함되지못함에따라산업부의대체에너지기술개발사업및관련연구소에서의중장기연구계획에따른연구로수행되었다. 1988년부터시작된산업부의대체에너지기술개발사업은 1992 2013 년까지수소분야 49개과제에대하여 936억원 ( 정부 618억원 ) 을지원하였다. 1992~2003 년까지수소분야 16 개과제에대하여 87.8 억원 ( 정부 62.2 억원, 민간 25.6 억원 ) 을지원한것과비교한다면, 2000년대이전은대학중심의기초연구, 2000년이후는단기실용화위주로개편하는경향이커졌음을보인다. 1999 년한국과학기술정책연구소에서는새천년기획조사연구를통해수소에너지분야를유망기술후보로선정, 수소에너지의중요성을인식하였으며, 이후미래부 ( 당시과학기술부 ) 는 2000 년 수소제조기술개발기획연구 를거쳐 고효율제조기술개발사업 을광화학수소, 생물학적수소, 열화학적수소등 3개분야에 2000 년 10월부터 2005 년 9월까지약 60억원규모의투자를계획하고시작하였다. 이후, 수소에너지의중요성에대한인식강화로, 수소에너지연구확대를위해미래부에서 고효율수소제조개발사업 (2000.10~2005.9) 을 3년간 25억원을투입한후 2003년 9월조기종료하고, 이사업내용을포함시켜, 2003 년 10월부터 21세기프론티어사업 으로서, 9년 6개월간연 1백억원규모의투자계획으로 고효율수소에너지제조저장이용기술개발사업단 ( 이하수소에너지사업단 ) 을출범시켰다. 에너지주무부처인산업통상자원부에서도 5년계획으로수소연료전지사업단을 2004년출범시켰으며, 미국이주도하고창설한 IPHE 뿐만아니라 IEA-HIA 에도가입하는등수소연료전지분야의연구개발에힘을쏟았다. 이후사업단운용기간종료에따라한국에너지기술평가원에서이를이어받아연구지원중이다. 이외에도국토해양부와중소기업청, 환경부등에서도소규모이기는하지만, 수소연료전지분야의과제를지원하여왔다. 우리나라에서그동안진행되어왔던대표적인수소분야의연구개발사업에대하여요약하면 [ 그림 3/2/1-4] 와같다. 212 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 213
이후연구재단에서관리하는자기냉각액화물질융합연구단 (2011~2016, 5년 ) 사업으로연간 40억원이상을투자하여수소액화기술과자기냉각기술및액화수소저장용기용수소차단기술, 액화용기건전성평가및안전기술등을개발하여왔다. 수소에너지분야가일자리창출과산업화에의미있는수치의기여를하기위해서는좀더시간이필요하다. 연구재단에서는학연을대상으로수소분야의기초연구를꾸준히지원하여오고있다. 이중에는광전기화학적수소제조기술, 수전해기술및신물질을이용한수소저장방법등이포함되어있다. (1) 미래창조과학부사업 [ 그림 3/2/1-4] 정부지원연구개발사업 프론티어수소에너지사업 ( 수소에너지사업단 21) ) 의경우, 2003 년 10 월에시작하여 2013 년 3 월종료되었으며, 화석연료의고갈과환경오염에대처할수있도록재순환이 가능한수소에너지의제조 저장 이용분야의원천. 핵심기술을개발하고실증하는 분야에 870 억원의정부지원을포함하여 999 억원이투자되었다. 사업종료시점 (2013 년 3 월 ) 기준으로, 총 830 편의논문, 특허출원 392 건, 특허등록 184 건, 기술이전 25 건, 사업화 5 건, 해외로의기술수출등이이루어졌다. < 표 3/2/1-7> 미래창조과학부의대표적인연구개발사업내용 사업명사업기간및예산내용 고효율수소에너지제조저장이용기술개발사업단 ( 수소에너지사업단 ) 자기냉각액화물질사업단 차세대수소에너지원천기술개발 2003.10~2013.3 (9 년 6 개월 ) 국비 870 억원등총 999 억원 2011~2016(5 년 ) 2014년 40.3 억원 2015 년 42.3억원 2015~2020년 (6년), 총140억원내외 열화학, 광화학, 생물학적수소제조성능향상 금속 수소화물및나노재료등을이용한수소저장기술개발 리니어동력 / 발전 (5kW) 및수소센서고성능화 수소액화기술, 액화물질저장용기, 액화용기건정성평가및안전, 수소저장용수소차단층, 자기냉각재료및기술개발 - 세계최고수준의수소생산원천기술확보 - 차세대고용량수소저장원천기술확보 (2) 산업통상자원부수소연료전지사업단및한국에너지기술평가원국가연구개발사업의신 재생에너지중수소분야는수소사회기반구축을위한수소제조, 수소저장, 수소수송 공급기술및안전성확립을위한기술개발추진을추진하였다. 2016 년현재제조분야 9개, 저장 3개, 기타 1개등총 13개과제가진행중이며. 이를통하여수소충전소용 87MPa 수소저장용기, 수소제정분리용다공성금속지지체, 수소생산단가저감을위한 PEM 수전해스택개발과단기적성과를내기위한핵심기술개발이이루어지고있다. < 표 3/2/1-8> 산업통상자원부수소분야연구개발비지원실적 (2009~2016) ( 단위백만원 ) 연도 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 수소 2,985 2,881 3,499 1,850 4,460 3,386 3,350 4,892 자료 : 에너지기술평가원연료전지 PD 수소분야의지원방향은수소충전소및연료전지자동차보급계획에맞추어수소충전소관련부품, 설계기술개발로가격저감을위한기술을확보하여, 우리나라에적합한수소충전소보급사양을개발하고수소충전소국산화비율을향상하는데두고있으며, 기술개발이후바로설치가가능한실증연계위주의지원이이루어지고있다. (3) 원자력수소사업수소연료전지분야의개방형평가보고서 22) 에따르면, 교육과학기술부 ( 현미래창조 21) 21C 프론티어사업 - 미래를향한 10 년의도전 (2013) 미래창조과학부 ( 재 ) 연구개발성과지원센터 22) 국가연구개발사업 수소연료전지분야, 개방형평가보고서 11 (2011) 한국과학기술기획평가 214 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 215
과학부 ) 의원자력기술개발사업내원자력수소관련내용은이산화탄소를배출하지않으면서수소를경제적으로대량생산할수있는원자력이용수소생산시스템을개발하는것이다. 사업은 1997년부터시작되어계속지원되고있으며, 성과목표는경제성있는수소를대량생산할수있는수소생산시스템 ( 초고온가스냉각로, VHTR) 을 2026년까지개발하여실증을완료하는것이다. 초고온가스로설계기술개발을통해국제경쟁력있는고유설계기반코드를고유원천기술로개발하고, 최신기술을접목한핵설계, 열유체설계, 기계설계및안전성해석체계를구축하였고, 수소생산용열화학기술로는 IS(Iodine-Sulfur) 공정이연구되고있다. 2016 년 4월현재미래창조과학부예타대상사업으로선정되어기술성평가까지통과된상태이다. 적용가능한바이오수소의대량생산기술을확보하는것을목표로하고있다. 26) 한국해양과학기술진흥원은이를위해대량생산프로세스개발및최적화, 산업현장 에서의실증테스트, 반응기구축및경제성분석등의기술개발을진행할예정이다. (4) 기타 해양과학기술원 (KIOST) 은국토해양부의지원을받아 2009~2018 년, 10 개년동안 해양고세균을활용한바이오수소대량생산기술개발이란목표아래, 2009~2012 년 1 단계사업기간동안해양고온성고세균 Thermococcus onnurimeus NA1 을이용 하여균주개량, 배양기술개발, 100 리터실증생산및경제성평가를수행하여개미산, 전분, 일산화탄소등재생자원으로부터고효율의바이오수소대량생산가능성을확 인하였다. 1 단계가완료된 2012 년결과, 해양고온성고세균 Thermococcus onnurimeus NA1 의수소생산기작규명및수소생산설계도작성, 5~100 리터고온혐기성배양기 구축및운용, 야생형대비 2 배이상수소생산성이향상된우수균주개발, 세계최 2 3 )2 4 )2 5 ) 대바이오수소생산성의배양기술개발등의성과를달성하였다. 이후 2014 년 7 월바이오수소생산실용화기술개발기획을마치고 2015 년 12 월 KIOST 주관으로 1 단계사업 (2015.12~2017.5) 을진행중이다. 이과제는해양수산부산 하의한국해양과학기술진흥원 (KIMST) 에서모니터링하고있으며, 향후 5 년간총 200 억원을투자하여 2019 년까지 10 톤규모의데모플랜트를구축하고실제산업현장에서 23) http://kiost.ac/kordi_web/?sub_num=105&state=view&idx=58 24) http://kiost.ac/kordi_web/main.jsp?sub_num=105&state=view&idx=415&sty=t&ste=%e C%88%98%EC%8 6%8C&ord=0 25) http://www.etnews.com/20160411000113 [ 그림 3/2/1-5] 바이오수소생산을위한모식도 (5) 산업체및지자체의움직임탄소를환원공정과에너지원으로동시에사용하는철강산업은국가총 CO2 배출량의 15.1%, 제조업부문의 37.3% 를차지하는최대 CO2 배출원이다. 철강제선 ( 고로 ) 1톤생산공정에서 CO2톤 ( 직접 : 1.87 톤 / 간접 : 0.13 톤 ) 이발생하는데, 철광석내산소제거를위한환원반응에서 63%, 에너지원에서 37% 의 CO2가발생된다. Post-2020 으로 30 년 BAU 대비 37% 감축이필요하나철강업현존기술로는사실상불가능 27) 하여근본적인 CO2 저감대안이절실하다. 선철제조를위한환원제로기존석탄 (C) 을수소 (H2) 함유가스로대체하여 CO2 배출을 10% 이상최대 30% 까지저감하는수소환원제철이유력한대안으로보고있어, 일본정부는 COURSE 50 Project에 250억엔을지원하여 '50년까지온실가스 30%(10% 수소환원, 20% CCS) 감축을목표로현재파일럿플랜트를건설중 26) http://www.fnnews.com/news/201601011744474375 27) 현존기술 ( 철강 ) 로는에너지절감등을통해 3% 내외수준의감축전망 216 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 217
(2008~2017) 이다. 국내철강업계에서도, 철강업계의온실가스방출문제점을해결하기위하여컨소시엄을구성하고수소환원제철공정을개발하는 CO2 free 차세대제철기술 사업을수립하여산업부에서예비타당성조사를통과했으나 (2011.8) 국회예산결산위원회에서예산확보단계에는이르지못했었다 (2012). 하지만향후수소환원제철공법의상업화적용을위한제철공정의 CO2 저감평가모델구축등선행연구가필요하다고보고, 2015 년말제7 차산업핵심기술개발사업신규지원대상과제로 제철공정 CO2 저감방안평가모델구축 에대한기획과제 (2015.12~2016.12) 를공모선정하여 33.4 억원을들여수행중이다. 향후포스코와인천제철을중심으로 5년간집중적으로과제를수행할예정이다. 수소환원제철이상용화될경우방대한신규수소시장이형성될전망이다. 현대자동차는 2013 년 3월에연간 1,000 대규모의수소자동차생산시설을구축하였고 28), 동년 7월에는울산인근화학공업단지의부생수소를활용한연료전지수소타운 (140 가구 ) 을정부 52 억원, 울산시 19 억원, 민간 17 억원등총 88억원이투입되어완공되었으며, 향후 5년간의모니터링을울산테크노파크에서맡아운영중이다. 2 9 )3 0 ) 2014 년경상북도는산업부가공모한에너지융복합지원사업으로포스코에서생산되는부생수소를활용해포항에공공기관과복지관, 실내수영장등에수소연료전지 35대를비롯해수소배관, 모니터링시설, 홍보관등수소연료빌리지타운을조성 31) 하기위해공모하였으나무산되었다. 석탄또는바이오매스로부터수소생산도가능하다. 서부발전은국내최초로 380MW 급 IGCC 플랜트 32) 를건설하여시험운용중이며 1일 20톤급의석탄가스화연구설비를개발하는등석탄합성가스생산설비인프라를구축하고있다. IGCC 는석탄합성가스를제조해전기를생산하는고효율청정석탄발전이며수소생산, 액화석유, 대체합성가스, 이산화탄소포집등다양한연계기술로확대가용이한장점을가지고있다. 한국서부발전과한국가스공사는업무협약을체결하여, 석탄합성가스이 28) http://news.inews24.com/php/news_view.php?g_serial=726496&g_menu=022200&rrf=nv 29) http://h2town.utp.or.kr/ ( 울산수소타운홈페이지 ) 30) http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20130709000761&md=20130712004328_bk 31) http://www.segye.com/content/html/2014/06/04/20140604002483.html?outurl=naver 32) 가스화복합발전기술 (IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle) 이란, 주로석탄과같은고체연료를고온 고압의가스화기에서수증기와함께한정된산소로불완전연소및가스화시켜일산화탄소와수소가주성분인합성가스를만들어정제공정을거친후가스터빈및증기터빈등을구동하여발전하는기술을말한다. 용청정가스연료개발을위한 R&D 공동기획및시행, 국내청정가스연료산업발전을위한정부 R&D사업공동참여등을추진해나갈계획이다. 33) [ 그림 3/2/1-6] 울산수소타운개략도포스코는자회사인포스코그린가스텍을설립하여, 석탄을원료로한국내최초연산 50만톤규모합성천연가스 (SNG) 공장을 2011 년 6월착공 2015 년 1월부터여수, 광양, 여천일대의화학업체에공급할예정 34) 이었으나시장상황변화로 2016 년 5월포스코에합병되어상반기중광양제철소내발전시설에공급하고, 향후외부시장에판매를추진하는것으로하고있다. 35) 합성천연가스공정상가스화물질의정제로수소생산이가능하다. 석탄또는바이오매스로부터합성가스생산을위하여, 바이오매스혼합석탄가스화기술, 고발열량폐기물및슬러지가스화합성가스재순환기술및 CO, H2 생산비제어기술, 폐기물의플라즈마열분해가스화에의한수소회수기술개발, 폐기물의플라즈마가스화용융-수소회수 -연료전지발전실증, 분산전원용바이오매스가스화기술개발등다양한기술의개발을그동안에너지기술기획평가원에서지원하여온만큼상황변화에맞추어상용화하여적용하려는시도가이어질것으로보고있다. 33) http://www.e2news.com/news/articleview.html?idxno=77729 34) http://www.gasnews.com/news/articleview.html?idxno=64761 35) http://www.thebell.co.kr/front/free/contents/news/article_view.asp?key=201605160100026840001641 218 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 219
한국가스공사는지난 2000년수소에너지기술개발을시작한이래 2007년천연가스를원료로한수소스테이션을준공해현재까지운영하고있으며, 다양한수소제조장치기술개발을수행해왔다. 2014 년네덜란드수소제조장치제조업체인 HyGear 社와 MOU를체결하여, 수소스테이션및 HCNG 충전인프라에적용할수소제조장치기술개발을위해상호협력하기로했다. 36) 수소충전소보급계획이구체화됨에따라충전소보급과관련한준비가본격화될것으로본다. 1) 미국 2005년 12월 31일이후부터, 3만달러를넘지않는수준에서수소인프라비용의 30% 를세제혜택을주었다. 여러군데스테이션소유자는각각에대해서따로적용을받는다. 주택용연료충전기구입소비자는 1천달러지원을받으며, 법에따라 2014 년 12월 31일종료하였다. 37) 수소공급스테이션사업의미국의 " 퍼스트엘리먼트퓨얼 "(http://www.firstelementfuel. com/) 은미국캘리포니아주에서연료전지자동차용수소스테이션설비를정비하겠다고발표했다. 38) 이회사는캘리포니아에너지위원회로부터보조금을얻어캘리포니아주내에서개인용수소공급망의건설을추진하고있다. 2550 만달러의대규모계약을수소공급장비업체인에어프로덕트와맺고처음에건설되는 19곳의수소스테이션에설비의공급을받는다. 2) 독일독일의 H2Mobility 파트너십은 2023 년까지약 400개소의스테이션을건립하는데합의하였으며, 전체적인투자액규모는 350 백만유로정도가될것으로보고있다. 첫단계 4년간에 100개소의스테이션을짓겠다는계획은연료전지차량의초기시장진입을도울수있을것으로보고있다. 3) 일본 [ 그림 3/2/1-7] 포스코의합성천연가스공정 ( 자료 : http://www.poscoggt.com/) 4. 국내 외보급현황수소스테이션은 2013 년기준, 전세계 182기가운영중이며, 지역별특성및수소생산방법을고려하여구축되고있다. 북미지역은현재 72 기로 2020 년에는 250 기. 유럽은현 80기에서 2020년 550기, 일본은현 22기에서 2025년 320 기를목표로하고있다. 36) http://www.ekn.kr/news/article.html?no=100470 연료전지자동차의 2015년시장출시를목표로, 석유, 도시가스, 산업용가스분야의기업체와협력하여 4개대도시를중심으로 100 개소의스테이션을확보할계획이며, 가솔린주유소와병설을가능하게하는등의법규정비를통하여스테이션의건립가격을낮추기위한노력을하고있다. 2013 년의스테이션건설비용은 550 백만엔으로 2015년목표는 360백만엔이다. 수소스테이션설치는초기투자비가많이들기때문에정부가 연료전지자동차용수소공급설비투자보조사업 으로설치비의일부를 차세대자동차진흥센터 (NEV) 를통해보조금으로교부하고있다. 보조금상한액 37) http://www.afdc.energy.gov/laws/351 38) http://www.businesswire.com/news/home/20141006005176/en/firstelement- Fuel%E2%80%99s-25.5- Million-Deal-Air-Products#.VERnUuawc-V) 220 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 221
은규모와공급방식에따라최대 280 백만엔까지가능하다. 39) 2014 년 6 월까지, 2013 년도분은 18 건, 2014 년도분은 23 건으로합계 41 건의교부가결정되었다. 2015 년수정 된수소연료전지전략로드맵 40) 에따르면 2025 년 20 만대연료전지자동차, 320 개소의 수소충전소건설을목표로하고있다. 4) 우리나라 국내에는그동안시범사업으로운영되어온곳중사업종료되어미가동중인곳을 제외하면, 총 8 기정도가운영되고있으며, 실제일반인의접근이가능한상업용시설 은 4 기정도에불과하지만, 2015 년 12 월 8 일 < 표 3/2/1-9> 41) 와같이 2020 년누적 9 천대의연료전지차와수소충전소 80 기건설을목표로구체적인세부계획을마련중이 다. 또한충남이제안한 수소연료전지차부품실용화및산업기반육성사업 이기획 재정부의예비타당성조사대상에 2015 년에선정되어검토되고있는단계이다. 42)43) < 표 3/2/1-9> 친환경차보급 인프라구축목표 ( 누적 ) ( 단위 : 천대, 기 ) 전기자동차 수소자동차 2016 2017 2018 2019 2020 차량 16 46 86 136 200 공공급속충전소 487 637 830 1,000 1,400 차량 0.2 0.5 2.5 5.1 9 충전소 13 20 30 50 80 < 표 3/2/1-10> 수소연료전지차보급대수와수소충전소구축대수비교 구분보급초기보급활성화자생성장 FCEV 보급대수 1 만대 10 만대 100 만대 수소충전소용량 ( 개소당 FCEV 최대운영가능대수 ) 250kg/day (FCEV 500 대 / 개소 ) 500kg/day (FCEV 1,000 대 / 개소 ) 1500kg/day (FCEV 3,000 대 / 개소 ) 수소충전소구축대수 20~80 개소 100~400 개소 300~1,300 개소 39) http://www.cev-pc.or.jp/hojo/suiso_pdf/h26_kitei.pdf 40) http://www.energydaily.co.kr/news/articleview.html?idxno=69376 41) 2015.12.8. 산업통상자원부자동차항공과보도자료 42) http://www.amenews.kr/atc/view.asp?p_index=25394 43) http://www.cctoday.co.kr/?mod=news&act=articleview&idxno=970149 구분 보급초기 보급활성화 자생성장 누적시장 400~1,600 억원 0.2~0.8조원 0.6~2.6조원 5. 표준화동향과향후방향적어도수소는오랫동안산업용시장과관련산업이있어왔기에수소에너지기술에대한산업측면에서는수요는상존한다. 기존의원유, 가스, 석탄등의에너지뿐만아니라현재관심을끌고있는셰일가스도언젠가는고갈될화석연료이다. 석유가격이급등했던 30여년전에는석탄이나오일셰일을이용한합성연료, 20여년전에는메탄올, 20년전에는전기 ( 배터리자동차 ), 10년전에는수소연료전지, 6년전에는에탄올이나바이오연료, 3년전부터는전기자동차나플러그인하이브리드차량과같은전기구동차에전략적인관심이집중되었다. 상황에따라관심대상순위가변화되더라도지속가능한미래를위해서는태양에너지 ( 풍력등자연에너지포함 ) 를활용하는에너지기술과이들간의융합, 타에너지원과의에너지믹스가화두가될것이며, 수소의역할도그중하나임은자명하다. 재생에너지는청정하고지속가능한에너지이면서, 인류가필요로하는에너지 (15 테라와트수준, 1테라와트는 1 10 12 와트 ) 의 1만배에달하지만, 기상조건에따른간헐적특성과수급의불일치그리고상대적으로비싼발전단가가보급확대를방해하는요인으로작용해왔다. 2011 년 3월의동일본대지진에의한원자력발전소사고이후유럽국가를중심으로에너지공급중재생에너지비율을높이는정책을채택하여왔으며, 재생에너지공급확대를위해서는대규모에너지저장기술이필요하다. IPCC( 기후변화에대한정부간패널 ) 는 2012 년 5월에발표한보고서 44) 를통해, 적절한정책이뒷받침해준다면 2050 년까지재생에너지가세계에너지의 80% 를공급할수있다고전망하였으며, IPCC 제5차보고서에서도재생에너지의비중을획기적으로늘릴것을권고하고있다. 재생에너지저장방안으로서의수소이용해법의응용은단기간에재생에너지의전기그리드로의기여율을 10% 이상으로올려줄것이라는자료에서도알수있듯이 45), 향후에너지캐리어로서의수소역할이중요시될것이며, 재 44) http://srren.ipcc-wg3.de/report/srren-spm-fd4 45) http://www.fuelcelltoday.com/analysis/event-reports/2013/hydrogen-plus-fuel-cells-2013 222 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 223
생에너지를이용한수소제조기술의개발은궁극적인지향점이될것이다. < 표 3/2/1-11> TC 197 표준화된문서 국제기구를통한기술표준화는상용화를앞둔시점에서이루어지며, 기술주도국은이러한표준화를적극적으로주도하여상업화보급에기선을잡기위해노력하는것이일반적이다. 현재수소에너지분야의기술표준은 TC197에서이루어지고있는데, 활동의주목적은수소의생산, 저장, 수송, 측정및수소사용을위한시스템과부품에대한국제표준을만드는것이다. 2016 년 5월기준으로한국을비롯하여 20개의회원국, 13개의참관국으로구성되어있다. 46) 수소생산 (0*/6) 저장 / 이용 (4*/7) 품질, 안전 (1*/3) ISO 16110-2(2015.1.15.) 연료공정기술을이용하는수소발생기 - 효율측정 ISO 14687-1(2007.3.1.) 수소연료 - 생산규정 -PEM 용육상자동차를제외한모든장치 ISO 14687-2(2014.7.3.) 수소연료 - 생산규정 -PEM 용육상자동차 ISO 14687-3(2014.7.3.) 수소연료 - 생산규정 -PEM 용정치형 ISO 22734-1(2013.5.23.) 물전기분해를이용한수소발생기 - 산업및상업용 ISO 22734-2(2011.11.15.) 물전기분해를이용한수소발생기 - 주거용 TS 15869(2013.05.23) 육상자동차용가스수소와수소혼합 * ISO 13984 (2014.10.15) 액체수소 - 육상자동차연료시스템 - 인터페이스 ISO PAS 15594 (2007.12.19) 공항수소연료주입설비운전 * ISO 13985(2015.1.15) 액화수소 - 육상차량용수소연료저장용기 * ISO 17268 (2015.1.15) 가스수소 - 도료차량연료주입연결장치 * ISO 16111 (2014.11.10) 이동용가스저장장치 - 가역성금속하이드라이드에흡착된수소 TS 20100(2009.10.6) 가스수소 - 충전소 ISO 26142 (2010.5.14) 수소감지기 * TR 15916 (2010.4.19) 수소시스템안전을위한기본검토사항 ISO 16110-1(2010.4.19) 연료공정기술을이용한수소발생기 - 안전 자료 : 한국정밀화학진흥협회, 포항공대신 재생에너지연구소괄호안은발간일, * 는 KS로제정된문서 현재제정또는개정중인문서는 < 표 3/2/1-12> 에정리하였는데, 2015 년초신규프로젝트로제안된것은다음과같으며, 2018 년도에새로이표준이발간되는것을목표로추진되고있다. [ 그림 3/2/1-8] 수소에너지기술은지속가능한미래를만드는핵심기술 2014 년말기준으로, TC197에구성되어있는작업반중소위 TC 197 Fueling Family 인 WG 19, 20, 21, 22, 23, 24는수소충전소와그에부속된설비를다루고있으며, 가장활발한활동을보이고있다. 2014년 6월기준으로 < 표 3/2/1-11> 과같이, 전체 16 종의표준문서가제정되어있고, 2005 년부터기술위원회가활성화되어매년 2건이상의규격이개발되고있다. - NWIP: ISO 16111:2008 의개정 ( 프랑스제안 ) - ISO 22734-1:2008, ISO 22734-2:2001 의개정 ( 미국제안 ) - ISO 14687-1, 14687-2, 14687-3 문서의통합및개정 ( 일본제안 ) 이산화탄소의배출저감을위해서는재생에너지의역할확대가필수적이며, 수소는재생에너지의유력한저장수단이다. 연료전지기술을응용한전기화학셀에의한충방전기술과물분해수소제조및저장기술을조합한 " 수소전력저장및충방전시스템 " 은대규모, 장기저장, 가격, 충방전효율등에서우위가있다고보고있다. 47) 물분해수 46) 수소연료전지기술의국제표준 (2015.7.16., 한국에너지공단신 재생에너지센터 / 포항공대신 재생에너지연구소자료 ) 47) http://www.nedo.go.jp/koubo/ff2_100048.html 224 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 225
소와이산화탄소로화합물을만드는공정의가능성도검토 4 8 )4 9 ) 되고있다. 장기적인관점에서는직접태양빛을이용하여수소를발생시키는방법즉광생물학적또는광전기화학적방법으로만든수소를이용하여재생에너지활용의극대화를이끌어내야할것이다. 단기적으로는서비스수명의최적화와가격저감을위한수전해장치의부품개선, 풍력과같은부하변동이심한재생전원에맞는전기분해방식용 문서번호 AWI 19881 (WG18) AWI 19882 (WG18) 문서제목 수소충전소 - 육상차량용연료탱크 수소충전소 - 육상차량용연료탱크 - 열로작동되는압력제거장치 (TPRDs) 현재단계 limited date 2015 10-29 2015 10-29 프로젝트리더 Gambone, Livio Gambone, Livio 촉매와전해질개발, 수소저장소재를이용한분산전원용수소저장기술등수소제조및저장, 이용시스템효율과내구성을증대시켜상용화가능수준의경제성에도달하기위한노력이진행되고있다. NP 19883 CD 19884 수소분리정제용 PSA 시스템의안전 가스수소 - 정치형저장용실린더와튜브 NWI CD < 표 3/2/1-12> 제 개정중인문서 (2015.4 월기준 ) 문서번호 문서제목 현재단계 limited date 프로젝트리더 DTR15916 TC197 수소시스템안전을위한기본검토사항 CD Schmidtchen, Ulrich NP 16111 이동용가스저장장치 - 가역성금속하이드라이드에흡착된수소 NWI 프랑스제안 AWI 17268 (WG5) 가스수소 - 도료차량연료주입연결장치 2017 01-15 AWI 19880-1 (WG24) 수소충전소 -part 1. 일반사항 TR 2015 11-25 Schneider, Jesse & Dang Nhu, Guy AWI 19880-2 (WG19) 수소충전소 -part 2. 디스펜서 2015 10-29 Watanabe, Shogo AWI 19880-3 (WG20) 수소충전소 -part 3. 밸브 2015 10-29 Watanabe, Shogo AWI 19880-4 (WG21) 수소충전소 -part 4. 압축기 2015 10-30 Hall, Karen I AWI 19880-5 (WG22) 수소충전소 -part 5. 호스 2015 10-30 Hall, Karen I AWI 19880-6 (WG23) 수소충전소 -part 6. 피팅 ( 접속재료 ) 2015 10-30 Hall, Karen I 48) http://www.fuelcelltoday.com/news-events/news-archive/2012/november/ukconsortium-to-examine- feasibility-of-synthesising-methane-from-electrolytichydrogen-and-industrial-carbon-dioxide 49) http://www.press.bayer.com/baynews/baynews.nsf/id/bayer-rwe-siemensassociation-academic- partners-research-utilization-co2-using-renewable-energies 226 제 3 편제 2 장신 재생에너지원별기술동향제 1 절수소에너지 227