차세대 청정에너지원 수소를 주목하자

수소...차세대성장에너지원으로 각광
황원희 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2020-05-04 15:26:35
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[환경미디어= 황원희 기자] 최근 수소에너지가 탄소에너지를 대체하는 새로운 에너지 패러다임 전환을 보이며 한국의 혁신성장의 핵심 분야로 주목받고 있다. 에너지원으로서 탄화수소를 기반으로 한 탄소경제(Carbon Economy)를 대신해 수소를 기반으로 한 수소경제(Hydrogen Economy)라는 개념은 1970년대부터 대안적 이상향으로 주목받아왔다. 

 

▲수소연료 버스 

수소경제라는 개념은 해외 유명 석학과 산업계 인사로부터 전망성 있는 차세대 에너지라는 평가를 받아왔다. 최근에는 재생에너지를 활용해 수소를 생산하고 에너지 수요와 공급 사슬 전체 영역에서 수소와 전기를 주요한 에너지 유통수단으로 사용하는 경제체제로서 주로 재생에너지로의 에너지전환 기조와 연계해 인식되고 있다. 더불어 에너지 차원을 넘어 산업적 차원에서 전후방 파급효과가 큰 혁신산업이라는 점에서 한국의 혁신 성장 핵심 분야로도 각광받고 있다. 

 

수소 활용 분야로는 수소차, 열차, 선박 등 수송 분야와 연료전지, 수소 가스터빈 등 에너지 분야까지 다양한 에너지 신산업 창출이 가능하다. 또한 수소 생산을 위한 화학 기계설계 분야와 배관 용기 등의 소재 부품 분야 등 다양한 분야에서 고부가가치를 창출할 수 있다. 

 

따라서 세계적으로 수소경제는 확대일로에 있는 수소차 및 연료전지 시장 중심으로 구축되고 있으며 이를 활성화하기 위해 주요 선진국들은 수소 밸류체인(생산, 운송·저장, 활용) 전단계의 기술적, 산업적 완성도를 높이기 위한 지원과 노력을 아끼지 않고 있다. 

 

일례로 현대차와 도요타와 혼다를 중심으로 수소차 보급을 이끌고 있으며 BMW, 폭스바겐, GM 등 후발기업의 시장진출로 수소차 시장이 지속적으로 성장할 것으로 보인다. 

▲현대차 넥쏘

한편 국내 수소경제는 수소차, 연료전지 등 수소 활용 분야에서 최고 수준의 기술력을 확보하고 있으며 이에 수소를 충분히 공급할 수 있는 대규모 화학산업 기반과 함께 전국 단위의 수소 유통을 지원할 발달된 LNG 공급망을 보유하고 있는 등 충분한 잠재력을 지니고 있다고 평가된다. 

 

대표적으로 2018년 글로벌 경쟁력을 갖춘 수소차 일반 보급모델인 ‘넥쏘’가 현대자동차에서 출시됐다. 특히 국내 연료전지 산업은 원천기술을 보유한 국내, 해외 기업과의 제휴와 합병을 통해 최고 수준의 연료전지 기술을 확보하고 있다. 또한 울산, 여수, 대산 등 3개 석유화학단지를 중심으로 수소가 생산되고 있으며 전국 단위의 LNG 공급망을 보유, 이를 수소 공급에 활용함으로써 접근성이 용이해졌으며 운송비 절감도 가능해졌다. 

 

▲도요타 수소자동차 

최근에는 산업기술보호위원회에서 회의를 통해 현대자동차의 수소자동차용 수소연료전지시스템 기술수출에 대한 안건을 심의한 결과 이를 허용하기로 했으며 미국과 유럽으로의 수출길이 열리기도 했다. 현재 수소연료전지시스템 등 69개 기술은 국가핵심기술로 지정돼 있으며, 이 기술은 ‘산업기술의 유출방지 및 보호에 관한 법률’에 의거 산업기술보호위원회 승인을 받아야만 수출될 수 있다. 

 

그러나 일각에서는 “수소의 수요 및 공급 인프라 부족, 원천기술이 미비하고 아직 자생력 있는 수소시장 자체가 형성되어 있지 않은 관계로 다가올 수소경제 시대의 도래를 준비하기 위한 정부지원이 요구되는 상황”이라고 밝혔다. 

 

이러한 국내 수소경제 활성화를 지원하기 위해 2018년 6월 ‘혁신성장 관계장관회의’를 통해 정부의 명확하면서도 확고한 지원 의지가 천명되었으며 이를 구체화할 ‘수소경제 활성화 로드맵’이 수립되기도 했다. 

 

이는 혁신성장 전략투자 방향을 통해 친환경 수소에너지 기반 수소경제 활성화를 목표를 한 것으로 생산-저장/이송-활용 등 단계별 수소 밸류체인 구축과 수요 기반을 확충하기 위해 2019년부터 연간 1,000억 원 규모를 투자한다는 계획안이다. 

 

▲혼다 수소자동차 

이 같은 정부의 수소산업 육성 및 수소경제 실현 의지를 반영해 구체적인 추진전략과 연차별 추진 계획을 담은 ‘수소경제 활성화 로드맵’ 수립을 지원하기 위해 수소산업 관련 민관 전문가들의 집단 지성을 바탕으로 한 정책연구가 필요한 시점이라 하겠다. 

 

온실가스와 미세먼지 저감효과 환경지킴이

 

수소는 우주물질의 75%를 차지하며 지역적 편중이 없는 보편적인 에너지원인 동시에 매우 풍부한 자원이다. 그러나 지구상에는 물이나 유기화합물 형태로 존재한다. 그렇기에 수소를 직접 활용하기 위해서는 기술적 난이도가 상대적으로 높지만 지역적 편중이 없는 보편적인 자원인 동시에, 장기간 대용량 저장이 가능하다는 장점도 있다. 

 

역사적으로 수소는 한 세기 전부터 사용되어 왔으며 현재도 전 세계적으로 매년 5천만 톤의 수소가 사용되고 있다. 특히 수소는 반도체 및 디스플레이 제조, 암모니아 제조, 광섬유 제조, 석유정제. 화학비료(비료, 합성수지, 페인트, 세제 등), 전지 제조, 제철, 우주선 및 로켓연료(액체수소) 등 다양한 분야에서 산업용 연료로 사용된다. 

 

이러한 수소는 공기 중 산소와 단순한 (촉매) 화학반응(연료전지)을 통해 전기와 열, 즉 최종에너지를 생산할 수 있지만, 부산물은 단지 물(H2O)밖에 없어 친환경 에너지 자원으로 각광받고 있다. 

 

이는 공기 중의 산소와 결합함으로써 연료전지에서 촉매 화학반응을 통해 전기와 열을 생산하는데 이때 발생하는 전기를 자동차의 구동에너지로 활용하면 수소차, 단순히 전기와 열 발생장치(수소발전기 등)로 활용할 경우 발전용 연료전지나 자가용 연료전지가 된다. 

 

더욱이 화학적으로 수소는 탄소를 포함하지 않기 때문에 탄화수소 연소과정에서 발생하는 온실가스 배출 문제에서도 자유롭다. 

 

이처럼 수소가 지닌 친환경 에너지 자원의 활용 가능성에 대해 1973년 제1차 석유위기 이후 세간의 관심이 야기됐으며 특히 21세기 들어 지구환경 문제가 심각한 문제로 대두되면서 그 활용방안에 대해 연구가 이루어지고 있다. 

 

특히 수소는 2040년 기준 수소차 1대로 경유차 1대를 직접 대체한다는 가정 하에 수송부문에서 발생하는 온실가스(이산화탄소) 저감량은 약 980만 톤에 달할 것으로 보인다. 2040년 기준 수소경제 활성화로 인한 온실가스(이산화탄소) 저감량은 약 2,728만 톤으로 이는 500MW급 석탄 화력발전소 9기의 온실가스 배출량에 상당하는 양이다. 또한 연간 약 7,489톤 정도의 미세먼지를 저감할 수 있다. 

 

더욱이 수소를 연료로 연료전지에 투입, 전기와 열을 결합해 생산할 경우 종합적인 에너지 생산효율이 80~90% 정도로 특히 대체재인 내연기관에 비해 고효율이라는 장점도 지닌다. 

 

화학적으로 수소는 높은 에너지밀도를 갖고 있어, 수소의 단위 부피당 발열량은 탄화수소 등에 비해 낮지만 단위 중량당 발열량은 휘발유나 경유에 비해 약 3배 정도 높은 편이다. 

 

화학적으로 수소는 높은 에너지밀도를 갖고 있어 수소의 단위 부피당 발열량은 탄화수소 등에 비해 낮지만 단위 중량당 발열량은 휘발유나 경유에 비해 약 3배 정도 높은 것으로 나타났다. 

경제적 측면에서 수소 활용산업은 수소차를 중심으로 한 수송 분야에서 전기, 열 등 에너지 분야까지 다양한 새로운 미래 신산업으로 육성이 가능하다. 특히 단기적으로 수소차나 연료전지 등 기술선도 분야에서의 시장 창출 및 확대 가능성이 높은 편이다.

 

즉 수소승용차에서 상용차, 열차, 선박, 드론, 건설기계 등 모든 수송 분야에서 수소 활용이 가능하며 이를 통해 새로운 산업 생태계가 조성될 수 있다. 

 

▲수소에너지의 여러 활용 방안 

해외의 경우 차량 외에 수소연료전지를 활용하는 방안을 모색하고 있다. 그동안 항공기에 주로 리튬이온전지를 사용해왔으나 일부 회사들이 VTOL(vertical takeoff and landing;수직이착륙기) 항공기에 수소연료전지를 지속적으로 개발해오고 있으며 사용하도록 독려하고 있다. 하지만 수소연료전지의 지속성과 수소연료를 수급하기 쉽지 않다는 점이 걸림돌로 작용된다. 

 

특히 미국의 경우 수소를 쉽게 구할 수 있는 인프라가 거의 없는 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고 수소연료전지는 승객 및 화물용 수직리프트, 그밖에 도시 외 장거리 운송에서도 활용할 수 있을 것으로 보고 있다. 또한 연료 전지는 리튬이온전지를 제조할 때 필요한 희토류 금속에 의존하지 않아. 자원고갈 측면에서도 훨씬 큰 이점이 있다. 

 

수소차의 시장규모...2천억 달러 달해 

 

2017년 기준 2조 달러 규모의 세계 자동차 시장을 고려했을 때 이중에서 약 10%만 수소차로 전환되어도 디스플레이 시장(1,300억 달러)의 약 1.5배, 반도체시장(4,200억 달러)의 약 1/2 규모가 될 수 있다. 참고로 시장조사업체 마켓스터디리포트에 따르면 2017년 전 세계 수소연료전지자동차 시장 규모는 약 4억6,500만 달러에 달했다. 

 

또한 연평균 22% 이상 성장하고 있는 세계 연료전지 시장을 고려할 경우, 분산전원의 최적 에너지전환 기술 및 설비로서 친환경적이면서 고효율의 전기와 열을 생산하는 연료전지의 경제적 가치도 무시할 수 없게 됐다.

 

정부에 따르면 수소경제가 활성화될 경우 2040년 기준으로 직접적인 총 매출액 규모는 약 61조원, 이중 중간재 비용을 공제할 경우 직접 부가가치 총 규모는 약 16조원에 이를 것으로 추정하고 있다, 

 

한편 수소 활용산업은 수소 생산, 저장, 운송, 활용 등의 밸류체인 전반에 걸쳐 다양한 산업과 연계된다. 따라서 상당한 부가가치 및 고용유발효과를 거둘 수 있다. 

 

휘발유, 경유 사용 자동차가 수소 사용 자동차로 전환됨에 따라 새로운 자동차 시장 형성 및 관련 부품, 소재 협력 기업이 성장할 수 있으며 연료전지 제조산업 및 관련 부품업체 성장도 자연스럽게 유도된다. 

 

또한 수소차 및 연료전지의 협력부품업체가 대부분 중소 중견기업으로 활용 확대에 따라 협력기업의 성장과 고용창출로 연계될 가능성이 높다. 

 

업계 관계자에 따르면 “만약 차량 부품 수가 3만개 정도인 내연기관차를 부품 수가 1만9천개에 불과한 전기차로 대체할 경우, 그만큼의 부품을 생산 공급하는 협력부품업체들도 타격을 받아 축소될 수밖에 없다. 그러나 수소차의 부품 수는 2만4천개로서 전기차에 비해 약 5천개가 많아 협력부품업체들이 받는 타격도 상대적으로 적을 수 있다”고 밝혔다. 

 

이와 관련해 2040년 수소경제와 수소경제의 후방 연관산업(중간재 산업)에서 유발된 총 매출규모(생산유발액)는 총 149조원, 이중 중간재 비용을 공제할 경우 유발된 총 부가가치 규모(즉부가가치유발액)는 약 42조원에 달할 것으로 보인다. 또한 매출 창출을 위해 투입된 인력 규모(일자리, 고용인원 기준)는 약 42만 명으로 2018년 국내 자동차 산업 고용인원의 약 75%에 해당된다.

 

전세계 자동차 제조사들 간의 각축전 양상 

 

시장조사업체 리서치앤마켓에 따르면 2014년에서 2032년 사이에 누적 656만대의 수소 연료전지자동차가 전 세계적으로 판매 혹은 임대될 것으로 예상하고 있다. 그 가운데 도요타, 혼다, 현대 등 3대 자동차 제조사들은 이미 차량을 일반 대중에게 판매하고 있다. 

 

벤츠가 퍼블릭 도메인에서 수소차를 판매하기 시작하면서 시장은 더욱 경쟁이 치열해질 것으로 보인다. 이 차량은 현재 임대차로 제공되고 있으며, 고객 선별을 통해 판매되고 있다.

 

폭스바겐과 BMW는 각각 2021년과 2022년 출시로 수소차 대열에 합류할 준비를 하고 있다. 중국 자동차 회사인 SAIC와 Grove의 차량 출시도 임박한 것으로 나타났다. 

 

초창기에는 수소차의 엄청난 비용과 강력한 수소 연료 공급 인프라의 부재 때문에 판매 및 임대 속도가 느렸다. 하지만 이들 차량의 가격은 점차 낮아지고 수소연료 인프라가 형성되기 시작하면서 차량들의 빠른 성장을 촉진하고 있다. 이러한 차량의 현재 고객으로는 차량용 함대, 정부 기관 및 얼리어답터 등이 있다. 

 

2020년대에 수소차 산업이 활성화되기 전까지 시장은 얼리어답터들과 부유층에 국한될 것으로 전망된다. 하지만 2025년까지 세계 여러 지역에 충분한 수소 연료 인프라가 구축되면서, 수소 차량의 시장에 초기 활력을 불어넣을 것이다. 2020년대 후반에 연료 공급 인프라가 더욱 확장됨에 따라 수소차는 시장 수용률을 높이기 시작해 훨씬 더 빠른 속도로 발전할 것이다.

 

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