Ⅲ-1 수소에너지의 이해
물을 전기분해하여 생산하는 수소는 전 세계 수소생산량의 약 4%에 불과하고, 96%는 화석연료로부터 생산되고 있다. 그 중 천연가스로부터가 48%, 석유가 30%, 석탄이 18%를 차지하고 있다. 그러나 물의 전기분해는 가장 환경친화적인 수소 공급원이지만 수력발전과 같이 재생가능에너지 이용 지역에서만 제한적으로 이용이 가능하다는 단점이 있으며 전기의 소모가 매우 많다는 점이다.
그러나 많은 전문가들은 향후 15년 뒤에는 석유와 가스를 분해해서 얻어지는 수소가 일부 차량의 동력원으로 이용될 것으로 전망하고 있으며, 50년 뒤에는 물 에서 분해된 수소가 대부분의 용도에서 석유를 완전히 대체할 것으로 전망하고 있다.(김종원, 2003)
수소에너지는 현재 화학업에서 주로 이용되고 있다. 전 세계적으로 연간 5000 억 NM3가 생산된다. 천연가스의 스팀 재포집에서 48%가 생산되며 이는 주로 암 모니아 생산, 비료제조업, 메탄올 생산, 탈황 에너지 정제용에 사용된다.
[그림 2] 수소 에너지의 이용 가능분야
출처: 김종원 “수소에너지 현황과 전망,” 2002
1960년대 수소에너지 기술에 막대한 영향을 준 것은 미국이다. 미국은 1960년 대에 우주개발의 필요성으로 인해서 수소추진 로켓, 액체수소의 저장과 수송, 연 료전지 이용기술에 대한 연구를 수행하였다. 70년대부터 수소에너지와 관련한 기 술의 특허가 시작되면서 1980년대 이후에는 일본의 특허출원 동향이 전체 특허출 원 동향에 큰 영향을 주고 있다. 제조하는 방법이 매우 다양함으로 인해서 생산 에 따른 비용도 매우 다양하다. 석유로부터는 약 3.5 달러가 소요되고 천연가스의 경우는 1.8달러, 메탄으로부터의 개질에는 대규모 공장의 경우에는 5.4달러가 소 규모에는 11.2 달러가 소요될 것으로 추정하고 있다.
<표 9> 수소에너지 생산의 경제성 비교
시설유형 연료/수소가격($/GJ)
석유
3.5(spot market$20/배럴) 7.9(pre-tax)
31.0(70p/리터)
천연가스 1.8(ave. wellhead 1990-99)
6.0(wellhead Dec. 2000) 증기메탄 개질(改質) 5.4(대형 공장)-11.3(소형 공장)
부분적인 산화 7.0-10.7
석탄기화 9.9-11.6
생물자원 기체화 8.7-13.1
생물자원 열분해 8.9-12.7
메탄 열분해 5.8(C revenue)-10.6(No C revenue) 증기메탄 6.0(no CO2 seq.)-7.5(With CO2 seq.) 풍력에 기반한 열분해 11.0(future 2010)-20.2(tech. 2000) 태양광에 기반한 열분해 24.8(future 2010)-41.8(tech. 2000) 자료: Padro & Putsche, 1999
[그림 3] 수소에너지 비용 비교
자료: H2NET: http://www.h2net.org.uk/PDFs/RN_3/h2net2.pdf
최근에는 일본의 특허출원 건수가 급증하고 있다. 그 이유는 1993년 수소에너 지기술 연구개발 계획인 WE-NET(World Energy Network) 1단계 사업을 시작으 로 한 WE-NET 프로그램이 성과를 보면서 2003년까지 확대되었기 때문이라고 본 다. 전 세계 3,504건의 국가별 특허 출원 중 일본이 65%(2,260건)로 압도적으로 많은 특허출원 건수를 보이고 있으며 미국과 한국이 각각 16%(575건), 13%(465 건) 그리고 유럽이 6%(204건)의 비율을 차지하고 있다.
<표 10> 수소에너지의 기술 수준 비교
한 국 미 국 일 본
수 소 100 200 150
연료전지 100 200 150
태 양 광 100 200 200
Ⅲ-2. 수소 에너지 선진국의 정책
Ⅲ-2-1. 일본
日本은 WE-NET프로그램 등으로 관련연구의 국제화도 추진하고 있다. 일본의 경우 2020년까지 계획을 수립해 놓고 있는데 2005년까지 기초연구를 하면서 기술 적용타당성을 조사한다는 계획이다. 2010년까지는 연료전지 자동차를 5만대까지 보급하고 설치형 연료전지발전을 2백만KW 규모로 보급하며, 2020년이 되면 500 만대의 연료전지자동차와 백만 kW급 연료전지발전 연구를 하고 있다. 일본은 수 소이용 국제 클린 에너지시스템」기술개발을 위해서 1993년부터 2020년 까지 24 억달러를 투자할 계획이다.
일본은 2000년에 20만 kW, 2010년에는 220만 kW의 상용화를 목표로 하고 있 으며 100 kW급 연료 전지의 개발을 완료하고 이제는 200 kW급 개발을 추진하고 있으며 동시에 가스회사 전력회사가 참여하는 대규모 연구조합을 결성하였다. 그 러나 연료전지를 이용한 발전 비용이 기존의 것에 비해서 2-3배 높고, 연료 공급 의 인프라가 안 갖추어져 있으며, 내구연한의 극복 문제 등을 고려할 때 아직 연
료전지 시장이 본격적으로 실용화되기에는 시간이 걸릴 것으로 보이지만 연평균 30%이상의 고속 성장을 할 것이라는 것은 틀림없을 것이다.
<표 11> 연료전지 자동차의 시장 규모 전망
토요타 전망 혼다 전망
2005 2007 2010 2011 2015 2020
10만 30만대 100만대 150만대 500만대 150만대
자료: Toyota, Honda 내부 자료. 2002. 12
일본의 도요타는 독자 개발한 연료전지를 탑재한 High lander를 Base Model로 한 FCHV4를 2001년도에 발표하였으며, 이것을 바탕으로 2003년도에 일본정부와 미국 캘리포니아에서 운행될 연료전지/이차전지 하이브리드 형태의 연료전지자동 차의 소량시험생산계획을 발표하였다.
[그림 4] 일본의 연료전지 상업화 Roadmap
일본의 연료전지 확산 시나리오
2002~ 2005~ 2010~ 2020~
기 업
정 부
연구 및 기술 데모 단계 시장도입 단계 확산 단계
연료전지 자동차 및 정치용 연료전지 장치 발표
연료전지 도입 및 실용화 촉진
시장 활성화 및 규모확대
실증 테스트(2002~04) FC자동차, 정치용 장치 수소공급 인프라 등
밀레니엄 프로젝트(‘00~04) 표준설정 및 국제협력
규제 및 법규 정비
도입 촉진 공공부문 도입
인프라 단계적 구축
상업화 촉진 정책 FC자동차 5만대 전력 생산2.1GW
FC자동차 5백만대 전력생산10GW 일본의 연료전지 확산 시나리오
2002~ 2005~ 2010~ 2020~
기 업
정 부
연구 및 기술 데모 단계 시장도입 단계 확산 단계
연료전지 자동차 및 정치용 연료전지 장치 발표
연료전지 도입 및 실용화 촉진
시장 활성화 및 규모확대
실증 테스트(2002~04) FC자동차, 정치용 장치 수소공급 인프라 등
밀레니엄 프로젝트(‘00~04) 표준설정 및 국제협력
규제 및 법규 정비
도입 촉진 공공부문 도입
인프라 단계적 구축
상업화 촉진 정책 FC자동차 5만대 전력 생산2.1GW
FC자동차 5백만대 전력생산10GW
자료: 미에너지부, Fuel Cell Report to Congress, 2003. 2.
혼다는 연료전지를 독자 및 공동 개발을 병행하고 있으며, 도요타와 같은 시기 인 2003년에 2001년 발표된 EV Plus를 Base Model로 한 압축수소를 탑재한 연료 전지 탑재 능력의 하이브리드 시스템을 탑재한 FCX V4를 기본으로 하는 연료전 지자동차의 소량생산계획을 발표하였다. 이외에도 Renault/Nissan이나 PSA Peugeot 와 같은 주요 자동차회사들도 2000년대 중반을 기점으로 다양한 형태로 연료전지자동차의 초기 시장도입을 위한 소량생산계획을 발표하고 있다2).
연료전지의 보급 시장은 1999년에는 0.4억불/년(인산형 발전용 기준) 2010년 13 억불/년(발전용, 자동차, 전자기기 용 포함)로 될 전망이다. 연료전지 발전 기술개 발의 전략으로는 1세대 인산형(PAFC) 초기시장을 형성하고 고분자형(PEMFC) 차 세대 자동차 기술을 선점하고(2010년 실용화) 고체산화물(SOFC), 용융탄산염 (MCFC)은 대규모 발전용을 개발하고 직접 메탄올(DMFC)이나 마이크로 연료전 지(MFC) 등 소형 이동전원용 개발을 목표로 하고 있다.
연료전지가 채택되면 다음은 연료의 선택이 문제다. 액체연료에서 수소를 추출 하는 방법에서부터 액화수소나 압축수소를 사용하는 등의 다양한 형태가 채택되 고 있다. 그러나 대부분의 차량의 성능 목표는 최고속도 150Km/h, 주행거리 5 0～450 Km로 기존의 차량과 동일한 성능을 보여줄 것으로 예상하고 있다.
바이오매스로부터의 수소에너지 이용도 매우 가능한 것으로 보인다. 현재 전세 계 바이오매스의 부존량은 111EJ/년(100억ton/년) 가능한 것으로 추정하고 있는 데 가축이나 에너지 부문은 제외한 것이다. 이러한 바이오매스를 이용한 경우 연 간 49억톤의 발전이 가능하고 메탄올은 87억톤, 수소는 11.1톤이 가능 할 것으로 추정하고 있다.3)
일본의 Ebara(2003)사가 나무 목재를 이용하여 플랜트를 건설한 후 발생하는 비용을 추정한 것이 있는데 톤당 20,000엔의 취급비용을 들일 경우 수소 생산 하 는데 1평방미터당 20～26엔의 비용이 소요되는 것으로 나왔다. 이러한 비용은 천 연가스에서 수소를 추출하는데 드는 비용이 약 21.4엔이고, COG(Cokes Over Gas)으로부터 나오는 비용이 13.1엔 이였다는 점을 고려하면 비교적 경제성이 있
2) 임태원,“연료전지 자동차의 개발 동향,” 수소에너지 기술 세미나 발표 자료, 2003. 12. 3 3) 연간 12억톤의 발생 중 21～48%의 CO₂가 저감되는 것으로 추정됨.
는 것으로 보인다.4) 한편 메탄올 추출비용의 경우도 바이오매스에서 나오는 비용 은 톤당 32,000-50,000엔으로 추정되었는데 통상적인 산업공정에서 나오는 메탄올 추출비용은 40,000엔인 점을 고려하면 이것 역시도 상당히 경제성이 있는 것으로 전망하고 있다.
<표 12> 각국의 연료 전지 자동차 개발을 위한 정부 프로그램
국가 프로젝트
(추진기관)
개발
기간 예산 개 발 목 표
미국
Freedom CAR
(에너지성) 02~10 $5억
(02~06)
n수소 자동차 개발을 통한 에너지 자급자족 실현
n자동차 효율개선을 통한 석유 소비 저감 Freedom FUEL
(에너지성) 03~15 $12억 (03~07)
n연료전지, 수소생산 저장기술 개발을 통한
\ 수소에너지 사회로 발전 수소자동차/인프
라시범운행 프로그램 (에너지성)
04~08 $2.4억 n연료전지 자동차와 수소 인프라 시범 운행을 시범 운행을 통한 향후 연구개발 방향설정
일본
수소/연료전지 시범운행 프로젝트 (경제산업성)
02~04 680억엔
n연료전지 자동차와 수소 인프라 시범 운행 을 통한 에너지절감 및 환경개선 효과 파악, 향후 연구개발 방향설정
유럽 6차 Frame Work
Project (EC) 03~06 21억유로 n자동차용 청정에너지/재생에너지 개발을 통한 수소에너지 사회로의 전환
중국
863 프로젝트 (중앙정부)
수소기술
01~05 1,500억원 n중국 자동차 산업의 기술경쟁력을 높이는 수단으로 연료전지 자동차 개발 지원
R&D프로젝트
(한림원) 02~04 $1,200만 n수소기술 보유를 통한 국가 경쟁력 제고
4) 비용추정을 위한 가정으로는 매일 100톤을 처리하고, 건설비용 50억엔, 수소압력 20MPa.
Ⅲ-2-2. 미국
미국은 지난 70년대 말부터 수소의 제조, 저장, 이용 등 분야별 연구개발에 힘 을 쏟고 있다. 미국은 향후 10년동안 55억달러를 투자하여 수소에너지를 개발하 려고 한다. 이중 23억 달러를 연구개발에 투자하고, 구매에 13억 달러를 할당하 며, 수소에너지 시장이 활성화 되도록 하는데 675만 달러, 인프라 구축에 950만 달러, 교육 등에 6백만 달러를 투자하려고 한다.
미국은 이미 우주개발 군사용 등 특수 분야에 실용화 기술을 확보해 놓고 있 다. 그러나 실생활에 이용한 것은 1998년 시카고시의 대중교통 버스에 연료전지 를 최초로 사용하였다. 한편 Ballard power system은 대용량 이동 전력 Nexa 전 력 모듈 (1200watt)의 공급 가능 설비를 개발하였다. C.A의 Thousand palms(Sunline transit)에서는 PV를 사용하여 수소를 추출하는데 전기분해법을 사 용하고 있다. Icelandic New Energy Ltd사는 2002년에 Reykjavik를 운행하는 수 소에너지 버스 추진 2006년에는 보트로 계획중이다.
1990년부터 미국은 이른바 마츠나가 수소연구 개발법안 (Matsunaga Hydrogen Research and Development Act)을 통과하여 요소기술 (Critical Technology)을 개 발하였다. 1996년에는 미래 수소법에 따라 수소의 생산, 저장, 이용 등에 관한 연 구개발을 추진하여 1996년부터 2001년까지 164백만불 투자를 하였다. 한편 2025 년까지 단기(∼2005년)/중기(∼2010년)/장기(∼2025년)로 기간을 나누어 수소 도입 목표를 정량적으로 제시하고 있는데 2025년 전체에너지 공급량의 10%를 태양 등 재생가능에너지로부터 제조된 수소의 공급을 목표로 하고 있다5).
미국의 수소 에너지 정책 방향(Energy Policy Act 2003)을 구체적으로 보면 목 표는 ▪에너지 생산 분배 시스템 최신화, ▪환경보전 강화, 환경 친화적 생산, 신 기술, ▪경제 강화 및 고용 창출 및 해외 의존도 감소 등을 목표로 하고 있다. 추
5) 4개 회사가 수송의 대부분 차지하고 있다.
- Air Products & Chemicals.Inc, Air Liquid Group, Praxair Inc, BOC Group (80개 공장) 미국에서는 4개 회사가 수송의 대부분 차지하고 있다. 즉 Air Products & Chemicals.Inc,
Air Liquid Group, Praxair Inc, BOC Group 등이 80개 공을 운영하고 있으며 천연가스 Pipeline을 이용한 지역은 Texas, Louisiana, California, Indiana 이며 tube trailer를 이용 하여 수송하는 곳도 있으며 compound나 화학액체로 이용하는 곳도 있다.