연료전지는 수소와 산소를 결합해 전기와 열, 그리 고 물을 생산해내는 전기화학장치다. 수소를 얻기 위한 연료로 화석에너지에서 신·재생 에너지에 이르기까지 다양한 에너지를 사용할 수 있고, 전기화학적인 원리로 연소과정이 필요 없기 때문에 열효율은 높이고 오염물 질 배출은 거의 없다는 장점 때문에 미래의 에너지로 각광받고 있다. 주요 선진국들은 지금 연료전지 개발에 국가적 역량을 집중시키고 있다. 그러나 장애요인을 무 시하고 상용화를 너무 서두른다는 지적도 만만치 않다.
이번 호에서는 연료전지 개발에 대한 3개 지역의 최근 동향을 점검해 보았다.
□ 미국, 수소기술 개발에 대한 부시대통령의 진정한 의미는?
미국 부시행정부는 연료전지와 수소 분야 기술개발 을 위하여 향후 5개년에 걸쳐 총 12억 달러 규모의 투 자계획을 마련하고 첨단기술 상용화의 시기를 2020년 으로 앞당기기 위한 청사진을 제시하였다. 그러나 전문 가들은 이 정도 투자규모로 연료전지 및 수소 생산 기 술의 상용화를 앞당기려는 정부의 계획은 무모한 것이 라고 주장한다.
부시 행정부는 연료전지가 차세대의 에너지 소비 증 가에 대응할 수 있는 해결책이며 동시에 해외에너지에 대한 의존도를 줄이고 온실가스 배출을 줄일 수 있는 효과적인 수단이 될 것으로 확신하고 있다. 부시 대통 령은 동 부문 기술개발 투자 5개년계획의 일환으로,
2005회계연도 예산안에서 에너지부(DOE)의 연료전지 R&D 자금으로 2억2천700만 달러를 예산에 반영하였 다. 이 자금은 에너지부가 추진하는 기술개발 프로그 램, 즉 발전연료 분야와 자동차 연료 분야에 배분될 예 정이다. 그러나 일부에서는 이 같은 조치는 연료전지분 야의 특혜라며 반발하고 있고 관련 산업 전문가들은 투 자자금의 규모가 턱없이 부족하다고 주장한다. 미국연 료전지위원회(USFCC) 위원인 로버트 로즈 씨는“연료 전지와 수소, 미래 전망”이라는 보고서에서 자동차용 및 발전용 연료전지의 상용화는 정부의 적극적이고 지 속적인 지원 하에서만 가능하다며, 상용화를 조기에 달 성하기 위해서는 정부와 민간부문 간의 상호협력 노력 이 반드시 필요하다고 주장한다. 그는 특히 기술개발에 대한 정부의 대규모 공적투자 지원과 시범사업, 조기 주문, 초기 구매자에 대한 보상과 시장 진입장벽의 철 폐 등이 필요하다고 주장하고, 향후 10년간 약 55억 달 러의 기술개발 투자를 제안했다. 한편 GM 임원들은 연료전지 충전소 설치와 자동차 부문 연료전지 기술에 대한 추가 연구에 최소 100억-150억 달러가 필요하다 고 의회 관계자들과의 회동에서 주장했다.
최근에는 연료전지 응용 부문에 대해 광범위한 연구 가 이루어지고 있다. 휴대용 연료전지는 노트북 컴퓨터 나 휴대전화와 같은 전자제품의 전원으로 이용될 수도 있고, 설치식 연료전지는 가정, 상업 및 공업 시설의 전 원으로 활용될 수도 있다. 또한 자동차에서 열차까지 모든 교통수단의 연료로서도 관심을 끌고 있다. 단점은 높은 생산비와 자본비용도 높아서 상용화에 걸림돌이
미국, EU, 일본의 연료전지 개발 동향
된다는 점이다. 연료전지는 안전하고, 안정적인 것으로 여겨지지만, 내구성 및 관리유지, 수명주기에 따른 비 용은 반드시 해결해야 할 숙제다. 또한 차량용 연료전 지는 수소의 생산과 저장, 운반 등 여러 문제점들을 안 고 있다. 때문에 2020년까지 수소연료 자동차를 상용 화시키겠다는 부시행정부와 자동차업계의 결연한 의지 에도 불구하고, 우선은 설치식 연료전지부터 상용화될 것이라는 인식이 더욱 일반적이다. 차세대 연료전지 가 운데 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 시스템이 차량 동력원으로 가능성을 시험받고 있으며, 주택의 경우 3-5kW규모의 베타버전이 각광을 끌고 있다. 그러나 50kW, 75kW, 150kW의 대형 시스템의 적용은 기술 적 장벽에 부딪혀 있다. 250kW - 1MW규모의 용융탄 산염 연료전지(MCFC)는 발전용량에서 2위를 달리고 있으며, 연방 및 주정부기관이 설치식 시스템의 초기 실용화 사업에 대해 자금이 지원되고 있다. 세라믹을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 대 한 연구도 활발히 진행되고 있는데, 현재 실증시험 단 계가 진행되고 있다. 업계 전문가들은 자동차산업이 연 료전지 R&D를 촉진시키는 실질적 원동력이긴 하지만 분산형 전원개발에 적용될 설치식 연료전지가 미래에 보다 큰 실용화의 대상이 될 것이라고 주장한다. 현재 이동식용 연료전지가 부딪친 각종 문제들을 생각할 때, 자동차보다는 설치식 분야에서 성공 확률이 더 큰 것으 로 분석하고 있다. DOE 산하의 국가에너지기술연구실 (NETL) 관계자는“비용이 적고 전력밀도는 높아 기존 기술과 경쟁할 수 있는, 자본비용이 400달러/kW 수 준”의 연료전지 개발에 전력하고 있다고 말했다. 3- 10kW급 연료전지 양산에 초점을 맞추고, 2010년까지 시장에 내놓는다는 계획을 세워놓고 이다. 장기적인 목 표는 어디서든 사용 가능할 정도로 비용이 낮은 제품을
개발하는 것이다. NETL은 6개 기업과 공동으로 고온 SOFC의 시제품을 제작하여 발전 및 열병합부문에 가 장 적합한 기술 정착을 위해 노력중이다. 그는 SOFC 기술이 기존 연료로도 가동할 수 있다는 점에서 미래 수소 경제시대를 향한 교량 역할을 할 수 있을 것이라 고 전망한다. 자동차용 연료전지는 비용이 100달러 /kW의 범위에서 PEMFC시스템의 개발과 수소연료 인프라, 저장 및 운반상의 문제 해결에 주력하고 있다.
DOE는 2015년을 PEMFC 자동차의 상업화에 중요한 해로 기록될 것이라는 전망이다. 자동차용 연료전지가 전 세계에서 가장 큰 에너지 시장으로 떠오르겠지만 아 직까지 시장이 조성되지 않았고 설치식 연료전지 시장 이 먼저 상업화될 주장에는 민간기업과 같은 견해를 갖 고 있다.
한편 연료전지의 상업화 가능성과 수소기술 개발이 미국의 전반적인 에너지 수요에 빠르게 대응할 수 있을 지에 대한 의구심도 만만치 않다. 전미엔지니어링학회 와 전미연구위원회는 최근 보고서에서, 향후 10년간 수소가 주요 연료로 부상할 경우, 미국의 에너지경제구 도가 뒤바뀌겠지만, 이는 최상의 시나리오에 불과하며, 실제로는 아마 수십 년이 소요될 가능성이 높다고 주장 하고 특히 2020년까지 수소연료 자동차를 생산할 것 이라는 정부의 기대가 비현실적이라고 지적했다. 이밖 에도 수소 연료가 가까운 미래에 현실화되기는 어려울 것이라는 의견이 많다. 기술자들은 연료전지 시장이 당 초 구상대로 운영된다고 해도 비용이 너무 높아서 구매 자도 거의 없고, 규모의 경제 달성을 위한 생산량도 절 대 부족한 상태라고 지적했다. 또한 비용이 높은 한 관 심도 계속 낮을 것이며, 대량생산 준비를 갖추었다 해 도 대부분의 응용부문에서 여전히 지나치게 비싸다고 설명한다. 현재까지 가스화력발전소가 연료전지 보다
자본비용은 저렴한 반면 에너지 효율성은 더 높다고 지 적했다. 또한 연료전지가 발전 등 일부 응용분야에서는 경제성이 더 높을 수도 있지만, 아직 실질적 검증을 받 지 않았기 때문에 기업들이 연료전지를 백업파워로 사 용하기를 꺼릴 수밖에 없다는 지적이다.
클린턴 행정부시절 대체에너지와 절약을 담당했던 전직 DOE 관리는 지구온난화 문제가 수소 경제를 이 끄는 원동력이 될 수는 있으나, 현존하는 문제들을 해 결하려면 상당한 기술향상이 필요하다고 말한다. 그는 수소가“만능해결책”은 아니며 무언가로부터 만들어져 야 하는데 현재 95%가 천연가스로부터 만들어지고 있 다고 한다. 그러나 이는 비용 효율성과는 거리가 멀다.
즉 천연가스는 수소보다 4-5배 정도 저렴하지만, 다른 곳에서 더 쓸모있게 활용될 수 있다. 그는“재생가능원 료가 전체 에너지 공급에서 더 많은 비중을 차지하지 않는 한, 발전 과정에서 온실가스 배출을 줄이기 위해 석탄 대신 가스를 사용하는 것이 수소를 만들기 위해 가스를 소비하는 것보다 더욱 바람직하다고 주장한다.
수소자동차의 경우, 수소는 물에서 생성될 수 있지만 여기에는 막대한 양의 에너지를 필요로 한다.
전반적으로 수소기술 개발에 기대를 걸어볼 만은 하 지만, 하루아침에 수소기술로 전환되는 일은 없을 것이 라는 주장들이다. 그렇다면 부시행정부는 왜 수소 경 제, 특히 자동차연료로서 연료전지의 활용에 깊은 관심 을 보이고 있는가? 한 산업전문가는 차세대 수소기술 이 매우 현실적인 것처럼 포장함으로써, 현재의 화석연 료 공급을 늘리려는 것이 부시 행정부의 본심이라고 지 적한다. 즉, 수소기술에 적극 투자하는 것은 무언가가 진행되고 있다는 인상을 심어주기에 매우 적절한 방법 이지만, 실제로 수소 에너지가 개발되려면 너무 오랜 시간이 걸리기 때문에 사실은 아무 것도 진행되고 있지
않은 셈이라는 것이다. 수소기술 개발에 비판적인 전문 가들은 부시 행정부가 미국의 에너지 구도를 바꾸고 수 입의존도를 줄이려 한다면, 차라리 하이브리드 전기 자 동차 개발에 주력해야 할 것이라고 말한다. 아울러, 진 정으로 수소 경제 시대의 도래를 바란다면, R&D 자금 을 지금보다 6-10배 더 많이 쏟아 부어야 할 것이라고 덧붙였다.
□ 유럽, 관심 높지만 구체적 지원전략은 미흡
유럽연합(EU)도 연료전지와 수소 기술 개발에 진지 한 관심을 보이고 있다. 유럽 기술발전에 박차를 가한 다는 취지로 2003년 중반에 열린 EU 정상회담에서 EU위원회 위원장은 중동산 원유에서 유럽을 떼어내고 수소로 전환하는 전략이 우리가 앞으로 취해야 할 중요 과제라고 말할 정도이다. 그러나 정책적 관심이 구체적 인 조치로는 아직 이어지지 않고 있다. 지원 자금이 늘 어나기는 했지만, 여전히 연구 및 초기 개발단계에 머 물러 있어, 연료전지기술이 앞으로 최소 5년 동안은 실 용화를 위한 기술개발의 진전은 어려울 것으로 예상되 고 있다. 한편 유럽에서는 연료전지와 수소를 구분하려 는 노력이 진행되고 있다. 이는 수소가 각종 연료전지 에 사용되는 만큼 둘의 운명이 결국 하나로 묶여있다고 는 해도 기술까지 한데 묶을 수는 없다는 관점이다. 수 소는 장기적으로 오염물질 배출이 없는 발전 및 자동차 연료의 열쇠를 쥐고 있지만 아직은 현실과 동떨어져 있 는 반면 연료전지는 각종 연료를 에너지원으로 사용할 수 있고, 또 수소와는 무관하게 시장에 도입될 수도 있 기 때문이다.
유럽은 연료전지 및 수소 기술 개발에 대한 태도에 서 다른 지역과 차이를 보이고 있는데, 미국이나 일본
보다 이상적인 비전을 채택해오고 있다. 즉 지역 경쟁 력이나 오염물질 배출에서 얻을 수 있는 단기적 이익에 초점을 맞추기보다 연료전지와 수소가 결합한 오염물 질 제로의 수소경제 구축이라는 다소 모호한 개념만을 취하고 있다. 장기적 목표로 연료전지와 신·재생 에너 지의 결합은 이산화탄소 배출 제로의 경제를 달성한다 는 점에서 매력을 지닌다. 그러나 이는 매우 긴 시간이 소요되고 복잡한 문제를 안고 있다. 한 업계 관계자는 수소경제 없이도 연료전지는 가능하지만, 연료전지 없 이 수소경제를 이루기는 불가능하다고 말한다. 아무튼 유럽에서 연료전지에 대한 관심은 계속 높아지고 있다.
EU는 연료전지 및 수소개발에 대한 예산 지출을 크게 늘렸는데, 대형시범사업이나 상업화프로젝트보다 연 구 및 교육부분에 집중됐다.
한편 유럽에서 야심 찬 대체연료 시범사업이 진행되 고 있다. 유럽청정도시교통 프로그램(Cute: Clean Urban Transport in Europe Program)은 전 세계에 서 가장 앞선 것으로, 버스 30대(EU 27대, 아이슬랜드 3대)를 교체하는데 5천만 유로 이상이 투자되었는데 이는 EU 전체 투자비의 1/3에 해당하는 규모다. 관계 자는 30대의 버스가 9개 주요 도시에서 운행 중이며, 프로젝트가 끝날 때까지 200만 km 이상을 주행하며 연료주입방법, 액화수소 운반의 실용성과 경제성, 물 전기분해나 천연가스 전환을 통한 수소 제조 등을 모두 시험할 예정이라고 밝혔다. Cute 프로그램은 연료전지 보급에서 직면할 수 있는 여러 문제에 대해 값진 교훈 을 제공하게 된다. 한 예로, 런던에서는 님비현상 때문 에 당국의 허가 취득 과정에서 어려움을 겪었다. 관계 자는 동 프로그램은 이 같은 문제들을 점검하고 해결하 려는 것이라고 말한다. 동 프로그램에는 Shell, BP, Norsk-Hydro 등 석유대기업과 Air Products, BOC
등 화학기업들이 참여하고 있다. 또 다른 분야의 시장 진출도 있다. 독일 Smart Fuel Cell 등 일부 기업들은 소형 휴대용 연료전지 발전기를 개발하여 이동주택을 대상으로 매출을 올리고 있다. 동 기술은 이산화탄소와 오염물질 배출이 없고, 소음이 적어 기존의 발전기보다 특정부문에서 경쟁력이 있다. 그러나 전반적으로 유럽 은 연료전지 기술에 관한한 아직 미국과 일본에 뒤쳐져 있다. 이는 유럽 기업들이 채택한 접근방식이 부품 또 는 서브시스템에 주력하고 있기 때문이다. 그러나 유럽 에서도 변화의 물결이 일고 있으며, Cute 외 다른 프로 그램도 진행되고 있다. 보일러 생산업체인 Baxi와 Vaillant는 가정용 열병합발전기에서 연료전지의 사용 가능성을 검토하고 있다. 바일란트의 디자인은 미국식 PEM(고체고분자형 연료전지) 기술에 기초한다. 스위 스계열의 Sulzer Hexis도 가정용 발전기에 SOFC(고 체산화물형 연료전지) 기술의 적용을 검토중인데, 스위 스 및 주변국가의 일부 가정에 여러 대의 시제품을 설 치했다. 일부 상품의 시제품들이 나오기는 했지만, 진 정한 경쟁력을 갖춘 제품이 출시되기까지는 수년은 더 걸릴 전망이다. 연료전지 차량 역시 상업화까지는 갈 길이 멀다. 그러나 상당한 진척이 이루어진 부문도 있 다. 독일 조선업체인 HDW가 개발한 연료전지 잠수함 은 벌써 주문에 들어갔다.
□ 일본, 국가 정책과 산업적 이해관계 일치
일본 정부와 대기업들은 연료전지 개발에서 미국과 유럽에서 보다 훨씬 긴밀하게 공조하고 있다. 이들은 연료전지를 일본 시장에 도입하고, 가능한 한 부품과 시스템을 국내기술로 생산하는 것을 목표로 하고 있다.
여기에는 마쯔시타전기, 미쯔비시, 산요, 도시바 등 일
본 대기업들이 참여하고 있다. 일본은 정부차원에서 지 속적으로 연료전지 실용화를 적극 장려해왔다. 자금 지 원에 따른 혜택과는 별개로, 정부와 기업들의 긍정적 접근방식이 기술개발을 촉진하는 효과를 발휘한 것으 로 보인다. 일본정부는 연료전지 기술의 실용화를 통해 막대한 에너지수입을 줄이고, 환경 개선과 산업에서 신 기술에 대한 선도적 위치의 확보를 기대하고 있다. 일 본정부의 목표 중 하나는 상업적, 제도적인 환경을 조 성하는 것이다. 연료전지를 염두에 두지 않고 설정된 제도들은 결국 연료전지 도입에 장애요인이 되기 때문 이다. 국민을 대상으로 하는 홍보에도 힘을 쏟고 있는 데, 고이즈미 총리 자신이 연료전지 차량을 직접 모는 모습이 종종 연출되고 있다.
연료전지 분야에서 가장 눈에 띄는 성과는 시범사업 이다. 도쿄 역에서 오다이바 인공섬까지 한 대의 연료 전지 버스가 운행되고 있는데 일본의 수소 및 연료전지 자동차 시범사업(JHFC; Japan Hydrogen Fuel Cell project) 가운데 일부분에 불과하다. JHFC는 캘리포 니아의 연료전지 파트너십과 유사하게 운영되고 있는 데, 현재 도쿄/요코하마 지역에 10곳에 수소 충전소를 세우고 있다. 한편 일본의 주요 자동차생산업체들은 교 통량이 많은 도쿄를 중심으로 이 지역에서 운행 경험을 늘리기 위해 연료전지 시제품 차량을 제공하고 있다.
도쿄가스와 같은 타업종의 회사와 정부 부처에서는 이 들 차량을 임대해서 운행한다. 동 프로젝트는 2003년 부터 3년간 계속되며, 기간이 종료되면 결과를 분석해 얻어진 데이터는 차세대 승용차 및 버스 생산을 위한 기초 자료로 이용될 예정이다. 자동차 업체들은 매년 새로운 시제품 차량을 내놓고 있다. 이들은 전력공급용 배터리와 내연기관이 함께 장착된 하이브리드 차량을 제공하기도 한다. 혼다 관계자는 하이브리드 엔진이 전
통적 엔진보다 효율적이긴 하지만, 연료전지는 하이브 리드 보다 두배 이상의 효율성을 갖을 것이라고 주장한 다. 혼다는 최근 홋카이도의 영하 11도 환경에서 FCX 연료전지 차량의 성능을 언론에 공개하였다. 도요타와 닛산 역시 괄목할만한 성과를 거두고 있다. 그러나 연 료전지 차량의 대량생산은 아직 시기상조이다. 추가적 인 기술개선이 필요하며, 일본에서 조차 2010년 이전 에 상업화를 기대하는 사람은 거의 없다. 하지만 일본 정부의 목표는 2010년까지 5만대의 연료전지 차량을 출시하는 것이다. 연류충전 문제 역시 연료전지 차량의 상업화 시기를 늦추는 요인이다. 파이프라인과 충전소 등 대규모의 인프라가 필요한데 여기에 오랜 시간이 걸 릴 것이다. 소비자들이 현실적으로 이용할 수 있으려 면, 수십 개가 아닌 수백, 수천 개의 수소 충전소가 필 요하다.
한편 다른 응용부문에서는 이러한 문제를 비켜갈 수 있다. 연료전지는 60%의 효율을 갖고 있는데, 이는 대 부분의 다른 기술을 능가하고 심지어 첨단 복합가스터 빈(CCGT)에 비해서도 뒤떨어지지 않는다. 최종 사용 자와 인접한 소형발전기에서의 연료전지사용은 전력운 반시의 손실을 줄이고 연료전지의 매력도를 그만큼 높 일 수 있다. 250kW급 이상의 대형 연료전지 발전기는 계속해서 전통적 발전소의 대안으로 관심을 끌 전망이 다. 용융탄산염연료전지(MCFC)나 고체산화물연료전 지(SOFC) 등 일부 연료전지 기술들은 현재 검토 중이 지만 진전이 느린 편이다. 고온, 그리고 대기온도에서 섭씨 수 백도까지 기온이 자주 변하는 상황에서의 안정 성 문제는 아직 해결되지 않았으며, 최고 수준의 안전 성과 내구성을 입증하는 데는 5-10년이 걸릴 것으로 보인다. 그러나 여전히 가능성은 남아있으며, 다양한 응용부문에서 종종 다른 연료를 사용해 기술이 시험되
고 있고, 이는 국가 에너지안보 차원에서 남다른 중요 성을 갖고 있다. 그러나 가정부문의 경우의 상황은 다 르다. 일본가스협회는 회원들에게 연료전지 사용을 장 려하고 있지만, 기존 발전원들과의 극심한 경쟁을 피할 수 없다. 그러나 산요전기, 마쓰시타전기, 에바라발라 드 등의 주요제조업체들은 가스회사들과 마찬가지로, 상업적 타협이 가능하다고 주장한다. 0.5-1kW급 PEMFC 시스템은 온수와 전력을 모두 생산할 수 있다.
그러나 다른 기업들은 여전히 조심스런 입장을 유지하 고 있다.
일본은 휴대용 전자기기에 사용될 1kW미만의 소형 연료전지 개발에 있어서 선두를 달리고 있다. 지속적인 기술혁신과 전력수요 증가는 기존의 배터리 성능만으 로는 부합할 수 없다. 연료전지가 전자산업의 요구조건 을 충족시킨다면 상당한 기회가 있는 셈이다. 지난 한 해 동안 상당한 진전이 이루어졌다. 노트북 제조업체들 은 시제품 연료전지를 장착한 컴퓨터를 내놓기 시작했 고, 미래의 상업화 시점도 더욱 앞당겨졌다. 2005년부 터 후지쓰, NEC 등은 연료전지를 장착한 노트북을 출 시할 예정인데, 이후 연료전지는 이 시장에서 순식간에 높은 비중을 차지하게 될 것으로 전망된다. 소비자들에 게 연료전지의 가치를 납득시키는데 가전제품이 가장 주효한 출발점이 될 것이다. 가령 노트북의 수명이 기 존보다 훨씬 길어진다면 소비자들을 끌어들이는데 매 우 효과적일 것이다.
(연구위원 이문배)