수소경제 시대의 도래
김 재 윤 / 삼성경제연구소(SERI), 수석연구원
1. 도입
수소에 대한 관심이 높다. 수소관련 기술개발이 연이 어 발표되고 있고, 정부에서도 의욕적으로 수소경제에 대비한 종합 마스터플랜을 수립할 것이라고 한다. 세계 최대 에너지 소비국인 미국에서는 수소 연료전지 자동 차를 테스트하고 수소 연료 주유소를 건설하는 데 수천 만 달러를 투자할 것이라는 보도도 있다. 비록 수소를 사 용하는 연료전지 자동차의 상용화에 많은 시간이 소요 될 것이라는 전망 속에서도 각국에 앞 다투어 투자를 확 대하고 있는 상황이다.
고유가에 대한 불안도 수소에 대한 기대의 요인이 되 고 있다. 골드만삭스는 최근 한 보고서에서 현재의 유가 상승이 70년대 오일쇼크와 유사하다는 점을 지적하고 당분간 고유가 시대가 지속될 것이라고 주장한다. 특히 현재 전세계적인 석유수요가 하루 8천만 배럴이지만 가 격을 완충시켜 줄 수 있는 잉여 생산능력은 2백만 배럴 이 못 되기 때문에 미약한 시장환경 변화에도 가격의 급 등이 일어날 수 있다는 점을 지적한다. 결국 새로운 에너 지원으로써 수소의 등장에 대한 기대가 점차 확신과 주 장으로 바뀌고 있는 것이다.
고유가의 지속은 에너지의 80% 이상을 수입에 의존 하는 우리의 입장에서는 여간 곤혹스러운 것이 아닐 수
없다. 에너지 가격 급등은 경제성장에 중요한 변수가 되 기 때문이다. 본고에서는 이러한 시장 환경을 맞아 최근 관심이 높아지고 있는 수소경제에 대한 현황과 이슈들 을 점검해 보기로 한다.
2. 수소시대인가
수소에 대한 논란
수소는 우주에서 가장 흔한 물질이라고 한다. 특히 지 구 표면상의 물질의 70%는 수소로 구성되어 있을 정도 라고 한다. 흔한 물질이라는 점은 고갈문제가 없다는 점 에서 상당히 매력적인 에너지원이 될 수 있다. 또 다른 매력은 무색, 무취, 무향에 무공해라는 점이다. 적어도 환경에 대한 부담은 크지 않을 수 있다는 이야기이다. 더 구나 단위 질량당 에너지량을 보면 수소는 그램당 121kJ 로 가솔린의 3배정도 높다는 장점도 있다.
그럼에도 불구하고 수소가 에너지원으로 일반화되지 못한 것은 독립된 형태로 존재하지 않고 공기보다 밀도 가 낮고 부피가 크다는 문제 때문이다. 따라서 수소를 상 용화하여 사용하기 위해서는 우선은 수소를 분리해 내 야 한다는 문제가 있고, 이를 경제적으로 운반할 수 있을 정도로 부피를 줄이는 일이 필요하게 된다. 이 점에서 수
소는 기존의 석유나 석탄, 나무 등 에너지원과 비교해 활 용측면에서 취약점이 있고, 이것이 오늘날까지 수소를 에너지원으로 활용하지 못한 주된 이유가 될 수 있다.
이러한 점은 기술이 발달하고 에너지 위기가 시작된 현재의 시점에서도 논란거리를 만드는 요인이 되고 있 다. 전문가들 사이에서는‘수소경제가 있다’혹은‘없 다’는 논쟁을 만들고 있는 원인이라는 것이다. 최근 지 상을 통해 이루어지고 있는 수소경제의 유무에 대한 논 쟁을 살펴보면 핵심요지는 수소를 과연 값싸게 생산할 수 있는가에 대한 논쟁으로 귀결되고, 보다 근원적으로 는 태양광, 풍력 등 자연재생 에너지원이 대체 에너지원 이 될 수 있다고 보느냐의 여부에 따라 입장이 다르게 나 타나고 있다. 요컨대 비관론자들은 수소로 전환하는데 에너지 소모가 많기 때문에 수소자체는 보조적인 수단 이고 근본적인 에너지 대책은 태양 등의 신재생 에너지 가 되어야 된다고 주장한다. 이런 점에서 수소경제가 아 닌 태양경제라는 주장도 있다. 반면 수소경제를 주장하 는 입장은 차세대 원자로 등을 통해 값싸게 수소를 생산 할 수 있기 때문에 수소 중심으로 이행하는 것은 큰 무리 가 없다는 주장이다.
양 진영 모두 에너지의 미래가 바뀌어야 한다는 점을 주장하고 있음은 물론이다. 더 이상 화석연료 중심으로 발전을 이룰 수 없다는 것이다. 그럼에도 수소문제에서 첨예하게 대립하는 것은 기술의 불확실성과 원자력에 대한 불신 등에 겹쳐 나타난 결과로 보여 진다. 과연 경 제적인 기술이 개발될 것인가? 원자력을 통해 수소를 생 산한다는 것은 환경에 어떤 영향을 미칠 것인가? 이러한 두 가지 문제에 대한 가치판단에 따라 수소에 대한 견해 가 갈리는 것으로 보인다.
수소의 부상배경
수소가 에너지원으로 주목받기 시작한 것은 20세기 초반이다. 1923년 영국의 홀데인이 수소를 미래의 에너 지원으로 전망했으나, 1950년대 이후 저유가 시대가 지 속되면서 관심이 크게 저하 되게 된다. 값싸고 편리한 석 유가 있는 데 굳이 독립된 물질로 존재하지도 않은 수소 에 관심을 둘 필요가 없다는 것이다. 이후 수소에너지에 대한 관심은 유가변화에 좌우되게 된다. 그러나 90년대 이후부터는 유가문제 이외에 환경문제가 중요한 이슈가 되면서 수소에너지가 다시 미래에너지원으로 부상하게 된다. 과거의 수소에너지에 대한 논의는 주로 석유고갈 에 대비하는 차원이었으나, 최근에는 수소에너지의 친 환경성이 강조되기 시작하고 있다는 것이다. 이를 좀 더 구체적으로 살펴보기로 한다.
사실 석유고갈에 따른 에너지 위기론은 반복적으로 나타났다고 해도 과언이 아니다. 1972년 로마클럽은 21 세기가 시작할 때쯤 석유가 고갈될 것이라고 경고 한 바 있다. 물론 그러한 사태는 일어나지 않았다. 석유고갈은 커녕 오히려 석유생산이 증가하게 된다. 인공위성 등을 동원한 탐사기술의 발달로 새로운 매장지의 발견이 증가 하고, 채굴 및 정제기술이 발전하면서 원유 생산량이 증 가했으며 유가가 급등하면서 과거에는 경제적이지 않았 던 유전도 경제성 있는 유전으로 탈바꿈했기 때문이다.
이러한 현상은 앞으로도 계속될 가능성이 높다. 비록 새로운 초대형 유전을 발견하기는 어렵겠지만 유가가 올라가면 타르샌드와 같은 기술이 경제성을 확보하게 될 것이라는 것이다. 제러미 리프킨은 수소혁명이라는 책에서 타르샌드를 통해 석유를 1배럴 생산하는데 12불 정도가 소요되기 때문에 유가가 25불 이상이면 수익의 밸런스를 맞출 수 있고, 유가가 45불 이상 지속된다면 전 세계 회수 가능한 타르샌드의 약 절반정도를 석유로 활용할 수 있을 것이라는 주장을 소개하고 있다. 석탄을
통한 액화연료의 생산도 같은 맥락이다. 문제는 이러한 기술들이 에너지 소비를 많이 하거나 어마어마한 부산 물을 만들게 되어 환경에 악영향을 미칠 수 있다는 점이 다. 타르샌드 2톤으로 1배럴의 석유를 만들 수 있고, 석 탄은 1톤으로 5.5배럴 정도의 액화연료를 만들 수 있기 때문에 남는 부산물의 처리가 간단치 않다는 것이다.
이러한 점들을 감안하면 에너지원으로서 석유는 급격 히 사라지지는 않겠지만 적어도 더 이상 값싼 에너지원 은 아닐 수 있다는 것이다. 특히 전세계적인 에너지의 수 요를 생각하면 현재의 공급능력으로 석유시대가 지속된 다는 가정은 무리가 따를 수 밖에 없다. EIA에 따르면 2025년 세계에너지 소비는 2001년보다 58% 증가할 것 으로 예상하고 있다. 개도국의 에너지 소비 급증이 주요 요인이다. 예를 들어 저개발국의 인당 에너지 소비가 OECD 국가의 1/2 수준으로만 증가해도 신규 전력은 8 백만MW가 필요하고 석유는 약 100억톤이 필요하다고 한다. 현재 미국 발전용량의 10배 수준이며 미국과 유 럽을 합한 석유소비의 7배에 달하는 수준이다. 특히 인 구대국인 중국과 인도 등의 경제성장이 가속되면서 에 너지 소비가 급증하게 되고 이것이 곧 석유위기로 발전 될 가능성이 높다는 것이다. 이러한 점에서 대부분의 에
너지 전문가들이 향후 10-20년이 지나면 석유시대가 절 정에 도달할 것이라는 분석한다.
석유고갈 문제보다 최근 더욱 주목받고 있는 것이 환 경문제이다. 화석연료 사용에 의한 온실가스 방출 문제 가 글로벌 이슈로 대두되고 있다는 것이다. 실제 CO2의 대기중 농도는 1750년 280ppm에서 1999년 367ppm으 로 급증했다고 한다. 이러한 추세가 지속되면 2025년 이 산화탄소 방출량은 1990년 대비 75% 증가할 것이라는 전망도 있다. 아래의 그래프에서 볼 수 있듯이 CO2방 출의 주범이 화석연료, 그중에 석유가 가장 중요한 역할 을 하고 있음은 물론이다.
이산화탄소의 방출 급증은 지구온난화로 이어지고 이 는 생태계 교란으로 이어지고 있어 전 지구적인 관심사 가 되고 있다. 실제 2002년 지구표면 온도는 지난 30년 (1951~1980년) 평균보다 0.51℃ 상승한 것으로 분석되 고 있고, 현 추세가 계속될 경우 2100년 대기온도는 1990년보다 2℃ 상승하고, 해수면은 50cm 상승해 대재 앙을 초래할 것으로 우려도 있다. 영국 기상학자 존 휴튼 卿은 이러한 현상을 "지구온난화는 대량살상무기" 라고 일컫고 있을 정도이다. 지구온난화로 인한 환경문제의 심각성은 교토의정서(Kyoto Protocol)로 구체화된다.
저개발국과 선진국의 에너지 소비 비교(2000년 기준)
항 목 저개발국 선진국 선진국/저개발국
인구(억명) 52 9 0.17
GNI(십억불) 6,300 25,000 3.97
인당 GNI 1,250 26,000 20.8
총에너지 소비(석유환산,백만톤) 4,800 4,900 1.02
인당 석유소비(톤/인) 0.25 2.4 9.6
인당 평균 전력소비(kWh/인) 1,200 9,800 8.17
90년대 에너지 수요 증가율 70% 20% 3.5
인당 CO2방출 2.3 12.6 5.48
자료 : World Bank, World Development Report(2000), BP Statistical Review of World Energy
미국의 비준탈퇴로 인해 의미가 퇴색되기는 했지만 교 토의정서 발효는 석탄, 석유의 소비억제가 불가피하며, 화석연료 소비에 대한 국제적 환경규제는 더욱 강화될 것으로 보인다.
특히 에너지의 소비가 많은 자동차는 환경문제가 사 활이 걸린 이슈로 부상하고 있다. 각국이 자동차의 배기 가스 규제를 강화되면서 '깨끗한 차' 를 개발하지 못하며 시장에서 자연스럽게 도퇴될 수 밖에 없기 때문이다. 참 고로 유럽연합은 2008년부터 유럽에서 판매되는 신차 의 이산화탄소 배출량을 주행거리 1km당 140g으로 낮 추고, 2012년에는 120g으로 강화하는 규제를 추진하고 있다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 이산화탄소의 배출을 줄이는 가장 획기적인 방법은 수소를 에너지원으로 사 용하는 것이다. 심지어는 화석연료를 개질하여 수소를 분리해 사용하는 것도 기존 가솔린차에 비해 이산화탄 소의 발생량을 25% 절감할 수 있다는 것이다.
현재 세계에서 가장 효율이 좋다고 하는 하이브리드 차중 하나인 도요타의 프리우스도 원래 채굴된 에너지 의 29%만을 사용한다고 한다. 일반자동차의 14%에 비
하면 비약적인 에너지 효율화를 달성한 것이기는 하지 만 여전히 낮다. 현재 가솔린 개질을 통한 연료전지차가 목표로 하고 있는 에너지 효율은 40% 수준이기 때문에 이것이 달성된다면 현저히 에너지 효율도 높이고 또한 환경에 주는 부담도 완화시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있겠다.
신재생에너지 대안인가
화석연료에 대한 대안으로 흔히 언급되는 것이 신재생 에너지이다. 앞서 수소경제의 회의론에서 주장하고 있는 요지 역시 신재생 에너지를 통한 에너지원의 전환이다.
신재생에너지의 경우 고갈되지 않다는 장점이 있고, 쓰고 버리는 것이 아니고 자꾸 재생산되며, 온실가스와 같은 부산물을 배출하지 않아 친환경적이라는 장점이 있다.
그러나 현재 신재생 에너지 중 수력을 제외하면 그다 지 사용이 활발하지 못하다. 가장 큰 이유는 물론 경제성 이다. 특히 태양광의 경우 잠재적인 매력에도 불구하고 생산비용이 높아 일본, 미국 등을 제외하면 보급이 많지 않다. 그러면 신재생 에너지가 화석연료 자체를 대체할
화석연료 사용에 의한 이산화탄소 방출량(1750년 ~ 2000년)
자료 : Carbon Dioxide Information Analysis Center (http://cdiac.esd.ornl.gov)
수 있을까? 신재생 에너지원이 석유에너지를 완전히 대 체하기에는 무리가 따른다. 이는 신재생 에너지원가 에 너지원의 지역적, 시간적 불균등성을 가지고 있다는 데 기인한다. 가장 흔한 수력만 하더라도 입지조건이 까다 롭고, 무엇보다도 강수량이 풍부한 지역이 아니면 쉽지 않다는 문제가 있다. 풍력의 경우도 마찬가지로 바람의 강도가 세지 않은 지역에서는 사용할 수 없는 에너지원 이다. 특히 지열의 경우는 아이슬란드, 태평양 연안 등
일부지역에만 가능할 정도로 지역적인 편차가 크다.
에너지원의 불균등 분포 문제를 전송시스템을 통해 해 결할 수 있다. 그러나 이 역시 제한적이다. 예를 들어 태 평양상에서 태양광으로 발전된 에너지를 전기형태로 들 어오는 것이 어렵다는 것이다. 또한 송, 배전 시스템 건설 에 비용이 많이 들고, 환경파괴 문제가 있다는 점도 간과 할 수 없다. 시간적인 편차도 문제이다. 바람이 부는 시간 이 있고, 햇빛도 24시간 비추지는 않는다는 것이다. 필요
주요 재생가능 대체에너지원의 특징
종 류 특 징
태양열/
광발전
·태양전지를 이용해 빛에너지를 전기에너지로 전환 (무한정한 에너지원)
·생산비용이 화석연료 발전보다 2~5배로 높지만 감소세
풍력 발전 ·세계 풍력발전 용량이 연 25% 이상씩 증가하는 등 재생가능 에너지원 중 가장 빠른 보급세
·유럽이 선도: 현재 풍력발전 용량의 2/3가 유럽에 집중 수력 발전 ·재생가능 에너지원 중 가장 보편적으로 많은 나라에 보급
·현재 세계 전력생산의 15~20%를 차지
지열 발전 ·세계 에너지 생산의 0.1%에 불과하지만 충분한 잠재력 보유
·미국내 지열자원으로도 수십만년 사용할 수 있는 에너지 확보 가능 연료전지와 내연기관의 CO2배출 비교
자료: Fuel Cells Canada, Canadian Fuel Cell Commercialization Roadmap , 2003.3
자료: 삼성경제연구소, 에너지 혁명 : 연료전지의 의의와 전망, 2003
할 때 활용할 수 있는 에너지원이 아니라는 이야기이다.
이러한 단점을 극복할 수 있는 방안은 수소에너지이 다. 신재생 에너지원으로 생산된 전력으로 수소를 생산 하면, 수소는 저장, 운반이 가능하기 때문에 지역적, 시 간적인 불균등성을 극복할 수 있고, 자동차와 같은 운송 수단의 연료로도 활용이 가능해 진다. 예를 들어 태양광 발전을 통해 주간에 생산된 전력으로 수소를 생산, 저장 해 둔다면 야간이나 우천시 연료전지를 통한 발전이 가 능해 질 수 있다. 이러한 점에서 보면 수소에너지는 신 재생 에너지와 대립관계가 아니고 보완관계라는 것이다.
이는 수소가 에너지의 저장매질로 활용됨을 의미한 다. 앞서 언급한 바와 같이 수소는 독립된 형태로 존재하 지 않으나 에너지원으로써 장점을 갖고 있기 때문에 타 에너지원을 통해 수소를 만들고 이를 활용하는 것이 바 로 수소시대라는 것이다.
3. 수소경제의 의의
수소경제 개념
수소경제는 1999년 미국의 GM에서 처음 사용된 말 이라고 한다. 정확한 정의는 없지만 개략적으로 보면 수 소를 기반으로 한 에너지 및 경제체계라 정의할 수 있겠 다. 즉 산업이나 경제활동을 하는 데 소요되는 에너지가 수소가 된다는 이야기이다.
수소경제의 논점중 하나는 과연 경제라는 말을 붙이 는 것이 타당하냐는 점이다. 대비되는 경우가 석유경제 이다. 석유의 경우 석유라는 에너지원의 활용뿐만 아니 라 석유화학과 같은 새로운 형태의 산업이 발명되고 이 것이 경제활동의 전반에 영향을 미치고 있어 석유경제 라고 해도 큰 저항이 없다는 것이다. 반면 수소의 경우 에너지원이 바뀔 수는 있지만 여기에서 새로운 수소를
활용한 산업이 탄생되지 않는 한 경제라는 이름이 무색 하다는 것이다. 일리 있는 지적이다. 그럼에도 굳이 수소 시대 대신 수소경제라는 이름으로 이야기하는 것은 에 너지의 변화가 산업활동, 사회활동 전반에 새로운 변화 와 질서를 만들어 내기 때문이다.
에너지원의 변천사로 본 수소
인류의 얻는 동력원은 사람의 힘에서 동물의 근력으 로 그리고 풍력, 수력을 거쳐 석탄과 석유로 발전한다.
에너지원은 나무에서 석탄, 석유, 천연가스 등으로 진화 해 오고 있다. 이러한 인류의 에너지원의 변화를 살펴보 면 중요한 몇 가지 특징이 있음을 알 수 있다. 우선은 主 에너지원 변천이 가속화되고 있다는 점이다. 앞서 언급 한 바와 같이 불의 발견 이래 1884년까지 인류의 가장 중요한 에너지원은 나무였다. 이후 약 65년간은 석탄이 가장 중요한 에너지원으로 자리 잡게 된다. 현재 인류의 주 에너지원인 석유가 주력 에너지원으로 부상한 것은 약 55년전인 1950년부터로 볼 수 있다. 앞으로도 새로운 에너지원이 나타날 수 있다는 이야기이다.
두 번째 특징은 에너지원의 다양화가 이루어진다는 점이다. 이 과정에서 主 에너지원의 최대 비중이 점차 낮 아지는 추세를 보인다. 실제 나무는 당시 에너지원의 100%를 담당했으나 석탄의 경우는 77%, 석유는 48%로 낮아지게 된다. 이는 바꾸어 이야기하면 나무시대에는 나무만이 유일한 에너지원이었으나 지금은 나무에서 석 탄, 석유, 가스에 이르기 까지 다양한 에너지원으로 사용 함으로 인해 특정 에너지원의 집중도가 완화된다는 이 야기이다. 이러한 점에서 보면 수소시대가 되더라도 수 소가 에너지원으로 100%를 담당하기 보다는 상대적으 로 수소가 중심이 되어 에너지를 공급한다는 이야기로 해석할 수 있겠다.
세 번째로 에너지원이 변화할 때는 새로운 에너지에 대한 반발도 있었다는 것이다. 다소 생경한 이야기지만 에너지원의 변화에도 관성이 있어 금방 대대적인 대체 가 일어나지 않는다는 것이다. 실제 석탄의 경우 채굴, 운반이 어려운데다 더럽고 공해를 유발한다는 점 때문 에 서서히 나무를 대체하게 된다. 그러나 일단 일정 수 준이상의 대체가 이루어지면 급격하게 확산이 나타나게 되는데 석탄의 경우에는 18세기부터 주 에너지원으로 부상하게 된다.
마지막으로 에너지원 고갈이 에너지원 변천의 직접적 인 원인은 아니었다는 점이다. 예를 들어 나무가 고갈되 었기 때문에 석탄을 사용한 것이 아니며, 석탄이 고갈되 었기 때문에 석유비중이 높아진 것이 아니라는 것이다.
현재 미국의 경우 300년 사용할 정도의 석탄을 매장하 고 있는 국가이지만 전체 에너지의 23%만을 석탄에서 얻고 있다. 고갈자체보다는 오히려 에너지의 효율성, 사 용의 편의성 등이 중요한 동인이었고, 앞으로는 환경과
같은 요소가 에너지원의 변화를 만드는 동인으로 부상 될 것으로 보인다.
이러한 점에서 보면 수소 역시 점진적으로 에너지원 의 위상을 강화해 갈 가능성이 높다. 또한 그 과정에서 기존 에너지원과의 경쟁이 있을 것이고 경쟁의 과정은 기술혁신으로 이어지게 될 것이다. 즉 보다 경제적으로 수소를 생산하고 이를 운반, 저장하는 기술의 태동이 이 루어질 것이라는 이야기이다. 특히 에너지원의 변화의 핵심이 편의성과 친환경성으로 바뀔 간능성이 높다는 점도 주목할 필요가 있다.
다음 그림은 미국의 에너지원의 변화를 시계열로 나 타낸 것인데, 이 그림에서 볼 수 있듯이 석유나 천연가스 의 경우 중요한 에너지원이기는 하지만 비중면에서는 피크점을 지나 하강국면에 있는 것을 알 수 있다.
이를 메가트렌드 관점에서 보면 에너지원의 소프트 화, 고급화로 요약할 수 있다. 우선 에너지원의 소프트화 는 풍력, 수력 등 자연에너지를 제외한 인류 에너지원의
미국의 에너지원 비중변화 추이(1845년-2001년)
자료 : 미 에너지정보국(EIA) 웹사이트(www.eia.doe.gov)
형태는 '고체 → 액체 → 기체' 순으로 진화했다는 것을 의미한다. 고체인 나무나 석탄에서 액체인 석유, 그리고 기체인 천연가스로 진화하고 있다는 것이다.
두 번째는 에너지원의 고급화인데 이는 에너지원의 진화가 탄소의 비중이 감소하는 축으로 발전해 왔다는 것이다. 즉 나무의 경우 수소대비 탄소의 비율이 10이였 으나, 석탄은 2, 석유는 0.5, 그리고 천연가스는 0.25로 낮아지는 방향으로 진화했다는 것이다. 이러한 에너지 원 변천의 메가트렌드에 부합하는 것은 바로 수소이다.
수소는 기체이면서 탄소의 비중이 제로인 에너지이기 때문이다.
수소시대의 새로운 동력기관, 연료전지
에너지원이 바뀐다는 것은 새로운 에너지 변환장치, 즉 동력장치의 개발을 만들게 되는데 이것이 바로 경제 를 바꾸는 동인이 된다. 우선 석탄시대를 생각해 보다.
석탄을 에너지원으로 활용하는 방법은 여러 가지 이다.
그러나 석탄이 경제적으로 영향을 크게 미쳤던 것은 증
에너지원 변천의 메가트렌드
에너지원 변천과 에너지 변환장치 자료 : 김경연,『수소혁명』서평자료, LG경제연구원
자료 : 삼성경제연구소, 에너지 혁명 : 연료전지의 의의와 전망, 2003
기기관의 발명과 맥을 같이 한다. 석탄을 에너지원으로 사용하는 증기기관은 열에너지를 기계에너지로 전환하 여 산업혁명의 기반을 제공하게 된다. 나무를 열원으로 사용하던 시대와는 비교할 수 없을 정도의 경제적 파장 이 크다는 이야기이다.
석유도 마찬가지이다. 석유의 발견과 활용은 내연기 관의 시대를 개막시키게 된다. 석유자체도 발견 초기에 는 주로 등불을 밝히는 데 이용되었으나, 내연기관의 발 명으로 자동차라는 거대한 산업을 만든다. 자동차 산업 은 산업자체 이상으로 경제적 의미를 가진다. 자동차로 인해 도로 등 다양한 연관산업이 생겨나게 되었고, 자동 차로 인해 사람들의 주거행태, 비즈니스 방법까지도 변 하게 된다. 예를 들어 미국의 할인점이 번성하게 된 것도 자동차 산업의 부산물이며, 모델, 패스트푸드 등에서 전 국적인 체인점이 생기게 된 것도 자동차와 연관이 깊다.
이와 같이 에너지원의 변환은 새로운 동력원의 발전 을 통해 구체적인 모습으로 나타나게 되는데 수소에 있 어서도 연료전지라는 형태의 동력장치가 등장하고 있 다. 연료전지는 수소에너지를 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 동력기관이다. 증기기관이 석탄시대를 열었 고, 내연기관이 석유시대를 열었듯이 이제 연료전지가 수소시대를 열 수 있다는 이야기이다.
연료전지는 수소와 산소를 화학적으로 반응시켜 전기
를 생산하는 발전형 전지이다. 전기분해의 역반응 관계 를 이용한 것이다. 산소와 수소가 반응해 물을 생성하는 과정은 발열반응이므로 연료전지에서는 전기와 함께 열 도 생성되게 된다.
연료전지는 19세기 영국의 Grove가 원리를 발명하면 서 개발이 시작된다. 실제 제품으로써 연료전지가 본격 등장한 것은 미국이 1960년대 우주선에 실용화하면서 부터이다. 그러나 당시에도 비용 등의 문제로 개발이 진 전되지 못 한다. 특히 앞서 언급한 바와 같이 유가의 변 동에 따라 기술개발이 이루어지면서 상용화 수준의 혁 신이 더디게 나타난다.
그러나 90년대 들어 환경문제 등이 이슈화 되면서 연 료전지에 대한 연구가 본격적으로 확산되기 시작한다.
특히 휴대폰 등의 휴대용 전자기기 시장이 폭발적인 성 장을 구가하면서 전자업계를 중심으로 장시간 사용이 가능한 새로운 배터리로 연료전지에 주목하면서 참여가 활성화된다. 특히 2003년을 전후로 일본을 중심으로 앞 다투어 연료전지 시작품을 선보이고 있고, 이에 연료전 지 자동차, 가정용 연료전지 등이 출시되면서 수소시대 의 도래에 대한 기대를 높이고 있다.
4. 수소시대에 대한 국별 전략
연료전지 소사
연 도 내 용
1839년 1965년 1968년 1997년 2001년 2002년
ㆍ영국 W.Grove 연료전지 원리를 발명 ㆍ미 우주선 '제미니 5호'에 연료전지 탑재 ㆍ'아폴로 7호'에 연료전지 탑재
ㆍ자동차 업체들에 의한 연료전지 자동차 실용화 선언 ㆍ소니, NEC 등 일본 업체들 휴대용 연료전지 개발 계획 발표 ㆍ도시바, 카시오 등 연료전지 탑재 기기 공개
자료 : 삼성경제연구소, 에너지 혁명 : 연료전지의 의의와 전망, 2003
미국 : 청정 자동차 개발에 주력
“미국이 수소 자동차 개발에서 세계를 리드할 수 있 도록 12억 달러를 투자할 것이다. 수소 자동차는 미국의 대외 에너지 의존도를 크게 낮추는 데 있어 중요한 혁신 이 될 것이다". 2003년 부시 대통령의 의회연설에서 나 온 내용이다. 하와이에서는 풍부한 지열, 태양열, 풍력 을 이용해 무공해 수소를 생산하고 잉여수소를 캘리포 니아 등으로 판매할 계획을 추진 중이라고 한다. 캘리포 니아도 2010년까지 200개 수소 스테이션을 만드는 데 9천만불을 투자하겠다고 하고 뉴욕과 플로리다는 수소 스테이션 등의 구축을 위해 15백만불 이상의 자금을 투 입하겠다는 발표도 있다. 미국에서 추진 중인 수소에너 지 정책의 단면들이다. 이러한 움직임의 중심에는 항상 자동차가 있다. 즉 수소를 에너지원으로 하는 자동차의 보급이 미국의 가장 큰 관심사라는 것이다.
미국의 수소에너지 활용은 1960년대 우주 및 군사용 으로 연료전지 연구를 시작한 이후부터이다. 1965년 우 주선 '제미니 5호', 1968년 '아폴로 7호'에 연료전지를 탑 재하면서 구체적인 제품개발이 시작되고 1969년에는 TARGET( Team to Advanced Research for Gas Energy Transformation) 프로그램을 계기로 연료전지 의 상업화 연구가 본격화되기 시작한다.
우주 및 항공용 연료전지에 국한되어 있던 연구가 1990년대부터는 자동차 중심의 실용화에 초점이 맞추어 지면서 의회차원에서도 다양한 입법을 통해 수소연구를 지원하게 된다. 예를 들어 마츠나가 수소에너지 개발법 안(Spark M Matsunaga Hydrogen Research, Development and Demonstration Program Act, 1990)의 경우 5년간의 시한을 두고 수소에너지 요소기 술 개발을 제안하고 있고, 수소미래법안(Hydrogen Future Act, 1996)의 경우도 5년간 시한입법으로 연료 전지뿐만 아니라 수소의 제조/이용/저장에 관한 연구를 제시하고 있다.
특히 미국의 경우 세계 최대의 에너지 소비국이라는 점에서 에너지원의 전환에 대한 관심이 깊을 수밖에 없 다. 더구나 자동차의 경우 수소에너지 활용은 에너지의 대외의존 완화라는 측면이외에 빅3로 일컫는 미국 자동 차 산업의 대외 경쟁력에도 심대한 영향을 미친다는 점 에서 중요한 정책의 아젠더로 부각되게 된다. 실제 미국 의 에너지부는 연료전지와 수소에너지의 도입으로 2040년경에는 1일 1,100만 배럴의 석유수요를 대체할 수 있을 것으로 추산하고 있다.
이러한 맥락에서 추진되고 있는 것이 Hydrogen Fuel Initiative와 FreedomCAR 프로젝트 등이다.
수소 및 연료전지 관련 미 정부 예산지출(단위: 백만달러)
항 목 2002년 2003년 2004년(예정)
수소 생산 및 운반 기술 11.2 11.8 23.0
수소 저장 기술 6.1 11.3 30.0
안
안전전,, 표표준준 및및 법법규규,, 교교육육 55..99 66..88 2211..88
수소 인프라/수소자동차 데모 5.7 11.9 28.2
연료전지 시스템 및 부품 46.7 53.7 62.5
전 체 76.6 95.5 165.5
자료: 미국 에너지부(U.S. Department of Energy)
Hydrogen Fuel Initiative은 수소 생산, 운송 인프라 개 발 관련 프로젝트로 주로 수소라는 에너지원의 차원에 서 이루어진 연구이며 FreedomCAR(Cooperative Automotive Research)는 연료전지 자동차 생산을 위 한 자동차업계와의 파트너십 프로그램으로 동력장치인 연료전지의 개발과 관련된 프로그램이다.
아직은 나노, 바이오 등 타 연구개발 이슈들에 비해 예산의 규모가 크지 않은 것이 사실이지만 최근 몇 년 동 안 급격히 예산을 확대함으로써 정부가 보다 적극적으 로 미래 에너지원의 변환에 대응하고 있음을 알 수 있다.
특히 주목할 것이 안전, 표준, 법규 등의 분야에서도 투 자를 급격히 늘려 경제 전반의 파급까지를 고려하고 있 음을 보여주고 있다.
이러한 민관협력 및 정부투자를 통해 미국은 주택 및 산업용 연료전지는 2010경년에 그리고 수송용의 경우는 2015년경에 상용화를 통해 수소에너지 활용을 확대한다 는 구상이다.
일본 : 연료전지 등의 산업화 추구
우리와 마찬가지로 석유 등 에너지의 대외 의존도가 높은 일본은 80년대 이래 꾸준히 신재생 에너지 및 연료 전지 개발을 추진한다. 우선 1981년 에너지절약 기술개 발 계획(Moonlight Project)의 일환으로 연료전지 개발 시작하는데, 초기에는 발전용에 주력하다가 90년대에 들어서는 자동차와 주택용 연료전지 개발에 주력한다.
특히 일본은 정부차원에서 지속적인 예산투입을 통해 산 업 역량을 강화하고 지속적인 비전제시를 통해 연구개발 의 성과 확산을 추구하고 있다. 참고로 일본 정부의 연료 전지 관련 정부예산은 2001년 120억엔 수준에서 2003년 에는 320억엔으로 약 3배 정도 증액되었다고 한다.
예산 지원 못지않게 일본정부가 신경을 쓰고 있는 것 이 상업화를 위한 정부의 의지표명이다. 고이즈미 총리 는 2002년 2월 의회연설에서 "연료전지는 수소사회의 문을 여는 열쇠이며, 향후 3년내 자동차 및 가정용 연료 전지를 실용화하겠다"고 표명한 바 있고, 내각회의에서
미국의 연료전지 상업화 로드맵
자료: 미국 에너지부, Fuel Cell Report to Congress, 2003.2
는 "관용 연료전지차를 도입하고, 2005년까지 관련 법규 및 규제에 대한 포괄적인 검토를 완료할 것이다"라는 언 급하고 있다. 실제 일본정부는 2002년 12월 월 100만엔 이라는 비용에도 불구하고 총 5대(도요타 4대, 혼다 1대) 의 연료전지 자동차를 임대형식으로 도입하여 운행중이
며, 일본 관청가인 카스미카세키에 수소스테이션을 설 치하기도 한다.
이와 더불어 수소 에너지에 다양한 당사자가 연관되 어 있다는 점에서 신에너지 산업기술 종합개발기구 (NADO)을 두고 있는 경제산업성(METI)을 중심으로
일본의 연료전지 상업화 추진 체계
일본의 연료전지 확산 시나리오 자료 : 삼성경제연구소, 에너지 혁명 : 연료전지의 의의와 전망, 2003
자료: 일본 경제산업성(METI), 2002.11
국토교통성, 환경성 등이 협력하는 형태로 운영 중이다.
장기적인 관점에서 일본은 2005년까지는 다양한 분 야에서 실험을 통해 기술과 자료를 축적하고 이를 바탕 으로 2010년 이후 본격적인 시장의 확산을 추진한다는 구상이다. 특히 일본은 미국과 달리 자동차용은 물론 주 택용, 그리고 휴대용에 이르기까지 다양한 분야에서 연 구개발을 적극적으로 추진하고 있다. 실제 주택용 연료 전지 상용화 실험장소를 전국 43개소로 확대하고 있는 데, 이는 단독주택이나, 집합주택에 연료전지를 설치해 환경영향, 고장횟수, 거주자의 편리성 등의 데이터 수집 과 함께 연료전지에 대해 계몽하겠다는 정책목표에 따 른 것이다.
유럽 : 환경문제 해결 대안으로 연구 강화
EU의 경우는 환경문제가 가장 큰 관심사로 보여 진 다. 이러한 점 때문에 자동차의 동력으로 수소 및 연료전 지의 사용에 관심을 보이고 있다. 예를 들어 유럽위원회 (EC)의 연 구 개 발 프 로 젝 트 인 Framework Program(FP)을 보면 주로 자동차용 연료전지 개발에 주력하고 있음을 알 수 있다. 현재 진행 중인 6차 FP(2002년~2006년에서는 1997년~2002년 연료전지 연구 예산의 16배인 20.9억 불을 연료전지와 수소에너 지 연구에 투자할 계획이여서 유럽에서도 연료전지에 대한 관심이 큼을 알 수 있다.
유럽의 특징중 하나는 미국이나 일본과 달리 버스 등 대중교통 수단을 중심으로 연료전지 자동차의 시험운행 프로그램을 추진하고 있다는 것이다. 이는 연료전지를 장착한 자동차가 고가일 수밖에 없어 시장형성 초기에 는 승용차보다 버스가 더 경쟁력이 있을 것으로 판단하 기 때문이라고 한다. 예를 들어 CUTE(Clean Urban Transport for Europe)의 경우 1,850만 유로의 예산으
로 유럽 9개 도시에서 30대의 연료전지 자동차를 시험 운행하는 프로젝트이고, ECTOS (Ecological City Transport System)는 아이슬란드 수도 레이캬비크에 서 2005년 2월까지 연료전지 3대로 실증 실험하는 프로 그램이다.
유럽국가중 수소에너지 활용에 가장 적극적인 국가가 아이슬란드이다. 아이슬란드는 1999년 세계에서 가장 먼저 수소경제로 국가의 전환을 선언하면서 전세계적인 주목을 받고 있다. 이에 따르면 아이슬란드는 5단계의 이행과정을 거쳐 늦어도 2040년까지 수소사회 (Hydrogen society)로의 전환을 완전히 마무리할 방침 이라고 한다. 우선 1단계로 수도 레이카비크에 수소연 료 버스를 시범 운영하고, 2단계로는 레이카비크의 버스 를 수소연료 버스로 교체하며, 이어 수소연료 자동차의 민간도입확대, 연료전지 선박 시범운영을 거쳐 마지막 으로 선박의 동력을 연료전지로 대체한다는 계획이다.
아이슬란드의 수소계획은 풍부한 자연에너지원의 기 반을 두고 있다. 실제 아이슬란드는 지열과 수력발전으 로 전력의 99.9%를 생산하고 있으며, 석유는 전체에너 지의 38%로 이중 57%가 자동차와 선박이 등이 소비한 다고 한다. 이러한 풍부한 자연상태의 재생에너지를 활 용해 전력을 생산하고 이를 통해 수소 만들어 냄으로써 국내 에너지 사용구조를 수소중심으로 전환하는 것이 가능하다는 이야기이다. 중장기적으로 아이슬란드는 잉 여 수소를 유럽 등지로 수출함으로써 북구의 쿠웨이트 (Kuwait of the North)가 되겠다는 야심을 가지고 있다 고 한다.
아이슬란드의 사례가 주는 시사점은 수소가 거래될 것이라는 점이다. 즉 아이슬란드가 오늘날 쿠웨이트와 같이 수소를 값싸게 생산해 이를 수출함으로써 수소가 거래되는 경제체제로 바뀐다는 것이다. 이는 우리나라
의 능력이나 의지와 무관하게 에너지 전환이 이루어질 수 있음을 말하는 것이기도 하다.
5. 수소시대의 전망과 과제
수소경제의 미래
현재와 같은 고유가 시대가 계속된다면 향후 5-10년 이내에 수소를 에너지원으로 하는 수소에너지 시대 진 입이 예상된다. 물론 완전히 수소중심의 사회로 전환하 지는 않겠지만 화석연료의 개질 등을 통해 자동차 및 가 정용 연료전지의 상용화가 시작될 것으로 보인다. 특히 수소 인프라 정비가 그때까지도 완비되지 못할 것이라 는 점에서 개질을 통한 수소에너지의 활용은 가능성이 높은 대안으로 보인다. 특히 석유에 비해 지역적인 편중 도가 낮고, 가채연수 역시 긴 천연가스가 중요한 개질원 료로 활용될 가능성이 높다.
다만 이 시기에는 시장규모가 크지 않고 틈새시장을 형성정도로 출발될 전망이다. 수소에너지를 사용하는데 여전히 비용이 많이 들기 때문이다. 일본의 경우 2010년 경 약 5만대 내외의 연료전지 자동차가 보급될 것으로 기대하고 있고, 가정용 및 산업용 연료전지를 통해 2.1GW 정도의 전력생산을 목표로 하고 있다고 한다.
그러나 2020년경부터는 본격적인 수소에너지 시대 로 전환이 예상된다. 이 시기에 접어들면 석유고갈에 대 한 우려가 확산되면서 수소에너지에 대한 관심이 높아 질 것이다. 또한 기술의 개발로 인해 저렴한 비용으로 수 소를 생산하는 것이 가능해 질 것이며 연료전지 분야에 서도 소비자 구매가 확대되면서 규모의 경제 효과로 가 격 하락이 가속화될 전망이다. 일례로 일본은 2020년 일본의 연료전지 자동차 누적 보급대수 목표는 5백만대 을 목표로 하고 있는 데, 이는 일본 자동차의 7% 내외에
해당하는 수준이다.
특히 주목해야 할 점은 환경문제에 대한 우려와 화석 연료 고갈에 대한 우려가 동시에 제기되면서 시장이 확 대되고, 연료도 개질형 연료보다 재생에너지를 통해 생 산된 수소 비중이 확대될 것으로 보인다. 이는 태양광 등 의 재생에너지에 대한 기술의 혁신이 이루어지면서 경 제성있는 재생에너지 활용이 가능해 진 데 기인한다고 할 수 있다. 이 시기에는 자동차의 보급 확산에 따라 수 소에너지의 생산, 저장, 운송 기술의 획기적 개선과 수소 인프라 구축이 본격화될 것으로 보인다.
이어 2030년부터는 에너지원이 필요한 대부분의 신 제품에 연료전지 탑재되면서 본격적인 수소 중심의 사 회로의 이행이 시작될 것으로 보인다. 이는 연료전지 기 술이 성숙하고 수소인프라 구축이 진행됨에 따라 나타 날 현상으로 볼 수 있다. 물론 연료전지가 탑재된 신제품 이 출시되더라도 기존 제품의 수명이 있기 때문에 화석 연료 인프라가 당분간은 공존이 불가피 할 것으로 보인 다. 이러한 과정을 거쳐 2040년경부터는 선진국을 중심 으로 수소에너지 사회로 전환이 완료될 것으로 보인다.
물론 이러한 시나리오에는 석유자원의 유한성과 획기적 인 에너지 절감기술이 나오지 않는다는 점이 가정되어 있다.
수소경제에로의 이행을 위한 과제
우리나라도 수소시대를 대비한 다양한 연구를 추진하 고 있다. 수소 및 연료전지 사업단은 2008년까지 10개 의 수소스테이션을, 2012년까지는 50개를 보급해 수소 시대에 대비한다고 한다. 이 과정에서 수소에너지의 제 조/분리/정제 및 저장기술의 확보하여 2012년 이후 본 격적인 수소시대의 개막을 주도한다는 구상인 것이다.
삼성 SDI, 현대자동차 등도 연료전지의 상용화에 관심
을 보이고 시작품을 필두로 연구개발에 박차를 가하고 있다고 한다.
그러나 수소경제로 이행하는데 기술 이상의 전략이 필요하다. 예를 들어 경제성있는 수소의 생산을 위해 차 세대 원자로 등이 논의되고 있지만 찬반의견이 분분하 다. 특히 기술적인 과제 이외에 원자로에 대한 안전성 우 려를 불식시키지 않으면 원자로를 통한 수소생산의 실 현이 장기화될 가능성마저도 있다. 이러한 점을 감안하 면 태양광 발전이나 바이오매스, 그리고 풍력과 같은 신 재생 에너지원을 활용한 연구가 병행될 필요가 있다 하 겠다. 즉 기술적으로 입증되기 이전단계에 지나치게 차 세대 원자로를 강조하기 보다는 태양전지 등 미래 에너 지원에 대해서도 경제성을 갖추도록 기술개발이 병행되 어야 한다는 것이다. 이를 통해 수소에너지의 생산을 하 나의 방법이 아닌 다양한 방법으로 확대시키고, 사회저 변의 수소경제에 대한 반대론도 희석시킬 필요가 있다.
이러한 점에서 수소에너지에 대한 보다 체계적이고
장기적인 전략이 필요하다. 즉 에너지의 생산에서 이를 활용하는 전 단계를 두고 각각의 단계의 이해당사자, 최 적의 솔루션, 대안 등을 종합적으로 고려한 기술개발이 필요하다는 것이다. 예를 들어 수소의 저장을 파이프 라 인이 아닌 용기상태로 운반하거나, 자동차 등에 탑재하 기 위해서는 어떤 기술이 필요한지 경제적으로 가능한 시기는 언제인지 등에 대한 검토위에서 우리가 개발할 수 있는 기술, 개발해야 할 기술 등에 대한 종합적인 전 략적이 필요하다는 것이다.
6. 결론
에너지는 경제의 패러다임을 결정짓는 핵심요소이 다. 석탄시대에는 석탄시대에 맞는 산업과 경제시스템 이 발전했고, 석유시대에는 석유라는 에너지원에 맞는 동력기관과 라이프스타일이 출현하였다. 이러한 점에 서 보면 수소에너지의 사용은 단순한 에너지원의 전환
수소경제에로의 이행 단계 시나리오
자료 : 삼성경제연구소, 에너지 혁명 : 연료전지의 의의와 전망, 2003
을 넘어 경제의 현상과 산업의 모습을 바꾸는 촉매가 될 가능성이 높다.
특히 최근 고유가와 환경에 대한 규제 및 관심이 높 아지면서 청정에너지원으로써 수소의 등장에 거는 기 대는 과거 어느 때보다 높다 하겠다. 막연하게 연료전 지나 수소를 바라보던 기업들이 본격적으로 투자하기 시작했고, 글로벌 기업들은 혁신적인 기술개발에 매진 하고 있다. 각국의 정상들은 국가의 아젠더로 미래 에 너지의 주도권을 이야기하고 있으며, 초보적이기는 하 지만 구체적인 제품들도 시장에 출시되기 시작했다. 이 러한 변화는 분명 새로운 에너지원인 수소의 시대가 서 서히 개막되고 있음을 나타내는 단초들이라 할 수 있을 것이다.
그러나 현재의 다양한 시도들이 너무 큰 기대로 나 타날 경우 자칫 큰 실망으로 변질될 수 있음을 경계해 야 할 것으로 보인다. 산업의 역사에서 대부분의 신산 업들은 초기에 지나친 기대로 출발하여 거품을 만들고 이 거품이 붕괴되면서 커다란 실망과 회의를 만들어 낸 다. 물론 시간이 지나면 다시 정상 궤도에 진입하기는
하지만 휴유증이 크다는 점에서 반드시 경계가 필요하 다고 보인다.
뿐만 아니라 정부의 정책도 다양한 이해 당사자를 포괄해야 하기 때문에 보다 세련되고 정교하게 설계될 필요가 있다. 특히 정책의 입안이나 집행의 과정에서 당사자의 의견에 지나치게 매몰되기 보다는 비전과 목 표를 가지고 이해 당사자들을 설득하는 과정이 반드시 고려되어야 할 것이다.
수소의 시대는 단기간에 달성되지는 않는다. 아마도 서서히 그리고 장기적으로 달성해야 할 과제이자 과정 일 수 있다. 이러한 점에서 조급하게 계획을 추진하기 보다는 근본적인 도약을 위한 기술역량의 확보, 제도의 개선, 시장의 철저한 분석 등이 선행되어야 할 것이다.
지금 몇 개월 빠르다는 것이 30-40년의 장기 레이스 로 보면 크게 중요하지 않을 수 있다는 것이다. 가슴은 뜨겁게 갖더라도 머리는 논리적이며 차분하게 대응하 는 것, 이것이 바로 수소경제를 대비하는 자세가 아닐 까 싶다.
수소에너지의 활용과정
자료 : 日經 Electronics, 2003. 11. 10
