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[김해창 교수의 에너지전환이야기] <62>수소에너지의 실태와 과제를 말한다-국회수소경제포럼 출범에 부쳐

  • 국제신문
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  •  |  입력 : 2018-10-01 09:57:13
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디지털혁명을 이끌 ‘수소경제’를 위해 여야 의원들이 손을 잡았다. 국회의원 33명이 의기투합해 ‘국회수소경제포럼(수소경제포럼)’을 출범시키고, 수소기반 미래경제 활성화에 앞장선다. 박영선 더불어민주당 의원 등 국회의원 33명은 10월 1일 오후 1시30분 국회 의원회관 제2세미나실에서 수소경제포럼 창립 총회를 개최한다. 수소경제포럼은 4차 산업혁명 시대의 전환기적 시기에 놓인 지금 원자력발전 이후 세계 에너지 정책의 핵심으로 떠오른 ‘궁극의 에너지’ 수소의 모든 분야를 다룬다. 여야 의원 33인이 모여 수소에너지 관련 정책들에 관해 연구·토론을 하면서 법안도 만들고 수소경제 활성화를 위한 해법을 도출한다.

   
지난달 12일 오후 서울 대한상의에서 열린 ‘수소경제 추진위원회 TF 1차 회의’에서 이인호 산업통상자원부 차관과 수소 관련 전문가 및 산학연관 관계자들이 수소경제 활성화 로드맵 수립 방안 등을 논의하고 있다. 연합뉴스
국회에선 박영선 의원의 ‘친환경 수소에너지 법안’을 비롯해 이원욱 의원의 ‘수소경제법안’과 전현희 의원의 ‘수소연료법안’ 등 수소경제시대를 앞당기기 위한 법안들이 발의된 상태다. 정부는 데이터 경제, 인공지능과 함께 수소산업을 3대 전략투자분야 중 하나로 선정하고 수소경제활성화 로드맵을 수립해 발표할 계획이다(머니투데이 2018년 9월 30일).

수소의 발견자는 영국의 과학자 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)로 1776년 전기불꽃으로 수소와 산소를 결합해 물을 생성하는 데 성공했다. 프랑스 화학자 앙투안 로랑 라부아지에는 1785년 캐번디시의 실험 재현에 성공한 뒤 생명유지기체를 산소로, 가연성(인화성) 기체를 수소로 명명했다.

수소 이용의 역사는 놀랍게도 최초의 내연기관이 수소를 이용한 기관이었다. 리비츠의 수소기관은 1805년 제안됐고 세실(W.Cecil)은 1820년 수소기관을 제안했다. 19세기 초에는 석탄가스화에 의해 만들어진 도시가스가 구미에서 난방 및 조명용으로 사용됐고, 이 가스에는 수소가 50% 함유돼 있었다.

1911년 화학자 보슈(Carl Bosch)가 수소와 질소로 암모니아와 비료를 합성하는 방법을 개발한 뒤로 수소의 주요 사용처는 비료제조였다. 수소가 항공연료로 처음 사용된 것은 1920~1930년대의 일이다. 독일의 엔지니어들은 대서양 정기항로에 투입된 상용 체펠린 비행선의 추진연료의 하나로 수소를 사용했다. 1930~1940년대 독일, 영국은 수소를 실험용 자동차 및 기차는 물론 잠수함과 항적이 없는 어뢰의 연료로 사용했다.

오늘날 세계에서 생산되는 수소 중 상당량이 암모니아 비료생산 등의 화학공업, 식용유의 경화처리 등 식품가공업, 금속산업, 반도체산업 등에 쓰이며, 발전기 냉각용으로도 사용된다. 수소의 주원료는 천연가스, 원유와 같은 화석연료가 주류를 이루며, 인공위성 추진체 외에는 대부분 산업용으로 사용되고 있다(하상안·구헌서, 에너지환경개론, 2009).

수소는 -253℃의 극저온에서 액화되고, 액체수소 상태에서 부피는 기체수소에 비해 700분의 1로 현저히 감소하므로 저장하기가 용이하고 수송할 경우 전력과 같이 손실이 발생하지 않아 미래에 매우 유망한 에너지원이다. 그러나 수소는 가연성가스로 폭발범위가 광범위하고 위험도가 대단히 높아 수송, 저장 및 취급시 각별한 주의가 요구된다.

연료의 연소에너지를 열로 바꾸지 않고 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 것으로 수소를 주 연료로 하는 것을 수소연료전지라고 한다. 즉 메탄이나 메탄올 같은 탄화수소를 이용해 개질기(reformer)에서 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소의 화학적 에너지가 전기에너지로 직접 변환돼 직류전류(DC)를 생산하는데 외부에서 연료와 공기를 공급해 연속적으로 전기를 생산한다.

수소는 수소를 함유한 물질을 분해해 얻어야 하기에 ‘2차 에너지’에 해당한다. 액체수소는 기본적으로는 LPG, LNG와 같다. 가장 안전한 저장법은 금속 수소화합물을 만들어 저장하는 것이다. 액체수소로도 저장할 수 있으나 단열성이 높은 특수한 용기에 저장해야 한다.

   
김동연 경제부총리 겸 기획재정부 장관이 지난달 7일 서울 강서구에 수소생산업체 엘켐텍을 방문, 수소경제분야 혁신성장 간담회 참석자들과 인사를 나누고 있다. 연합뉴스
수소저장기술은 안전, 비용, 저장용량, 충전시간 및 효율 등이 충분히 고려돼야 한다. 초고압기체 저장, 수소저장합금에 의한 저장, 제올라이트(zeolite)에 저장, 카본 나노튜브에 의한 저장 등 다양한 방법이 연구되고 있다.

수소는 석유화학공업을 비롯해 암모니아 및 메탄 제조를 위한 공정 등에 광범위하게 사용되고 있으며 또한 화학, 식품, 정제산업 등에 그 사용량이 날로 증가하고 있다.

세계 각국이 수소에너지에 대한 관심을 가지고 국가적 차원의 연구계획을 시작했는데 대규모 실용화 목표는 1980년대 중반 독일에서 시작된 수소기술개발계획이었다. 이후 미국과 일본에서도 본격적인 계획 수립이 착수돼 미국은 1990년, 일본은 1993년을 기점으로 각각 대규모 수소기술개발 프로그램을 시작했다. 아이슬란드는 세계 최초로 수소에너지 경제권의 창조를 목적으로 국가프로젝트를 시작했다.
미국의회는 1990년 마츠나가 수소연구개발법안을 통과시켜, 5년 계획으로 미국 에너지부(DOE)로 하여금 수소에너지시대를 대비한 요소기술을 개발하도록 했다. 미국은 향후 2025년까지 단기(~2005년)/ 중기(~2010년)/ 장기(~2025년)로 나눠 수소도입목표를 정량적으로 제시하고 있다. 장기목표로는 2025년 전체 에너지 공급량의 10%를 태양광과 같은 재생에너지로부터 제조된 수소를 공급하겠다는 것이다.

머니투데이(2018년 9월 30일)에 따르면 2017년 1월 다보스 세계경제포럼(WEF) 기간에 출범한 ‘수소위원회’에선 최근 미국 샌프란시스코에서 ‘제3차 수소위원회 총회’를 열고 컨설팅업체 맥킨지의 연구보고서 ‘수소가 디지털을 만나다’를 발표했다. 이 보고서는 현재 수송 분야에서 사실상 쓰이지 않고 있는 수소기술이 2030년까지 ▷100만∼150만 대의 자율주행 택시 ▷30만∼70만 대의 자율주행 셔틀버스 ▷300만∼400만 대의 트럭·밴 등에 적용될 것으로 예상했다.

우리나라는 1970년대 말부터 수소에 관한 기초연구가 시작됐고, 1989년 과기처의 지원으로 한국에너지기술연구소가 연구를 총괄해 수소에너지 관련 기초연구를 대학 및 연구소에서 공동으로 수행했으나 1단계 연구지원에서 그쳤다. 1988년부터 시작된 대체에너지 기술개발사업에 따라 1992년부터 수소에너지분야의 연구개발도 지원되기 시작했는데 대부분이 대학에서 기초연구 수준으로 진행되고 있다.

수소에너지는 연료전지, 수소 자동차 및 항공기, 수소저장합금에 의한 2차전지, 수소화 반응에 의한 히트펌프 등의 다양한 형태로 이용되는데, 이 중 에너지로 가장 활발하게 사용되는 형태는 연료전지이다. 연료전지의 생산용량은 2012년에는 전년에 비하여 40.460㎾로 감소하였으나, 2013년에는 90.460㎾(추정치)로 크게 증가하였다(2012 신재생에너지백서, 에너지관리공단).

한국에너지기술연구소에서는 지속적인 수소에너지 관련 연구가 진행 중인데 열화학법에 의한 수소제조기술, PV(태양광발전)시스템을 이용한 수소제조기술, SPE(Solid phase extraction: 고상추출)에 의한 수소제조기술, 저가의 청정연료 제조기술, 금속수소화물을 이용한 열 수송기술 등의 연구가 수행됐거나 진행 중에 있는 것으로 알려지고 있다.

우리나라는 수소차와 연료전지 등 일부 분야에선 세계적인 경쟁력을 갖고 있지만, 생산 및 운송 관련 등 인프라 구축은 미흡한 실정으로 평가되고 있다.

   
이인호 산업통상자원부 차관이 지난달 12일 오후 서울 대한상의에서 열린 ‘수소경제 추진위원회 TF 1차 회의’에서 발언하고 있다. 연합뉴스
수소에너지의 문제점과 과제는 무엇일까?

수소에너지 관련 기술은 대부분 연구내용이 기초기술 개발단계에 있어 선진국과는 많은 격차를 보이고 있다. 선진국에서 개발됐거나 개발 중인 수소에너지기술이 군사용이나 우주개발 등의 특수용도로 실용화가 이뤄지고 있는 것은 일반적인 경제성의 차원을 벗어나 개발되고 있음을 보여준다. 또한 현재 연구되고 있는 주된 제법으로 원자력발전의 전력으로 물을 전기분해하는 방법이 있지만 효율이 낮고 핵연료를 쓴다는 점에서 부정적인 견해가 있다.

수소에너지기술을 선진국에서조차 개발 초기단계이거나 기업화 시작단계인 만큼 앞으로 국내에서도 적극적인 기술개발에 대한 투자가 필요하다. 수소 관련기술은 기계, 금속, 화학, 화공 등 여러 방면으로 그 폭이 매우 넓고, 장기간 소요되는 기술분야인 만큼 체계적, 장기적 안목의 투자, 일관성 있는 정책이 요구된다.

10월 1일 출범하는 ‘국회수소경제포럼(수소경제포럼)’이 미래에너지 개발과 수소기반 미래경제 활성화와 더불어 재생가능에너지 보급 등 에너지 전환에도 적극 나서주길 기대한다. 김해창 경성대 환경공학과 교수


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