【 연료전지 기술개발 어디까지 왔나 】 - 2004년 선진국 중심 수소에너지時代 전환 - < 무소음·고효율·청정성으로 미래 에너지시장 선도 > < 일본 03년 320억엔, 유럽 02~06년 21억달러 투자 > 일본의 니혼게이자이신문과 미쓰비시 종합연구소가 소니· 마쓰시타전기· 무라타제작소 등 일본을 대표하는 기업 262개사의 최고기술책임자(CTO) 및 연구개발 책임자를 대상으로 실시한 ‘2010년 세계의 신기술 시장조사’에 의하면 IC 태그(전자표찰)과 하이브리드 자동차 시장이 급팽창해 1조엔(약10조원) 이상의 거대시장으로 성장하는 한편 연료전지는 3배 이상으로 성장할 것으로 조사됐다. 또한 화석연료 대안으로 수소를 이용하는 연료전지의 중요성이 부각되기 시작하여 타임誌 등은 미래를 이끌고 갈 핵심기술의 하나로 연료전지를 선정한 바 있다. 연료전지는 전자, 자동차 등 다양한 산업에 혁신적 변화를 초래할 수 있는 기술로서 석유 중심의 에너지체제를 수소에너지 중심, 내연기관의 자동차를 연료전지로의 전자기기의 하나, 중앙 집중적 전력생산을 누구나 전력을 생산하는 분산형 구조로 탈바꿈할 수 있는 획기적인 통합기술로 평가되기 때문이다. 연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 전지로 물의 전기분해 역반응으로 연료를 계속해서 공급 해주면 무한히 발전이 가능하다는 점에서 일종의 발전기이며, 연료로 사용되는 수소는 가스 등을 개질(改質)하여 얻거나 물의 전기분해를 통해 얻는다. 현재 화석연료(석유, 석탄, 천연가스 등)에서 수소를 얻는 방법이 경제적이지만, 화석연료 매장량의 한계로 생산단가가 상승할 전망인 반면, 전기분해를 통한 수소 제조는 현재로서는 생산단가가 높지만 기술개발의 발전으로 생산단가가 하락할 것으로 예상된다. < 연료전지의 특징 > 연료전지의 특징은 환경 친화적이라는 점이다. 연료전지는 기계장치를 사용하지 않고 발전하기 때문에 거의 소음이 없으며, 수소와 산소가 반응해 전기를 생성하기 때문에 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등 공해물질을 거의 배출하지 않는다. 단지 화석연료에서 수소를 추출할 때 이산화탄소(CO2) 등이 발생되지만, 내연기관과 비교하면 전체 배출량은 20-50% 저감된다. 둘째로는 연료전지는 효율이 높아 에너지 절감효과가 크다. 연료전지의 발전효율은 현재 30-50%로 내연기관보다 우수하며, 온수로 회수되는 열량까지 고려하면 효율은 80%까지 높아질 수 있다. 셋째로 다양한 용도와 분야에 응용되는 융합 통합적인 시스템이다. 휴대용에서 발전용까지 다양한 응용이 가능하다. < 선진 각국의 진행 상황> 1960년대 우주 및 군사용으로 연료전지 연구를 시작한 이후 점차 상업화 연구로 발전하고 있다. 미국정부는 에너지 대외 의존 완화와 자동차 산업 경쟁력 강화 측면에서 추진하고 있다. 미국 에너지부는 연료전지와 수소에너지의 도입으로 2040년경에는 하루 1,100만배럴의 석유수요를 대체할 수 있을 것으로 추산하여 향후 5년간 Hydrogen Fuel Initiative 프로젝트에 수소 생산, 운송 인프라 개발 관련 프로젝트를, FreedomCAR 프로젝트에는 연료전지 자동차 생산을 위한 자동차 업계와의 파트너십을 위해 약 17억달러를 투자할 계획이다. 일본의 경우 1980년대부터 연료전지 개발 및 상용화를 정부차원에서 지원하고 있다. 1981년 에너지절약 기술개발계획 (Moonlight Project)의 일환으로 발전용 인산형 연료전지 개발을 시작으로 1993년 Moonlight 프로젝트를 계승한 New Sunshine Program이 출범해 자동차와 주택용에 적합한 고체고분자형 연료전지 개발에 주력하여 연료전지 관련 정부예산이 2001년 120억엔에서 2003년 320억엔으로 약 3배나 늘었다. 더불어 2002년 일본 정부는 총 5대(도요타 4대, 혼다 1대)의 연료전지 자동차를 임대형식으로 도입하여 연료전지 자동차 홍보에 앞장서고 있다. 현재 연료전지 보급 시나리오는 ‘연구 및 기술데모’ 단계로 일본 전역을 대상으로 연료전지를 실증시험을 하고 있다. 주택용 연료전지 상용화 실험장소를 전국 43개소로 확대하여 단독주택, 집합주택에 연료전지를 설치해 환경영향, 고장횟수, 거주자의 편리성 등의 데이터 수집과 함께 연료전지에 대해 알리고 있다. 자동차용 연료를 공급하는 스테이션을 수도권 5개소에 운영하여 공공도로에서의 주행시험을 하는 연료전지 자동차의 연료공급 거점, 수소공급 방법을 각기 달리함으로서 장·단점을 파악하고 있다. 유럽의 경우는 교토의정서의 이산화탄소 감축 목표 달성, 에너지원의 대외 의존도 완화, 사업 경쟁력 강화 등을 목표로 기술개발을 수행 중이다. 유럽위원회는 R&D Framework Program(이하 FP)의 일환으로 연료전지 R&D를 지원하고 있지만 자동차용 연료전지 개발에 주력하고 있다. 6차 FP(2002-2006년)계획은 20.9억달러를 연료전지와 수소에너지 연구에 투자하고 있다. 특히 연료전지 자동차(버스)의 시험운행 프로그램을 강화하고 있다. 미국, 일본은 주로 승용차 시험운행에 주력하는 반면 EU(European Union)는 버스를 대상으로 한 시험 운행에 더 주력하고 있다. CUTE(Clean Urban Transport for Europe)에서 1,850만유로의 예산으로 유럽 9개 도시에서 30대의 연료전지 자동차를 시험운행 중에 있으며, 2003년 5월 스페인 마드리드에서 첫 번째 버스 운행을 개시한 바 있다. 아이슬란드는 풍부한 자연에너지원을 활용해 수소사회를 지향하고 있다. 에너지 소비에서 지열과 수력발전으로 전력의 99.9%를 생산하여 활용하고 있으며, 1999년 세계 최초의 수소경제 국가로의 전환계획을 발표하여 2040년까지 수소사회로의 전환을 완전히 마무리할 방침이다. 1단계는 레이카비크의 수소연료 버스를 시범운영하고 2단계는 레이카비크의 버스를 수소연료 버스로 교체, 3 단계는 수소연료 자동차의 민간도입 확대, 4 단계는 연료전지 선박 시범운영, 5 단계는 선박의 동력을 연료전지로 대체하는 계획을 추진하고 있다. < 국내 연구수준과 프로젝트 > 국내의 경우는 현대자동차가 2002년 미국연료전지 업체인 UTC fuel cells과 전략적 제휴를 맺고 연료전지 자동차를 개발 중이다. 특히 현대자동차를 주관기관으로 하여 산학연 형태로 산업자원부의 프로젝트 과제에서 2008년까지 연료전지 시스템의 국산화 달성 목표의 일환으로 80 kW급 승용차용 PEMFC 발전모듈, 시스템 및 연료 전지차 개발을 추진하고 있다. 우리나라 정부에서는 2012년까지 연료전지 자동차 10,000대를 보급하여 세계 5위권 자동차 강국에 진입한다는 목표를 세우고 추진하고 있다. 제 1단계로 2006년까지 연료전지 발전 모듈 및 시스템 부품을 스케일업하여 기반 기술확보, 제 2단계로 2009년까지 내구성 3,000시간과 시스템 밀도 0.55kW/L로 기술경쟁력을 확보, 제 3단계로는 2013년까지 내구성 5,000시간, 시스템 안정성 및 신뢰성을 확보하여 100,000원/kW 이하의 양산화 기술을 확보하여 상품화한다는 계획이다. 가정용 5kW급 고분자 연료전지기술개발은 1996년부터 한국에너지기술연구원이 주축이 되어 2001년까지 기술개발을 수행했다. 2002년부터 (주)세티가 주관이 되어 컴팩트한 3kW 열병합 고분자 연료전지 시스템 개발이 완료되어 2004년 본격적으로 실증시험을 추진하고 있다. 이를 바탕으로 한국가스공사에서 2003년부터 5kW 연료전지 외국제품과의 성능비교분석을 위한 실증연구, 시스템 보급을 위한 인증시험 설비 및 개발을 추진하는 한편 연료전지로 구성된 Green Village 실증단지를 조성하는 계획도 가지고 있다. 2012년까지는 가정용(3kW 이하) 시스템 10,000기 보급, 상업용(50kW 이하) 시스템 2,000기를 보급하여 전력에너지원 다양화에 의해 에너지안보를 확보한다는 목표를 세우고 있다. 이를 위해 무엇보다도 필요한 기술개발은 실증연구를 통한 신뢰성 확보와 더불어 인증시험, 표준화 등이 함께 이루어져야 할 것이다. 수송용 휴대용 연료전지는 3~4년전부터 삼성종합기술원, LG화학 등에서 연구를 본격화하고 있다. < 향후 보급 전망 > 향후 연료전지 보급 시나리오는 전문가에 따라 의견이 분분하지만, 대체적으로 휴대용, 주택용, 자동차용 순으로 시장이 형성될 것으로 예측된다. 이러한 이유로는 휴대용은 대량 생산이 가능하고 인프라나 규제의 제한이 적고, 용량도 소형이여서 상대적으로 보급이 용이한 반면 자동차용은 인프라, 가격, 소형화 등의 문제가 해결되지 못한 상황으로 어려움이 있기 때문이다. 시장 형성은 가격급락이 예상되는 2010년 이후 본격적인 시장 확대가 예상된다. 현재 연료전지 자동차는 수십억원 수준이며, 가정용 연료전지는 수억원으로 2010년경에는 현재의 수십분의 1 가격으로 하락이 예상된다. 2020년경에는 자동차용은 2,000만원대, 주택용은 300만~500만원대로 가격 하락이 예상되고 있다. 따라서 2020년경부터 수소에너지 전환이 본격화되고, 2030년부터는 모든 제품에 연료전지가 탑재되기 시작할 전망이다. 2030년경 자동차용·가정용·휴대용 연료전지 시장은 약 1,500억불 이상으로 추정되어 2040년경부터 선진국을 중심으로 수소에너지 경제로 전환이 예상된다. 이러한 연료전지를 보급 확대하기 위해서는 경제성과 안전성 확보가 전제되어야 한다. 다시 말해서 연료전지의 저가화, 고효율화, 연료가격의 하락 등이 전제되어야 할 것이며, 수소에너지의 폭발범위가 넓어 공기 중 누출시 화재 위험성이 높아서 안전성이 요구된다. 또한 연료전지 산업에는 막대한 자금과 기간이 소요되기 때문에 다양한 정책적 유인책, 국가적 비전과 마스터 플랜 작성 등 정부의 적극적인 역할이 필요하다. <한국가스공사 연구개발원 LNG기술연구센터장 백영순 박사>