‘수소스테이션’이 도심지에 선을 보임에 따라, 수소에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.

  수소에너지는 이미 수년 전부터 전문가들 사이에서는 화석 연료 고갈에 따른 유일한 대안으로 평가받아 왔지만, 아직도 낯선 용어다. 

  수소에너지는 다양한 활용성으로 인해 전문가들 사이에서 높은 점수를 받았다.

  실제로 수소에너지는 석유화학산업, 전자, 반도체 제조공업, 우주 항공 산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최근 들어선 활용 분야가 늘어남에 따라 수요도 꾸준히 증가하는 추세다.

  업계에서는 수소에 대한 수요가 매년 5~10%씩 증가하는 것으로 분석하고 있다. 조만간 연료전지 자동차가 상용화 될 경우 잠재 시장규모는 무한대로 늘어날 것이라는 게 업계의 관측이다.

  이로 인해 미국, 일본, EU 등 선진국들은 수소 및 연료전지 관련 기술의 선점을 위해 분주하게 움직이고 있다. 중국도 베이징 올림픽을 계기로 연료전지 버스를 운행하는 등 수소연료전지 기술개발에 과감하게 투자하고 있다.

  현재 전 세계적으로 운영 중인 수소스테이션은 약 80여개. 하지만 국내에는 2006년에 첫 선을 보였다. 그마저 연구 목적으로 한국에너지기술연구원 내에 지어졌다.

  도심지에 민간 기업이 수소스테이션을 준공한 것은 GS칼텍스의 수소스테이션이 처음이다.

  이밖에 지난해 SK에너지와 한국가스공사가 각각 대덕연구원과 인천LNG인수기지에 수소스테이션을 건설했다.

  최근에는 정부 역시 수소에너지의 중요성을 인식, 수소 및 연료전지의 기술 개발에 집중 투자하고 있다.

  수소연료전지를 태양광, 풍력과 함께 3대 전략산업으로 꼽고, 올해 신재생에너지 R&D 예산의 3분의 1인 393억원을 수소연료전지 분야에 투입했다.

  2008년까지 정부는 연료전지 자동차 1,000대, 수소스테이션 10개 도입할 계획이며, 오는 2012년에는 연료전지 자동차 1만대, 수소스테이션 50개 도입을 목표로 하고 있다.

  수소스테이션이 설립되면 수소를 고압으로 압축하여 저장하기 위한 압축기가 필요하다.

  따라서 본 특집에서는 미래의 에너지로서 수소와 수소압축기의 기술 및 시장동향을 점검해 보고자 한다.

<편집자 주>

CONTENTS

● 산업계에 당부한다
● 수소에너지의 어제, 오늘, 그리고 미래
● 수소저장기술
● 수소 스테이션
● 업체동향
● 수소압축기 특허
● 기술개발

산업계에 당부한다

-이기섭 에너지관리공단 이사장

수소시대에 대비 과감한 투자와 지원 필요

  많은 사람이 21세기 인류가 당면한 가장 큰 문제로 에너지자원 고갈과 지구 환경오염 문제를 꼽고 있다.

  특히 세계 경제의 급격한 팽창은 에너지 수요 급증을 야기하고 있다. 이로 인해 촉발된 초고유가 현상과 자원수급 불안으로 인해 세계 각국은 치열한 자원ㆍ에너지 확보 경쟁을 벌이고 있다.

  에너지는 인류의 역사와 함께 발전해 왔다. 에너지 패러다임 변화는 인류의 생활과 문명을 근본적으로 변화시켜 왔으며, 화석연료의 유한성과 유해성에 대한 걱정이 커지고 있는 지금 에너지 패러다임 변화가 더욱 절실해지고 있다.

  새로운 에너지 패러다임, 그 중심에 있는 것이 바로 수소에너지다. 수소는 고갈되지 않는 무한한 에너지며 온실가스를 발생시키지 않는 청정에너지다.

  선진국들은 이미 두 차례 석유파동을 거치면서 석유를 대체할 새로운 에너지원 개발에 대한 중요성을 크게 인식하고 수소에너지 이용기술 개발에 박차를 가하고 있다.

  우리나라도 수소경제 시대 도래를 앞당기고 선진국과의 경쟁에 대비해 수소ㆍ연료전지 분야를 태양광, 풍력과 함께 신재생에너지 3대 중점 분야로 선정하고 차세대 신성장 동력으로 육성하기 위해 기술 개발과 보급 사업을 적극적으로 추진하고 있으며, 최근 들어 상당한 가시적 성과들이 나타나고 있다.

  대표적인 예로 현재 1㎾급 이내 휴대용 연료전지, 수 ㎾급 가정용 연료전지, 수십 ㎾급의 건물ㆍ상업용 연료전지와 수백~수천 ㎾급 발전용 연료전지가 개발됐고, 100㎾급 연료전지 승용차와 200㎾급 버스가 기술개발 중이며, 이미 수도권 등에서 승용차와 버스 시제품을 시험운행 중이다.

  그러나 아직까지 선진국에 비해 투자나 속도 면에서는 미흡한 실정이며 수소경제로의 전환이 이른 시일 안에 실현되기에는 아직도 해결해야 할 기술적ㆍ경제적 난관이 많다.

  수소에너지 체계의 핵심인 연료전지 기술 상용화는 물론 신재생에너지원으로부터 수소 생산기술, 수소 저장ㆍ운송에 따르는 기반 구축 등 해결해야 할 과제가 적지 않다. 특히 화석연료 대비 수소 제조 경제성을 확보하는 것은 여전히 큰 숙제로 남아 있다.

  그렇다고 해서 수소경제가 머나먼 미래 일은 아니다. 전문가들은 수소경제 비전이 20~30년 뒤에 본격적으로 현실화할 것으로 예측하고 있다.

  이 시기에는 수소이용 기술인 연료전지 기술이 보편화돼 연료전지 발전소가 기존 발전소를 대체하고 가정과 상업용 건물에도 연료전지로 자가 발전해 전기를 사용할 수 있게 될 것이다.

  또한 운행되는 차량 상당 부분이 연료전지 차량으로 바뀌게 될 것이다. 미국에서 발간된 한 보고서에 따르면 매우 낙관적 예측이긴 하지만 2040년께 연료전지 차량 점유율이 전체의 90%에 달할 것으로 추정하고 있다.

  석유 시대를 마감하고 수소경제 시대로 이행하는 것은 에너지 체계 근본을 바꾸는 것으로 대단히 중요하면서도 힘든 일이다.

  그러나 머나먼 미래라고 생각해 등한시할 것이 아니라 국가 경제와 산업의 지속가능한 발전을 위해 과감한 투자와 지원을 아끼지 않는 혜안이 필요하다.

  정부는 민간기업들이 믿고 투자할 수 있도록 수소경제 지향에 대한 정책 의지와 방향을 명확히 제시하고 지원을 아끼지 않아야 할 것이며 민간 역시 이에 화답해 장기적이고 지속적인 투자를 통해 수소경제 시대를 선도해 나가야 할 것이다.

수소에너지의 어제, 오늘, 그리고 미래

-김종원 교육과학기술부 수소에너지사업단장

수소에너지 개발현황과 전망

  배럴당 70$ 수준의 고유가와 지구 온난화 문제를 동시에 해결해야 할 입장에서 수소에너지에 거는 기대는 적지 않다.

  국가마다 다르나 2020년대부터 시장진입과 함께 확대되기 시작하여  2040년대 이후에는 본격적인 수소경제체제에 들어갈 것으로 보고 있으므로 장기적 추진 계획과 주기적 평가분석에 의한 수정 보완을 개발 전략으로 삼고 있다.

  현재 신재생에너지에 대한 정부 측 투자액은 전 세계적으로 매년 80억$에 이르며 이중 수소에너지관련기술에는 10억$가 투입되고 있다.

  기업체 투자 분은 정부 투자분의 3∼4배에 이를 것으로 보기 때문에 수소연료전지분야에만 50억$ 정도가 매년 투자되는 셈이다. 대략 2015년까지는 연구개발에 주력하면서 틈새시장 진입을 시도하게 될 것이다.

  현재 시범운행 단계에 있는 연료전지자동차의 시장진입을 위해서는 기존 화석연료를 이용한 수소 제조기술이 필요하며 우리나라에서도 LPG, 가솔린, 나프타, 천연가스 등을 이용하여 앞으로 3년 내에 4기를 건설 운용할 것이다.

  우선 시간당 20∼30㎥(하루 승용차 10∼20대 충전 가능)의 수소생산용 개질 기술을 개발하거나 도입하여 실증을 거쳐 필요에 따라 하루에 승용차 200대 정도 충전이 가능한 시간당 300㎥ 규모의 수소를 현장에서 만들어 낼 수 있는 수소충전소 기술과 기준이 만들어질 것이다.

  다행히도 우리나라 공단의 위치가 울산, 여천, 대산 등 지역 안배를 이루고 있어 부생수소 수급에 있어 유리한 위치에 있으며, 천연가스 공급망이 잘 정비되어 있어 천연가스 개질에 의한 수소공급이 비교적 용이할 것으로 본다.

  수소는 상온, 상압에서 기체이므로 부피당 에너지 밀도가 매우 낮고 액체연료에 비해, 저장, 운반이 불편하다. 

  궁극적으로는 저압에서 안전하게 수소를 저장하고 수송할 수 있는 기술 개발이 중요한 과제이나 우선 현재 기술 수준으로는 연료전지 자동차의 시장진입을 위해서 고압수소저장 기술의 상용화가 우선적으로 필요하며 현재 ISO TC197에서 표준화작업이 진행되고 있다.

  기존 208기압의 고압저장용기를 갖춘 천연가스차량의 운용 경험은 350∼700기압을 다루어야 하는 수소차량의 운용 및 보급에도 도움이 될 것이다.

  국내 산업체에서는 350기압 Type 3 복합용기의 제조자 인증 허가를 (주)이노컴에서, Type 4 복합용기는 (주)케이시알에서 DOT(미국 교통성) 인증을 받았다.

  이 두 가지 형태의 용기 모두 중량밀도 4.5wt%, 체적밀도 20kg/㎥을 만족시키고 있으며 최종적으로는 700기압용 용기 및 시스템 개발을 목표로 하고 있다.

  장기적으로는 금속수소화물 등 수소저장 합금방법 등 고체저장방법과 화학적 수소화물 (NaBH4 화합물 등) 유기 및 무기 또는 복합 나노소재 이용 기술, 나노공간을 갖는 얼음 입자 등 보다 저압에서도 안전하면서 경제성을 도모할 수 있는 새로운 개념의 저장기술도 활발히 연구되고 있다.

  현재는 금속수소화물, 착수소화물 등이 다른 기술보다 다소 앞서 있는 수준이다.

  연료전지 이외의 기술로서 수소 연소 리니어 동력?발전 시스템은 크랭크 기구가 없어 기계적 손실이 없을 뿐만 아니라 피스톤의 관성력을 최대한 압축일로 전환시키고 폭발 압력을 최대한 팽창시킬 수가 있어서 고효율이 기대되며 하이브리드 자동차용, 분산전원용 등으로 사용될 가능성이 있다.

  센서 분야는 충전소나 자동차 등 수소사용 영역이 일반인에게 점차 확대됨에 따른 시장과 안전 확보 측면에서 필요하며, 소형화, 저가화를 목표로 연구되고 있다.

  매년 산업용으로서 4000만 톤의 수소가 사용되어 왔지만 에너지용으로 확대된다면 최종 사용자가 일반인이 될 것이며 사용량도 수십 배로 늘어나게 될 것이다.

  아직은 경제성과 신뢰성을 갖추지 못한 상태이나 집중적 연구가 이루어지고 있는 분야인 만큼 기술적 장벽을 넘어설 기반을 갖추어나갈 것으로 생각된다.

해외 여러나라의 수소 프로젝트 현황

  수소에너지의 제조·저장·이용에 관한 연구는 수소가 21세기에 예상되는 에너지 자원 고갈과 환경문제를 해결할 수 있다는 점에서 시작되었다.

  석탄, 석유 등의 1차에너지와는 달리 이차에너지이기 때문에 에너지 매개수단으로 보아 에너지매체(energy carrier)로 부르기도 한다.

  대규모 실용화를 목표로 1980년대 중반 독일에서 시작된 수소기술 개발계획은 이후 미국과 일본에서도 본격적인 계획 수립에 착수하여 미국은 1990년, 일본은 1993년을 기점으로 각각 대규모 수소기술 개발 프로그램(WE-NET)을 시작하였다.

  또한 아이슬랜드는 세계 최초로 수소에너지 경제권의 창조를 목적으로 국가프로젝트를 시작하였다.

  미국의회는 1990년, 이른바 마츠나가 수소연구개발법안(Matsunaga Hydrogen Research and Development Act)을 통과시켜, 5년 계획으로 미국의 에너지성(DOE)으로 하여금 수소에너지 시대를 대비한 요소기술(Critical Technology)을 개발하도록 하고 있다.

  이 법안은 학계, 산업계의 수소관련전문가로 구성된, 수소기술자문위원회(HTAP; Hydrogen Technical Advisory Panel)를 설립하여 수소에너지개발에 대한 자문을 하도록 하고 있다.

  1996년 미의회는 또 수소미래법안(Hydrogen Future Act)를 통과시켜, 1996년부터 2001년까지 1.6억달러를 수소의 생산?저장?이용 등에 관한 연구와 실증사업에 투자하도록 하였다.

  이러한 법안에 힘입어 미국에너지성은 수소에너지프로그램을 진행 중에 있으며, 중장기적인 안목으로 수소를 에너지 체계에 도입하고자 시도하고 있다.

  일본의 경우, 1999년말 현재, 28년(1993-2020)간에 걸치는 장기 연구개발 기간중 1단계 프로그램을 완료하고 2단계 연구개발 계획을 실시 중에 있으며, 미국도 향후 2025년까지 단기(~2005년)·중기(~2010년)·장기(~2025년)로 나누어 수소도입목표를 정량적으로 제시하고 있으며, 장기목표로서는 2025년 전체에너지 공급량의 10%(미국의 경우 원유의존도가 50% 수준으로 낮추어질 것으로 전망)를 태양 등 재생가능에너지로부터 제조된 수소를 공급하는 의욕적인 것이다.

  독일은 미국과 같이 포괄적인 수소도입을 목표로 설정하고 있지는 않지만, 개별적인 프로젝트의 도입 목적을 뚜렷이 하고 있다.

  대표적인 예가 뮌헨공항의 차량 수소화 프로젝트인데, 1998년에는 공항내 수소자동차의 운행을 개시하고 1999년까지 40대 정도의 수소자동차 도입을 목표로 하고 있다.

해외의 수소 프로젝트의 공통적인 특징은 다음과 같다.

(1) 기존의 기술을 활용하여 실용시스템을 만들고, 이용시 문제점을 찾아 해결할 뿐만 아니라, 시민에 대한 계몽을 하여 장래의 시장 도입을 용이하게 한다.

(2) 환경개선효과가 큰 수소자동차의 개발 도입에 중점을 둔다.

(3) 공공기관이 개발자금을 부담하여 적극적으로 개발을 지원한다.

(4) 수소공급원으로서 중단기적으로는 천연가스 개질, 수전해, 바이오매스 가스화 등으로 수소를 공급하고, 재생가능 에너지 이용에 의한 대량공급을 장기 목표로 한다.

우리나라의 수소 에너지 연구

  한편, 우리나라에서는 수소에 관한 연구는 1970년대 말부터 관련 기초연구가 시작되었으며, 1989년 과기처의 지원으로 한국에너지기술연구소가 연구를 총괄하여 수소에너지 관련 기초연구를 대학 및 연구소에서 공동으로 수행하였으나, 1단계의 연구지원으로 마감되었으며, 이후 G7 과제에 채택되지 않음에 따라 대체에너지 기술개발사업 및 관련 연구소에서의 중장기 연구계획에 따른 연구가 수행되고 있다.

  한국에너지기술연구소에서는 지속적으로 수소에너지 관련 연구를 수행하고 있으며, 열화학법에 의한 수소제조기술, PV시스템을 이용한 수소제조기술, SPE에 의한 수소제조기술, 저가의 청정연료 제조기술, 금속수소화물을 이용한 열수송기술의 등의 연구가 수행되었거나 진행중에 있다.

  수소가 무한한 물로부터 얻을 수 있는 에너지이고, 이용 후 다시 물로 재순환되는 에너지로 화석자원의 유한성과 환경적 측면을 고려할 때, 미래에너지로 각광받을 것은 틀림없으나, 수소에너지를 이용하기 위해서는 제조?저장?이용 등 각 분야에서 경제적 관점에서의 이점을 갖추어져야 하므로 현재의 기술 단계로 볼 때, 기존 에너지 체계를 대신하기에는 다소 시일이 걸릴 것이다.

  그러나, 실용화라는 측면에서보면 용접 또는 절단용의 수전해에 의한 수소가스발생기나 연료전지용 수소제조 장치 등이 일부 보급되어 있고, 실험실 가스크로마토그라피 분석기용 수소제조 장치 등이 실용화 가능 수준에 이르고 있다. 재생가능 자원으로부터 보다 값싸게 수소에너지를 얻는 것은 중요한 기술이기 때문에, 수소제조가격을 낮출 수 있는 기술개발을 위해 2006년 10월부터 과기부(교육인적자원부)에서 5년간 60억을 지원하여 고효율 수소제조기술개발을 시작하였다.

  수소의 경제성은 단기간안에는 실현하기 어려울 전망이나 최근의 고유가에 따른 에너지 수급 불안의 충격에서도 알 수 있듯이, 에너지의 97%를 수입에 의존하고 연 200억$ 이상의 대가를 지불해야하는 국가 현실로 볼 때, 수소에너지 기술 개발이 주는 파급효과가 막대하기 때문에 장기적인 안목에서 진행되어야할 분야이다.

수소에너지의 특징

  수소는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 현재 인류가 당면하고 있는 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈을 예상할 때 궁극적인 미래의 대체에너지원 또는 에너지 매체(Energy carrier)로 생각되고 있다.

  이는 현재의 에너지시스템에 이용되는 화석연료가 사용후 NOx, SOx, 분진 등과 같은 대기오염물을 배출하여 지구의 환경을 오염시키고 있을 뿐만 아니라 최근에는 화석연료 연소에 따라 배출되는 이산화탄소의 대기중 농도증가로 지구온난화의 우려를 가중시키고 있다.

  또다른 에너지원인 원자력은 그 사용과정이나 사용후에도 방사능오염에 대한 문제점이 야기되고 있어, 이들 에너지원의 지속적인 사용이 지구 생태계를 파괴시켜 인류의 생존을 위협하고 있다는 우려의 목소리도 있음이 현실이다.

  이에 비하여 에너지원으로의 수소는 다음과 같은 장점을 가지고 있어 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 것으로 판단되고 있다.

첫째, 수소는 연료로 사용할 경우에 연소시 극소량의 NOx 발생을 제외하고는 공해물질이 생성되지 않으며, 직접 연소에 의한 연료로서 또는 연료전지 등의 연료로서 사용이 간편하다.

둘째, 수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며, 고압가스, 액체수소, Metal hydride (금속수소화물 또는 수소흡장합금) 등의 다양한 형태로 저장이 용이하다.

셋째, 수소는 궁극적으로는 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용후에는 다시 물로 재순환이 이루어진다.

넷째, 수소는 산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있다.

  따라서, 현재 인류가 당면하고 있는 에너지 자원 고갈과 환경오염문제를 해결할 수 있는 가장 유력하고 유일한 대안이며, 21세기에는 지구온난화와 대기오염 대비 및 에너지 안보와 자급 차원에서 수소의 시장 확보가 가능할 것으로 예측된다.

  궁극적으로 수소는 재생가능 에너지원으로부터 얻는 것을 목표로 하고 있지만, 단기적으로는 현재 가장 경제적이고, 기존 시스템에 큰 충격없이 원천적으로 이산화탄소 등을 상당 부분 제거하여 화석연료의 청정화 이용에도 기여한다는 점에서, 수소원으로서 화석연료가 상당한 비중을 차지하게 될 것이다.

  이와같이, 수소에너지 기술은 이미 그 중요성이 국제사회에 너무나 널리 알려져 왔으므로, 미국·일본을 비롯한 기술선진국들은 21세기 에너지문제와 환경문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 거의 유일한 代案으로 수소에너지 기술의 연구에 심혈을 기울여 왔으며 이미 상당한 성과를 거두고 있다.

  무한정인 물과 유기물질(바이오매스)을 원료로 하여 수소를 제조 이용한다면, 재순환되므로 자원 고갈 우려가 없어, 화석연료 자원이 빈약한 국가에 적합한 에너지원이다.

  따라서, 21세기에 우리나라가 선진국의 기술 종속국이 되는 것을 방지하고 선진국과 대등하게 경쟁하기 위해서는 지금부터라도 체계적이고 합리적인 기술개발 프로그램을 조속히 수립, 실천하여야 할 것이다.

                        안전대책기술

수소에너지기술의 개발

  수소에너지 기술은 수소의 제조, 저장, 수송 및 이용방법에 이르기까지 많은 분야의 기술이 종합적으로 연관되어 있으며, 아직까지 경제성이 확보되지 않은 기술들이 대부분 이어서 일반 산업체의 참여가 제한되고 있다.

  더욱이 선진국과의 기술격차도 상당히 크므로 기존의 개발기술을 우선적으로 받아들이기도 어려운 형편이다.

  따라서 각 분야의 요소기술을 파악하고, 현재의 연구단계를 평가하여 중점 개발분야를 선정하여 단계적으로 연구개발을 추진함으로 산업체 전반의 기술개발 능력을 확충할 수 있는 중요한 계기가 될 것이다.

  연구개발 방법으로는 지금까지 개발된 기술들을 이용하여 수소의 제조, 저장 및 이용기술을 망라하는 각 분야의 세부기술에 대하여 검토하고, 이를 종합하는 수소에너지시스템을 구성하여 각 분야의 요소기술을 단계적으로 개발하는 것이 효율적인 기술개발에 접근하는 지름길이라고 생각되고 있다.

국내 수소 개발 여건

  지구환경 보존과 에너지원의 효율적인 이용을 위하여 고효율의 환경친화적 청정에너지 기술개발이 시급하며, 이에 적합한 미래의 에너지 매체로 우수한 특성을 가지고 있는 수소에너지 관련 기술의 개발이 필요하다.

  이에 따라 환경파괴 및 화석에너지 고갈에 대한 궁극적 해결책으로 수소에너지 기술개발의 중요성이 증대되고 있으며, 이와 같은 수소에너지 기술확보는 미래 21세기 에너지안보 및 국가 경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 될 것이다.

  또한 국민소득의 증가와 청정에너지 사용에 따른 환경의식이 향상될 것이며, 사용 에너지의 편의성 및 쾌적성 확보를 위한 수소에너지 기술개발은 중요한 과제이다.

  수소의 제조·저장·이용 등 각 분야는 우리나라에서도 이미 1970년 대부터 관심을 가지고 기초적인 연구를 시행하여 오고 있다.

  지원이 꾸준히 계속되지 못하고, 지원 규모가 매우 작아 실증적인 규모에 까지 이른 것은 없으나, 밑바탕이 될 인적 자원과 수소에 대한 관심은 점차 증대되고 있다.

지금까지의 연구개발 실적

  국내에서는 1970년대 말부터 관련 기초연구가 시작되었으며, 1989년 과기처의 지원으로 한국에너지기술연구소가 연구를 총괄하여 수소에너지 관련 기초연구를 대학 및 연구소에서 공동으로 수행하였으나, 1단계(3년)의 연구지원으로 마감되었으며, 이후 G7 과제에 채택되지 않음에 따라 대체에너지 기술개발사업 및 관련 연구소에서의 중장기 연구계획에 따른 연구가 수행되고 있다.

  1989년부터 1992년까지 특정과제로 추진되었던 연구내용은 수소의 제조기술, 수소의 저장기술 및 수소의 안전대책기술 관련으로 9개의 연구과제가 수행되었다.

  한편 1988년부터 시작된 대체에너지 기술개발사업에 따라 1992년부터 수소에너지 분야의 연구개발도 지원되기 시작하였는데, 대부분이 대학에서 기초연구 수준으로 진행되고 있다.

  한국에너지기술연구소는 국내 유일한 에너지 관련 전문연구기관으로서, 지속적으로 수소에너지 관련 연구를 수행하고 있으며, 열화학법에 의한 수소제조기술, PV시스템을 이용한 수소제조기술, SPE에 의한 수소제조기술, 저가의 청정연료 제조기술, 금속수소화물을 이용한 열수송기술의 등의 연구가 수행되었거나 진행 중에 있다.

현기술상태의 취약성

  국내의 연구현황에서 보는 바와 같이 몇 가지 분야를 제외하고는 대부분의 연구내용이 기초기술 개발단계에 있으므로 선진국의 기술과는 많은 격차를 보이고 있다.

  선진국에서 개발되었거나 개발중인 수소에너지 기술이 군사용이나 우주개발 등의 특수 용도로 실용화가 이루어지고 있는 것은 경제성의 차원을 벗어나 개발되고 있음을 보여주는 것이다.

  수소에너지 기술은 선진국에서도 아직까지 개발 초기단계이거나 기업화 시작단계인 기술이므로, 장차 국내에서도 적극적으로 기술개발을 추진한다면 빠른 기간 내에 선진국과의 기술격차를 줄일 수 있으리라 생각된다.

앞으로의 전망

  수소에너지 관련 기술들은 장차 화석연료의 시대가 지나고 새로운 에너지시스템으로의 전환이 이루어질 경우 필연적으로 요청되는 기술이다.

  이들 산업의 성장 잠재력은 무한하나 앞으로 얼마만큼 화석에너지 시대가 지속할 것인지에 따라, 또한 지구의 환경공해의 심각성과 그 진전 정도에 따라 시급성이 결정될 문제이다.

  그러나 아직까지 화석연료의 가격은 현재의 방법으로 얻어지는 수소보다는 훨씬 저가이므로 수소에너지의 이용은 당분간 어려울 전망이다.

  그러나 화석연료의 사용에 따른 지구온난화 문제가 가시화 될 경우에는 화석연료의 사용제한이나 탄소세 등의 문제가 구체화되어 의외로 빨리 에너지시스템이 대체에너지를 근간으로 하는 수소에너지 체계로 전환될 수도 있음을 고려하여야 할 것이다.

  특히 최근의 배럴당 30$이상 계속되는 고유가 행진과 중동지역의 정치적 불안에 의한 에너지 수급불안정에 대한 우려는 대체에너지의 개발 경제성을 높여주고 있음도 간과할 수 없다.

  따라서 우선적으로 수소에너지의 종합적 시스템 기술에 대하여 충분히 검토하고, 이에 대한 연구개발이 이루어져야 미래의 에너지시스템에 대처할 수 있을 것이다.

  이상과 같은 관점에서 볼 때 수소에너지 시스템 기술을 포함하는 각 분야의 요소기술 산업의 성장전망은 상당히 밝은 것으로 평가되고 있으며, 최근 여러 나라에서 대체전원으로부터 수소를 제조하고, 이를 저장하여 연료전지나 수소보일러, 수소자동차에의 이용을 연결하는 파일롯트 시스템의 건설과 이의 적용연구를 수행하거나, 추진하고 있는 것은 미래의 에너지시스템으로 수소의 중요성을 보여주고 있다.

  수소 관련기술은 기계, 금속, 화학, 화공 다방면으로 그 폭이 매우 넓으며, 지원이 이루어진다면 인력, 시설을 확보하기는 어렵지 않으나, 장기간이 소요되는 기술분야인 만큼 체계적, 장기적 안목의 투자, 일관성 있는 정책이 선결되어야 한다.

수소저장기술

-김영수 신재생에너지부품소재 RIC소장/부경대학교 교수

경량·고강성·고강도 복합소재 압력용기에 고압으로 압축 저장

  
  국내 수소생산량은 2020년 538만톤에 이를 것으로 전망되며 이 가운데 연료전지 자동차에 필요한 수소는 45만톤으로 성장할 것이라는 분석이 제시됐다. 이에 따라 수소저장기술 시장도 크게 활성화될 것으로 예측된다.

  최근 신재생에너지센터가 공개한 ‘신재생에너지 RD&D 전략 2030’ 가운데 ‘수소저장 R&D 추진성과 및 보급시장 분석’을 살펴보면 지난해 국내 수소 생산량은 70만톤이었으며 매년 5~10%의 시장성장으로 2012년 110만톤, 2020년 538만톤에 이를 것으로 전망했다.

  특히 2020년이면 수소충전소가 전국에 1700개소가 구축되고 연간 42만톤의 수소가 생산돼(원자력에 의한 생산 연 3만톤) 수소연료전지 자동차 보급확대의 기반이 구축될 것이라고 분석했다.

  이는 2020년부터 수소의 수요가 급격히 증가해 수소경제로의 진입이 본격화될 것이라는 설명이다.

  이러한 차세대 무공해·저공해 에너지원의 실용화를 위한 핵심기술 중의 하나가 바로 에너지원을 보다 안전하고 효율적으로 저장하는 기술이다.

  고압기체 저장기술은 경량, 고강성, 고강도 복합소재의 압력용기에 고압으로 압축하여 저장하는 기술로서 현재 활발히 연구되고 있는 저장기술 중 실용화 가능성이 가장 높은 기술이다.

  이 기술이 특히 주목받는 이유는, 기존의 저장기술 중 중량 효율면에서 가장 월등하고, 시스템의 구성이 단순하기 때문에, 자동차 등 수송기기용의 탑재 시스템으로는 매우 효율적인 방법이기 때문이다.

  세계 각국의 환경정책과 맞물려 미래의 무공해·저공해 에너지원인 수소의 효율적인 저장 및 공급시스템 기술은 에너지원의 안정성 확보기술과 더불어 이용기술을 확보하는 측면에서 21세기 국가경쟁력 및 국가적인 에너지 수급체의 확보를 위하여 반드시 필요한 전략기술이다.

  수소저장 기술의 개발은 수소에너지의 활용을 위한 필수 요소기술이며 수소의 고밀도 저장이 수소활용의 매우 중요한 요건이라 볼 수 있다.

  수소의 저장방법의 선택은 연료용기의 저장형태, 충전시간, 경제성, 인프라 구축 이외의 간접적인 요인으로 에너지 효율, 자동차 연료 경제성, 성능, 유틸리티 등을 고려해서 이루어져야 한다.

  장래의 수소자동차 보급에 가장 큰 장애물 중의 하나가 마땅한 수소저장방법이 없다는 것인데, 현재 메탄올이나 가솔린 등을 개질하여 수소를 취하는 방법들이 수소저장방법이 확고히 확립될 경우 이러한 과정은 불필요하게 된다.

  이미 선진국의 자동차 업계는 이 기술을 적용한 연료전지자동차의 실용화를 목전에 두고 있다.

  기존의 가솔린 자동차에 준하는 주행거리를 갖기 위해서는 700Bar 수준의 초고압 기체수소 저장기술이 요구된다.

  현재로서는 경량, 고강성의 탄소섬유를 적용한 복합재 압력용기가 이를 위한 유일한 해답으로 인정되고 있다.

  이미 천연가스 자동차의 압축천연가스(CNG) 저장용기로 200~250Bar급의 복합재 압력용기 및 연료공급 시스템이 상용화되어 널리 이용되고 있다.

  가솔린 동력자동차에 적용하기 위해서는 적어도 5kg의 수소를 탑재할 수 있고 가속시 1~3g/s의 수소공급속도가 가능한 저장기술이 필요하며, 수소저장 용량으로는 중량으로 16wt%, 부피로 0.24kg/ℓ가 되어야 한다.

  현재 이 목적에 적합한 기술로 수소를 600~700Bar (12wt%에 해당) 압력으로 압력강화 철강용기, 복합수지 알루미늄 고압용기, 카본·그라파이트 고압용기에 압축기체로 저장하는 기술이 개발되고 있으며, 용기의 경량화 및 고압화 기술과 공급시스템의 최적화 및 안전성 확보에 대한 기술개발이 전략적으로 이루어지고 있다.

  국외의 압축기체 수소저장용 고압용기로는 철강용기, 금속, 플라스틱 라이너에 섬유로 보강된 FRP용기로 만든 복합재료를 사용하고 있다.

  가스저장용이나 충전소 저장용과 같은 정치형에는 철강용이 지속적으로 사용될 것으로 전망하고 있다.

  차량 탑재용과 같은 이동형 연료용기에 대해서는 연비와 주행거리 향상을 위해 경량화한 재료개발과 차량탑재의 융통성을 위해 철강용기보다 물성이 훨씬 우수한 섬유로 보강된 FRP 용기가 사용되고 있다.

  대부분의 회사들은 알루미늄·철강 라이너에 섬유로 감은 복합재료 고압용기 개발에 심혈을 기울이고 있으며, 압력은 3,000~3,600psi에서 사용되고 있다.

  전 세계적인 압축수소저장용 고압용기 개발의 최종목표는 700bar를 견디는, 용기무게가 110kg(용기무게 당 수소저장 부피 : 0.70㎥/kg에 해당)이 되는 재료개발에 있으며 이와 더불어 부속적인 연료공급시스템도 개발목표로 하고 있다.

  국내의 경우, 정치형 철강 고압용기는 오래 전부터 사용되고 있으며 주로 실험용이나 특수용기로 활용할 목적으로 제작되어 왔다.

  자동차용 연료용기는 고압용기로서 경량화를 달성하기 위해서 복합재료용기 개발이 1992년부터 1994년까지 한국가스공사와 한국화이바가 공동으로 천연가스 자동차용으로 알루미늄 라이너에 유리섬유로 보강한 고압용기를 40ℓ와 트럭, 버스용 80ℓ를 개발·완료하였다.

  그 이외 한국기계연구원에서 G7과제 개발사업의 일환으로 ‘경량, 고압용기개발’을 1994년 말 연구개발을 수행하였다. 최근에는 자동차 탑재용 연료전지의 수소저장용기로 현대자동차를 중심으로 활발히 개발되고 있다.