<사진. 수소, 연료전지의 일본 국내시장 규모 예측
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

2040년에 화석연료를 대체: 수소 연료전지의 기술혁신

자동차로부터 전력까지 화석연료에 의존하는 일본 에너지가 큰 전환기를 맞이하고 있다. 새로운 청정에너지로서 수소의 용도가 넓어져, 이산화탄소 배출량의 삭감과 에너지 자급률의 향상을 한 번에 실현할 수 있는 가능성이 높아지고 있다. 제조~저장, 수송~이용면에서 국가가 대응을 추진하고 있다.

일본이 에너지 분야에서 안고 있는 중대한 문제점은 세 가지이다. 첫째, 에너지원인 석유, 석탄, 천연가스화 같은 화석연료를 거의 100% 수입에 의존하고 있다. 둘째, 원자력발전의 안전 신화가 무너져 화력발전의 증가로 이산화탄소 배출량이 증가하였다. 셋째, 전력의 대부분이 대규모 발전소에서 집중적으로 만들어지기 때문에 사고 및 재해에 의한 정전 위험이 있다는 점이다.

이러한 문제를 해결하는 방법으로서 재생가능 에너지에 기대하고 있지만, 정부의 방침이 분명하지 않은 점도 있어 유럽 및 미국과 같은 선진국 수준으로 보급하는 것은 예상하기 어렵다. 그래서 새로운 청정에너지로서 급부상하고 있는 것이 수소이다. 재생가능 에너지와 수소에너지를 조합시킨다면 일본이 안고 있는 여러 가지 문제를 개선할 수 있다.

정부는 “수소, 연료전지 전략 로드맵”을 발표하고 2040년을 목표로 이산화탄소 배출이 없는 수소공급시스템을 전국에 전개할 것이다. 일본은 수소, 연료전지 분야에서 세계 최첨단을 달리고 있다. 국가의 장기적인 성장전략으로서도 유망하다. 지금부터 수소에너지의 도입 확대를 위한 대응을 “제조”, “저장 및 수송”, “이용” 등 세 가지 영역에서 병행해 나간다. 제조 면에서는 화석연료 및 공장의 부생물로부터 수소를 제조하는 방법부터 시작하여 다음 단계에서는 태양광 및 풍력 등 재생가능 에너지로 만든 전력으로부터 수소를 제조하는 “power to gas”가 확대될 것이다.

전력의 최대 난점은 저장이 어렵다는 것이다. 대형 축전지를 사용하더라도 저장할 수 있는 전력량에는 한계가 있다. 재생가능 에너지로 대량의 전력을 만들더라도 수요를 상회한 분량은 거의 이용할 수 없는 상황이 된다. 이에 비해 수소는 천연가스와 동일하게 액화시켜 저장 및 수송할 수 있다. 재생가능 에너지에 의한 잉여전력을 사용하여 물을 전기분해하면 수소와 산소를 만들 수 있다. 수소는 액화하여 유조차 및 유조선으로 운반할 수 있기 때문에 수요가 큰 지역에 필요한 때에 공급할 수 있다.

현재 일반적인 수소 용도는 첫째 연료전지 자동차로, 도요타, 혼다, 닛산자동차가 시작품을 발표하고 있다. 도요타와 혼다는 2015년에 시판차량을 투입할 예정이다. 그리고 연료전지를 탑재한 버스 및 포크리프트의 실용화도 추진하고 있으며, 도쿄올림픽을 개최하는 2020년에는 주요 도시 및 공항 등에서 흔히 볼 수 있게 될 것이다. 또 하나의 용도는 가정에 널리 사용되고 있는 연료전지인 “에네팜”이다. 2014년 4월 시점에 누계 7만 6,000대의 에네팜이 전국의 가정에 설치되어 있다. 정부는 에너팜의 설치 대수를 2020년대에 140만 대, 2030년대에는 530만 대까지 확대시킨다는 목표를 세워 보조금 제도와 기술개발을 지원하고 있다.

연료전지 자동차 및 에네팜을 대량으로 보급시키기 위해서는 비용저감이 필요하다. 동시에 수소 제조비용도 저감시켜 용도를 확대시킨다. 비행기 및 배에서도 수소를 연료로 사용할 수 있도록 하며, 화력 및 원자력 대신에 “수소발전”이 미래의 에너지원으로서 유망하게 된다.

일본 에너지경제연구소의 계산에 의하면 2050년에 수소, 연료전지의 일본 국내시장은 8조 엔이 될 것으로 예상하였다. 2020년대까지 에네팜을 중심으로 한 정치용 연료전지가 시장의 반 이상을 차지하지만, 2030년대에는 연료전지 자동차가 확대된다. 그리고 2040년대에는 수소발전 및 수소공급 인프라 시장이 확대될 것이다. 정부가 제시한 수소, 연료전지 전략로드맵의 최종 목표는 “이산화탄소 회수 및 저장(CCS, Carbon dioxide capture and storage)” 기술과 재생가능 에너지를 조합시킨 “이산화탄소 무배출 수소공급시스템”을 확립하는 것이다. 그때까지 해결해야 할 기술적인 과제가 많이 남아 있다.

미래의 전원으로서 주목 받고 있는 수소발전을 보더라도 실용수준의 기술 개발은 지금부터이다. 우선 화력발전에 수소를 추가한 혼합연소발전에서 시작하여 수소의 혼합비율과 발전효율을 높이면서 최종적으로는 수소만으로 발전할 수 있는 전용 연소발전으로 전환시킬 필요가 있다. 한편 수소의 제조방법에는 지속적인 효율개선이 요구된다. 연료전지의 내구성 및 수소 스테이션의 안전대책에도 과제가 남아 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr