그러나 많은 관심에도 불구하고 관련산업은 여전히 미약하다. 몇 가지 이유가 있겠지만 검증된 데이터가 부족하다보니 기업들이 투자에 확신을 갖지 못하고 있다. 또 관련기술이 타 에너지기술과 비교해 탁월한 경제성을 확보하지 못한 것도 한 요인이다.
■미국·일본 사례로 본 수소연료전지
미래 에너지신산업으로서 수소연료전지는 규모의 경제를 실현한 다른 기존 경쟁기술에 비해 경제성이 떨어질 수밖에 없다.
우리가 경제성이 떨어진다는 말을 막연하게 사용하고 있지만 실제 초기 설치비용에서부터 운영비용을 포함해 전체 수명주기에 걸친 경제성 분석자료는 거의 찾아보기 어려운 것이 현실이다.
다행히 지난 15년 이상 분산발전용 연료전지를 보급해 온 미국 캘리포니아 주가 분산전원에 대한 경제성 분석 보고서를 지난해 10월 발간했다.
캘리포니아 주는 2000년과 2001년 두차례에 걸친 전력 위기를 계기로 자가발전 분산전원 인센티브 프로그램(SGIP:self -generation incentive program)을 시행해 오고 있다. 초기에는 자가발전을 기반으로 피크 부하를 감소시키는 데 주력했지만 최근에는 온실가스 감축 지표를 바탕으로 프로그램의 목적이 보다 포괄적으로 이동하고 있다.
SGIP 경제성 분석 보고서는 연료전지를 직접적으로 운영하는 사용자, 이를 그리드에 연계해 운영하는 발전사, 그리고 일반 시민의 입장에서 보는 사회적 편익과 비용을 분석함으로써 연료전지의 경제성을 입체적으로 제시하고 있다.
사용자 입장에서 비용 대비 편익비는 세액공제와 인센티브에 의해 충분히 보상되고 있어 연료전지는 ‘1’에 근접한 값을 보이고 있다. 그러나 공적인 자금을 사용하는 프로그램의 특성상 사회적 편익과 비용을 포함하는 경제성 분석이 훨씬 중요하고 우리에게 시사하는 바도 크다고 판단된다.
현재 SGIP 예산의 대부분은 연료전지와 전기저장 두 분야에서 사용되고 있다. 두 분야 모두 비용 대비 편익비는 대체로 ‘0.7’ 수준에 머물고 있고 가장 높은 값은 온사이트(On-Site) 바이오 가스 기반의 연료전지로 약 ‘0.9’를 기록하고 있다. 반면 다른 기존 경쟁기술들은 모두 ‘1’ 이상의 편익비를 보여 사회적 편익에 더 큰 기여를 하고 있는 것으로 나타났다.
경제성 분석에서 연료전지 관련 산학연이 모두 주목해야 할 대목은 기존 경쟁기술 대비 시스템 초기 가격과 유지 보수비용이 거의 2배라는 사실이다. 물론 동일 용량 기준으로 내연기관이나 마이크로 터빈과 비교시 연료비는 30%에서 55%까지 저감할 수 있는 장점을 지니고 있다. 그러나 연료비 저감 효과를 바탕으로 확고한 경제성 우위를 점하기 위해서는 초기 설치비용과 유지 보수비용 저감을 위한 노력이 경주돼야 할 것이다.
지금까지의 학습곡선을 바탕으로 설치용량이 두 배가 될 때 마다 가격은 15% 가량 내려갈 것으로 예상된다. 결국 글로벌 보급량 전망을 기준으로 15%의 학습률을 적용하면 기존 경쟁기술의 시스템 가격과 거의 동일한 수준에 도달하는 시점은 2025년 이후가 될 것으로 전망된다.
캘리포니아 주의 SGIP 자료가 주로 상업용 중대형 연료전지시장에 적용할 수 있는 반면 일본의 에너팜 제도는 가정·건물용 소형 연료전지시장을 살펴보는 데 도움이 된다.
에너팜제도의 연료전지 학습률도 SGIP와 거의 비슷한 수준이지만 약간 높은 편이다. 이를 풀어 설명하면 15만대 이상 보급했음에도 다른 유형·용량의 연료전지기술과 시스템에 비해 가격저감 속도가 빠르지 않다는 것을 의미한다.
다만 연료별 누적 보급대수 통계를 기준으로 연평균 성장률을 계산해보면 2009년에서 2014년까지 6년간 약 47%의 높은 성장률을 기록하고 있다.
가격 저감 효과가 차별화되지 않는 가운데 연평균 성장률이 높게 유지된 것은 연료전지시스템 업체 보다도 서플라이체인을 구성하는 협력사의 시장경쟁력을 강화하는 데 초점을 맞추고 있다고 추정할 수 있다.
현재의 에너팜 연료전지의 학습률을 바탕으로 시스템가격을 고려하면 2018년 달성할 것으로 예상했던 600만원 수준의 시스템가격은 2022년 이후 가능할 것으로 추정된다.
미국과 일본사례 모두 아주 가까운 시일 내 기존 경쟁기술과 자유롭게 경쟁할 수 있는 경제성을 확보하는 것은 어렵다는 것을 보여준다. 이러한 이유에서인지 최근 SGIP는 2018년까지 프로그램 기간을 연장하기로 결정했다. 에너팜 역시 2030년까지 500만대 이상 공급 목표를 달성하기 위해서는 기간 연장을 피할 수 없을 것으로 예상된다.
여기에서 한 가지 의문이 생긴다. 연료전지 발전에 대한 어떠한 기대 때문에 막대한 사회적 비용을 지불하면서도 연료전지 보급을 지속하는가이다.
연료전지 발전의 역할에 대해서는 유럽의 기후변화 대응 로드맵 (ECF 로드맵) 보고서가 좋은 참고가 될 것으로 보인다. 유럽의회에 제출된 이 보고서에 의하면 재생에너지를 위주로 한 에너지원의 다양화는 피할 수 없는 추세가 될 것으로 예상하면서 2050년까지 일어날 수 있는 발전, 수송, 건물, 산업분야에서의 온실가스 감축 시나리오를 다루고 있다.
유럽의 경우 재생에너지 비중이 평균 20%를 넘어서고 있고 90%에 달하는 국가도 있다. 특히 풍력과 태양광 중심으로 재생에너지 보급정책을 펼치고 있으면서 재생에너지 비중이 10~20%를 상회하는 국가에서는 재생에너지의 시간·계절별 변동 폭을 최소화하기 위한 그리드 유연성 확대를 가장 중요한 요소로 꼽고 있다. 우리에게도 익숙한 수요관리, 에너지저장, 백업발전기술 등이다.
다시 말하면 재생에너지 비중이 증가함에 따라 에너지저장 및 백업발전 설비의 확대는 피할 수 없다. 백업 설비 확대 방안을 강구하면서 전력외 열 수요에 대한 대응, 분산된 재생에너지 이용률 극대화를 위해 백업발전 설비 자체의 이용률을 최대로 끌어 올린다는 것이다. 이 과정에서 연료전지와 같이 시스템 용량에 관계 없이 높은 에너지효율을 얻을 수 있는 기술활용과 마이크로 열병합 발전 자원을 확대하는 것이 재생에너지 기반시스템 전체의 이용률을 극대화할 수 있다는 결론을 내리고 있다.
보고서는 최적의 에너지저장 설비와 열병합 발전 설비를 재생에너지와 결합하면 풍력과 태양광 기반의 재생에너지시스템의 이용률을 45%까지 증가시킬 수 있다고 추정하고 있다.
국내는 어떠한가? 원자력과 석탄 화력의 기저발전과 가스 화력의 첨두발전을 기반으로 그리드 안정성을 확보하고 있어 수소연료전지산업 발전을 기대하기 힘든 환경이다.
올 여름 폭염으로 피크부하가 증가하고 전 국민이 전기요금 폭탄에 대해 전전긍긍하는 어처구니없는 상황을 맞이하면서 구태의연한 에너지정책이 국민의 삶의 질을 얼마나 저하시키는지를 생생하게 경험했다. 국민 삶의 질을 희생하면서까지 산업을 보호할 수밖에 없는 우리의 처지를 안타깝다.
앞으로가 더 걱정이다. 송전선로는 이미 포화상태에 있고 신규 송전선로 구축은 사회적 반발로 사실상 불가능한 상태에서 과연 전력과 수소 인프라를 안정적으로 구축할 수 있을까 걱정이 앞선다.
IEA 예측에 의하면 세계적인 산업화와 수송분야 전기화에 의해 2035년에는 1990년 대비 3배의 발전량이 필요하다고 한다. 이미 언급한 송전 인프라 구축에 대한 사회적 저항과 전기차를 포함한 친환경차 보급 촉진으로 발전량 증가를 피할 수 없는 상황에서 친환경차의 친환경성은 전력생산방식에 좌우될 수밖에 없다.
수소차의 경우에도 탄소 발자국은 1차에너지 지배를 피할 수 없다. 단기적으로 수소생산 경로의 친환경성 여부가 보급 정책과 시장을 좌우할 것으로 예상된다.
■융합연료·그리드 유연성 부각
지난 8월24일 수소융합 얼라이언스라는 민관협의체가 발족됐다. 늦었지만 다행스러운 일이다. 전기차든 수소차든 자동차 자체가 문제가 아니라 이를 활용할 수 있는 충전인프라 즉, 국가 인프라의 문제이기 때문이다. 국가 인프라가 GDP 성장률에 미친 과거의 혁신사례를 살펴보면 수소융합 얼라이언스의 활동은 장기적이고 일관된 방향성과 전략성을 필요로 할 것이다.
예를 들어 증기기관은 1880년부터 1960년까지 약 80년 간 영국의 GDP 성장률을 약 0.5% 증가시켰다. 전기도 1899년부터 1929년까지 약 30년 동안 연평균 0.7% 성장률에 기여했다는 것이 맥켄지의 분석이다. 전력과 수소 인프라는 우리 세대만이 과실을 따먹는 것이 아니라 우리 손자 세대에도 그 과실을 기대할 수 있는 매우 중요한 투자라고 생각해야 한다.
선진국의 분석보고서를 살펴보면 수소충전인프라와 관련된 이해당사자는 크게 수소생산, 수소충전소, 수소자동차로 나눠 볼 수 있다. 그러나 수소융합 얼라이언스 발표자료에서는 2020년까지의 계획은 담고 있지만 장기적인 비전과 신뢰할 로드맵은 찾아볼 수 없다. 또 제조업체는 포함되었으나 운영주체에 대한 구체적인 언급이 없어 향후 협의 과정에서의 진통을 예상할 수 있게 한다.
보급 차량대수가 적은 초기 단계에서 수소충전소의 이용률은 극히 낮을 수 밖에 없기 때문에 수소충전소 운영 주체는 재정적으로 가장 높은 위험에 노출될 수 밖에 없다. 가장 심한 경우 중앙정부나 지방자치단체의 장기적인 정책적 지원이 없다면 정책 강도의 편차에 따라 얼라이언스의 지속성까지 위협받을 수 있어 우려된다.
수소차와 관련해 최근 보도되는 기사를 보면 한일간 경쟁이 주로 다뤄지고 있지만 지난 6월 벤츠와 닛산이 발표한 친환경차 개발 계획은 주목을 끌기에 충분했다. 6월13일 발표된 벤츠의 계획은 플러그인 자동차에 연료전지를 추가한 연료전지 플러그인 SUV를 2019년 시장에 선보이겠다는 것이다. 그리고 다음 날 닛산은 순수 전기차에 바이오에탄올 기반의 고체산화물연료전지를 융합해 2020년까지 주행거리 800km의 친환경차를 시장에 도입하겠다고 발표했다.
두 글로벌 자동차업체의 발표는 다분히 전기충전과 수소충전인프라에 대한 회의적인 시각이 담겨있다고 판단된다. 수송분야의 환경 및 연비규제에 대한 대응책으로 마련한 고육지책이겠지만, 지금까지 전기차와 수소차로 인식되어온 친환경차 개념을 최종 수요자인 고객을 중심으로 한 단계 진화한 것으로 핵심요소기술 수준을 분석해 연료 다변화 전략에 참고할 필요가 있다. 즉 수송분야에서 전통적으로 사용 중인 화석연료, 새롭게 등장한 바이오연료, 수소연료, 그리고 전기라는 수송연료를 인프라구축 비용과 기간, 고객의 니즈를 반영해 다양한 융합 연료로 전환이 이뤄질 수 있음을 의미한다.
항상 연료 다변화의 중심에 전력분야가 언급돼 왔지만 오로지 석유를 기반으로 하는 수송 분야의 연료 다변화야말로 에너지안보의 가장 중요한 발판을 제공할 것이라고 믿는다.
연료전지는 수백 W급의 초소형에서 수 MW급의 대형에 이르기까지 설비용량에 따른 발전효율의 변화가 거의 없다. 발전용은 물론 수송용연료전지 모두 소비자가 필요로 하는 곳에 필요한 전력을 공급할 수 있는 온사이트 발전이 가능하다.
캘리포니아 SGIP 제도나 일본의 에너팜 제도가 연료전지 보급을 촉진하는 이유는 바로 높은 효율의 온사이트 발전을 통해 송배전 손실을 회피하면서 피크 부하를 조절하고 온실가스를 감축할 수 있다는 사실이다.
올해 폭염으로 냉방 수요가 급증하면서 연일 피크부하를 경신한 바 있다. 도시화가 급속하게 진행되면서 전력 그리드에 대한 관점이 적정 발전량을 유지할 수 있는 그리드 적정성(adequacy)에서 유연성(flexibility)으로 옮겨지고 있다.
지난 여름 피크 부하가 증가할 때 원전 1기가 문제돼 전력 공급량이 깔닥고개를 넘어가고 있다는 보도를 접했다. 그리드 적정성을 기반으로 하는 논리에 고착되어 있기 때문에 나오는 인식이다. 만약 우리가 분산형 고효율 온사이트 발전설비가 충분하다면 국가적으로도 가장 효율적인 그리드 유연성을 발휘할 수 있다.
일본 에너팜 제도가 지향하는 바와 같이 2030년까지 계획대로 530만대의 연료전지 소형 열병합시스템을 보급한다면 일본의 전력 그리드는 지금까지 상상하지 못한 유연성을 발휘할 것으로 보인다. 에너팜 연료전지 보급정책은 그리드 유연성을 단지 피크부하에 대응하는 차원을 넘어 송배전 손실 없이 높은 에너지효율을 유지하면서도 설비 이용율을 최고 수준으로 유지할 것으로 예상된다.
이러한 일본의 움직임은 재생에너지 비중이 높은 유럽의 시도와 거의 일치하는 측면이 있다. 재생에너지의 변동성 때문에 백업전원 설비를 늘려야 하지만 최적의 기술과 백업전원 설비에 대한 심도 깊은 고찰이 이뤄지고 있다.
현재 가스터빈을 백업전원으로 많이 사용하나 장기적인 관점에서는 가스터빈 이용률이 아주 낮아질 것으로 예상된다. 다시 말해 작은 변동폭에도 대용량의 백업발전 설비를 가동해야 하는 경우가 발생하기 때문에 작은 용량의 설비를 많이 설치하는 것이 필요하고 그 설비가 열을 생산할 수 있다면 더욱 효과적일 것이라는 분석이다.
지금까지 우리는 그리드 안정성을 확보하기 위해 적정 설비용량을 갖추는 것으로만 정책이 추진됐지만 이제는 필요한 시점과 공간에 가장 효율적으로 공급할 수 있는 그리드 유연성 개념을 확대해야 할 것이다.
■수소연료전지 오해와 진실
끝으로 연료전지는 천연가스를 사용하기 때문에 친환경발전이 아니라는 일부의 질타를 받아왔다. 과연 그럴까?
2015년 발간한 SGIP 경제성 보고서에 의하면 대체로 kWh당 이산화탄소는 380g에서 490g, NOx는 0.005g을 배출한다. 원자력을 제외하면 우리나라 전력공급원인 석탄, 석유, 가스화력 발전의 이산화탄소 배출량 991, 782, 549g에 비해 훨씬 적은 양을 배출한다. 전력거래소 온실가스 배출계수인 kWh당 이산화탄소 460g과 비교해도 손색이 없다.
이뿐만 아니라 NOx 배출량은 전력거래소 발표치 4g에 비하면 거의 무시해도 좋은 값이다. 미세먼지 배출량도 가스발전의 2,500 분의 1에 지나지 않는 것으로 알려져 있다. 최고효율인 SOFC 연료전지를 기준으로 비교하면 전력 그리드 대비 이산화탄소 17%, NOx와 미세먼지 90% 이상을 줄일 수 있다.
일반적인 연소방식의 발전기술과는 달리 연료전지는 용량에 관계 없이 거의 동일한 성능을 제공할 수 있기에 가정용에서 산업용, 발전용으로 사용하더라도 효과는 그대로 유지될 수 있는 것이다.
현재 우리가 가진 우수한 가스망은 국가적인 자원이고 대규모 천연가스전 발굴과 셰일가스 개발로 당분간 가스 가격은 하향 안정화 추세가 이어져 천연가스를 활용한다는 것은 경제성 측면에서도 상당한 도움이 될 것으로 판단된다.
국내에서는 환경 영향과 사회적 비용을 고려하지 않고 가장 발전단가가 싼 에너지원을 우선적으로 가동하는 원칙을 고수해 왔다. 안전과 환경, 사회적 비용을 감안하면 이들 에너지원 발전단가는 거의 차이가 없다는 것이 정설이다. 이제 우리도 장기적인 안목에서 전력체계를 미래지향적으로 정비해 나가는 노력이 필요한 시점이라 하겠다.
연료전지 가격이 여전히 비싸다는 지적도 있다. kW당 가격을 태양광 모듈 가격과 비교해 보면 연료전지 현재 가격은 태양광 모듈의 2004년에서 2008년 수준이다.
다시 말해 태양광에 비해 기술과 산업 성숙도가 10여년 뒤쳐져 있는 것이다. 그러나 블룸버그의 태양광 모듈 학습곡선을 자세히 살펴보면 1976년 이래 학습률(누적 생산량이 두 배 증가할 때 가격 감소율)은 평균 15% 정도를 유지해 왔다. 이는 연료전지 학습률과 거의 동일한 수준이다.
다만 태양광 모듈 학습곡선에서 2008년부터 2013년까지 학습률을 계산하면 53.7%에 이른다. 태양광 모듈 가격 저감의 결정적인 시점이 바로 이 기간이다. 이 기간에 미국, 일본, 독일, 이태리, 스페인 그리고 중국에 이르기까지 세계 각국이 연쇄적으로 강력한 태양광 보급정책을 전개했고 태양광 산업은 공급과잉으로 몸살을 앓았다.
재생에너지의 확대는 에너지저장 장치와 백업전원 설비의 확충을 수반하기 때문에 재생에너지 비중이 임계값을 넘는 순간 수소연료전지의 잠재적인 가치는 그리드 유연성에 새로운 기준을 제공하면서 실현될 것이다.
보급정책 시장의 확대를 통해 연료전지 가격이 저감되겠지만 지금까지 효율과 신뢰성 향상에 초점을 맞춘 기술개발에서 제조기술혁신과 내구성 향상에 초점을 맞춰 간다면 경쟁기술에 비해 2배에 달하는 시스템 가격 저감효과는 물론 발전단가까지 끌어내릴 수 있을 것으로 기대된다.