1970년대 오일쇼크에 의해 화석연료 고갈의 위험성이 알려지면서 선진국을 중심으로 대체연료 개발의 필요성이 대두되기 시작됐다.
1992년 채택된 UN 기후변화협약 (UNFCC) 이후 지구 온난화 가스 (global warming gases)로 알려진 CO2에 대한 규제가 본격화되면서 환경문제의 해결방안으로 대체에너지 기술 개발이 관심을 받게 되었다.
특히 수소에너지(hydrogen energy)는 우주에서 가장 흔한 에너지원으로 지구 표면물질의 약 70%를 차지하고 단위 질량당 에너지양이 가솔린의 약 4배에 해당하는 무공해 에너지이기 때문에 우주항공, 잠수함 및 수소 자동차 등 다양한 수요를 창출할 수 있을 것으로 보고된 바 있다.
이런 수소 중심의 경제사회가 되기 위해서는 수소제조, 분리정제, 저장기술, 연료전지, 연료전지 자동차 및 내연기관 등의 다양한 연구기술의 발전이 수반되어야 하기 때문에 수소 경제(hydrogen economy) 사회에 미치는 파급 효과는 매우 크다. 현재까지 수소는 정밀화학, 전자산업, 반도체, 석유화학 공정은 물론 암모니아 생산공정 등에 주로 사용되었다.
최근에는 수소 이용 기술로서 연료전지 자동차(fuel cell powered vehicles) 및 전기를 생산하는 연료전지(fuelcell) 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 지구 환경 및 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있는 분산형 전원 및 수송용 연료전지의 보급을 상용화하기 위해서는 수소를 공급할 수 있는 인프라의 구축이 가장 중요한 선결 요소라고 할 수 있다.
일본의 고이즈미 총리는 2002년 의회연설을 통해 연료전지는 수소 사회(hydrogen society)의 문을 여는 열쇠이며, 향후 3년내 자동차 및 가정용 연료전지를 실용화하겠다는 의지를 표명하였다.
미국의 부시 대통령은 2003년 국정연설에서 향후 5년간 연료전지 및 연료전지 자동차 분야에서 세계를 리드할 수 있는 핵심 기술을 개발하겠다고 발표한 이후 수소 연료전지 분야는 무한 경쟁시대가 시작 되었다. 그 외에 독일, 스페인, 아이슬란드, 캐나다 등 전 세계적으로 수소에너지 시스템을 개발하기 위한 정부 주도의 다양한 프로그램이 경쟁적으로 진행되면서 수소경제사회로의 진입이 가시화 되고 있다.
수소 스테이션 (hydrogen station)은 연료전지 자동차와 수소 내연기관의 상용화를 위한 인프라 기술로서 연료전지 및 수소 자동차에 수소를 공급하는 수소 충전소이다. 수소 스테이션은 액체 수소 및 기체 수소를 공장(off-site)에서 제조하여 차량에 의해 운반한 후 연료전지 자동차에 공급하는 방식과 현지(on-site)에서 직접 수소를 제조하여 차량에 수소를 공급하는 방식으로 구분할 수 있다.
On-site 방식에 의한 수소 스테이션은 수소의 생산 방식에 따라 물의 전기분해(water electrolysis)와 화석 연료의 개질(reforming)법으로 분류할 수 있다.
궁극적으로 수소 경제 시대가 도래 하게 되면 재생 가능 에너지 (renewable energy)원에 의하여 수소를 제조하고 파이프 라인(pipe line)에 의하여 수소를 공급하는 단계로 전이될 것으로 예상된다.
그러나 수소 경제로 진입하기 위한 중간 단계로서 on-site에서 수소를 생산하여 연료전지 자동차에 수소를 공급하는 방식과 압축수소 및 액체 수소를 운송하여 연료전지 자동차에 공급하는 수소 스테이션들이 선진국을 중심으로 70여 곳에 설치되어 운영되고 있다.
이러한 수소 스테이션에서는 수소 제조, 분리, 저장, 운송 및 안정성 등에 대한 실증 실험과 경제성 분석이 진행되고 있다. 이를 통하여 앞으로 다가올 연료전지 자동차의 상용화 및 수소 경제사회의 도래를 위한 인프라 구축의 차원에서 수소 스테이션의 기술 개발은 큰 의미가 있다.
수소 스테이션의 국내외 개발동향
수소 스테이션의 개발에 관한 연구는 미국, 캐나다, 일본 및 유럽 등의 선진국을 중심으로 활발히 진행 중에 있다. 미국에서는 물의 전기분해를 이용해 수소를 제조하여 공급하는 방식과 화석연료의 개질에 의해 제조된 액화수소를 공급하는 방식이 사용되고 있으며, 향후에는 바이오메스(biomass)나 광촉매가 수소제조에 사용될 전망이다.
일본에서는 각종 화석연료의 개질법에 의해 수소를 제조하고 있으며, 유럽에서는 태양열, 풍력 및 지열과 같은 대체에너지를 이용한 물의 전기분해법이 주로 사용되고 있다.
현재 전 세계적으로 70여개의 수소 스테이션이 운영 중에 있으며 앞으로 그 수요는 급속도로 증가 할 전망이다. 국내외에서 진행 중인 수소 스테이션의 연구개발 프로그램과 실증실험에 대한 현황은 표 1에 정리하였다.
미국은 수소 에너지 시스템의 구축을 위한 정부 프로그램으로 Freedom CAR & Vehicle Technology Program과 Hydrogen, Feul Cell & Infrastructure Program이 DOE의 주도아래 진행 중에 있다.
2015년까지 수소 연료전지 자동차의 상업화 개시 그리고 2025년 수소경제사회의 실현을 최종 목표로, 1단계(2000~2004)에서는 수소 자동차의 실 주행 실험과 수소 스테이션의 실증실험을 진행하였으며, 2단계(2004~2008)에서는 정부와 군 위주의 차량에 시범운용을 목표로 차량 500대 규모의 수소 스테이션을 도입할 예정이다.
3단계(2008~2012)에서는 상용화 여부 판단실험과 수요자 편의를 위한 규모의 수소 스테이션 도입을 목표로 2012년 까지 수소 자동차 5000대를 공급할 수 있는 수소 스테이션을 도입하여 수요자의 이용 편이성을 도모 할 계획이다.
2012년 이후에는 수소 자동차의 대량 생산을 위한 생산 시설, 판매망 구축 및 사후 관리를 위한 설비 투자 사업을 진행하여 전체 수소 공급량의 25~50% 수준의 정부지원 사업을 계획하고 있다.
미국 정부의 수소 프로그램에 대한 특징은 각 단계별 목표치로 출력당 단가, 온실가스 배출량, 수소 자동차 수명을 명확히 제시하고 목표에 대한 달성 여부에 따라 장기 과제의 방향을 개선해 나가고자 하는 연구개발을 추진하고 있다.
미국의 수소 스테이션은 자동차 회사 중심으로 구성된 켈리포니아 연료전지 파트너쉽(California Fuel Cell Partnership, CaFCP)을 통하여 물의 전기분해에 의해 수소를 제조하는 방식을 중심으로 캘리포니아 주에 주로 건설되고 있다.
특히 캘리포니아의 수소 Highway 계획에 따르면 2010년까지 200개의 수소 스테이션을 건설하는 계획을 가지고 있으며, 최근에는 전국적으로 확산되고 있는 추세이다.
캐나다는 연료전지 자동차의 수소연료 인프라를 개발하는 것을 목적으로 캐나다 수송 연료전지 협력프로그램 (Canadian Transportation Fuel Cell Alliance, CFTCA)을 통하여 신에너지 개발을 적극 추진하고 있으며 2003년부터 연료의 재충전기술에 대한 시범 구현과 상업화를 위한 연료전지 자동차의 기술 프로젝트 사업을 추진 중에 있다. 특히 토론토를 중심으로 6개의 수소 스테이션이 건설되었으며, 주로 물의 전기분해에 의한 수소제조 방식을 채택하고 있다.
유럽의 수소 스테이션
유럽에서는 유럽수소 및 연료전지 자문위원회(European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform, HFP)를 중심으로 수소 및 연료전지 연구에 대한 파트너쉽을 구축하여 수소경제 사회에 대비한 수소 인프라 구축 프로그램이 활발히 진행 중에 있다.
또한 CUTE(Clean Urban Transport for Europe) 프로그램을 통하여 유럽 9개 도시에 30대의 연료전지 자동차를 시범 운행하고 있으며 2003년 5월 스페인 마드리드에서 첫 번째 연료전지 버스의 운행이 개시되었다. 아이슬란드는 ECTOS(Ecological City Transport System) 프로그램을 통하여 외국의 자본과 기술을 이용하여 ‘수소사회 모델’을 구축 할 계획에 따라 아이스란드 수도 레이캬비크에서 2003년 9월에 연료전지 자동차를 운행을 개시하였다.
독일은 EU 내에서 가장 활발한 수소 프로그램을 진행하고 있으며 EIHP (European Integrated Hydrogen Project) 와 TES(Transport Energy Strategy) 프로그램을 운용하고 있다.
상기의 프로그램에는 연방정부, 지방정부 그리고 산업체가 공동 참여하고 있으며, 자연 에너지로부터 수소를 생산하고 이를 효율적으로 이용하는 순환형 사회를 구축하는데 목적이 있다.
EIPH 프로그램(1998~2004)에서는 수소자동차의 안전성 향상, EU 자동차 법규 조사 그리고 수소 자동차 승인 촉진을 위한 기반연구를 수행하였으며, 수소 자동차(ICE & FCV)의 대량 보급을 위하여 수소 스테이션, 수소 자동차, 수소 분배기 (dispenser)와 관련된 안전법규 제정, 표준화 및 코드 확립을 위한 연구가 진행된 바 있다.
TES 프로그램은 기본적으로 화석연료의 의존도를 감소시키고 대체에너지에 의한 동력 시스템을 구축하는 국제적인 리더쉽을 발휘하기 위하여 2005~2007년까지 30개소의 수소 스테이션을 설치하고, 2010년까지는 물의 전기분해에 의한 수소 스테이션을 300개소 구축하며, 2010~2015년까지 파이프 라인에 의한 수소 공급 인프라를 확립하는 것을 목표로 CEP (Clean Energy Partnership Berlin)가 연구를 선도하고 있다.
또한 독일에는 지역 정부 차원의 개별 실증 프로젝트가 활발히 진행되어 왔으며 수소 내연기관 자동차 및 연료전지 자동차를 주 대상으로 수전해에 의한 수소 스테이션을 개발하는데 목적이 있다.
대표적인 개별 실증 프로젝트로는 Bavaria 시의 액상수소 이용 내연기관 버스 프로그램(1996∼1998년), 뮌헨공항 수소버스-수소 스테이션 연계 프로그램(1999∼), 함부르크 압축수소 VAN(내연기관, 연료전지) 프로그램(1999∼2002) 및 Euro-Quebec Hydro-Hydrogen 프로그램(1989∼2000) 등이 있다.
일본의 수소 스테이션
일본은 수소 에너지 시스템 구축을 통하여 국가 에너지 안전 확보, 산업 경쟁력 강화, 신규사업 및 고용창출이 가능한 현 산업구도 및 생활양식을 혁신적으로 변화시킬 수 있는 재부흥의 돌파구를 기대하고 있다.
특히 수소 이용 기술로서 연료전지 자동차 및 정지형 연료전지의 조속한 시장진입을 목표로 보급기반 정비, 실증 테스트 및 인프라 구축에 역점을 두고 있다.
이미 WE-NET(World Energy Network) 프로그램의 일환으로 Osaka에 LNG의 스팀 개질에 의한 수소 스테이션을 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization) 주관으로 운영 중에 있다. WE-NET의 후속 프로그램으로 NEDO 주관으로 수소안전 이용 등 기반기술을 개발하는 New H2 Project(2003~2007년)에서는 수소 연료전지 자동차를 2005년까지 시장에 진입시키기 위한 기반확충을 목적으로 수소 사용시 규제, 코드 및 표준 확립을 위한 안전성을 평가하고 수소 인프라와 관련된 압축기, 700기압용 수소 실린더 및 마이크로 연료전지 등에 관한 개발 연구가 진행될 예정이다.
현재 일본에 설치 중인 수소 스테이션은 JHFC (Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Program) Project (2002~2004년)의 일환으로 METI (NEDO) 산하의 133개의 회원사로 구성된 FCCJ(Fuel Cell Commercialization Conference of Japan)와 JEVA(Japan Electric Vehicle Association)가 참여하여 연료전지 자동차 및 이의 인프라 구축을 위한 수소 스테이션 실증용 프로젝트가 진행 중에 있다.
연료전지 자동차의 경우 JEVA가 주관하며 GM, Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, Nissan의 5개 자동차 회사와 JARI(Japan Automoile Research Institute)가 참여하고 있다.
수소 스테이션 실증에는 ENAA(Engineering Advancement Association)가 주관하며 Cosmo Oil, Nippon Oil, Iwatani, Showa Shell Sekiku, Tokyo Gas, Nippon Sanso, Air Liquide Japan 그리고 Nippon Steel이 참여하고 있으며 동경 및 요코하마 등에 14개의 실증용 수소 스테이션이 건설 완료 또는 건설 중에 있다.
수소 스테이션의 실증 실험을 통하여 얻어진 자료는 연료전지 자동차의 운영을 위한 기반 구축, 에너지 절감 효과, 수소 스테이션의 안정성 검증 및 경제성 검토를 위한 기초 자료로 사용되고 있다.
상기의 수소 스테이션 중에서 Yokahama-Daikoku, Yokohama-Asahi, Tokyo-Senju 및 Kawasaki에 설치된 수소 스테이션은 각각 가솔린, 나프타, LPG 및 메탄올의 스팀개질 반응에 의해 수소가 제조되고 또한 Tokyo-Ariake에 설치된 수소 스테이션에는 COG(coke oven gas)의 분리 정제에 의해 제조된 액체수소가 사용되고 있으며, 수소 생산규모 및 순도는 각각 30Nm3/hr와 99.99%이다.
우리나라의 수소 스테이션
국내에서 고순도 수소 제조를 위한 연료전지용 연료 개질기(fuel processor) 개발은 정부 출연연구소, 대학 및 기업체를 중심으로 개질 촉매, 개질기 설계 및 개질 시스템에 대한 기초 연구가 주로 수행되었다.
최근에 수소 스테이션을 위한 요소기술 개발과 실증사업에 관한 연구가 시작되었지만 탈황, 수소제조 및 분리정제에 대한 기술은 선진국에 비해 미미한 상황이다. 특히 수소의 가압, 고압 수소의 저장 및 분배 기술은 전무한 상황이며 선진국과의 기술적 격차는 매우 크다고 할 수 있다.
한국에너지기술연구원은 1999년부터 가정용 연료전지 시스템 개발의 일환으로 천연가스를 이용하는 5kW급의 수소 제조장치 개발에 대한 연구를 수행하였으며 현재 3Nm3/hr급과 20Nm3/hr급 수소 제조장치 시스템의 기술개발을 진행 중에 있다.
한국가스공사는 2000년부터 천연가스의 고부가 가치화의 일환으로 천연가스의 개질 반응에 의한 5 Nm3/hr급 소형 수소 제조장치 개발을 완료하였으며, 현재 20 Nm3/hr급 수소 스테이션용 고효율 수소 제조 장치를 개발 중에 있다.
이외에도 LG 중앙 연구소는 일본에서 50 Nm3/hr급 개질기를 도입하여 운전 데이터를 이미 확보한 상태이며, GSFuelcell은 1.5~3 kW급의 소형 가정용 연료전지 시스템을 위한 수소 제조 장치를 개발 중에 있으며, 삼성 종합연구소에서도 가전제품에 적용이 가능한 PEMFC와 개질기 개발에 대한 연구를 수행 중에 있다.
한국과학기술연구원은 1999년부터 KIST 기관 고유사업의 일환으로 연료전지 자동차용 다연료 프로세서 (multi-fuel processor)개발에 관한 연구를 수행하여 LNG, LPG, 가솔린 및 메탄올을 원료로 사용하는 PEMFC용 kW급 연료 개질기를 개발했다.
특히 저압차 촉매를 제조하기 위한 washcoating법, Ni계 가솔린 개질용 ATR 촉매, Pt-Ni/CeO2계 WGS 촉매, 전이금속 탄화물(transition metal carbide, TMC)계 WGS 촉매 및 수소정제용 PROX 촉매 개발에 관한 연구결과를 발표하였다.
가솔린의 개질 반응, 고온 수성가스 전환(high temperature water gas shift, HTS) 반응, 저온 수성가스 전환(low temperature water gas shift, LTS)반응 및 선택적 산화반응(preferential partial oxidation, PROX)으로 구성된 가솔린 연료개질기(gasoline fuel processor)를 개발하였으며, 소형 methanol 연료개질기(micro fuel processor)의 개발에 관한 연구를 수행 중에 있다.
또한 LNG를 원료로 사용하는 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC)용 5 Nm3/hr 용량의 개질기를 개발하였으며, 25 Nm3/hr 용량의 개질기를 개발 중에 있다.
최근에 미국, 일본 및 유럽 등의 선진국에서 수소경제 사회로의 진입을 위한 국가 비전을 발표하면서 국내에서도 정부 주도의 수소에너지 시스템 개발을 위한 과기부의 수소제조, 저장 및 이용에 관한 프론티어 사업(2003~2012년)과 산자부의 수소 연료전지사업(2004~2009년)이 진행 중에 있다. 과기부의 프론티어 사업에서는 수소에너지 제조기술로서 20Nm3/hr급 천연가스 개질에 의한 수소제조 공급 시스템과 자연 에너지를 활용한 5 Nm3/hr급의 시스템 실증을 목표로 하고 있다. 또한 금속 수소화물, 나노 재료 및 화학 수소화물을 이용한 수소 저장기술 이 개발 중에 있으며, kW급 수소연소 동력/발전시스템, 수소 누출 센서 및 수소 안전에 관련된 수소 이용기술 연구가 진행 중에 있다.
산자부의 수소연료전지 사업단에서는 수소 스테이션의 국산화 기술, 자동차 구동용 80kw급 PEMFC 발전모듈, 자동차 보조전원(APU)용 고체산화물 연료전지(SOFC) 발전시스템, 휴대용 50W급 DMFC 시스템 등의 개발에 관한 프로젝트형 기술개발사업과 30Nm3/h 규모의 수소 스테이션 건설, 250kW급 용융탄산염 연료전지(MCFC) 발전 시스템 및 가정용 고분자 연료전지 시스템에 관한 실증연구 사업이 진행되고 있다.
특히 수소 스테이션의 국산화 기술 개발사업에는 30 Nm3/h 급 LPG 용 Reformer 및 수소 스테이션 시스템 개발을 목적으로 SK(주), 한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원, 한국화학연구원 및 여러 대학 등이 참여하고 있으며, 탈황, LPG의 스팀개질, 고성능 수성가스전환반응 및 고순도 수소분리를 위한 PSA공정 등의 핵심 요소기술을 개발하고 압축, 저장 및 분배 기술이 부가된 수소 스테이션 시스템을 개발하는 연구가 수행 중에 있다.
이밖에도 수소 스테이션의 건설 및 실증 연구를 위해 한국가스공사와 현대자동차는 공동연구를 통해 천연가스를 이용한 수소 스테이션을 2006년 상반기에 설치를 목표로 연구를 진행 중에 있다. GS칼텍스는 2006년 하반기까지 나프타를 이용한 수소 스테이션 설치를 목표로 실증연구를 수행 중에 있다.