서울 양재수소충전소 전경.
[투데이에너지 김창수 기자] 최근 정부의 수소전기차 보급 확대 기조 등 수소산업에 대한 관심이 뜨겁다. 수소산업이 성공적으로 안착하려면 규제 완화, 제조단가 인하 등과 함께 무엇보다 인프라 구축을 서둘러야 할 것으로 보인다. 수소충전소시설이 증가함에 따라 인프라 구축 비용의 상계도 기대해볼 수 있는 부분이다. 현재 전국에 15개의 수소충전소가 있으며 정부는 2022년까지 300개 이상의 충전소 건립을 목표로 한 상태다. 현재 진행 중인 수소산업 현황 및 선진국의 사례들을 살펴보고 안정적인 인프라 저변 확대를 위한 방안을 모색해 보고자 한다. / 편집자 주.
■ 수소전기차 세계 최초 양산
세계적으로 에너지자원의 감소 및 탄소배출량 저감에 대한 관심이 고조되고 있으며 수소전기차는 운송수단 방면에서 이를 해결하기 위한 좋은 대안이다.
지난 2013년 현대자동차에서 세계 최초로 투싼 ix 퓨어셀 양산을 개시했으며 2014년 토요타에서 미라이를, 2016년 혼다에서 크라리티 퓨어셀을 출시한 바 있다.
이미 수소전기차는 초기시장이 열린 상태이며 이의 본격화를 위한 수소충전 인프라 구축이 이슈가 되고 있다.
일본, 미국, 유럽 등은 수소충전소 인프라 확대에 지속적 투자를 진행하고 있는 상황이다.
우리나라도 이에 어느 정도 발맞춰 가고 있는 실정이다.
중국은 최근에 수소전기차 보급 및 수소충전소 인프라 구축에 매우 적극적이며 중국의 집중적 자본투자 성향을 고려하면 멀지 않은 시간 내 세계적 수준에 도달할 것으로 예상된다.
■ 낮은 부품 국산화율
수소전기차 확산을 위해서는 우선 수소충전소에 대한 이해가 필요하다.
수소충전소는 기본적으로 수소를 저장하는 수소저장 용기, 수소의 압력을 높이기 위한 압축기, 수소를 차에 충전하는 디스펜서로 구성돼 있다.
수소저장 용기는 400기압으로 수소를 저장하며 공급되는 수소의 압력이 낮을 경우엔 압축기를 사용해 압력을 높인다.
국내에서는 광신기계공업 등에서 수소충전소용 압축기를 개발한 바 있으나 아직 내구성 측면에서 Hofer와 같은 선진사의 제품에 비해 부족한 면이 있다.
최근 독일 Linde사에서는 콤팩트한 고효율 이오닉 압축기를 개발해 상용화한 바 있다.
보통 수소전기차에는 5~6kg의 수소를 충전하며 시간은 3~5분이 소요된다. 고압의 수소를 고속으로 주입하게 되면 발열이 일어나며 발생열을 제거하기 위해 냉각기가 필요하게 된다.
국내에 수소충전소 관련 설비를 전문으로 하는 회사는 효성, 광신기계공업, 이엠솔루션 등이 있으나 아직 수소충전소용 장비 및 부품의 국산화율은 낮은 편이다.
수소 디스펜서 또한 고가의 장비로써 현재는 Kraus와 같은 외국회사의 제품을 수입해 사용하고 있으며 그 외 밸브 등도 대부분 수입제품으로 사용하고 있다.
또한 고압의 수소를 고속으로 충전하기에 수소유량을 정밀하게 측정하는 것도 용이하지 않으며 이에 대한 연구가 한국가스안전공사 등에서 진행 중이다.
이처럼 수소충전소에 사용되는 대부분의 장비 및 부품을 해외에 의존하고 있으며 장래에 수소충전소가 본격적으로 보급될 것을 감안하면 장비와 부품의 국산화는 시급한 문제다.
■ 수소충전소 유형
수소충전소의 규모는 시간당 공급할 수 있는 수소의 양으로 표현되며 보통의 상업용 수소충전소는 300Nm³/h 정도의 수소공급 능력을 갖춘다.
수소 11Nm³/h 이 약 1kg이므로 한시간에 5~6대의 수소전기차를 충전할 수 있다.
수소의 저장방식에는 고압수소 저장과 액화수소 저장이 가장 대표적이며 현재는 고압수소 저장이 보편적으로 사용되고 있다.
수소충전소는 수소공급방식에 따라 세 가지로 나눠진다.
첫째는 수소를 외부에서 튜브트레일러 또는 수소배관을 통해 공급받는 off-site수소충전소이며 현재 가장 많이 구축돼 있다.
수소 공급원으로부터의 이송거리가 짧을 경우에 적합하며 통상적으로 300Nm³/h급의 off-site 수소충전소 1기 건설에는 부지비용 제외 30억원 정도가 필요하다.
둘째는 천연가스 또는 LPG 개질을 통해 수소를 자체 생산하는 개질형 on-site 수소충전소다.
수소 공급원으로부터의 이송거리가 장거리일 경우 선호되며 천연가스 또는 LPG의 공급이 용이해야 한다.
수소개질 및 정제설비가 추가되므로 300Nm³/h급을 1기 건설하는데 약 50억원이 든다.
마지막으로 물의 전기분해를 이용해 수소를 생산하는 수전해형 on-site 수소충전소가 있다.
이산화탄소 배출이 없고 전력만 공급 가능하면 운영이 가능한 장점이 있다.
아직은 전력비용의 부담이 크지만 장래에 신재생에너지발전 비중이 늘어나면 궁극적인 친환경 수소생산방식이 될 수 있다.
수소충전소는 또한 구성방식에 따라서도 세 가지로 구분된다.
첫째는 모든 장치가 방호된 건물이나 캐노피 아래에 설비돼 있는 일반 수소충전소이다.
둘째는 수소 카트리지를 제외한 모든 장치가 컨테이너 내에 수납돼 있는 형태인 패키지형 수소충전소이다.
주로 소용량으로 구축되며 수소충전소의 이동 설치가 용이하다.
세 번째는 대형트럭 등에 모든 장치가 설치돼 있는 이동형 수소충전소이며 수소충전소 보급 초창기에 효과적인 수소공급이 가능하다.
수소충전소에 공급되는 수소의 비용은 경제성에 큰 영향을 미치며 가급적이면 수소공급원으로부터의 운송거리가 짧은 것이 바람직하다.
운송비가 높을 경우엔 on-site형 수소충전소를 건설한 후 이로부터 주변의 작은 수소충전소에 수소를 공급하는 방안도 있다. 이를 mother-daughter 수소충전소라 하며 일본 오사카 등에서 실증이 진행된 바 있다.
그 외 수소충전소는 설치 형태에 따라 독립형, 복합형, 융합형으로 나눌 수 있다.
독립형은 수소충전소 단독으로 건설하는 것이며 부지의 선정 및 운영인력의 인건비 부담 등의 어려움이 있다.
이를 해결하기 위한 방안으로 기존의 주유소나 LPG·CNG충전소에 수소충전소를 추가로 설치하는 것이 융복합 수소충전소로 부지 확보가 용이하고 기존의 근무 인력을 활용하는 것이 가능하다.
기존의 부지에 물리적으로 수소충전소를 함께 건설한 것이 복합충전소다. 기존의 LPG나 CNG 충전소에 저장하고 있는 연료를 개질해 수소를 생산하는 설비를 구축한 수소충전소를 융합수소충전소라고 한다.
■ 수소충전소 인식 전환 급선무
현재 전국에 운영 중인 수소충전소는 15곳으로 이 중 일반인이 이용 가능한 충전소는 9곳이다.
수소전기차 상용화에 필수인 전용 충전소는 수천기가 설치된 전기차충전소에 비해 매우 모자란 실정인데 폭발위험이 있다는 잘못된 인식이 수소충전소 확산에 걸림돌이 되고 있다.
최근 정부는 준주거·상업지역에도 충전소 설치를 허용하고 3,000㎥ 초과 충전소도 도시계획시설 결정 없이 설치할 수 있도록 절차를 간소화하는 등 꽁꽁 묶여있던 규제가 풀리는 추세다.
이에 발맞춰 서울시는 2022년까지 수소전기차 3,000대 보급·충전소 6곳 건립을 추진하는 등 전국 지자체가 앞다퉈 수소차 보급계획을 발표하고 있다.
하지만 ‘수소는 폭발위험이 크다’는 인식 때문에 도심에 수소충전소를 설치하려 해도 주민 저항이 거세 외곽으로 밀려버리는 경우가 많다.
‘친환경 수소산업 특별시’를 선포하며 수소전기차 확대에 일찌감치 뛰어든 창원시만 하더라도 ‘왜 우리 동네에 위험시설이 들어오느냐’는 민원 때문에 창원테크노밸리, 한국전기연구원 등 접근성이 떨어지는 시 외곽에 충전소 2개를 설치했다.
창원시 교통물류과의 관계자는 “수소는 일반적 인식과 다르게 불을 붙인다고 터지는 게 아니라 압축·보관하는 과정에서 과다한 압력을 가해 터지는 것”이라며 “터지지 않게 압축·보관하는 게 핵심인데 우리나라는 이 부분에 있어 선진국보다 기술력이 뛰어나 폭발위험은 거의 없다고 보면 된다”라고 설명했다.
수소 자체는 가연성 가스가 맞지만 밀도가 낮고 가벼운 기체라 낮은 농도에서 다루면 오히려 석유 기반 연료보다 더 안정적일 수 있다는 것이다.
이 관계자는 또 “충전소 확충 문제는 정부나 지자체 지원, 법률 개정으로 어느 정도 해결할 수 있지만 ‘수소전기차 충전소는 동네 주유소나 다름없다’는 인식전환이 선행하지 않으면 도심지나 인구 밀집지에 설치가 불가능하다”라며 “정확한 정보 전달로 ‘수소전기차충전소는 폭발위험이 있다’는 잘못된 인식부터 바뀌는 게 급선무”라고 강조했다.
수소충전소의 안전성에 대한 의문은 항상 있어왔는데 이는 수소충전소 수가 늘지 않는 원인이기도 하다.
하지만 최근 수소충전소를 늘리고 있는 일본의 사례를 보면 2011년부터 2015년까지 수소충전소 관련 사고가 총 28건 발생했는데 대부분이 수소 누출사고였고 폭발사고는 단 한 건도 없었다.
■ 민·관 적극적인 부양책
지난해 6월 정부는 관계부처 합동으로 혁신성장 관계장관회의를 열고 ‘전기·수소차 보급 확산을 위한 정책방향’에 대해 밝혔다.
이 자리에서 논의된 수소전기차 충전소 인프라 확충 방안은 정부가 2022년까지 수소전기차 충전소 310개를 구축하며 주요 거점지역을 중심으로 정부와 지자체 및 민간에서 수소전기차 충전 인프라 구축 노력을 강화하는 것을 골자로 한다.
또한 설치비의 50%(1기당 최대 15억원)범위에서 충전소설치비를 지원하며 민간 수요를 견인하기 위해 고속도로 국도 주요 휴게소와 도심 거점지역에 집중 설치키로 했다.
승용차용 충전소는 부생수소를 원칙으로 하되 부생수소 공급이 어려운 지역에는 LPG 개질 형태의 융복합 충전소를 구축한다.
버스용 충전소는 기존 버스차고지에 CNG 개질 형태의 융복합 충전소 구축이 추진된다.
또한 충전소 운영을 위한 수소유통체계 지원을 위해 수소(부생수소 및 CNG·LPG·개질수소 등)를 대량 일괄구매하고 운송을 담당하는 전담기관을 신설해 수소가격 안정화를 추진키로 한 바 있다.
지난 3월 출범한 수소충전소 특수목적법인(SPC) ‘하이넷’은 2022년까지 정부의 목표 310개의 30% 이상인 100개의 수소충전소를 구축, 운영할 계획이라고 밝힌 바 있다.
또한 2028년까지 10년 동안 법인을 운영하며 수소충전소의 효율화 및 규제 제도 개선, 서비스향상 등을 추진할 방침이다.
특히 수소충전소 확산을 저해하는 각종 규제 발굴·개선 및 수소전기차 소유자들의 불편 완화를 위한 수소충전소 서비스 개선도 적극 추진할 계획이다.
이렇듯 민·관의 적극적인 부양책으로 현재 개수가 적어 이용이 쉽지 않은 수소충전소가 곧 대중적으로 보편화되고 활성화될 것으로 기대된다.
또한 충전소 수가 늘어나고 수소 생산 단가가 낮아지면 현재 1기당 30억원 수준인 충전소 건설 비용도 점진적으로 낮아져 비용 절감 효과도 높아질 것으로 보인다.
■ 초기 집중 투자···점진적 축소
이렇듯 전도유망한 미래 먹거리산업인 수소경제에 대한 정부의 지원책도 이어지고 있다.
국토교통부는 지난 3월 2019년 업무보고를 통해 수소경제를 새로운 미래가치를 창출할 ‘7대 혁신기술’ 중 하나로 선정하고 중점적으로 확산·구현하기로 한 바 있다.
먼저 수소 대중교통과 수소도시를 양대 플랫폼으로 수소경제 생태계를 완성한다.
안정적 수요가 있는 대중교통을 수소차로 전환해 수소전기차를 조기 양산하고 친환경 교통체계로 전환한다. 또한 올해 서울·부산 등에서 수소버스 35대 운행을 시작으로 2022년까지 2,000대를 도입키로 했다.
여기에 수소버스로의 전환 운영을 보조하고 면허기준 완화 등 혜택도 강화한다.
수소버스 충전·정비 기반시설을 갖춘 복합환승센터를 구축하고 고속도로와 행복도시(2021년 건립 세종 신청사 인근)·혁신도시 등 주요 거점에 수소충전소를 본격 확충해 나갈 계획이다.
더불어 신도시 등을 대상으로 ‘수소에너지 기반 시범도시’를 연내 3곳 내외로 선정해 마을·도시 단위의 수소에너지 생산-관리-이용 체계 구축의 실증에 나선다는 계획이다.
수소전기차 보급과 수소충전소 인프라 구축은 병행해서 진행돼야 하며 수소전기차는 양산을 통한 가격 저감 및 기술개발을 통한 내구성 향상이 중요하다.
수소충전소는 초기에는 가동률이 낮아 운영비를 감당할 수 없으며 이 단계를 극복해 수익이 발생하는 정상가동률에 도달하는 과정을 버틸 수 있도록 정부의 적절한 운영비 보조가 반드시 필요하다.
수소전기차와 수소충전소의 보급은 가동률을 고려해 균형을 맞추는 것이 중요하다.
고속도로 휴게소나 지자체 내 수소충전 인프라 구축 등 지리적 안배를 고려한 충전소 보급을 제외하면 수소전기차 보급량을 늘리는 데 주력하는 것이 바람직할 것으로 생각된다.
이 단계를 지나면 수소충전 수요에 따라 경제성을 고려해 적절한 장소에 수소충전소 구축이 자연스럽게 진행될 것이다.
수소전기차와 전기차가 각각 100만대 보급된 상황을 가정해 보면 수소전기차는 이미 시장이 형성되고 충분한 충전소도 구축돼 있으므로 시장이 자율적으로 성장하는 단계에 도달해 정부 지원이 거의 필요 없는 상황이 될 것이다.
전기차의 경우에는 전력소모로 인한 추가 전력 공급방안 확보, 충전소 설치를 위한 전력인프라 개선 등 지속적인 정부의 지원이 필요할 것으로 예상된다.
따라서 수소충전소의 경우는 수소전기차 보급과 함께 대폭적 지원을 하고 장기적으로는 지원을 축소하는 것이 바람직할 것으로 보인다.
수소전기차는 먼 미래의 기술이 아니라 현재 우리가 보유하고 있는 기술이며 국제적으로 경쟁력을 갖고 있다.
장기적으로 기술향상 및 양산을 통해 수소전기차의 가격은 5,000만원 이하로 낮아질 것이며 연료전지 스택 수명은 20년 이상이 될 것으로 전망한다.
수소전기차의 보급 촉진을 위해서는 수소충전소 인프라 구축이 반드시 필요하며 이를 위해서는 초기 단계에서 정부의 대폭적인 지원이 매우 중요할 것으로 보인다.
■ 해외 수소산업 부양 사례
미국, 일본을 포함한 전세계 수소산업 경쟁국들은 적극적인 인프라 구축 지원을 통해 산업 융성을 도모하고 있다.
미국: 미국은 H2USA 등을 중심으로 수소전기차 보급 및 수소충전소 구축을 지원하고 있다.
캘리포니아 주는 2050년까지 27%의 친환경차를 보급하고자 하며 수소충전소 구축에 2023년까지 2,000억원을 지원할 계획이다.
또한 수소충전소 설치비용의 70~90%를 지원하며 수소충전소 가동률이 70%에 도달할 때까지 운영비의 60~100%를 지원하고 있다.
수소충전소 구축·운영 전문회사인 First Element Fuel사는 캘리포니아에 33기의 상용 수소충전소를 운영하고 있으며 높은 가동률을 유지하고 있다.
일본: 일본은 지난 2014년 정부에서 수소사회 실현을 선언한 바 있다.
2020년까지 수소사회 진입을 목표로 하고 있으며 이를 위한 3단계 로드맵을 발표했다.
1단계는 2015~20년으로 수소 이용 대폭 확대, 2단계는 2020~30년으로 대규모 수소공급시스템 확립, 3단계는 2030~40년으로 CO₂ free 수소공급시스템 확립을 목표로 하고 있다.
1단계의 핵심은 수소전기차 및 수소충전소 구축이며 수소충전소 설치비의 50% 및 수소충전소 운영비의 50%를 국가가 지원하고 있다.
수소충전소 보급을 위해 일본 내의 에너지회사, 자동차회사, 플랜트 엔지니어링회사, 수소 스테이션 운영회사 등이 HySUT를 발족시켜 공동으로 활동하고 있다.
특히 2020년 도쿄올림픽까지 수소충전소 35기, 수소전기차 6,000대, 수소전기버스 100대 이상을 보급하고자 하며 또한 선수촌의 전력을 연료전지로 공급할 예정이다.
유럽: 유럽은 FCH JU(Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking)을 중심으로 수소전기차 및 수소충전소 보급이 진행 중이다.
그 중 독일이 가장 적극적으로 수소충전소 설치비 및 운영비를 각각 50% 지원하고 있다. 또한 현재 약 60여개의 소매 수소충전소를 운영 중이다.
유럽 각국은 H2Mobility(독일), UK H2Mobility(영국), H2Mobility France(프랑스) 등을 구성해 수소충전소를 보급하고 있으며 범유럽 차원에서는 H2ME(Mobility Europe)를 구성해 유럽 전체를 연결하는 수소충전소 네트워크를 구축하고 있다.
지난 2017년부터는 JIVE(Joint Initiative for hydrogen Vehicles across Europe) 프로젝트를 통해 유럽 5개국 9개 도시를 연결하는 수소전기버스 실증을 시작했다.
중국: 중국 정부는 2015년 4월 ‘2016-2020년 신에너지차량확대보급사용’ 관련 발표를 통해 전기차, 플러그인하이브리드차는 단계적으로 보조금을 축소하는 반면 수소전기차에 대한 보조금은 유지하는 계획을 밝혔다.
2020년까지 수소전기차는 20만위안, 수소전기 미니버스·트럭은 30만위안, 수소전기버스는 50만위안의 보조금을 지급할 예정이며 수소충전소 설치비의 60%를 지원하고 있다.
지난 2016년부터 수소전기차의 판매를 개시했으며 중국 내 6개 자동차회사가 수소전기차 실증을 진행 중이다.