▲ 김영규 한국가스안전공사 수소안전연구팀 팀장
한국가스안전공사 가스안전연구개발원(원장 김지윤)은 올 8월부터 2009년 7월까지 3년 동안 ‘수소·연료전지 안전성 연구’를 가스안전연구개발원의 중점연구사업으로 진행할 예정이다. 본 사업은 산업자원부의 신재생에너지기술개발사업의 일환으로 ‘수소·연료전지사업단’의 2006년도 신규 과제로 선정된 사업이다. 앞으로 기술개발의 실용화를 지원하기 위한 안전기준을 개발하고, 보다 안전한 제품의 제조 및 이를 보급하기 위한 제품의 안전성 검사와 안전관리체계 확립 등 제도적인 법령체계를 정비하는 기초를 마련하게 된다.

1. 연구의 필요성

현재 대표적인 에너지원인 화석연료는 대기환경 오염과 자원의 고갈이라는 문제점으로 재생 가능한 새로운 에너지원의 개발과 더불어 순수 자연에너지원의 이용을 추구해 왔으며 이중에서도 저장이나 수송이 간편한 수소에너지가 단연 주목을 받고 있다. 수소(H2)는 연소할 때 대량의 열량을 방출하면서도 배기가스는 소량의 질소 산화물 뿐이므로 매우 강력하면서도 깨끗한 에너지원이다. 특히 연료전지로 쓰면 고효율의 전기를 얻을 수 있고 수소연료자동차의 개발로 인해 수송부문의 에너지원으로서도 효용가치가 높다.

수소가스는 모든 원자 중 가장 작고 자원이 풍부한 가스로서 산소와 잘 반응하고 점화에너지가 작아 Fossil fuel, Gasoline 등 기존 탄화수소 계열의 연료를 대체할 수 있다. 또 온실효과의 주원인인 이산화탄소 발생감소, 공해물질 발생 감소, 에너지 효율성 향상 등의 특성으로 인해 차세대 청정에너지원으로 주목을 받고 있으며 다양하게 제조 및 생산이 가능하다는 장점이 있다.

가스보다 최고 30배 이상 폭발적 위력
풍부한 에너지자원으로 기술선점 시급

그러나 폭발범위가 넓고 폭발화염 전파속도가 매우 빠른 가연성 가스로서 제조, 수송, 저장시 누출, 확산, 점화 및 폭발 등의 위험성으로 인해 현재까지 제한적인 용도로만 사용돼 왔다. 아현동 가스폭발사고, 부천 가스충전소 폭발사고, 여수 BTX라인 폭발 사고 및 기타 대규모 화재·폭발사고를 통해 알 수 있듯 수소역시 가스가 사고로 전이되면 폭발압력 및 폭굉파의 속도 등에 인해 통상 약 15~30배 정도로 그 피해규모는 가중되고 사망·상해로 인한 인적손실, 생산 가동정지 및 재투입 비용증가로 인한 경제적 손실 등은 치명적이다. 따라서 가스를 안전하게 활용하기 위해서는 다양한 사고사례 분석함으로써 물리적 메커니즘 규명하고 안전성 평가 및 사고예방 기술개발 등과 같은 정성적, 정량적 안전기술 개발이 필요하다.

수소경제에 진입하는 2030년 이후에는 수소에너지와 연료전지는 기존의 에너지체계를 대체하게 될 것으로 예상된다. 응용분야 역시 자동차, 분산전원 및 이동형 전원분야를 포함하는 광범위한 영역에서 상용화 기술개발이 이루어지고 있고 현재 일부 관련 제품이 출시되고 있는 실정이다. 연료전지의 경우 신산업 창출의 의미를 가지므로 각국 정부는 물론 산업체에서 전력을 기울이고 있는 분야며 주도권 확보를 위한 치열한 경함을 벌이고 있다.

따라서 이러한 대표적인 차세대 성장동력 에너지원인 수소 활용의 기기나 시설에 대한 기술개발과 아울러 실용화 및 보급 활성화에 대비한 국민의 안전 확보가 필수적이므로 수소에너지를 활용하는 시설 및 제품인 수소충전소, 연료전지시스템, 수소연료전지자동차(FCV) 등에 대한 체계적인 안전성 평가 체계가 마련돼야 하며 동시에 관련 안전기준(시설기준 및 기술기준)을 개발하는 노력이 필요하다.

2. 국내 연구 현황

산자부와 과기부에서는 사업단을 설립해 수소상용화를 위한 기술개발과 원천기술 중심으로한 고효율 수소제조 등의 기술개발 사업을 추진하고 있다. 산자부에서 추진하고 있는 수소 및 연료전지 관련 프로젝트의 경우 연료전지 자동차 및 수소충전소 기술개발·보급 추진하기 위해 먼저 75kW급 연료전지 승용차의 기술개발을 진행중이며 정부 관용차 도입을 목표로 기술개발이 완료된 연료전지 자동차 1호의 산자부 관용차 도입 및 단계적 도입계획 마련하고 있다. 승용차뿐 아니라 250kW급 연료전지 버스 기술개발 및 보급도 추진되고 있다. 버스는 승용차보다 기술적으로 개발이 용이해 무공해·고효율 대중교통수단으로 비교적 더 유리한 이점이 있다고 판단된다. 연료전지 자동차의 대량보급을 위해서 우선 시범사업으로 추진하기 위한 수소충전소 개발·보급과 함께 연료전지 자동차 보급 인프라 구축중이다.

연료전지의 경우 과기연, 에기연 등에서 스택과 시스템에 대한 기본 연구를 거쳐 퓨얼셀 파워, 세티, 대구도시가스 등 민간기업이 참여하면서 상용화 기술의 완성도를 한층 높여가고 있는 상황이다.

연료전지 상용화에 가장 앞장서고 있는 것은 1kW급 가정용 고분자 연료전지시스템(PEMFC)이다. 1kW급 시스템은 기술적 난이도나 시장침투의 용이성 등에서 성공확률이 높다. 특히 일본, 대만, 우리나라와 같이 인구가 밀집되어 있고 도시가스 공급인프라가 잘 발달된 지역에서 계통 연계형으로 운영하는 것을 주요 시장목표로 하고 있다. 신규 모니터링사업으로 2006년 40대, 2007년 70대, 2008년 100대 등 총 210대를 운영해 필요한 데이터를 확보하고 제작업체에게 이를 제공함으로써 국산화 부품기술개발 등을 가속화하게 될 예정이다.


▲ 수소에너지 공급체계도