[신년특집] 수소 경제 시대의 핵심 ‘연료전지’
[신년특집] 수소 경제 시대의 핵심 ‘연료전지’
  • 승인 2004.01.06
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연료전지, 상품화에 초점 맞춰야 / 도시가스사도 관심 가져야 할 분야
▲ 이석형 대구도시가스 대성청정에너지연구소 소장
▲수소와 연료전지



2003년은 수소 경제라는 말이 인구에 회자된 한 해였다. 수소 경제는 화석 연료 시대의 후속 시대를 뜻하는 수소 경제 시대를 의미한다. 수소의 유용성은 오래 전부터 알려져 왔지만 지금 까지 경제성의 문제로 주 연료로 사용되지 않고 있다. 그러나 급격한 기술의 발달로 수소 경제 시대가 현실로 다가오고 있다.

수소 경제와 맞물려 거론되는 것이 연료전지이다. 수소가 연료라면 연료전지는 그것을 사용하는 기기라고 할 수 있다. 연료전지 자체는 오래된 개념의 기술이지만 지금까지 일상화 할 만큼 널리 퍼지지 않은 이유는 비경제적인 가격과 신뢰성 문제가 현안으로 남아 있기 때문이다.



▲‘수소 경제’ 관심 대두



수소 경제는 제레미 리프킨의 저서‘수소 경제’에서 유명해졌다. 화석 연료 시대가 20세기에 전성기를 이루었다고 한다면 21세기는 그 황혼을 맞이하고 쇠퇴할 것이라는 것이 일반적인 예측이다. 화석 연료 중 특히 석유는 20세기에 가장 많이 사용되는 에너지로 각광을 받았고 현재로서는 당분간 그 지위를 유지할 것으로 보인다.

대체적으로 전문가들의 석유 수급 예측을 들여다보면 낙관적으로 보는 사람들 조차 2010년경을 석유 생산의 피크를 이루는 해로 예측하고 있다. 석유의 피크를 이루고 있는 해의 예측이 석유 시대의 종말을 고하는 전환점을 이루는 경고 신호이다. 이후로는 생산량이 감소함에 따라 수요와 공급의 불균형으로 가격은 상승할 것이고 그 상승의 정도는 예측하기 힘들 정도일 것이다. 이는 석유생산국기구(OPEC)가 생산량의 일부만 조정하더라도 국제 유가가 널뛰기를 하는 현상에서 미루어 짐작해 볼 수 있는 것이다.

2010년은 멀게 느껴지지만 앞으로 6년 남은 것으로 사실 그리 먼 시기의 일도 아니다. 지금처럼 바쁘게 돌아가는 세상에서 그 상대적 시간감이 훨씬 짧다. 예를 들면 국토개발기본 계획은 적어도 5년 이상의 계획을 세워 놓고 있는데 비해 현재와 같이 거의 전적(97%)으로 수입에 의존하는 우리가 전체 에너지의 장기 수요 공급에 대한 계획이 없다는 것은 에너지에 대한 무계획을 나타내는 것이라 할 수 있다.

수소는 화석 연료처럼 자연에 대량으로 존재하는 자원이 아니고 다른 물질에서 분리해 내야 하는 물질이다. 현재 수소 생산 방법은 두 가지다. 하나는 천연가스처럼 탄화수소가 풍부한 원료를 개질해 수소를 생산하고 다른 하나는 물을 전기분해 해 생산하는 방법이다.

후자는 생산 원천인 전기를 생산하는데 화석 연료가 사용되고 있다는 점에서, 전자는 화석 연료인 천연가스나 대체 연료인 메타놀 같은 물질로부터 수소가 생산되는 점에서 완전한 화석 연료 시대의 종말을 뜻하는 것은 아니다.

이외에 다양한 수소 생산 방법은 연구 중인데 그 중 하나가 태양광에너지를 사용한 수소 생산 방법이고, 또 다른 하나는 미생물을 이용한 방법이다. 이런 방법이 경제성을 가지려면 아직 많은 연구 개발이 이루어져야 한다.

또 다른 기술 개발 분야로 수송 및 저장 분야인데 수소는 초저온으로 액화시켜 수송하거나 초고압으로 압축해야 하는데 이에 대한 기술 개발도 과제로 남아 있다.

수소 경제에 대한 미국의 관심은 2003년 1월초 부시 대통령의 연두교서에 5년간 12억 달러를 수소 연료 개발에 사용하겠다는 것에서 잘 나타나 있다. 이에 한국 정부도 15개국이 서명한‘수소 경제를 위한 국제 파트너쉽(IPHE)’에 가입하여 수소 에너지 개발에 동참하고 있다.



▲연료전지 상품화 늦지 않았다



연료전지는 수소를 공급받아 공기 중의 산소와 결합하여 전기 화학적 작용으로 전기와 물을 생산하는 무공해 발전시스템이다. 수소를 직접 공급 받을 경우 개질기가 필요 없지만 수소가 충분히 함유된 천연가스, 메타놀, 가솔린 등에서 수소를 생산하기 위한 개질기, 수소와 산소로부터 전기와 물을 생산하는 스택, 생산된 직류 전기를 교류로 바꿔 주는 전력변환기가 주요한 3개 부품이다. 연료전지의 개념은 19세기에 제안된 것으로 제일 먼저 실용화된 연료전지가 우주 비행체에 사용된 알카린 연료전지이다.

이 연료전지는 그 용도의 특수성으로 시장성에 대한 고려는 없었다. 그 다음으로 상용화된 것이 인산 연료전지인데 유티씨社(처음 생산 당시 이름은 온시)에서 생산하여 판매 중이나 시장 경쟁력이 없어 많이 보급되지 않고 있으며 국내에 3기가 설치되어 운전 시험하고 있을 정도이다.

지금은 차세대 자동차에 사용되는 기술로 연료전지차가 부상하고 있다. 자동차에는 고분자전해질 연료전지가 저온에서 운전되는 특성으로 인해 채택되었다. 자동차의 연료전지는 수소 연료가 가솔린이나 경유처럼 충전소에서 바로 공급된다는 시나리오 하에 개질기 없는 연료전지차로 구성돼 있다. 미국의 지엠, 일본의 혼다와 도요타, 독일의 다임러 크라이슬러 등이 연료전지차를 선보였으며 국내의 한 자동차사도 미국 유티씨社와 기술 제휴로 연료전지차를 선보인 바 있다.

고분자전해질 연료전지는 정치형으로도 활발하게 개발이 진행 중이다. 2005년경에는 상품으로 판매될 것이 예상된다. 이 연료전지도 다른 연료전지와 마찬가지로 기술적 문제가 해결된다 하더라도 시장 생존력의 문제가 여전히 남는다. 가격 인하와 내구성 확보가 가장 큰 과제이다.

또 다른 상품으로 개발되고 있는 분야가 휴대용이다. 다양한 IT관련 기기가 개발되어 충전형 전지를 사용하고 있는데 이동성을 겸하고 장시간 사용을 원하는 사용자들을 위한 목적으로 휴대용 연료전지가 개발되고 있으며 일부는 상품으로 출시되는 예도 있다.

고체산화물 연료전지는 작동 온도의 고온으로 열병합용으로 주목받고 있다. 지멘스웨스팅하우스가 가스터빈과 결합한 연료전지를 개발하고 있는 중이다.

이처럼 다양한 종류의 연료전지가 개발 중에 있으며 머지 않아 이들의 결과물들이 시장에 선보이게 될 것이다. 지금 기술 개발에 열심인 나라가 미국이고 그 다음이 일본이다.

우리도 차세대 신(新) 성장 동력분야로 연료전지를 채택한 바 있지만 지금이라도 늦지 않았기 때문에 우리의 기술력과 자본을 바탕으로 선택과 집중을 한다면 따라잡을 수 있을 것이다. 이런 선택과 집중 전략은 전적으로 상품화에 그 초점을 맞춰야 한다. 연료 전지의 상품화에는 내구성, 연료 인프라, 가격 등의 장애물이 있긴 하지만 과거처럼 연구개발 자체에 의의를 둔다면 선발국의 임박한 상품 출시를 따라잡지 못할 것이다.



▲도시가스사도 관심 가져야



수소 생산 분야는 어느 정도 기술을 보유하고 있다고 판단되지만 최신 공법으로 비용이 절감되는 기술은 개발이 필요한 상태이다. 신기술 분야에 대한 수소 생산 연구는 더욱 필요한 상태이다.

아직 상업화되지 않은 분야인 수송 분야에 대한 기술은 지금부터 개발이 돼야 하는 분야이다. 초고압 충전 분야에 대한 기술과 관련 용기 제작 분야에 대한 기술 개발도 시급히 착수해야 할 분야이다. 생산과 동시에 충전하는 인프라 구축은 기존 화석연료의 인프라가 잘 구축된 도시가스사가 관심을 가져야 할 분야이기도 하다.

연료전지는 유용성으로 인해 오래 전부터 많은 연구 개발 노력이 진행되고 있다. 아직까지도 가격과 내구성이라는 장애물을 완벽하게 극복해 낸 상품은 출시되지 않고 있다. 수소 경제 또는 에너지의 핵심은 연료전지인데 휴대용에선 연료전지 상품이 출시돼 시장의 평가를 받게될 것이고 수송용 자동차에도 점점 보급이 늘어 날 것이다. 또 정치형 및 열병합형도 2∼3년 내에 상품화 출시가 예상된다.

현 단계에서 상품화에 적극적으로 참여한다면 그리 늦지 않은 시기에 충분히 선발국을 따라잡을 수 있을 것으로 판단된다.




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