수소 연료 전기차의 전망

수소 연료 전기차의 전망

수소연료전지시스템은 기존 차량의 내연 시스템으로 기능한다. 기존의 내연기관을 차량에 추가해 선박이나 열차 등의 수송에 이용하도록 수소연료전지시스템을 다양한 수송 분야에 적용할 수도 있다. 유럽에서는 연료전지 시스템을 트림이나 선박에 적용하는 움직임이 가시화되고 있으며, 연료전지가 미래의 신기술로 부상하는 드론(무인항공기)의 힘으로 적합하다는 점에서 앞으로 관련 시장의 확대가 예상된다. 발전시장에서 도입되는 연료전지는 통상 용융 탄산 염형 연료전지(MCRC), 인산형 연료전지(PALC), 고체산화물 형이며 고분자 전해질 막형 연료전지(PEMFC)가 아니다. 연료전지 발전 시장의 규모는 에너지원의 다양화, 신동으로의 재생 가능 에너지 시스템의 도입 촉진, 탈 탄 운동에 수반해, 서서히 확대되고 있다. 수소연료전지는 여러 가지 성분으로 구성되며, 필요에 따라 기계적인 구조설계뿐만 아니라 촉매의 나노구조도 제어하는 복잡함을 가진다. 수소와 산소 공급 시 전기를 발생하는 기본단위인 단전치는 바이폴러 플레이트, 가스 황산층(GDI), 막 전극 어셈블리(EMA)로 구성되어 있다. 수백 개의 단위 셀이 직렬로 접속되어 스택을 형성하고, 스택을 구동하기 위해 불가결한 플랜트-BOP의 균형과 조합해 시스템을 구축한다. BOP에는 수소와 공기의 공급, 가습기 및 수열 관리용 전기 기기가 포함됩니다. 경제산업성에 의하면 약 2만 3800개의 부품과 1만 8900대의 전기자동차가 있다. 수소 연료전지 기술의 개발을 통해 상기 부품의 성능·내구성이 향상되고, 시스템별 운전 제어·최적화가 요구된다. 재료 단위에서는, 백금계 촉매나 막·전해질 결합을 형성하는 고분자 전해질의 가격 인하가 여러 가지 시도되고 있다. 특히, 전해질막을 구성하는 퍼플루오로화 아이오노머의 사용을 삭감하기 위한 종합적인 금기 술(백금에 니켈, 코발트, 철 등을 도입)의 연구 개발이 진행되고 있다. 2018년 2월 중국 베이징에서 '중국 수소에너지·연료전지 산업혁신동맹'이 발족하고 공업정보통신부의 샤오미(Xiaomi)가 '수소차 상승'을 선언했다. 정부의 적극적인 지도력으로 세계 최대의 전기차 시장을 창출한 중국은 신에너지 자동차(NEV) 시장 확대의 목적으로 수소연료전지차의 주도권을 잡겠다는 뜻을 밝혔다. 중국의 수소연료전지차는 전기자동차 도입이 어려운 상업부문(버스, 트럭)을 중심으로 관민 연계로 서서히 성장이 예상된다. 중국 중앙정부의 정책 지원과 함께 상하이 우환 등 주요 도시에서 100개 이상의 연료전지 관련 기업을 육성할 계획이 발표됐고, shantung과 Jingdong 등 대형 해운사가 수소연료전지 트럭 도입에 나서고 있다. 현재 중국의 수소와 연료전지 기술 수준은 유럽, 일본, 한국만큼 높지 않다. 그러나 2016년부터 17년에 걸쳐 중국 현지 자동차회사들은 연구개발 분야의 세계 전문가를 다수 채용하고 있으며 중국 현지기업에 대한 선택적인 지원정책을 통해 관련 산업의 급성장이 기대된다. 캐나다 발라드 앤드 하이드로제닉스에 대한 최근 중국 기업들의 출자도 첨단기술 확보의 목적으로 보인다. 수소 관련 산업은 수급 부문으로 크게 나뉜다. 공급 부문에는 수소의 생산 수송 저장 공급과 관련된 기반기술과 산업이 포함되며 수요 부문에는 수소를 소비하는 철강 첨가물 연료전지를 이용한 수송 발전소가 포함된다. 수소 관련 산업이 확대되려면 수급 캠프 중 어느 쪽이 규모를 달성해야 하느냐는 논의는 젖혀두고 수소학회의 최종 목표를 종합적인 협력 아래 실현할 수 있다. 2010년경부터 '수소 사회' 개념이 논의되기 시작하여 2014년의 국가 에너지 구조 프로그램에서 수소 사회를 추진하기 위한 로드맵이 공표되었다. 한국 수소 융합동맹, 독일 수소 H2 모빌 리 티, 일본 수소충전소연합 등 각국에서 수급동맹이 형성돼 있다. 2017년 스위스 다보스포럼에서는 세계적인 자동차회사와 에너지회사 등 13개사가 수소협의회와 참여를 결정했다. 수소위원회는 파리 기후변화협약(2015년)에 대한 지원을 바탕으로 수소 사회 실현을 추진한다는 목표다. 세계기후변화 기본회의(GCAS)와 공동으로 열린 제3차 수소위원회 전체회의(2018년 9월)에서 50여 개 세계 주요 기업 CEO들이 운수분야 수소 탈 탄소화 방안을 제시했다. 수소는 생산방식에 따라 변형수소, 사생 수소, 전기분해수소로 분류할 수 있다. 탄소와 수소로 구성된 천연가스를 개혁해 수소를 생산하는 변형수소는 기존 천연가스 인프라를 활용할 수 있고 생산단가는 매우 낮지만, 이산화탄소 배출량은 매우 높다. 변형수소 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소에 탄소 캡처와 활용기술을 적용해 친환경적인 방법을 생각할 수 있다. 가수분해는 석유화학제품이나 제철공장에서 부산물로 생성된 수소를 활용하는 기술이다. 다만 공정상 사포분해 수소는 재활용할 수 있어 외부 공급의 탄성이 떨어지고 추가 운송비용이 발생할 수 있다. 경제는 높지만, 수소 생산 비율은 높지 않다. 가수 분해성 수소는 물을 전해주어 수소를 생산하는데, 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 특성이 있다. 다만 수소를 생산하고 에너지 전환 손실 등을 고려해 경제성이 매우 낮은 문제를 극복하기 위해서는 전기 공급이 필요하다. 다만 간헐적인 신재생에너지의 전력을 효율적으로 활용하는 방안으로 기술 도입이 긍정적으로 논의되고 있다. 국가별 에너지 생산과 소비는 다르지만, 에너지는 다른 상품과 달리 수출입이 자유롭지 못하다. 전통적인 에너지원인 화석연료는 지속해서 거래될 것으로 예상하지만 탄소배출량을 줄이기 위해서는 대규모 하천으로 에너지를 수송할 수 있는 적절한 방법이 필요하다. 수소는 에너지 저장 매체로서 대안이 될 수 있지만, 에너지 전환 때문인 손실에도 대형 에너지 저장 시스템(ESS)보다 경제적이고 운반할 수 있다. 예를 들어 일본 가와사키 중공업은 호주 빅토리아에 매장된 대형 러일라이트를 가스화·정련한 뒤 수소를 암모니아 화하거나 액화시켜 본국으로 수송하는 사업을 진행하고 있다. 약 2,000억 톤에 묻힌 라이나이트는 그동안 저수분 함량과 낮은 열량 때문에 방치됐지만, 수소화로 에너지를 수송할 수 있어 경제성이 높아졌다. 극저온 기술을 이용한 액화 수소 저장, 수소화합물 형성반응을 이용한 금속산화물 저장, 압축을 이용한 고압 수소탱크 저장, 가역 화학반응 등 수소 운반·저장에 적용되는 기술은 다양하다. 일반적으로 고압 수소탱크 저장시스템은 연료정지 차량에, 극저온 액화 저장시스템은 대규모 장거리 운송에 적용된다. 연료전지 관련 기술이 발전함에 따라 수소저장 기술의 효율적인 연구개발이 계속되고 있으며, 관련 사업도 수소 생산시설과 협력해 성장할 것으로 기대된다. 2018년 9월 현재 수소충전소는 267개소가 실제 가동 중이다. 수소충전소 인프라 구축이 주목표인 일본 101, 독일 48, 한국 13, 일본 등이 가장 적극적이며 재생에너지 비율이 매우 높은 독일도 세계 수소충전소의 비중이 크다. 앞서 언급한 주요국들은 2020년과 2030년까지 계획을 발표했지만, 회계연도마다 한국은 100대, 520대, 중국은 100대, 1,000대, 일본은 160대, 900대, 독일은 100대, 1,000대를 각각 설정했다. 국내에서는 현대자동차 등 국내외 13개 기업이 1350억 원을 투입해 수소충전소 인프라 확충을 목표로 한 SPC '하이네'을 출시하기로 합의했다. 지난 10년 동안, 지구 온난화 문제의 해결책으로 재생 에너지에 관한 연구 개발이 활발하게 추진됐다. 2003년 테슬라가 도입된 이후 자동차 시장은 기존 내연기관에서 친환경 차(EV, PHEV, FCEV)로 전환됐다. 최근 일론 마스크가 '바보 셀'이라고 조롱했던 수소연료전지차를 바라보는 시각이 달라졌다. 매켄지의 보고서를 보면, 2050년에는 수소에너지가 총 에너지 수요의 18%를 차지할 것이다. 특히 수송분야에서 수소연료전지 시스템을 적용하면서 승용차 4억 대, 트럭 1,500~2,000만대, 버스 500만대 등으로 확산할 전망이다. 이러한 장밋빛 전망에도, 많은 사람은 수소 연료 전지가 발생하는지 의심한다.