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 2020년 새해 벽두, 국내 주요 경제 매체들의 탑라인은 ‘수소트럭’, ‘수소연료전지’, ‘수소경제’등 ‘수소’가 차지했다. 반도체 이후 새로운 산업 성장 동력에 목마른 한국 경제에 ‘수소’는 새로운 기대주가 분명하다.
우리 나라는 2019년 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표한데 이어 지난 1월 9일에는 ‘수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률’ 제정안을 의결하는 등 수소경제 육성에 적극적이다. 이러한 시점에 이번 리포트에서는 크게 모빌리티, 발전 분야에 사용되는 수소연료전지의 동향과 향후 가능성을 전반적으로 살펴보았다. 그리고 깨끗한 디젤, 천연가스, 배터리, 최근 수소연로전지까지 변화하는 고객의 요구를 충족시키기 위해 끊임없이 혁신하는 커민스의 노력도 같이 정리하였다.

한국, 수소경제 활성화 정조준 그리고 일본, 미국 등 국가별 H₂레이스

 우리나라는 2019년 1월, 에너지 정책의 한 축으로 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표했다.
그 범위는 수소연료전지를 동력원으로 하는 모빌리티(승용차, 상용차, 열차, 선박, 드론) 및 건설기계 그리고 발전 분야(전력 발전용, 가정·건물용, 가스터빈 등)는 물론 후방산업인 수소 생산, 운송, 저장, 충전소 등 인프라 구축을 포함한다. 이 로드맵에서는 2040년까지 내수와 수출을 포함해서 수소차 누적 생산량 620만대로 세계시장 점유율 1위, 수소연료전지를 이용한 발전은 15GW(가정건물용 2.1GW 제외)를 목표로 하고 있다.
 2020년 정부예산도 전년 계획보다 39억원 늘려 편성한 것을 보면 한국 정부의 수소경제를 향한 방향선은 그대로 유지되고 있는 것으로 보인다.

한국이 지금 리드하고 있고, 미래에 1위 점유를 목표로 하는 수소경제는 한국만의 주장일까? 일본, 미국, 동일, 호주, 중국이 지금 H2 레이스에 동참했고, 파트너로서 혹은 경쟁자로서 수소경제를 키워나가고 있다. 일본은 후쿠시마 사고 이후인 2017년 수소기본전략을 채택하고 2050년까지의 수소발전 15~30GW, 모빌리티, 가정용 연료전지 활성화를 주요과제로 진행 중이다.
미국, 독일, 중국은 2030년까지 수소차 100만대(독일은 180만대), 수소충전소 1,000개소를 늘리는 목표를 진행하고 있다.
모두 신재생에너지의 잉여전력 미 기존 인프라를 활용해 수소 생산 공급계획을 세우고 있다. 호주는 맥을 좀 달리한다. 풍부한 자원을 활용하여 세계 최대 수소생산 및 수출전략을 구상하고 있으며, 빅토리아주 라트로베 밸리(Latrobe Valley)에서 생산된 갈탄으로 수소를 생산, 액화해 일본 고베로 2021년까지 수송하는 프로젝트 실증작업을 하고 있다.

수소버스와 트럭, 도요타 인사이드?

 조선일보는 ‘도요타 인사이드 vs 현대차 수소트럭’이라는 제목으로 중국이 2030년까지 수소차 보급을 100만대로 늘리겠다는 ‘수소차굴기’를 선언하면서 기술확보 속도를 앞당기기 위해 일본 도요타와 손을 잡았다는 뉴스를 보도했다. 도요타는 완성차 업체의 사업모델을 버리고 수소차 핵심부품인 연료전지를 공급, 세계시장에서 도요타 인사이드 달성을 목표로 하고 있다고 전했다. 지난 12월 23일 장쑤성 창수시에서 열린 초기 시험 시내버스의 운행대수는 20대였다.

 현대차는 모든 수소연료전지차 파워트레인의 기반 역할을 담당할 모델인 수소연료전지 SUV(스포츠유틸리티차량) 넥쏘를 2018년 1월 출시했다. 넥쏘에 탑재된 95kW급 연료전지 모듈 두 개를 붙이고 대용량 모터를 사용하면 그대로 버스나 트럭 등 상용차 모델을 만들 수 있는 기술력을 갖추고 있다.
1월 2일 열린 신년회에서 정의선 현대차그룹 수석부회장은 ‘올해부터 세계 최고 수준의 기술을 보유한 수소전기차뿐만 아니라 연료전지시스템 판매를 본격화한다’며 ‘수소 산업 생태계 확장을 주도해 나갈 것’이라고 밝혔다. 현대차는 2020년 연간 2만대의 수소연료전지시스템 생산 체제를 갖출 예정이다. 또, 북미 수소전기 버스, 트럭 시장에 본격적인 진출을 위해 지난 9월 27일 커민스와 MOU를 체결하고 수소연료전지시스템이 적용된 파워트레인을 공동개발해 북미 트럭, 버스 제작업체에 공급할 예정이다.

커민스와 현대자동차는 수소연료전지 분야의 전략적 협력강화를 주요 내용으로 하는 양해각서(MOU)를 체결했다. 현대자동차 연료전지사업부장 김세훈 상무(오른쪽)와 커민스 전략기획담당 태드 이왈드(Thad Ewald)부사장.

 

 

 

 

버스와 트럭 전기가 아니고 왜 수소인가?

 무게에 따른 연료 효율과 충전시간이 관건이다. 땅이 넓은 유렵과 북미에서 트럭과 버스는 한번에 1,000km 이상의 장거리를 왕복 운행한다. 대형트럭은 10~20톤에 달하는 짐을 싣고 장거리를 주행하다 보니 연료가 많이 필요하다. 장거리 주행을 위해서 전기차는 배터리가 필요하고 수소전기차는 대용량 수소연료탱크를 달아서 연료를 채워야 한다. 무게에 따른 연료 효율이 전기차보다 수소차가 더 우수하다. 전기차의 경우 40톤 트럭 기준 배터리 무게만 10톤이 필요함에 비해 수소차는 7톤이 필요해, 디젤보다도 더 가볍다. 전기차의 경우 배터리 충전시간이 수 시간 이상 걸리는 점이 트럭, 버스에는 맞지 않는다.

 

기술개발과 지원정책으로 성장성이 커진 발전용 연료전지 시장

 수소경제 한 축이 모빌리티라면 다른 한 축은 ‘발전용 연료전지’다. 수소경제 선진국가 도약을 위해서는 적극적인 시장창출을 통한 경쟁력 있는 기술개발 및 경제력 확보와 자생적 확산이 필요하다. 정부는 주택·건물 분산전원 보급 확대를 위해 설치비, 발전단가를 중소형 가스터빈 수준으로 대폭 절감하는 신재생에너지 보급지원 사업을 통해 병원, 데이터센터 등에 사용 중인 디젤 비상전원을 건물용 연료전지+에너지저장시스템(ESS)으로 대체, 연료전지 대여사업을 전개해 나갈 예정이다.

 현재 전국에 설치된 연료전지 발전설비는 2019년 5월 기준으로 사업용이 97.3%를 차지하고 있다. ‘신규 수소연료전지사업추진은 한국전력 발전회사들을 중심으로 진행중인데 이유는 연료전지가 태양광, 풍력보다 발전소요 면적이 작고, 발전량 통제가 가능해 REC 확보가 안정적이며 RPS 의무이행수단으로 선호도가 높기 때문이다. 남동발전은 2019년 4월 국내 기술력으로 제작한 4단계 16.72MW의 PAFC시스템과 6단계 8.35MW의 SOFC시스템을 준공했다. 현재 분당발전본부와 안산복합에서 운영 중인 42MW의 발전용 연료전지 용량을 2030년까지 350MW로 확대할 계획을 갖고 있다. 6개 발전 공기업들은 향후 2030년까지 총 2,844MW 규모로 연료전지 발전소를 확대할 계획을 갖고 있다.

 2018년 기준 발전용 수소연료전지시스템의 한국 기술 수준은 최고 기술 보유국인 미국을 100%로 했을 때 약 89.6%로서, 미국(100%), 일본(96.3%), EU(92.9%)에 이어 4위를 차지하는 것으로 평가받는다. 세부 기술별로 기술 수준의 차이는 다소 존재하며 국내에서는 MCFC기술(92.5%)이 가장 고도화된 것으로 분석된다. 뒤를 이어 PEMFC(90.0%), DMFC(90.0%), PAFC(87.5%), SOFC(83.8%) 순으로 기술 수준이 높다고 볼 수 있다. 수소경제 사회로의 성공적인 이행을 위해선 연료전지에 대한 지속적인 안정성 및 주민수용성 확보가 필수다. 다양한 연료전지 관련 기술들과 국가별 계획, 그리고 기업 간의 협력들이 연일 보도되고 있다. 수소는 재생 가능한 깨끗한 에너지원으로, 수소는 버스, 트럭, 데이터 센터, 발전소에 이르는 모든 것에 동력을 공급할 수 있는 매우 효율적인 연료 공급원이 될 수 있다. 그렇다면, 연료전지는 무엇이고 어떻게 작동할까? 다음은 커민스가 준비한 다섯 가지 핵심 질문에 대한 대답이다.

 

Q&A

Q. 연료전지는 무엇인가?

A. 연료전지는 수소, 천연가스 또는 다른 탄화수소 연료의 화학적 에너지로 전기를 생성하기 위해 이용한다. 배터리와 달리, 연료전지시스템은 에너지를 저장하지 않는다. 대신 내연기관에서 가솔린이나 디젤, 산소의 지속적인 공급에 의존하는 방법으로 연료와 산소의 지속적인 공급에 의존한다. 연료전지는 사용자에게 전기, 수소 등 원하는 연료 공급원의 가격에 따라 수소, 배터리 또는 이 둘의 최적조합 등 유연하게 에너지원을 선택할 수 있는 다양한 운영 전략을 제공한다.

Q. 수소연료전지는 어떻게 작동할까요?

A. 연료전지의 기본 구조는 전해질부터 분리된 두 개의 전극(음극과 양극)으로 구성된다. 각 연료전지는 두께가 불과 몇 밀리미터에 불과하며 수백 개가 함께 쌓여 연료전지 스택이 만들어진다. 수소연료전지의 경우 연료료 사용되는 수소는 차량에 부착된 탱크에 저장되어 있다가 공급된다. 대기로부터 산소가 양극에 공급되는 동안 연료인 수소는 음극에 공급된다. 다른 유형의 연료전지가 존재하며 각각 다른 전기 생성과정을 거치지만, 대부분의 경우 전극 사이의 전자가 촉매제를 통해 외부 회로를 이동하는 방식으로 전기가 생성된다.

Q. 수소연료전지 기술의 이점은 무엇일까요?

A. 현재, 전기 배터리에 비해 연료전지 파워트레인은 에너지 밀도가 더 높고 연료 재급유 속도가 더 빠르기 때문에 배터리만으로는 달성할 수 없는 일일 장거리 운행을 필요로 하는 애플리케이션에 더 적합하다. 예를 들어, PEM¹ 연료전지는 중장거리 트럭에 적용 가능한 솔루션이 될 수 있지만 전기배터리는 단거리 차량에 더 적합할 수 있다. 중장거리 트럭이 현재 운송해야 할 적재중량에 더해 필요한 배터리 자체 중량까지 지탱하는 것은 매우 제한적이기 때문이다. 또한 모듈식 설계로 시스템 및 저장탱크를 다양한 시장과 응용장비의 요구에 부합하도록 설계할 수 있는 뛰어난 유연성을 제공한다. 마지막으로 수소는 전기분해 과정을 통해 물 분자를 수소와 산소로 분리, 탈탄소 에너지원이 될 수 있다.

Q. 수소연료전지 채택에 대한 현재의 과제는 무엇일까?

A. 연료전지 기술은 매우 유망하지만, 배터리 전기 자동차처럼 채택에 영향을 미치는 요소들이 많다. 배출 규제, 재정적 인센티브, 기술 개발, 인프라 및 총소유비용(TCO) 등은 모두 연료전지 구동 차량의 채택을 추진하는데 핵심이 될 것이다. 연료전지 기술은 여전히 개발 중이므로, 실차 테스트 및 수소 연료 충전소와 같은 기반 시설에 대한 투자 역시 제한적이다. 따라서 고객들은 높은 차량 비용을 미리 지불하고 연료 가격에서 발생하는 혜택을 기대해야 한다. 재정적인 요인 외에도, 기존의 화석 연료 솔루션과 비교했을 때, 새 시스템은 무게 증가, 전력 밀도 감소, 그리고 연료 공급 시간의 증가로 현재도 어려움을 겪고 있다. 수소 연료 충전은 현재 배터리 충전보다는 우수하지만, 전통적인 액화 석유연료 리필 시간과 비교할 때 여전히 도전 과제이다.

Q. 커민스는 수소연료전지 기술에 어떻게 관여하고 있나요?

A. 커민스 수소연료전지 기술은 수년간의 연구, 개발 및 전략적 파트너십에 뿌리를 두고 있다. 커민스는 2014년 코스타리카 최초의 수소 연료 운송 시스템 개발을 모색하기 위한 파일럿 프로젝트²에 참여했다. 그리고 2018년에는 글로벌 연합이 수소위원회³에 가입했다.
또한 커민스는 캐나아 연료전지 및 수소 생산기술 제공 업체인 하이드로제닉스사(Hydrogenics Corporation) 인수를 발표한데 이어 지난 2019년9월에는 현대자동차와 수소연료전지 개발 및 상용화 공동개발을 위한 양해각서를 체결했다. 이는 커민스가 고객에게 계속해서 깨끗하고, 연료 효율적이며, 고성능의 제품을 제공하는 수소사회에서의 전문성과 혁신적인 접근의 또 다른 진전을 의미한다. 깨끗한 디젤, 천연가스, 배터리 전기 그리고 연료전지까지 커민스는 고객의 요구를 충족시키기 위해 다양한 전력 솔루션을 혁신하고 제공하는데 전념하고 있다.

1) PEM(양성자 교환 막(Proton Exchange Mevbrane)연료전지

2) 커민스는 수소연료전지버스를 후원하며 코스타리카 수소 에코시스템 프로젝트에 참여하고 있다.
프로젝트 1단계에서는 기술 상용화를 확인했고 2단계에서는 재무적 성공 여부를 확인하는 것을 목표로 하고 있다.
2단계는 2대의 버스에 적용되는 커민스 전기 파워트레인과 연료전지 전기 파워트레인을 내용으로 한다.

3) 수소위원회는 수소경제를 발전시키기 위해 장기적인 비전을 가진 60개의 선도적인 에너지, 운송 및 산업 회사의 글로벌 CEO 주도 이니셔티브이다.
2017년 13개 기업 CEO가 모여 출범한 수소위원회는 2019년 현대자동차그룹 정의선 수석부회장이 공동 회장에 취임하여 국내에서도 많이 알려졌다.