수소, 다양한 부문에서 다양한 용도로 활용 가능성 높아

수소는 영국의 과학자 헨리 캐번디시에 의하여 1766년에 발견된 것으로 인정받고 있으며, 수소라는 이름은 1792년 앙투안 라부아지에라 명명하였다. 수소는 다음과 같은 네 가지의 특징을 가지고 있어 하나의 산업군을 형성하고 발전할 것으로 전망되고 있다.

먼저, 수소(H₂)의 양은 풍부하지만 독립적으로 존재하는 경우는 드물어 추출단계를 거쳐야 얻을 수 있는 특징이 있다. 수소기체는 두 개의 수소원자가 결합된 수소분자로 이루어져 있으며, 수소기체는 소량이지만 공기 중에서도 발견되는데, 전체대기 중 100만분의 1정도가 수소이다. 바다질량의 약 10%는 물을 구성하는 수소가 차지하고 있다. 

현재 주요 수소제조방법은 부생수소포집, 화석연료 개질, 물 전기분해 등이다. 부생수소포집은 석유화학공정, 철강공정 등 공정에서의 부산물인 수소를 포집하는 것이다. 최근 우리나라에서 연간 생산되는 수소는 약 210만 톤으로 추정되는데, 이 중 80%는 부생수소포집을 통해 생산되는 것으로 추정된다. 이 수소들은 대부분 자체 소비되고 있고 판매되는 수소는 약 13%인 연 26만톤 수준이다. 화석연료개질은 천연가스와 같은 탄화수소연료를 개질하여 수소를 얻는 방법이다. 물 전기분해는 물을 전기분해하여 수소를 얻는 방식이다. 이 방법은 가장 오래된 수소 생산방법이지만 전기분해 자체가 또 다른 전기에너지를 필요로 한다는 측면에서 경제적 효율이 높지 않아 오늘날 잘 이용되지 않는 방식이다. 다만, 태양광·풍력과 같은 신재생에너지와 연계 활용하는 방안은 꾸준히 연구되고 있다. 

둘째, 수소는 로켓의 추진연료를 포함한 각종 산업시설부터 음식료까지 다양하게 사용되고 있는데, 앞으로는 사용 대상과 규모가 확대될 전망이다. 현재 대부분 산업체에서 생산된 수소의 3분의 2는 암모니아제조에 쓰이고 있고, 암모니아의 90%는 비료생산에 사용되고 있다. 나머지 수소들은 대부분 커다란 탄화수소분자를 산업용으로 사용할 수 있도록 작은 분자로 쪼개거나 황원자를 포함한 탄화수소분자를 제거하는 데 사용되고 있다. 앞으로는 환경오염 심화, 화석연료 고갈, 수소이용기술 진화 등으로 인하여 수소사용 용도가 다양화되고 사용도 크게 확대될 전망이다.

셋째, 수소의 사용 확대는 에너지저장과 탈탄소화 등 수소의 다양한 장점에 기인된다는 점이다. 에너지 저장수단으로서 수소는 신재생에너지와 결합되면서 중요성이 커지고 있다. 신재생에너지에 의하여 생산되는 전력은 생산의 변동성 때문에 대규모 저장수단이 필요하다. 수소는 축전지 대비 이 점에서 큰 장점을 갖고 있다. 게다가 수소는 액화시키는 경우 기체대비 18배에 이르는 양을 수송할 수도 있기 때문에 원활한 국제 간 이동도 가능하다.  

한편, 수소는 탈탄소화의 주요한 수단이다. 우선, 수소는 신재생에너지의 가치와 이에 의한 전력생산 확대에 기여함으로써 탈탄소화에 기여할 수 있을 것이다. 특히, 수소연료전지를 활용한 소규모 분산전원은 대형 화력발전소 수준 이상의 발전효율을 발휘하면서도 대규모 투자가 필요하지 않기 때문에 향후 급속히 보급될 가능성이 높다. 운송부문과 산업공정부문에서도 수소는 탈탄소화에 기여할 것이다. 미래에는 탄소 발생이 없는 연료·원료로서의 수소 사용이 증가할 전망이다.

넷째, 수소는 안전성, 안정적 에너지 확보, 경제적 효율성 측면에서도 강점이 있다. 수소는 지구에서 가장 가벼운 가연성 가스이며, 연소범위가 넓어 발화에너지가 낮지만, 공기 중 가장 확산하기 쉬운 물질이므로 적절한 관리를 한다면 발화나 폭발가능성은 낮다. 또한, 수소는 비독성, 낮은 복사열, 낮은 폭발력(가솔린 기체대비 4.5%), 연기와 배기가스 미방출 등의 특성 때문에 안전성도 높다. 미국에서 진행된 가솔린자동차와 수소연료전지차(이하 수소전기차) 연료누출 시험 결과에 의하면, 수소전기차는 차량내 아무 피해도 입히지 않고 1분 30초 만에 화염이 없어진 반면, 가솔린 자동차는 약 1분후 차량 전체가 화염에 휩싸인 바 있다. 한편, 가솔린 자동차는 약 1분 후 차량 전체가 화염에 휩싸인 바 있다.  한편, 우리가 사용하는 보통의 수소와 수소폭탄 제조에 사용되는 중수소와 삼중수소를 혼동하면 안 될 것이다. 수소는 그냥 연소하는 연료로서의 수소와 핵융합에너지로서의 중수소(H₂, H₃)와 구분된다. 첫 번째 동위원소, 즉 보통의 수소는 원자핵에 하나의 양성자를 가지고 있는 수소이고, 또 다른 안정된 동위원소는 하나의 양성자와 하나의 중성자로 이루어진 원자핵을 갖고 있는 중수소이다. 세 번째 동위원소는 하나의 양성자와 두 개의 중성자를 갖고 있는 삼중수소이다. 수소폭탄에 쓰이는 수소는 ‘중수소’와 ‘삼중수소’다. 수소전기차에 쓰이는 수소와는 다른 별개의 수소다. 수소전기차의 반응 원리는 산소와 수소의 단순 화학 반응이다. 산소와 수소의 반응으로 인해서는 폭발이 발생하지 않는다. 

수소전기차, 2030년 전후 본격성장 전망

수소전기차는 크게 수소연료차와 수소연료전지차로 구분된다. 수소연료차는 가솔린 자동차와 비슷한 형태의 엔진을 사용하면서 수소(H2)를 내연기관에서 직접 연소한다. 내연기관 차량과 유사하다는 점에서 빠른 보급이 가능하지만 낮은 동력효율이 단점이다.

수소전기차는 수소를 직접 연소하지 않고 차량 내부의 연료전지를 통해 전기를 생산하는 데 사용된다. 수소전기차는 전기를 이용하는 일종의 전기차인 것이다. 일반 전기차가 2차 전지에 저장·충전된 전기를 사용한다면, 수소연료전지차는 수소연료전지에 만들어진 전기를 사용한다는 데 차이점이 있다. 공해물질이 전혀 발생하지 않고, 동력효율이 내연기관대비 2배에 달하는 장점이 있다.

이러한 수소전기차 출시는 우리나라 현대자동차에서 가장 먼저 이루어졌다. 2014년 6월 광주에서 처음 수소전기차가 출시된 후 2014년 12월 일본 도요타는 미라이(Mirai)라는 수소전기차를 출시했다. 이들 수소전기차는 공공기관 보급 형태로 출시되었는데 미국에서는 2014년 민간시장이 형성되면서 당초 2020년의 전망보다 빠르게 이루어지고 있다. 

2017년말 현재 세계적으로 일본, 미국, 유럽 등을 중심으로 5천여 대가 보급되어 있으며, 우리나라에서는 공공기관, 지자체 등을 중심으로 183대가 보급되어 있다. 수소전기차는 현재 현대, 도요타, 혼다만 양산 중에 있고, 벤츠와 렉서스는 금년, 닛산, 아우디, BMW는 2020년에 수소전기차를 생산할 예정이다. 금년엔 전 세계적으로 5만 여대가 생산될 전망이다.

수소전기차의 성장에 대해 분석기관마다 낙관적인 전망을 내놓고 있는 가운데, 그 추세는 기관에 따라 다르게 제시하고 있다. 보스톤컨설팅, Navigant Research 등은 2030년 전후 본격 성장을 전망하면서 2022년 26만대, 2030년 220만대 생산이 이루어질 것으로 전망한 바 있고, Frost & Sullivan은 2014년 분석에서 2022년경 수소전기차 세계시장은 약 1,300만대로 성장하는 전력기반차 시장의 2%인 26만대로 성장할 것으로 보고 있다. 

반면, 최근 수소위원회는 매우 낙관적으로 전망한 바 있다. 이 위원회에 따르면 2030년경에 한국, 일본, 독일, 미국 캘리포니아 등에서 판매되는 자동차 12대 중 1대는 수소전기차가 될 전망이며, 세계적으로 1천만 대∼1천5백만 대의 승용차와 5십만 대의 트럭이 수소전기차로 될 전망이다. 10% 이상의 기차와 지게차도 수소를 동력을 사용할 전망이다. 2050년경에는 전체 승용차중 25%, 최대 4억 대의 승용차와 전체 트럭과 버스 중 30%가 수소를 동력으로 사용할 전망이며, 디젤기차 중 20%가 수소 동력으로 전환되어 일일 석유 2천 만 배럴, 연간 3.2Gt에 달하는 탄소배출을 감소시킬 전망이다. 

이렇게 수소전기차의 성장가능성을 낙관적으로 보는 이유는 앞서 살펴본 수소전기차의 장점에 기인하지만 수소충전소 확충 등 해결해야 할 과제들도 많이 있다.

정부의 친환경 보조금으로 3~4천만 원대로 구입 가능해 

수소전기차 가격은 지속적으로 낮아질 전망이다. 수소전기차가 처음 출시된 때 가격은 한 대당 1억 원이 넘었지만 시장진입업체들이 늘어나고 물량이 증가되면서 불과 3~4년 만에 6~8천만 원 수준으로 인하되었다. 현재 각국 중앙정부와 지방정부의 친환경 보조금을 합할 경우 3~4천만 원대에서 구매가능한 상황이다. 

수소전기차의 원가에서 연료전지 스택의 비중이 가장 높은데, 이는 주요 원재료인 백금의 사용량에 기인한 측면이 크다. 그러나 기술발전에 따라 백금 사용량이 줄어들면서 백금이 스택원가에서 차지하는 비중이 20% 수준으로 떨어졌고, 백금을 사용하지 않는 촉매제도 개발되고 있어 앞으로 가격은 더욱 내릴 수 있을 전망이다. 

한편, 소량생산을 넘어 글로벌 기업들이 수소전기차 양산시기를 점점 앞당기고 있는 점을 감안한다면 앞으로 수소전기차 구매비용은 규모의 경제효과로 인하여 더욱 더 줄어들 수 있을 것이다. 한마디로 수소전기차는 이제 전후방의 생태계가 구축되어 50만 대 이상의 대량생산이 된다면 경쟁력있는 가격이 형성될 수 있을 정도로 기술개발이 진전되었다는 평가다. 

수소전기차(장거리용), 배터리 전기차(단거리용)와 역할분담 예상

수소전기차가 친환경차 중 하나로서 주목받는 이유는 지구 온난화 대응수단의 하나라는 것이다. 현재 수송 수단은 대부분 화석연료에 의존하고 있어 전체 이산화탄소 배출량의 20%가 운송부문에서 배출되고 있는 상황이다. 강력한 친환경 수송수단이 필요한 이유이다.  

배터리 전기차와 수소전기차를 비교할 경우, 수소전기차는 완전무공해 실현이 가능하다는 점에서 차별적이다. 미국 에너지부의 연구에 따르면, 미국의 모든 소·중형 승용차중 50%를 배터리 전기차로 대체할 경우 온실가스 배출량은 7.5% 줄어들고 석유소비는 약 25% 줄어드나, 수소전기차로 대체하는 경우 천연가스 개질 수소를 사용한다 해도 온실가스 배출량은 40% 줄어들고 석유소비는 100% 줄어드는 것으로 나타났다. 만일 천연가스 개질 수소가 아니라 부생수소 혹은 전기분해 수소 등을 사용한다면 온실가스 배출량은 더욱 줄어들게 된다. 이러한 수소전기차의 강점에도 불구하고 배터리 전기차와 수소전기차는 각각 장단점이 있어서 이들은 대체관계가 아니라 보완관계에 의하여 시장을 주도해갈 전망이다. 

배터리 전기차의 경우, 제품 주기에 걸친 에너지효율은 가장 높으나 한 번 충전시 주행거리가 200~300km로 짧은 점과 충전시간이 급속충전기 20~30분 정도, 완속충전기 2~10시간 내외로 많이 소요되는 단점이 있다. 장기적으로 배터리 원재료가 희귀금속이라는 것도 단점이다. 코발트와 리튬은 넓은 지역에 얇게 분포되어 있어서 생산량을 급격히 늘리기 어렵다. 코발트는 콩고에 50%가 집중되어 있고, 리튬은 칠레, 볼리비아, 아르헨티나의 염호에 집중되어 있다. 2016년 테슬라의 대규모 공장 가동을 앞두고 배터리의 양극재와 음극재 가격이 가파르게 상승하여 2016년 1월 이후 코발트가격은 172%, 리튬가격은 90%상승하였다. 원재료가 배터리셀에서 차지하는 비중은 무려 55∽68%에 달한다. 다만, 배터리 전기차는 충전시설 확보가 용이하고 가정에서 충전이 가능한 점, 전기료가 낮은 점 등 강점도 있어 전기차는 주로 단거리 시내주행용이나 세컨드 카(Second car) 개념으로 성장할 전망이다.

수소전기차는 에너지효율은 전기차 대비 낮지만 에너지밀도가 높아 5~6kg의 수소를 한 번 충전 시 주행거리는 600km정도가 되고, 무거운 짐 처리도 가능하기 때문에 장거리 주행용 승용차는 물론 버스나 화물차량용으로 성장할 전망이다. 충전시간이 내연기관 차량과 비슷한 3분 이내로 짧은 것도 큰 장점이다. 다만, 수소가격이 전기료대비 아직 높은 점과 수소충전소 확보가 용이하지 않은 점 등이 극복되어야 할 과제이다.

충전소 설치 규제 특례 적극 활용, 충전소 인프라 구축해야

수소전기차는 이미 상용화단계에 접어들었으나, 본격적 상업화와 대중화를 위해서는 꼭 필요한 충전소 확보가 시급하다. 현재 전 세계적으로 5,000기 이상의 수소충전소 구축계획이 발표된 바 있다. 영국은 2030년까지 1,150기, 중국은 2030년까지 1,000기, 일본은 2030년까지 900기, 독일은 2023년까지 최대 400기, 우리나라는 2022년까지 310기, 미국 동북부는 2027년까지 250기를 구축할 계획인 것으로 나타나고 있다. 

그런데 수소전기차는 충전시간이 약 3분에 불과하여 전기차 대비 10~60배 이상 빠를 뿐만 아니라 한번 충전 시 주행거리가 길어 충전소 구축이 그만큼 덜 소요된다. 반면 전기차는 영업용 충전소와 가정에서 충전 기능이 필요하기 때문에 1개 차량당 충전설비 소요는 1.4로 나타난다. 이런 특성으로 인해 독일 Stolten 교수에 의하면 차량보급대수가 100만대 수준에서는 전기충전 인프라가 수소충전 인프라보다 더 경제적이지만 1,000만대 수준이후부터는 수소충전 인프라가 전기충전 인프라보다 더 경제적이다. 한편, 수소충전소 확충을 위해서는 일반인의 안전 우려를 불식할 필요가 있다. 기업과 소비자간 수소안전성에 관한 정보비대칭성을 완화할 필요가 있다. 정보비대칭이 큰 경우 시장형성이 어렵기 때문이다. 

우리나라의 경우 2017년 말 현재 12개의 수소충전소가 구축되어 있지만 상업용으로 본격 사용되는 충전소는 아직 없다. 산업부에 따르면 2018년 말까지 광주, 충남, 울산 등에 10개소, 고속도로에 8개 충선소가 추가 구축되어 금년 말까지 30개의 수소충전소가 확보될 전망이다. 그동안 정부는 다양한 유형의 수소충전소 설치를 위하여 「융·복합 및 이동형 자동차 충전소 설치기준 등에 관한 특례고시」 제정(’16.6월) 등 규정을 마련하여 기존 각각 충전시설별로 설치기준을 엄격히 적용했던 것을 개선하여 CNG, LPG 충전소와 융복합 형태의 충전소 설치를 허용한 바 있으며, 패키지형 충전소 설치도 허용하는 규제 특례를 도입한 바 있다. 

또한, CNG, LPG충전소와 수소충전소간 방호벽을 설치하여 안전을 확보할 경우 충전소와 보호시설 혹은 설비간 안전거리도 완화한 바 있다. 2017년 현재, 전국의 CNG보급대수는 3.9만 대이며, 충전소는 180여 개가 있어 이를 활용하는 경우, 약 4천억 원이 소요되는 것으로 추정된다. LPG차량의 경우 보급대수는 217만 대이며, 충전소는 전국에 2천여 곳이 있는 바, 이 정도의 수소충전소를 구축하려면 4조원이 소요되는 것으로 추정된다. 이 정도는 우리나라의 경제력으로 충분히 해결 가능하다는 것이 업계의 의견이다.   

한편, 패키지형 충전소 설치를 촉진하기 위하여 압축·저장·충전 설비를 모듈화한 충전소 설치도 허용한 바 있다. 이로 인하여 수초 충전소 설치비용이 한 개의 충전소당 30억 원에서 20억 원 수준으로 감축되었고 설치기간도 단축되었으며, 이동설치도 가능하게 되었다.
우리나라의 경우, 이상에서 논의된 충전소에 관한 다양한 확보정책과 민간의 노력이 수소전기차 보급과 함께 병행된다면 충전소 부족이 수소전기차 상업화에 걸림돌이 되지는 않을 것으로 판단된다.  

수소전기차 산업 전후방 산업연관효과 커, 전략적으로 육성해야

수소전기차 산업은 현재 시장형성의 초기로서 생산자와 판매자가 극히 적은 전 세계적인 과점산업이다. 과점산업의 경우, 진입장벽이 존재하고 제품차별화가 가능하므로 시장선점전략이 필요하다. 이러한 시장 특성으로 인하여 주요 시장 진입자들은 가격설정자로 행동하며, 생산수량도 독자 결정하는 전략을 펼칠 수도 있다. 무엇보다 이러한 시장형성기 과점산업의 가장 큰 특징은 정부와 민간이 공동으로 기술을 개발하고, 인프라를 구축하며 시장형성에 나선다는 것이다. 수소자동차 산업도 예외는 아니다.

우리나라의 경우 정부는 다양한 수소전기차 산업육성책을 시행 중이다. 우선, 수소전기차 구매부담 완화를 위한 구매 인센티브를 확대한 바 있다. 개별소비세를 400만원 한도에서 감면해주고, 취득세 200만원 감면도 2017년 1월부터 시행 중이다. 지자체, 공공기관, 법인 대상의 구매보조금 22.5백만 원을 금년 1월부터 개인에게 까지 확대하였으며, 전국 유료도로 통행료 50% 할인, 공영주차장 주차료 할인도 2017년부터 전기차와 같이 시행 중이다. 전용번호판도 2017년부터 도입하여 식별을 강화하고 있고 행정·공공기관의 전기차·수소전기차 의무구매 비율을 현행 40%에서 56%까지 확대하여 금년 1월부터 시행 중에 있다. 

한편, 정부는 수소전기차와 충전소관련 다양한 연구개발과 실증사업도 추진 중에 있다. 2020년까지 수소전기차 가격을 40%이상 낮추기 위한 수소저장 복합용기 개발(年 35억 원)등 연료전지스택, 수소공급장치, 공기공급장치, 수소저장장치 등 핵심부품 기술개발 사업을 추진 중에 있고, 수소전기차 핵심부품 국산화율은 95% 이상이나 수소충전소 국산화율은 40~60%에 불과한 점을 감안하여 수소충전소 국산화율 제고를 위한 패키지형 수소충전 플랫폼 개발 및 실증(’16~’19년, 35억 원), 수소 융·복합스테이션 위험성 평가 및 연구(’16~’19년, 50억 원) 등도 추진 중에 있다.

수소전기차 산업은 수많은 협력업체들이 필요하고 산업의 전후방연관효과가 큰 시스템산업이다. 이러한 시스템산업의 특징상 수소전기차 관련 연구개발에도 현대차를 비롯하여 300여 개 이상의 국내 부품업체가 참여 중이다. 가솔린 자동차의 경우, 부품수는 2만2천여 개에 달하며, 배터리 전기차의 경우에도 부품수는 1만2천여 개에 달한다. 수소전기차의 경우 전기동력 부품, 제어부품, 운전장치는 전기차와 유사하지만 전기 생산을 위한 연료전지스택과 수소저장장치가 추가로 중요하게 탑재되기 때문에 전후방 산업연관효과가 크고 협력업체의 확대가 불가피하다. 따라서 수소전기차는 가솔린 차량의 엔진은 없지만 전후방 산업생태계에 미치는 효과는 기존 내연기관 자동차와 비슷하다는 평가다. 수소의 생산에서 저장, 이동, 충전과 관련된 산업, 수소전기차의 생산에 들어가는 관련 부품산업 그리고 수소판매와 수소전기차 유통에 필요한 산업, A/S 등을 고려하는 경우 수소전기차산업의 전후방 연관효과는 매우 크게 나타날 것이다.  

수소전기차 산업내 기업들의 연구개발 중심의 행동과 정부의 충전인프라 구축중심의 지원노력 등의 결과는 수소전기차 산업의 성과에 영향을 줄 것이다. 수소전기차 산업의 성과는 무엇보다 탈탄소화에 기여함은 물론 공기정화로 깨끗한 환경구축이 가능하다는 점일 것이다. 이외에도 소비자 후생증가, 기술진보에도 기여할 것으로 판단되며, 이 이외의 시장성과는 수소전기차 산업이 점차 성숙될수록 나타날 것으로 전망된다.

이러한 다양한 장점으로 인하여 수소전기차 산업은 미래 성장산업의 하나로 전망된다. 다행히 우리나라는 현대자동차가 세계 최초로 수소전기차를 개발하는 등 세계 선두에서 수소전기차 산업을 리드해가고 있다. 중요한 것은 앞으로의 추진동력과 민관합동의 협조역량이라고 판단된다. 한편, 소비자들도 생산자와의 정보비대칭성을 극복하여 수소전기차의 인식을 새롭게 하고 적극적인 구매활동에 나서는 것도 중요하다. 앞으로 정부와 업계의 협력 그리고 소비자의 관심과 성원을 기대해본다.