[이슈진단] 수소경제 둘러싼 쟁점과 과제는?
[이슈진단] 수소경제 둘러싼 쟁점과 과제는?
  • 조남준 기자
  • cnj@energydaily.co.kr
  • 승인 2019.04.02 17:17
  • 댓글 0
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수소에너지, 안전관리 노하우 축적…도시가스보다 안전하다
신뢰성 갖춘 데이터・수소차 체험 통해 안전성 우려 낮춰야

[에너지데일리 조남준 기자] 정부가 추진하고 있는 수소경제활성화 로드맵을 놓고 일각에서 미래 성공 가능성이 없는 무모한 투자라거나 사실상 특정대기업에 대한 특혜라는 비판이 나오고 있다. 로드맵의 큰 그림은 수소를 에너지원으로 하는 새로운 산업생태계 구축을 선도하겠다는 것이다. 즉 수소연료전지자동차(FCEV)를 보급하기 위한 경제적 지원과 관련 인프라를 구축하겠다는 게 핵심이다. 이를 통해 2040년까지 수소차를 620만대 보급하고, 수소 충전소를 1200개 만들겠다는 계획이다. 이는 한국의 총 자동차 대수인 2000만대의 30% 이상을 수소연료전지차로 대체하겠다는 과감한 발상이다. 정부의 이 같은 로드맵 발표 이후 수소차의 경제성 평가, 수소충전소 안정성, 주민수용성 등에 대한 비판이 나오고 있다. 특히 안전 문제에 대한 우려가 크다. 하지만 수소는 안전관리 노하우가 이미 축적된 분야로 도시가스보다 위험도가 낮은 것으로 분석되고 있다. 수소경제 둘러싼 주요 쟁점과 과제, 타당성 등에 대해 살펴보고자 한다.

■수소, 특정 자동차 대기업 특혜와 무리한 투자 논쟁
시장선도자 입장 모험투자 필요…체화된 기술・과정 응용 접목

우선 가장 큰 비판은 미래 성공가능성이 없는 수소에 무모한 투자를 하는가에 대한 우려와 특정 대기업에 대한 특혜라는 주장이다. 특히 수소차 1대에 3000만 원 이상의 국고비 보조, 수소충전소 1개당 30억 원 보조 등 특정 자동차 대기업에 대한 특혜와 무리한 투자라는 지적이다.

이에 대해 전문가들은 시장선도자 입장에선 모험투자가 필요하다고 입을 모은다. 미래투자비용은 사회가 감당해야 할 비용으로 실패하더라도 체화된 기술과 과정은 미래 선도산업에의 응용기술로 접목할 수 있다는 설명이다.

세계적인 차원에서 보더라도 대부분의 주요자동차 메이커가 BEV(배터리전기차)를 생산하고 있는데 반해, FCEV(수소연료전지자동차)를 상용화한 나라는 한국과 일본이 유일하다.

특히 현대자동차는 세계에서 가장 먼저 수소차의 상용화에 성공했으며 일본과 같이 수소차의 상용화에 선도적 역할을 수행하고 있다.

■수소차, 전기차 대비 성공 가능성은?
수소차 산업 연관효과 높고, 전력관리 측면 리스크 적어


수소차가 전기차에 비해 성공 가능성이 없다는 비판도 나오고 있다. 하지만 전기차와 수소차는 서로 장단점이 있기 때문에 서로 보완적이라는 견해도 존재하고 있다. 특히 세계 전기차 시장의 40%를 차지하는 중국도 수소차를 국가전략으로 개발하고 있으며 자동차 강국인 독일도 수소차를 적극적으로 개발 중이다.

전기차와 비교한 수소전기차의 장단점을 보면 수소차는 짧은 충전시간(5분), 전기차(270km 30분, 완전충전 5~10시간이 소요된다. 주행거리는 수소차 600km, 전기차 400km이다.

또 전기차는 부품수가 8000개~1만 개 수준으로 내연기관차에 비해 30~40%이지만, 수소차는 2~3만 개로 산업 연관효과가 크다.

수소차는 큰 충격에도 견디고 폭발하지 않는 반면 전기차는 충격시 배터리의 내부 전기 쇼트 등으로 인해 화재가 발생할 수 있다.

수소차는 전력관리측면에서도 리스크가 적다. 전기차 25만대 보급시 소모전력은 전력예비율의 1%, 250만대 보급되면 전력 예비율 10%에 달해 발전소 추가 건설을 고려해야 하므로 비용이 과다 소요된다.

수소차는 또 대형 차량일수록 차량가격과 중량 측면에서 장점을 갖고 있다. 반면 전기차는 주행거리를 늘리기 위해 배터리 용량이 크고 무게가 많이 나가고, 또한 30분충전에 약 4000가구에 해당하는 막대한 전기가 소요된다.

■ 수소차 최대 출력 낮고 높은 가격은 단점

이 같은 장점에도 불구하고 수소차는 최대 출력이 낮은 것이 단점으로 꼽히고 있다. 전기차의 경우 최대 출력이 테슬라 표준모델이 204마력, 수소차 넥쏘는 154마력(싼타페)이다.

또한 수소자동차 소비자 가격이 높다. 미국에서 토요타미라이 수소차는 5만8000달러, 일반 전기차는 3만~4만 달러로 저렴하다. 수소자동차의 연료의 소비자가격도 내연기관차보다는 낮지만 전기차보다 2.5배 이상 높은 편이다. 충전소를 구축하는 데도 수소차는 전기차에 비해 고가격이며 주민들의 반대 등으로 용이하지 않다.

실제로 LPG충전소가 2016년 기준 2024개인 것을 고려할 때 수소차 보급이 제대로 되려면 충전소 2000개가 건설돼야 한다. 이를 단순계산하면 약 6조원 정도가 필요하다. 물론 정부는 1200개 정도를 보급하겠다는 입장이므로 3조6000억원 정도가 소요된다는 계산이다.

■ 에너지 효율성・친환경 이동수단 측면 수소차 최적 대안

그럼에도 미래에는 에너지 효율성 측면과 친환경 이동수단 측면에서 수소연료전지가 최적의 대안으로 작용할 전망이다.

수소에너지는 전기에너지와 비교해 무게당 에너지밀도가 높고 대량저장, 장기간 저장에 유리하고 수송과정에서도 손해율이 적어 장거리운송에 유리하기 때문이다.

실제로 배터리로 저장되는 전기에너지는 최대 180Wh/kg으로 이는 수소의 1/185에 해당한다. 특히 에너지저장매체로서 수소는 이차전지보다 저장용량이 훨씬 크고 방전도 잘안돼 오랜 시간 저장이 가능하다.

또한 선박의 경우 그동안 값이 싼 벙커C유를 사용하고 있었지만, 국제해사기구(IMO)의 환경규제에 따라 2020년부터 다른 연료로 교체해야 한다. 단기적으로 LNG를 연료로 하는 선박이 새로운 대안이나 LNG선박도 화석연료이므로 장기적으로 다른 에너지원을 사용해야 한다.

철도도 선박과 마찬가지 상황으로서 장기적으로 대체 에너지원 사용이 필요하다.

■ 수소 생산 방식의 친환경성 여부 논쟁
재생에너지 활용 수전해방식 수소생산 친환경적

수소차와 수소충전소는 생태발자국(Footprint), CO₂배출 전과정을 고려할 때 기존 내연기관자동차나 전기차에 비해 환경 친화적이지 않다는 논쟁도 나오고 있다. 이에 대해 전문가들은 수소소비과정은 친환경적이라고 강조하고 있다.

수소차는 수증기, 물 이외 배출되는 유해가스가 없는 것이 가장 큰 장점으로 대표적인 무공해차량으로 인식되고 있다는 설명이다.

특히 자체 공기흡입장치를 통해 수소차 1대를 1시간 운행 시 성인 42명에게 미세먼지를 깨끗한 공기로 정화해 제공하는 기능까지 수행할 정도로 미래 궁극의 친환경차로 인식되고 있다. 하지만 수소생산과정은 비친환경적이라는 비판이다.

수소생산의 96%는 화석연료로 생산한다고 할 정도로 수소제조생산 과정에서 화석연료로 생산한 전기를 많이 소비하고 이산화탄소를 배출하기 때문에 환경친화적이지 못하다는 비판이다.

따라서 수소생산과정이 친환경적이기 위해서는 재생에너지를 활용한 수전해방식의 수소생산이 이뤄져야 할 것으로 제시되고 있다.

전기차도 전기차 충전에 사용되는 전력이 재생에너지가 아닌 석탄화력, 원전에서 생산된 경우 친환경성에 대한 동일한 비판이 제기되고 있다.

따라서 친환경적이기 위해서는 수소의 생성에 투입되는 에너지가 재생에너지일 경우에만 친환경 수소(청정수소 또는 녹색수소)다.

재생에너지 또는 바이오가스 개질을 활용해 수전해방식(물을 전기분해해 수소를 얻는 방식)으로 그린 수소를 생산하는 것이 최적의 대안으로 꼽히고 있다,

하지만 그린수소는 태양광, 풍력 등 재생에너지 공급이 충분히 확보돼야 가능하다. 전문가들은 수소생산에 있어 친환경성을 담보하기 위해서는 물을 전기분해해 수소를 얻는 수전해방식을 꼽고 있지만 물을 분해하는데 이용하는 전기를 태양광이나 풍력 같은 재생에너지로 활용해야 친환경적이라고 강조하고 있다.

설명에 따르면 수소생산은 크게 부생수소, 추출수소, 수전해 방식 등으로 생산되고 있다. 부생수소(석유화학산업의 공정과정에서 부산물로 생성되는 수소)는 2017년 기준 약 192만 톤의 수소생산능력을 가지고 있고 실제로 164만 톤을 생산해 이중 141만 톤은 석유화학공정에서 자체 소비되고 23만 톤은 외부 산업체에서 사용되고 있다.

부생수소 생산량을 증가시키는 것은 어려우나 정부는 연간 5만 톤은 여유생산능력이 있는 것으로 추정해 연간 25만 대의 수소전기차가 이를 사용할 수 있을 것이란 분석이다.

부생수소는 석유화학공정에서 환경오염이 어쩔 수 없이 발생하므로 추가적인 환경오염 발생은 크지 않을 것이라는 의견이다. 또한 25만대 이상의 수소전기차가 운행되면 수요를 맞추기 어려워 추출수소(천연가스에서 추출되는 수소)를 생산하여 보급해야 한다.

이를 위해 한국가스공사는 LNG 정압관리소에서 수소추출기를 건설해 거점형 중대규모 수소생산기지를 구축할 예정이다. 추출수소는 화석연료인 천연가스를 개질해 수소를 생산하는 과정에서 많은 에너지가 사용되고 이산화탄소가 발생하며, 수소 운반을 위해 고압으로 충전하는 과정에서도 상당한 에너지가 사용되어 친환경적이지 못한 단점이 있다.

단, 천연가스 개질 연료전지 발전소는 가스 복합화력 발전에 비해 미세먼지를 유발하는 질소산화물이 거의 배출되지 않는 이점을 보유하고 있다.

이를 극복하기 위해 수전해방식(물을 전기분해해 수소를 얻는 방식)이 필요하지만 물을 분해하는데 이용되는 전기를 화석연료로 생산한다면 이 역시 친환경적이지 못하기 때문에 태양광이나 풍력 같은 재생에너지로 활용된다면 친환경적이라는 설명이다.

■ 수소에너지의 경제성 논쟁
전기차와 수소차, 상호 보완재로 기능 정책지향

전기차와 수소차의 경제성을 비교해 보면 초기 매몰비용이 많이 들어가는 수소차보다 전기차가 더 경제적이라는 것도 쟁점이다.

수소차는 높은 차량가격, 높은 수소충전소 설치 및 운영비용, 정부보조금 과다 지불 등으로 볼 때 현 시점에서 전기차가 수소차 보다 더 경제적이다.

특히 한계에 봉착한 수소저장기술, 동력성능을 저하시키는 수소차는 전기차보다 낮은 에너지 효율 등 단계별로 극복해야 할 기술적 한계점이 많다. 또한 수소연료전지 발전단가는 다른 신재생에너지원보다 2배 가량 높은 수준이다.

따라서 천연가스로 터빈을 돌려 바로 전기를 만드는 것이 천연가스를 분해해 수소로 만든 후에 전기를 발생시키는 연료전지 발전보다 효율적이라는 주장이다.

실제로 연료전지 발전단가는 kWh당 250원(2014년 기준)으로, 다른 신재생에너지원인 태양광(140원, 풍력(90원)의 1.7~2.7배 수준이다.

그린수소를 생산하는 수전해방식 역시 수소를 만들 전기를 바로 배터리에 충전하는 것이 효율적이며, 수전해에 의한 수소 생산은 아직 요원한 수준이다.

하지만 미래에는 지속적인 기술개발로 연료전지가격이 하락하고 수소차량가격이 낮아져 수소차 보급이 크게 증가할 가능성이 크다.

따라서 장기적으로 내연기관자동차 보다 환경개선 효과가 탁월한 전기차와 수소차를 대체재가 아닌 상호 보완재로 기능을 하도록 정책지향을 할 필요가 있다.

2018년 11월 기준, 세계 수소차가 1만 154대로 순수전기차(BEV) 254만 3000여 대에 비해 월등히 낮지만 향후 15~20여 년 뒤에는 차량가격이 낮아지고, 수소차의 친환경성 때문에 보급 대수가 비슷하거나 앞설 수도 있다. 연료전지가격은 생산대수에 민감하게 반응하기 때문에 1차 가격하락이 예상되고 수만대 단위로 생산이 늘어나면 절반이하로 떨어질 가능성이 크다.

연료전지 원가의 40%를 차지하는 전극촉매제인 백금을 대체할 수 있는 연구가 활발하게 이루어지고 있어 미래에 연료전지가격이 하락할 가능성 있다. 수소차의 유지비와 원가는 전기차에 비해 비싼 편이기 때문에 지속적인 기술개발로 원가를 낮춰야 한다는 게 전문가들의 진단이다.

■ 수소에너지의 안정성 및 주민수용성
가솔린, LPG, 도시가스, 수소 중 수소 위험도 가장 낮아

수소는 도시가스, LPG 보다 안전한 에너지로 평가되고 있으나 충전소 및 발전소 건설을 둘러싸고 안전성을 우려한 주민 반대가 증가되고 있는 것도 문제다.

하지만 한국산업안전공단과 미국화학공학회가 실시한 가솔린, LPG, 도시가스, 수소 등 4개의 연료 대상 종합 위험도 분석(자연발화온도, 독성, 불꽃온도, 연소속도 등) 결과 수소의 위험도가 가장 낮게 나타났다.

특히 수소차의 연료인 수소는 수소폭탄에 사용되는 중수소·삼중수소와 다르며, 수소는 공기보다 14배 가벼운 기체로 누출시 빠르게 확산돼 가스구름이 생성되기 어렵고, 공기중에 쉽게 희석된다.

더구나 수소는 석유화학, 정유, 반도체, 식품 등 산업현장에서 수십년간 사용해온 가스로써 안전관리 노하우가 이미 축적된 분야다. 미국 캘리포니아 연료전지파트너십(California Fuel Cell Partnership)도 수소연료전지차가 도로 위의 다른 차량들만큼이나 안전하다고 평가했다.

특히 10년 이상 수소충전소를 운영하고 있는 미국(56개)과 유럽(100개), 일본(77개)에선 현재까지 안전사고 문제가 없었다. 또한 수소차의 저장탱크는 철 보다 10배 강한 탄소섬유 강화 플라스틱으로 제조돼 에펠탑 무게인 7300톤도 견디도록 설계됐다.

또한 수소차는 각국 국가 공인 인증기관의 안전성 평가를 거쳐 출시되고 있으며, 우리나라도 선진국과 동일하게 ISO 국제기준에 따른 안전검사를 통과한 부품 사용, 충전소 구축 후 안전검사 실시, 방폭 및 안전 구조물 설치, 안전관리자 상주 등의 안전 조치를 시행하고 있다.

아울러 수소충전소 시설에는 압력 이상 발생시 긴급차단장치, 가스누출 경보장치 등 이·삼중의 안전장치가 설치돼 있다.

이와 관련 전문가들은 수소에너지에 대한 주민 수용성을 높이기 위해서는 신뢰성 있는 데이터 공개와 수소차 체험을 통해 안전성에 대한 우려를 낮추는 노력 필요하다고 조언하고 있다.