수소에너지 관련 기술은 환경친화적이고 안전해야하며 화석연료(석유와 천연가스)에 버금가는 연료 효율성을 제공하면서 저렴한 가격에 공급할 수 있어야 한다는 몇몇 대전제들을 제외하면 아직까지 수소의 생산, 공급, 배송, 저장, 활용 등 모든 측면에서 탁월한 우위를 점하고 있는 기술은 거의 없다는 것이 전문가들의 일반적인 시각이다.
실제로 수소생산기술의 경우 태양열, 풍력 등 자연에너지를 활용한 물전기분해 공정을 궁극적 목표로 삼고 있지만 천연가스증기개질, 원자력-수소, 바이오매스 등 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있으며 저장기술 또한 Type-III 및 Type-IV 복합용기를 활용한 고압기체수소저장법을 중심으로 액체수소저장, 금속수소화물(Metal-hydride) 저장, 탄소나노튜브 저장 등에서 다각적인 연구가 이뤄지고 있다.(관련기사 6월호 121면)
같은 맥락에서 수소충전소도 설치목적과 주변여건, 활용성 등의 조건에 따라 각기 다른 시스템과 설비를 갖추고 있기 때문에 이를 세부적으로 분류하면 수소충전소의 종류는 적어도 수십여종 이상이 된다.
현존하는 수소충전소를 분류해 놓은 [표-1]을 보면 수소충전소는 크게 특정공간에 건물과 설비가 고정되어 있는 ‘온사이트(on-site)형 정치식(定置式)충전소’, 그리고 충전설비를 차량 위에 탑재해 이동성을 살린 ‘이동식 충전소’로 구분할 수 있다.
이중 온사이트형 충전소는 원료수소를 직접 생산하는가의 여부에 따라 자체생산형과 외부수급형으로 나뉘는데 자체생산형은 다시 증기개질형, 물전기분해형, 수소발생기형으로 구분되고 외부수급형은 액체수소수급형, 기체수소수급형으로 분류된다.
이동식충전소 또한 온사이트형과 유사한 기준으로 세부분류가 가능하다.
이와는 별도로 수소의 형태가 액체인지 기체인지만을 감안하여 LH2 충전소, CGH2충전소, LCGH2충전소(LH2를 CGH2로 전환하여 충전)로 구분하거나 수소자동차에 최종적으로 충전되는 수소의 형태에 따라 LH2충전소와 CGH2충전소, LH2-CGH2복합충전소로 구분하기도 한다.
이러한 다양한 수소충전소들은 각각 상용화 가능성, 투자비용, 국가적쪾지리적쪾환경적 조건 등에 따라 장점과 단점이 공존하고 있으므로 현상황에서 어떠한 종류의 충전소가 기술적, 구조적, 환경적으로 우월한지를 판단하는 것은 시기상조이며 전문가들 사이에서도 의견이 엇갈리고 있다.
이와관련 현실적으로 가장 상용화 가능성이 높은 수소충전소의 하나이자 수소경제초기에 수소충전소의 대다수를 차지할 것으로 예견되는 온사이트 방식의 증기개질형 기체수소충전소는 크게 수소제조장치, 수소정제장치, 압축설비(컴프레셔), 저장설비, 충전설비(디스펜서) 등의 시스템으로 구성된다.
제조장치의 경우 천연가스, 메탄올, LPG 등 탄화수소계 연료를 증기개질(steam reforming)하여 원료수소를 생산하는 설비로서 개질, 탈황(desulfurization), 수성가스 전이(reverse water-gas shift reaction) 등의 공정이 전개된다.
정제장치는 원료수소의 순도를 99.99%~99.999% 수준으로 높여주는데 일반적으로 PSA(Pressure Swing Adsorption) 시스템이 사용된다. 이렇게 생산된 수소연료가 고압압축기를 통해 저장설비에 저장되거나 디스펜서로 보내져 수소자동차에 충전되는 것이다.
[표-1] 수소충전소의 분류
● 1차분류 : 온사이트형(정치식)
2차분류 : 원료수소 자체생산
3차분류 : 증기개질 물 전기분해 수소발생기
4차분류 : 천연가스/메탄/등유/LPG 등 풍력/태양력/일반전력 등
비고 : CGH2 충전소 CGH2 충전소 CGH2 충전소
● 1차분류 : 온사이트형(정치식)
2차분류 : 원료수소 외부수급
3차분류 : 액체수소 수급
4차분류 : 액체수소 직접 충전, 기체수소로 전환후 충전
비고 : LH2 충전소 LCGH2 충전소
● 1차분류 : 온사이트형(정치식)
2차분류 : 원료수소 외부수급
3차분류 : 기체수소 수급
4차분류 : 실린더로 수급 트레일러로 수급 파이프라인 수급
비고 : CGH2 충전소 CGH2 충전소 CGH2 충전소
● 1차분류 : 이동식
2차분류 : 원료수소 자체생산
3차분류 : 증기개질
4차분류 : 천연가스
비고 : CGH2 충전소
● 1차분류 : 이동식
2차분류 : 원료수소 외부수급
3차분류 : 액체수소 수급
4차분류 : 액체수소 직접 충전 기체수소로 전환후 충전
비고 : LH2 충전소 LCGH2 충전소
● 1차분류 : 이동식
2차분류 : 원료수소 수급
3차분류 : 기체수소
4차분류 : 실린더로 수급 트레일러로 수급
비고 : CGH2 충전소
*L: liquid *C: compressed *G: gas *H2: 수소
전세계 119개소 가동…美쪾獨쪾日 3개국이 68% 차지
미국 워싱턴에 본사를 둔 연료전지 관련기관인 Breakthrough Technologies Institute(BTI)社의 집계에 따르면 2006년 7월 현재 전세계에는 총 118개소(연구용 및 파일럿충전소 포함)의 수소충전소가 가동중인 것으로 나타났다.[표-2]
또한 아직 완공되지는 않았지만 건설이 진행중이거나 건설계획이 확정되어 금명간 착공에 들어갈 59개소까지 포함하면 전체 수소충전소는 총 177개소에 이르고 있다.
이는 올해 8월 현재 전세계에 총 123개소의 수소충전소가 운용되고 있다는 독일 Ludwig-Bolkow-Systemtechnik(LBST)社의 자료와도 일맥상통하는 결과이다. 단지 LBST의 조사에서는 향후 건설예정인 충전소가 106개소로 BTI측 집계의 2배수준이라는 점에서 일부 차이가 보여진다.[표-3]
직관적으로 볼때 BTI는 미국을 위시한 미주지역, LBST는 독일을 비롯한 유럽지역에서 상대기관에 비해 정확성이 높을 것이라는 가정이 가능하므로 두 기관의 데이터를 종합해보면 현재 전세계에는 약 180~200여개소의 수소충전소가 가동 또는 건설중에 있는 것으로 분석된다.
지난 2003년말 BTI가 조사한 수소충전소 숫자가 80개소(건설중 포함)에도 미치지 못했음을 감안하면 지난 3년동안 무려 100개소 이상의 충전소가 새롭게 모습을 드러낸 셈이다.
수소전문가들은 이같은 괄목할만한 증가세에 대해 과거 일부 선진국 주도로 추진됐던 수소에너지 연구가 세계 각국으로 확산된데다 지난해이후부터 전세계 대형 수소에너지 프로젝트들이 기초연구단계를 넘어 실증단계에 속속 돌입하고 있기 때문으로 분석하고 있다.
구체적으로 현재 수소충전소 보유국 또는 보유예정국은 유럽지역이 독일쪾영국쪾이탈리아쪾벨기에쪾스페인 등 14개국으로 가장 많으며 미주지역이 미국과 캐나다 등 2개국, 아시아지역 한국쪾일본쪾중국쪾싱가포르 등 7개국, 그리고 오세아니아의 호주를 포함해 총 24개국에 이르는 것으로 추정된다.
이중 미국, 독일, 일본 등 3개국이 전세계 수소충전소의 70%를 보유하고 있는데 200여개소의 충전소 건설을 목표로 하고 있는 ‘캘리포니아 수소고속도로 프로젝트’와 CaFCP(캘리포니아연료전지파트너쉽) 등에 힘입어 이미 50개소에 육박하는 충전소가 건설된 미국이 선두를 달리고 있고 독일과 일본이 그 뒤를 쫓는 양상이다.
물론 우리나라를 비롯해 캐나다, 이탈리아, 노르웨이, 덴마크 등의 국가가 진군속도를 높이고는 있지만 지난 2004년부터 올해까지 건설된 신규 수소충전소 46개소 중 29개소(63%), 지난해와 올해 건설된 25개 충전소 중 14개소(56%)가 이들 3개국의 국토위에 건설됐을 만큼 투자규모나 기술력에서 앞서있는 미쪾독쪾일의 3강구도는 당분간 지속될 전망이다.
특히 미국이나 독일보다 10년가량 뒤진 지난 2001년에야 수소충전소 보유국이 됐지만 집중적인 투자와 지원으로 수소강국으로 발돋움한 일본의 경우 오는 2010년까지 도쿄 등 3개 대도시에 500개소의 수소충전소를 건설할 계획임을 천명한바 있어 4년이후에는 미국, 독일을 제치고 단일국가로는 세계최다 수소충전소 보유국으로 부상할 전망이다.
한편 [표-4]는 역사적으로 의미를 부여할 만한 주요 수소충전소들의 특징을 설명하고 있다.
온사이트형 기체수소충전소 강세
앞서 언급했던 바와 같이 아직 어떠한 방식의 수소충전소가 향후 수소경제를 주도하게 될지는 현재로선 정확히 예단하기 어렵다.
다만 수소경제 초기에는 천연가스증기개질공정을 통해 수소가 생산될 가능성이 매우 높은 상태이기 때문에 수소충전소 또한 이에맞춰 온사이트 방식의 압축기체수소(CGH2)충전소가 주류를 이룰 것으로 전망된다. 최근 건립된 수소충전소의 대부분이 CGH2충전소라는 점이 이같은 전망을 방증하고 있다.
실제로 BTI의 데이터를 바탕으로 현존하는 수소충전소를 분류해본 결과, 전체의 72%가 CGH2충전소로 밝혀졌는데 2004년이후 건설분만 대상으로 하면 그 비중이 85%로 크게 높아진다.
또한 이동식과 정치식의 경쟁에서도 2004년 이후 문을 연 충전소 중 온사이트형 충전소가 96%에 이른 반면 이동형은 단 2기에 불과할 정도로 온사이트형의 압도적인 강세가 나타나고 있는 실정이다.
이와함께 태양열, 풍력 등 자연에너지를 원천으로 하는 충전소와 LH2-CGH2, CGH2-CNG 등 2종이상의 연료를 공급할 수 있는 복합충전소의 건설이 점차 늘어나고 있다는 점도 최근 수소충전소 분야에 일어나고 있는 트랜드의 하나로 꼽을 수 있다.
[표-2] 전세계 수소충전소 현황 (BTI社 집계)
△ 국가 : 미국
수소충전소/완공 : 43
수소충전소/예정 : 21
합계 : 64
△ 국가 : 캐나다
수소충전소/완공 : 9
수소충전소/예정 : -
합계 : 9
△ 국가 : 독일
수소충전소/완공 : 19
수소충전소/예정 : 1
합계 : 20
△ 국가 : 벨기에
수소충전소/완공 : 2
수소충전소/예정 : -
합계 : 2
△ 국가 : 이탈리아
수소충전소/완공 : 2
수소충전소/예정 : 4
합계 : 6
△ 국가 : 포르투갈
수소충전소/완공 : 2
수소충전소/예정 : -
합계 : 2
△ 국가 : 스페인
수소충전소/완공 : 2
수소충전소/예정 : 1
합계 : 3
△ 국가 : 스웨덴
수소충전소/완공 : 2
수소충전소/예정 : 1
합계 : 3
△ 국가 : 노르웨이
수소충전소/완공 : -
수소충전소/예정 : 10
합계 : 10
△ 국가 : 덴마크
수소충전소/완공 : 1
수소충전소/예정 : 8
합계 : 9
△ 국가 : 프랑스
수소충전소/완공 : 1
수소충전소/예정 : 1
합계 : 2
△ 국가 : 영국.아이슬란드.
수소충전소/완공 : -
수소충전소/예정 : -
합계 : -
△ 국가 : 오스트리아.그리스. 네덜란드.스위스. 룩셈부르크.
수소충전소/완공 : 각 1
수소충전소/예정 : -
합계 : 7
△ 국가 : 대한민국
수소충전소/완공 : 4
수소충전소/예정 : 8
합계 : 12
△ 국가 : 일본
수소충전소/완공 : 18
수소충전소/예정 : -
합계 : 18
△ 국가 : 중국
수소충전소/완공 : 1
수소충전소/예정 : 4
합계 : 5
△ 국가 : 인도
수소충전소/완공 : 1
수소충전소/예정 : -
합계 : 1
△ 국가 : 홍콩
수소충전소/완공 : 1
수소충전소/예정 : -
합계 : 1
△ 국가 : 싱가포르
수소충전소/완공 : 2
수소충전소/예정 : -
합계 : 2
△ 국가 : 호주
수소충전소/완공 : 1
수소충전소/예정 : -
합계 : 1
● 합계 : 완공 118 / 예정 59 / 합계 177
*2006년 7월 현재. *대한민국은 수소연료전지사업단 계획안 반영
제주도에 물전기분해 충전소 건설
8월 현재까지 우리나라는 총 4기의 수소충전소를 보유중이다. 국내최초의 수소충전소는 현대자동차가 지난 2001년 미국에서 수입한 이동식수소충전소이다.
외형상 탑차(塔車)나 트레일러처럼 생긴 이 충전소는 수소제조업체로부터 고압용기에 담긴 원료수소를 제공받아 차량에 충전하는 시스템을 갖추고 있으며 350bar의 압력으로 하루최대 40대를 충전할 수 있다.
그러나 이 국내최초의 수소충전소는 도입후 지금까지 제대로 사용되지 못한채 애물단지로 전락해버렸다.
● [표-4] 전세계 주요 수소충전소
△ 국가 : 미국
소재지 : 캘리포니아
특징 : 세계최초의 태양열-수소 충전소
충전방식 : CGH2
완공/가동시기 : 2001
△ 국가 : 미국
소재지 : 애리조나
특징 : 수소트레일러 1대에 3,600psi와 5,000psi 등 2종의 디스펜서 장착 (이동형 수소충전소)
충전방식 : CGH2
완공/가동시기 : 2002
△ 국가 : 미국
소재지 : 라스베가스
특징 : 최초의 다목적 수소충전소 (수소·전기 공동생산)
충전방식 : CGH2
완공/가동시기 : 2002
△ 국가 : 미국
소재지 : 시카고
특징 : 세계최초의 에탄올-수소 충전소
충전방식 : -
완공/가동시기 : 예정
△ 국가 : 독일
소재지 : 킬
특징 : 세계최초의 수소잠수함용 수소충전소
충전방식 : -
완공/가동시기 : 2002
△ 국가 : 독일
소재지 : 베를린
특징 : 세계최초의 非연구용 액체수소충전소
충전방식 : LH2, CGH2
완공/가동시기 : 2003
△ 국가 : 독일
소재지 : 베를린
특징 : 현존하는 세계 최대규모 수소충전소 (일일 최대충전능력 : 100대)
충전방식 : CGH2, LH2
완공/가동시기 : 2004
△ 국가 : 아이슬란드
소재지 : 레이캬비크
특징 : 세계 최초의 상업용 수소충전소
충전방식 : CGH2
완공/가동시기 : 2003
△ 국가 : 일본
소재지 : 하다노
특징 : 세계최초의 등유(燈油) 개질형 수소충전소
충전방식 : CGH2
완공/가동시기 : 2003
△ 국가 : 일본
소재지 : 오메
특징 : 세계최초의 천연가스 개질형 이동식 수소충전소
충전방식 : CGH2
완공/가동시기 : 2003
△ 국가 : 싱가포르
소재지 : 싱가포르
특징 : 남동아시아 최초의 수소충전소
충전방식 : CGH2
완공/가동시기 : 2004
△ 국가 : 싱가포르
소재지 : 싱가포르
특징 : 세계최초의 무인 수소충전소
충전방식 : CGH2
완공/가동시기 : 2005
미국, 유럽 등의 선진국들이 이동식충전소를 통해 수소자동차의 시험주행을 실시하고 있었던 상황에서도 국내에서는 산업용 고압가스를 관리쪾감독하는 고압가스안전관리법의 규정에 의해 고압가스의 이동식 충전 자체가 불법이었기 때문이다.
정부는 지난해 5월 ‘수소자동차 연구개발용 수소자동차충전소에 관한 특례기준’을 제정, 이동식수소충전소의 설치를 뒤늦게 허용했지만 현재의 기술흐름이 이미 이동식충전소의 활용단계를 넘어 정치식충전소의 실증단계에 접어든 상태여서 실질적 효용성은 크지 않다는 지적이다.
이러한 이유로 사실상의 국내 제1호 수소충전소는 현대차가 지난 2001년 5월 남양연구소에 설치한 정치식 충전소가 꼽힌다.
6,000psig 압력의 2단계 PPI 컴프레셔를 장착한 남양충전소는 350bar의 압력(최대 400bar)으로 99.999%의 고순도 수소를 충전할 수 있도록 설계됐으며 수소자동차 1대(72리터)를 충전하는데 약 15분 정도가 소요된다.
현대차는 지난해 9월 문을 연 마북환경기술연구소에도 정치식 수소충전소 1기를 함께 건설했다.
같은해 2월경 오픈한 미국 치노市의 수소충전소에 이어 현대차가 보유한 4번째 수소충전소가 된 마북충전소의 최대특징은 700bar 충전시스템을 채용했다는 점이다.
이로써 우리나라는 아시아국가로는 최초로 700bar 충전소 보유국이 됐으며 700bar 수소저장용기를 장착한 수소자동차의 시험주행이 가능해졌다. 대당 충전시간은 남양충전소의 1/5수준인 3분에 불과하며 대형버스도 약 20분이면 완충 가능하다.
가장 최근에는 고효율수소에너지제조쪾저장쪾이용기술개발사업단(단장 김종원)이 지난달 25일 한국에너지기술연구원내에 국내 엔지어링 설계기술로 구축한 일일 충전능력 5대의 천연가스 증기개질형 20N㎥/hr급 정치식 수소충전소를 완공 했다.
사업단은 금명간 에기연에서 개발한 수소연료전지 자동차와 수소연료전지 중형버스를 연계하여 실증 테스트를 진행할 계획이다.
이외더해 현재 국내에는 한국가스공사와 GS칼텍스에 의해 2기의 수소충전소 건설이 진행중이며 2008년까지 총 8개의 신규 수소충전소 건설계획이 잡혀있다.
이중 가스공사가 인천LNG기지내에 건설하고 있는 충전소는 순도 99.995%의 수소를 하루 72㎏ 생산할 수 있는 천연가스증기개질형 350bar 충전소로서 늦어도 올해 10~11월경 공식 오픈을 앞두고 있다.
이 충전소는 지난 7월 발표된 수소연료전지사업단(단장 홍성안)의 ‘수송용 연료전지 모니터링 사업’과 연계해 현대자동차가 생산한 수소자동차 4대와 수소버스 1대의 도로주행 실증실험에 활용될 예정이다.
GS칼텍스도 내년 4월 완공을 목표로 30억원을 들여 연세대학교 서울 신촌캠퍼스내에 천연가스 및 나프타 증기개질 방식의 350bar 온사이트 충전소(수소생산능력: 30N㎥/hr)를 건설하고 있다.
홍성안 단장은 이와관련 “연세대 충전소는 시민들이 접근성이 비교적 용이한 서울 도심지에 건설되는 최초의 수소충전소라는 사실에 큰 의미가 있다”며 “수소경제를 홍보하기 위한 차원에서 일반인들의 수소자동차 시승도 가능할 것으로 보고 있다”고 밝혔다.
이외에도 내년에는 대전 유성지역(SK)과 제주도의 제주시, 서귀포시에 각각 1기의 충전소가 세워지며 2008년에는 산업용 수소제조플랜트들이 가동중인 울산과 여천지역에 트럭인(truck-in) 방식의 수소충전소가 1개소씩 건설된다.[표-5]
특히 연료전지사업단의 계획에 따르면 제주에 건설될 충전소의 경우 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 국내최초의 물전기분해 수소충전소가 될 전망이다.
홍 단장은 “현재 물전기분해시스템을 채용한다는 내용만 정해졌을뿐 전력공급방법에 대해서는 아직도 고민중에 있다”며 “풍력, 태양열 등 제주에 풍부한 자연에너지를 활용할 수도 있지만 비용절감을 위해 일반전력을 사용할 가능성도 있다”고 설명했다.
이에따라 오는 2008년에 이르면 우리나라에는 총 11기의 수소충전소가 운용되면서 아시아지역에서는 일본에 이어 2위, 전세계적으로도 미국쪾독일쪾일본쪾캐나다 등에 이어 세계 5위권 수준의 수소충전소 보유국의 입지를 구축하게 된다.
● [표-5] 수소연료전지사업단 수송용 연료전지모니터링 사업
△ 연료전지차
- 승용차
2006년 : 4대
2007년 : 8대
2008년 : 18대
합계 : 30대
- 목표단가
2006년 : 10억원
2007년 : 9억원
2008년 : 6.5억원
합계 : -
- 버스
2006년 : 1대
2007년 : 1대
2008년 : 2대
합계 : 4대
- 목표단가
2006년 : 30억원
2007년 : 25억원
2008년 : 15억원
합계 : -
△ 수소충전소
2006년 : 2개소 / 경기(현대자동차) 인천(KOGAS)
2007년 : 4개소 / 서울(GS칼텍스)
2008년 : 울산, 여천
합계 : 8개소
△ 총예산
2006년 : 60억원
2007년 : 80억원
2008년 : 100억원
합계 : 240억원
△ 정부보조비율
2006년 : 50%
2007년 : 50%
2008년 : 50%
합계 : -
△ 국산화 비율
2006년 : 50%
2007년 : 60%
2008년 : 70%
합계 : -
< 저작권자 ⓒ 서울경제, 무단 전재 및 재배포 금지 >
