수소연료전지 자동차FCEV 충전용 수소 시장조성을 위한 정책연구

2015년 파리기후협약을 계기로 기후변화 대응과 지속가능한 성장의 조화를 위해 연비 향상과 온실가스 배출기준 등에 대한 환경규제가 전 세계적으로 보다 강화되고 있다. 이로 인해 현재와 같은 내연기관차 중심의 자동차산업으로는 강화 일변도인 온실가스 규제에 대한 대응이 어려우며, 더욱이 보다 다양화되어 가는 소비자 수요 충족을 위해서라도 환경친화적 자동차의 필요성에 대한 인식이 확산되고 있다. 한편 이러한 환경친화적 자동차로서 국내 수소연료전지 자동차(이하 수소전기차) 보급에 대해서도 정부지원이 잇따르고 있다. 또한 2016년부터 강화된 연비 온실가스 배출규제 기준 적용 등으로 국내 자동차산업 차원에서도 수소전기차 개발, 생산, 판매를 위한 노력이 가속화되고 있다. 이러한 노력에 힘입어 2017년 12월부터 제3세대 수소전기버스가 시범사업 차원에서 울산 시내 노선버스 정규노선에 투입되었으며, 2018년 2월에는 국내 최초로 일반 소비자 대상 보급형 수소전기차 모델(승용차, 모델명: 넥쏘)도 출시되었다. 이로 인해 2018년부터 수소전기차가 그 동안의 시험생산 내지 소량 생산단계를 넘어서 본격적인 대중화의 단계로 들어서는 초입(初入)에 도달하였다고 평가할만하다. 앞서 언급한 바와 같이 이미 1838-39년대에 기본 원리가 발견된 연료전지를 자동차 등 수송수단에 적용하기 위한 시도는 실험용 시범제작의 형식으로 이미 1960년대부터 시작되었다. 그러다 본격적인 차량용 연료전지 개발은 1990년대에 들어서 보다 가속화되어, 기존 내연기관차를 수소전기차로 개조한 다양한 시험용 모델들이 등장하기도 하였다. 국내에서도 1987년 12월 「대체 에너지 기술개발 촉진법」이 제정되면서, 1988년부터 2003년까지 100억원 규모의 연료전지 연구개발 프로그램이 시작되었다. 그리고 2003년 이후 연료전지기술이 국가주요기술로 채택되면서, 연료전지를 탑재한 수소전기차 개발도 본격화되었다. 국산 수소전기차 개발은 주로 현대자동차(주)에 의해 주도되었으며, 1998년부터 개발에 착수, 2002년 미국 ‘UTC 파워’로부터 연료전지 시스템을 이전받아 75kW급 연료전지 시스템을 장착한 국내 최초 수소전기차 시험모델(모델명: ‘산타페 FCV’)이 출시되었다. 전술한 바와 같이, 2017년 12월부터 제3세대 수소전기버스가 시범 사업 차원에서 울산 시내 노선버스 정규노선에 투입되었으며, 2018년 2월에는 국내 최초로 일반 소비자 대상 보급형 수소전기차 모델(승용차, 모델명: 넥쏘)도 출시되었다. 이로 인해 2018년은 수소전기차는 그동안의 시험생산 내지 소량 생산단계를 넘어서 본격적인 대중화의 단계로 들어서는 초입(初入)에 도달하였다. 이러한 수소전기차에 대해 정부도 여러 차례 보급 확산 의지를 표명한 바 있으며, 2017년 12월 기준 170대 보급된 수소전기차를 2020년까지는 1만대, 2025년 10만대 그리고 2030년까지 63만대를 (누적) 보급함으로서 수소전기차의 신차 판매비중을 10% 수준으로 끌어올리겠다는 장기적 목표 아래 관련 지원정책을 추지해 나아가고 있다. 비록 정부의 정책적 지원 아래 경쟁력 있는 차량 모델이 양산될지라도 수소전기차 보급 확산을 위해서는 수소전기차에 수소 충전서비스를 제공할 수소충전소도 함께 구축 및 운영되어야 함은 두말할 필요가 없다. 또한 2016년 7월에는 2020년까지 기존 9000대에서 1만대로 수소전기차의 보급목표를 상향 조정하는 한편 수소전기버스 및 수소택시 등 상용차 중심으로 시장규모 확대하고, 글로벌 기업과의 파트너십을 기반으로 주요국의 내수시장 공략하여 1.4만대 수출로 세계시장 선도하다는「전기차․수소차 발전전략」이 발표되었다. 특히 해당 전략은 수소전지차 대중화를 위해서 그 동안 공공기관만을 대상으로 지급됬던 구매보조금(2,750만원/대)을 개인 대상으로 확대하는 한편 카쉐어링(광주), 수소택시(울산), 수소노선버스(울산) 등의 사업을 통해 일반인의 수소차 이용경험 확대 및 對국민 홍보 강화를 위한 계획 등이 포함되었다. 2016년 봄 중국발 미세먼지가 큰 사회적 이슈가 되자, 2016년 6월 정부는 관계부처 합동으로「미세먼지 관리 특별대책」을 수립, 추진하기로 하였다. 당시 수소전기차 보급은 전기차 보급과 함께 미세먼지 저감 수단으로 등재되어, 2020년까지 수소충전소 누적 보급목표가 90개소에서 100개소로 상향 조정되었다. 수소가 새로운 에너지원, 즉 신에너지로 분류되지만, 사실 수소를 기반으로 한 수소산업 자체는 이미 일정정도 규모의 시장을 형성한 성숙된 산업이다. 앞서 살펴본 바와 같이 국내 수소시장내 수소공급 부문은 ㈜덕양, ㈜SPG, Air Liquide Korea, SDG 등 소수의 중소 또는 중견기업들로 구성되어 있으며, 주로 대규모 석유화학단지를 중심으로 정유공장이나 석유화학공장 등에서 부산물로 발생하는 부생수소와 함께 일부 천연가스 개질을 통해 생산된 수소를 석유화학단지를 중심으로 그 내부에서 순환, 유통하는 방식으로 운영되어 왔다. 사실 현재 2017년 12월 기준 170대의 수소전기차에 수소 충전서비스를 제공하는 6개소의 수소충전소에서 소요되는 충전용 수소의 양은 국내 전체 수소공급량에 비하면, 사실상 유의미하지 않을 정도로 미미한 것이 현실이다. 다만, 정부의 정책적 의지가 반영된 보급목표가 달성됨을 전제할 경우, 향후 충전용 수소 시장의 조성 가능성도 열려있다. 만일 현행 보급 로드맵에 따라 수소전기차를 2025년까지 10만대(누적), 2030년까지 64만대(누적) 보급목표가 달성된다면, 이를 충전하기 위해 2025년에는 26만톤, 2030년에는 16.8만톤 정도의 수소가 요구될 것으로 전망된다. 이중 고분자전해질막 연료전지(PEMFC)만이 현재 수소전기차에 사실상 전적으로 활용되고 있다. 고분자전해질막 연료전지는 알칼리 연료전지(AFC)와 같이 80°C 정도의 온도에서 작동하는 저온형 연료전지의 하나이다. 그러나 동일한 저온형 연료전지이지만 수산화칼륨 용액을 전해질로 사용하는 알칼리 연료전지(AFC)와는 고분자막을 전해질을 사용한다는점에서 구별된다. 또한 알칼리 연료전지와는 달리 순수한 산소 대신 대기 중의 공기만으로도 작동할 수 있다는 장점이 있으며, 전력 밀도가 높고, 부피가 작기 때문에 수소전기차 등을 포함 이동형 전원 공급원으로 사용하는 데 적합하다. 반면 비싼 귀금속인 백금을 촉매로 사용하고 있는 관계로 제조비용이 높다는 점과 함께 황과 일산화탄소가 촉매를 오염시키기 때문에 순수한 수소를 공급해야 한다는 단점도 지니고 있다. 최근 개발된 고분자전해질막 연료전지의 사용 수명은 약 5,000시간으로, 이는 150,000~200,000km를 주행하는 데 충분한 수명으로 평가된다. 수소‘연료전지’차라는 명칭에서 직접적으로 알 수 있듯이, 수소전기차는 구동에너지 생산을 ‘연료전지’에 의존한다. 연료전지는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 가스확산층, 분리판, 가스켓(가스밀폐) 등으로 구성된다. 먼저 연료전지의 핵심 구성 요소이며, 중심에 위치하는 막전극접합체는 백금촉매와 탄소로 이루어진 다공성 전극(음극, 양극)과 양 극 사이에 배치된 전해질(이온 전도체) 막(membrane)이 일체형으로 접합되어있는 구조이다. 그리고 막전극접합체의 바깥부분, 즉 양극과 음극이 위치한 바깥에 수소 또는 공기(산소), 물을 공급 또는 배출시키는 역할을 하는 기체확산층과 분리판 등이 위치하게 된다. 그리고 연료전지, 특히 막전극접합체에서의 전기 발생 과정은 다음과 같다. 먼저 기체확산층을 통해 양극에 공급된 수소 기체는 다음과 같은 반응식과 같이 백금과의 촉매반응 작용을 통해 이온으로 분리되어 전 자를 방출한다. 이렇게 생성된 전자들은 외부 회로를 통해 음극으로 보내지고, 다시 음극에서 다음 반응식에 따라 산소를 이온화시키게 된다.