◎연료전지자동차, 수소경제시대의 전주곡

LG경제연구원 '연료전지자동차, 수소경제시대의 전주곡'

친환경 자동차에 대한 관심이 높아지면서, 글로벌 자동차 업체들이 잇달아 연료전지자동차 시장에 뛰어들고 있다. 2013년 현대자동차가 연료전지자동차 투싼iX 양산을 시작했고, 최근 도요타가 세단 형태의 가격 부담이 낮은 미라이를 출시했다. 연료전지자동차의 본격적인 상용화가 시작될 것으로 보인다. 연료전지자동차의 상용화와 함께, 수소경제에 대한 논의가 다시 시작되고 있다는 것도 주목할 점이다. 연료전지자동차는 자동차 산업의 발전이라는 의미를 넘어, 동력 기관에 수소를 이용한다는 점에서 수소가 주요 연료로 사용되는 수소경제시대의 도래를 예고하는 신호로 이해할 수 있다. 최근의 연료전지자동차 발전은 수소 생태계 구축을 가속화시키고 있다. 자동차 회사와 에너지 회사들이 참여해 충전 인프라 건설이 이루어지고 있다. 또한 자동차 및 관련 업체들의 참여 증가와 함께 연료전지 및 수소에너지 관련 기술 장벽이 낮아지고 있다. 뿐만 아니라, 다양한 기업, 대학, 연구소들이 수소 관련 연구에 참여하면서 수소 생산, 운송, 저장 등에 필요한 기술까지 발전을 이루고 있다. 연료전지자동차를 통한 수소 생태계 구축이 가속되고 기술적 장애요인이 해결되면서 수소경제의 현실화 가능성이 높아질 것으로 예상된다. 

가장 적극적으로 수소경제를 준비하는 국가는 일본이다. 일본은 정부 주도로 기술 개발, 자금 지원, 민간 협력 유도를 통해 수소사회의 모습을 갖추어 나가고 있다. 그 밖에 미국과 유럽의 일부 지역에서도 수소경제로의 전환 가능성을 점검하고 있다. 수소경제는 기술 축적과 인프라 구축이 필수적이기 때문에 장기적인 관점에서 지속적이고 구체적인 준비가 필요하다. 연료전지자동차 발전을 중심으로 체계적인 지원이 이루어진다면, 이는 수소에너지 관련 기술 발전과 관련 산업 성장으로 이어져 수소경제로 가는 길을 앞당기는 요인이 될 것이다. 
  

< 목 차 > 

1. 연료전지자동차 상용화 단계로
2. 연료전지자동차와 수소경제
3. 주요국의 수소경제 준비
4. 수소경제의 현실화 가능성 대비해야 
  

“지금 자동차의 역사가 바뀌려 한다(Today, we are at a turning point in automotive history).” 지난해 11월, 도요타(Toyota)의 아키오 사장이 연료전지자동차 ‘미라이’를 선보이는 자리에서 한 말이다. 미라이는 4인승 세단으로 정부의 보조금을 받으면 520만 엔에 구매할 수 있다. 2013년 현대자동차의 연료전지자동차 투싼iX 양산을 시작으로, 가격 부담이 낮은 미라이가 출시되면서 연료전지자동차의 본격적인 상용화가 시작될 것으로 보인다. 매년 연비규제가 강화되고 환경 문제에 대한 관심이 높아짐에 따라, 글로벌 자동차 업체들의 친환경 자동차 시장 참여가 가속화되고 있다. 최근 디트로이트에서 열린 ‘2015 북미 오토쇼’의 화두 중 하나도 친환경 자동차였다. 기업들은 다양한 형태의 친환경 자동차를 선보이고 출시 계획을 발표하였다. 이와 함께 친환경, 무공해 자동차인 연료전지자동차에 대한 기대감이 고조되고 있다. 연료전지자동차의 상용화와 함께, 한동안 잠잠했던 수소 에너지를 기반으로 하는 ‘수소경제’에 대한 논의가 다시 수면 위로 떠오르고 있다. 
  

1. 연료전지자동차 상용화 단계로 
  

자동차 메이커들의 연료전지자동차 시장 참여 확대 

연료전지자동차(FCEV)는 연료전지에서 전기를 생산하고, 이를 이용해 자동차를 구동하는 전기자동차의 일종이다. 최근의 연료전지자동차는 수소를 직접 연료전지에 투입하는 방식이기 때문에 수소연료전지자동차라 부르기도 한다. 연료전지자동차는 대표적인 무공해 친환경 자동차이다. 수소가 산소와 만나면 전기와 열이 발생하고, 부산물로 물만 배출될 뿐 환경오염의 주범인 배기가스는 전혀 발생되지 않기 때문이다. 한편, 연료전지자동차는 요즘 인기를 끌고 있는 배터리 전기자동차에 비해 장거리 주행이 가능하고 충전시간이 짧은 장점이 있다. 최근 출시된 미라이는 3분 충전으로 약 650km 주행이 가능한 것으로 알려지고 있다. 

현재 연료전지자동차 개발에 가장 적극적인 기업으로는 도요타, GM, 다임러(Daimler), 혼다(Honda) 그리고 현대자동차 등을 들 수 있다. 최초의 연료전지자동차는 1994년 다임러가 선보인 NECAR1이었다. 이후 다임러는 포드(Ford), 닛산(Nissan)과 공동으로 연료전지자동차를 개발해왔으며, 2017년 양산형 연료전지자동차 출시를 목표로 하고 있다. 도요타는 1992년부터 연료전지자동차 개발을 시작했으며, 자체 개발뿐 아니라 BMW와 연료전지자동차 협력을 추진하고 있다. 한편, BMW는 도요타의 동력장치, 수소저장장치 등의 관련 기술을 받아 2020년 연료전지자동차를 출시할 예정이다. 혼다는 2008년 FCX Clarity 출시 이후, GM과 기술 협력 관계를 구축해 함께 개발해왔다. 국내에서는 현대자동차가 2001년부터 개발을 시작해, 2013년 SUV형태의 투싼iX 양산 체제를 구축하였다. 그 밖에 폭스바겐(Volkswagen), 르노(Renault) 등도 수소연료전지자동차 기술을 개발 중이다. 이처럼 대표적인 글로벌 완성차 업체들이 독자적으로, 또는 파트너쉽의 형태로 연료전지자동차 시장에 속속 뛰어들고 있다. 현재까지 연료전지자동차 보급의 가장 큰 걸림돌로 꼽히고 있는 충전 인프라 부족과 높은 가격만 해결된다면, 연료전지자동차의 본격적인 상용화도 멀지 않은 것으로 보인다. 

단기보다는 장기 관점의 성장 기대되는 시장 

2015년을 기점으로 연료전지자동차 시장은 초기 보급 단계에 들어선 것으로 보인다. Pike Research사의 조사에 따르면, 수소연료전지자동차 시장은 2015년 5만 7천 대에서 2020년 39만 대로 성장할 것으로 예상된다. 현재 전세계 자동차 시장 규모가 약 8천만 대인 점을 감안할 때 큰 규모는 아니지만, 성장 속도는 매우 빠르다고 할 수 있다. 앞서 살펴보았듯이 아직까지 높은 가격과 인프라 부족이 제약 요인으로 남아 있지만, 장기적인 관점에서 정부-민간 협력을 통해 충분히 해결될 수 있을 것으로 보인다. 글로벌 자동차 업체들의 계획과 각국의 정책을 종합해보았을 때, 본격적인 연료전지자동차 확산은 2025년 이후가 될 것으로 전망된다. 구체적인 인프라 구축 계획이 수립되어 있고, 이미 단계적으로 보급 확대를 추진 중인 일본, 미국 등 일부 지역에서는 보다 빠르게 시장이 열릴 것으로 예상된다. 한편, 이들 국가가 단지 연료전지자동차 시장 성장만을 염두에 두고 있는 것은 아닌 것으로 보인다. 연료전지자동차 시장의 발전은 자동차 산업 발전 외의 또 다른 의미를 갖고 있기 때문이다. 
  

2. 연료전지자동차와 수소경제 
  

연료전지자동차, 수소경제의 마중물 

연료전지자동차 출시는 자동차 산업의 발전이라는 관점을 넘어 동력 기관에 수소를 이용한다는 점에 의의가 있다. 다시 말해, 수소가 주요 연료로 사용되는 ‘수소경제’의 도래가 시작된다는 의미로 이해할 수 있는 것이다. 인류의 역사를 거슬러 올라가 보면, 산업혁명 이후 급격한 변화의 기반에는 화석연료가 있었다. 인류는 석탄, 석유, 천연가스에서 만들어진 에너지로 급속한 발전을 경험할 수 있었다. 그러나 그에 따른 지구 온난화 등의 환경오염 문제, 에너지 자원 고갈 문제 등이 대두되었다. 

이러한 상황에서 수소에너지는 환경오염을 유발하는 온실가스를 직접적으로 배출하지 않기 때문에 화석연료의 대안으로 떠올랐다. ‘수소경제’는 무공해 자원인 수소를 이용해 자원 고갈과 환경 문제를 해결하는, 지속 가능한 에너지 시스템으로의 전환을 의미한다. 이 용어는 미국의 GM이 처음으로 사용하고, 2002년 제레미 리프킨의 책 ‘수소혁명’을 통해 알려졌다. 제레미 리프킨은 “인류 역사상 처음으로 우리는 어디서든 구할 수 있는 에너지 형태, 일각에서 말하는 ‘영구 연료’를 손에 넣을 수 있는 문턱까지 이르렀다”며 수소 에너지의 긍정적인 미래를 역설했다. 또한 그는 “성숙한 수소경제를 뒷받침하기 위한 새 인프라 구축은 매우 복잡한 데다 자금도 많이 들 것이다. 그러나 상업적 열의만 있다면 수소경제 인프라 건설은 10년 안에도 가능할 것이다”라고 예측하기도 했다. 

하지만 13년이 지난 지금, 수소경제는 여전히 먼 미래의 이야기처럼 느껴지는 것이 사실이다. 몇 년 전부터 수소경제에 대한 회의적인 시각이 등장하기도 했다. 수소에너지 주요 사용처 부재, 수소 공급인프라 부족, 연료전지 기술 미흡으로 인한 경제성 부족, 그리고 수소 폭발 등 수소에너지의 안전성에 대한 소비자의 불안감 등이 존재했기 때문이다. 그러나 최근 연료전지자동차의 발전을 보면 수소경제가 단지 이상적인 환상으로 그치지는 않을 것으로 보인다. 연료전지자동차를 통한 수소 생태계 구축이 가속되고 기술적 장애요인이 해결되면서 수소경제의 서막이 앞당겨지는 것으로 보이기 때문이다. 

연료전지자동차 산업을 통한 수소 생태계 구축 

연료전지자동차 산업이 성장하는 과정에서 실제로 수소 생태계 구축 움직임이 본격화되는 모습이다. 연료전지자동차 보급 및 확산을 위해서는 수소를 주기적으로 공급할 수 있는 충전소 구축이 필수적인데, 최근 연료전지자동차 출시로 충전 인프라 건설이 촉진되고 있다. 자동차 회사가 단독으로 주도하는 것이 아니라, 에너지 회사들의 참여가 활발한 것도 특징이다. 독일 가스회사 린데(Linde)는 2008년 수소연료전지선박용 충전소를 건설한 이래로 세계 수소 충전장치 시장 1위를 점하고 있는 업체이다. 린데와 다임러는 공동으로 1,000만 유로를 투자해 독일 내 20개의 충전소를 설립할 계획이다. 이와 더불어 일본의 정유회사 JX에너지는 2018년까지 전국에 100개의 수소 충전소 설립을 추진 중이다. 2020년까지 일본 10개 생산 거점에서 수소를 생산해, 전국의 2천여 개 판매점을 대상으로 수소 충전기를 도입할 계획이다. 뿐만 아니라, 편의점 업체 세븐일레븐이 가스 전문 기업인 이와타니산업과 협력해 수소 충전소를 포함하는 점포 20개를 개점하기로 하는 등 타 업종에서까지 수소 관련 시장에 적극적으로 참여하는 모습을 보이고 있다. 연료전지자동차 보급이 늘어나고 시장이 확대되면서 이러한 현상이 더욱 가속화될 것으로 보여, 수소 인프라 구축이 한층 탄력을 받을 전망이다. 

수소 관련 기술 장벽 낮아지고 있는 중 

자동차 및 관련업체들의 참여 증가와 함께 수소경제 실현의 기술 장벽이 낮아지고 있다는 점도 주목할 만하다. 먼저, 연료전지의 발전이 빠르게 이루어지고 있다. 운송용 연료전지는 반복적인 On/Off가 가능하고 충격에 대한 내구성이 강해야 하는 등 높은 기술 수준이 요구된다. 자동차 업체들의 주도적인 기술 개발로 운송용 연료전지의 소형화가 이루어지고 내구성, 경제성 등이 확보될 경우, 이는 가정용, 발전용 연료전지의 발전에도 긍정적인 기여를 할 것으로 보인다. 또한 현재는 자동차에 주로 사용되고 있으나, 항공기, 선박 등에도 이용될 수 있기 때문에 시장 확대를 통한 기술 파급효과가 예상된다. 운송용 연료전지로 사용되는 PEMFC는 고가의 백금 촉매를 사용하기 때문에 과거 경제성 확보가 어려웠으나, 자동차 업체들의 연구개발로 백금 비중이 점차 낮아지고 있는 추세이다. 도요타는 미라이의 연료전지에 백금합금을 활용해 제조 비용을 낮췄다. 연료전지자동차 기술 개발은 안전성 또한 높이고 있다. 현재 수소 폭발 위험을 줄이기 위한 방편으로 자동차 업체들은 수소탱크에 탄소섬유를 사용하고 있다. 현대자동차의 투싼iX는 탄소섬유로 만든 수소탱크에 강판을 씌워 더욱 안전성을 높였다. 이러한 기술개발은 폭발 사고에 대한 우려를 해소하고, 저장 및 충전 설비에도 적용되어 수소의 위험성을 현재 에너지 시스템이 갖고 있는 수준으로 낮출 것으로 기대된다. 

연료전지자동차의 발전과 함께 다양한 기업, 대학, 연구소들이 수소 관련 연구에 참여하면서 수소 생산, 운송, 저장 등에 필요한 기술까지 발전을 이루고 있다. 독일에 충전소를 확대하고 있는 린데의 경우, 자체 플랜트에서 바이오디젤 생산 부산물인 글리세롤로부터 수소를 생산해 충전소에 공급하고 있다. 연료전지자동차 보급이 확대되고, 수소 수요가 증가하면 이와 같이 다양한 수소 생산 기술이 발전할 것으로 기대된다. 또한 수소 저장, 운송 기술의 발전으로 일본의 액화수소기술은 상용화 수준에 이르렀다. 액화수소는 상온·상압의 기체에 비해 800배 밀도가 높고 안전해, 에너지 다소비 지역으로 대량 수송을 가능케 한다. 이처럼 관련 연료전지 소재, 부품과 가치사슬 상 기술 발전은 수소경제의 장벽을 낮추는 역할을 할 것이다. 
  

3. 주요국의 수소경제 준비 
  

일본, 가장 적극적으로 수소경제 준비 

가장 적극적으로 수소경제를 준비하는 국가는 일본이다. 일본은 지난 20년 동안 수소경제를 준비해왔다. METI 주도 하에, 1980년에 설립된 정부 산하 연구기관 NEDO를 중심으로 기술개발을 추진해 왔다. 후쿠시마 원전 사고 이후 더욱더 연료전지와 같은 분산형 발전에 주목하면서 구체적인 모습을 갖추어 나가고 있다. 2013년 말 에너지기본계획 개정안에서는 ‘수소사회(Hydrogen Society)’를 명시하면서 2020년 도쿄 올림픽까지 수소사회 진입 목표를 수립하였다. 또한 2014년 6월 ‘수소·연료전지 전략 로드맵’에서 구체적인 계획을 발표하였다. 연료전지를 가정용, 운송용, 발전용으로 나누고, 각 분야에서 기술 개발, 실증 사업, 보급 등의 단계로 진행한다는 내용이다. 

그 중에서도 가정용 연료전지 보급 프로그램은 성공적인 것으로 평가되고 있다. 2000년부터 정부와 도시바(Toshiba), 파나소닉(Panasonic), JX에너지 등 민간 업체들의 협력으로 가정용 연료전지 기술 검증, 실증 단계를 거쳐 2009년 상업화 단계에 들어섰다. 특히, 2005년부터 2009년까지 실증 사업을 통해 연료전지의 성능과 인지도를 높였다. 가정용 연료전지 ‘ENEFARM’ 의 2014년 누적 판매 대수가 10만대를 넘어서면서, 일본의 가정용 연료전지 시장은 초기 보급 단계를 거쳐 본격적인 보급화 단계에 접어든 것으로 보인다. 

연료전지자동차 보급을 위한 정책에는 충전소 구축 보조금, 관련 규제 완화, 민간기업 참여 유도의 내용이 포함되어 있다. 2014년 4월 ‘4차 에너지기본계획’을 통해 일본 정부는 연료전지자동차 보급 확대를 위해 인프라 관련 규제를 완화해 충전소 설치 비용을 현재 1개당 4억 엔에서 2억 엔 수준으로 낮춘다는 계획을 발표하였다. 뿐만 아니라, 충전소의 운영을 위해 연간 2천만 엔을 지원한다. 이를 통해 2015년까지 충전소 100개, 2025년까지 1,000개를 확보할 계획이다. 2015년 연료전지자동차가 양산되면 이미 보급 단계에 접어든 가정용 연료전지뿐만 아니라 운송용 연료전지에 이르기까지 수소경제의 구체화된 모습이 나타날 것으로 예상된다. 

일본뿐 아니라 다른 국가들도 수소경제 구현에 힘을 쏟고 있다. 미국은 2003년 수소경제 로드맵을 발표한 이래, DOE를 중심으로 수소에너지 관련 정책을 추진해왔다. 오바마 정부가 들어서면서 전기자동차 대비 연료전지자동차에 대해 다소 소극적인 태도를 보였으나, 최근들어 연료전지자동차 부양책을 발표하며 변화의 바람이 불고 있다. 연료전지자동차 보급 지원이 가장 활발한 곳은 캘리포니아로, 2012년 CaFCP가 FCEV 상용화 로드맵을 발표하였다. 충전소를 확충해 연료전지자동차의 운행을 뒷받침하는 것이 주요 내용이다. 

유럽에서는 북유럽을 중심으로 수소 충전소가 확산되고 있다. 스웨덴, 노르웨이, 덴마크 등이 참여하는 스칸디나비아 수소 하이웨이 파트너쉽은 충전 인프라를 구축하는 프로젝트를 진행하고 있다. 또한 독일에서는 친환경 자동차 지원기구인 NOW가 2023년까지 수소 충전소 400개 건설 목표를 세웠고, 연방 정부가 참여해 진행하고 있다. 이 계획에는 린데, 에어리퀴드(Air Liquide), 토탈(Total) 등의 에너지 기업들과 자동차 업체 다임러가 참여하고 있다. 
  

4. 수소경제의 현실화 가능성 대비해야 
  

최근의 연료전지자동차 발전과 함께 시장 확대, 기술 개발 그리고 정부의 지원이 확대되면서 수소경제의 서막이 열릴 것으로 예상된다. 수소경제는 에너지 시스템의 근본적인 재구축을 의미한다. 나아가 정치, 경제, 사회에 변화를 일으킬 것으로 전망된다. 각국 정부가 연료전지와 연료전지자동차만을 지원하는 모습처럼 보이지만, 보다 근본적으로는 수소경제시대를 대비하는 장기적인 포석의 의미가 있다고 보아야 할 것이다. 

일본은 정부가 주도적으로 수소 관련 기술 개발을 지원하고, 민간 업체 참여를 유도해 철저하게 수소경제를 준비해왔다. 그러나 우리나라의 경우에는 아직까지 수소경제에 대한 인식이 부족한 것으로 보인다. 수소에너지에 대한 지원 정책은 2000년대 초반에 집중적으로 이루어졌고, 수소 관련 시장은 신재생 에너지 정책 관점에서 RPS 제도와 관련 있는 대규모 발전용 연료전지를 중심으로 성장해 왔다. 그러나 발전용 연료전지 중심의 성장은 수소 인프라 구축이나 연료전지자동차 시장 발전으로 이어지기 어려웠다. 또한 수소경제에 대한 구체적인 비전이나 가정용, 운송용 연료전지까지 포괄하는 로드맵은 수립되어 있지 않은 상황이다. 현재 전국에 12개의 충전소가 있고 2025년까지 200개로 확충할 계획이었으나, 세종시 수소 인프라 구축 계획이 무산되는 등 쉽지 않은 상황으로 보인다. 

수소경제는 기업이 독자적으로 준비해서 이루어지기는 어려운 문제이다. 국가차원의 지원 하에, 정부, 민간 단체, 학계 등의 전방위적이고 구체적인 협력이 장기적으로 필요한 것으로 보인다. 높은 수준의 기술력과 대규모의 인프라 구축이 요구되기 때문에, 단기간에 눈에 보이는 성과를 기대할 수는 없는 것이 바로 수소경제이다. 수소경제의 도래가 꿈이 아닌 현실로 다가온 시점에서 우리나라도 수소경제 대비에 대한 밑그림이 필요한 시점이다. 막대한 경제·사회적 파급효과와 함께 대규모 비용 및 장기간의 시간이 소요된다는 점을 고려할 때, 사회적 합의를 포함해 무엇을, 어떻게 준비할 지에 대한 구체적이고 진지한 논의가 이루어져야 할 것이다.  <끝>