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<요약>
1. 연구의 배경
2004년을 기해 연료전지의 상용화가 본격화될 전망
-화석연료 대안으로 수소를 이용하는 연료전지의 중요성이 부각되기 시작.
[타임]지 등은 미래를 이끌고 갈 핵심기술의 하나로 연료전지를 선정
-NEC, 도시바 등은 2004년부터 노트북용 연료전지를 출시할 예정이고 에바라발라드도 가정용 연료전지를 상용화할 계획
연료전지는 전자, 자동차 등 다양한 산업에 혁신적 변화를 초래
-에너지 : 석유중심 에너지 체계가 수소중심으로 전환
-자동차 : 내연기관이 연료전지로 전환 -> 전자기기의 일종으로 탈바꿈
-전력 : 중앙집중적 전력생산 -> 누구나 전력을 생산하는 분산형 구조
-전자 : 휴대용기기의 전원한계 극복 -> 광범위한 고성능 휴대기기 출현
우리나라에서는 아직 연료전지에 대한 관심이나 분석이 부족
-에너지혁명의 관점에서 보기보다는 유망한 산업의 하나로 분석, 에너지 산업의 장기적인 구조변화 등에 대한 논의가 부족
2. 연료전지의 개념
연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 전지
-물의 전기분해 역반응 : 수소 + 산소 -> 물(열) + 전기
-연료를 공급해 주면 계속해서 발전이 가능하다는 점에서 일종의 발전기
-연료로 사용되는 수소는 가스 등을 처리해 얻거나 물의 전기분해를 통해 추출
*수소는 지구표면의 70% 이상을 차지하는 거의 무한정한 에너지원
연료전지는 기존의 전지나 동력기관에 비해 다양한 장점 보유
-친환경적 : 소음이 거의 없고, 물 이외의 부산물도 없음
-고효율 : 열로 회수되는 에너지를 활용하면 전체 효율은 80% 에 육박
-고에너지 밀도 : 리튬이온 2차 전지보다 10배 이상의 에너지 밀도
-휴대용, 주택용, 자동차용, 우주선용 등 응용분야가 다양
3. 연료전지의 중요성
수소에너지는 인류에너지원 변천의 메가트렌드에 부합
-인류에너지원은 고체(석탄) -> 액체(석유) -> 기체(가스) 순으로 진화하고 있고, 에너지원의 수소대비 탄소비율이 지속적으로 감소
*수소대비 탄소 비율 : 나무(10) -> 석탄(2) -> 석유(0.5) -> 천연가스(0.25)
-수소는 기체이면서 탄소 비율이 "0" 인 에너지
연료전지는 에너지원 변화로 수반되는 새로운 동력장치
-에너지원의 변화는 새로운 에너지 변환장치의 개발을 촉진
-석탄시대의 증기기관, 석유시대의 내연기관처럼 수소에너지 시대에는 연료전지가 핵심
포스트 석유시대의 대안
-석유생산량은 향후 10~20년 내 절정에 도달한 후 감소할 것으로 예상
->값싼 석유시대의 종말이자 에너지위기의 시작
-반면 세계 에너지수요는 산업발전, 인구증가 등으로 계속 증가 추세
*2025년 세계 에너지소비는 2001년보다 58% 증가할 전망
-풍력, 지열, 조력 등 재생에너지 개발이 활발하나 이들 대체에너지원은 지역적, 시간적으로 불균등하게 분포
*전력을 생산해도 운반하거나 저장할 수 없다는 문제점이 있음
-자연으로부터 생산되고, 저장이 가능하며, 효율이 높은 에너지 자원인 수소와 연료전지가 대안으로 부상
환경문제 해결의 대안
-화석연료 사용에 의한 온실가스 문제가 국제적 이슈로 대두
*산업혁명 이후 CO2 의 대기 중 농도가 31% 증가했고, 2002년 지구표면온도는 지난 30년 평균보다 0.51C 상승
-환경규제가 강화되면서 친환경적인 제품의 개발이 화두가 되고 있음
*특히 지구온난화의 주범 중 하나로 지목받고 있는 자동차업계는 '깨끗한 차' 개발에 전력을 경주
휴대형기기의 고성능화, 경박단소화에 대응
-연료전지는 체적당, 무게당 에너지밀도가 크기 때문에 소형화, 경량화에 절대적으로 유리
4. 주요국의 연료전지 개발현황
미국은 자동차용 연료전지 개발에 주력
-에너지 대외의존 완화와 자동차산업 경쟁력 강화를 위해 연료전지 육성 정책을 추진 -> 2040년 석유 1,100만 배럴/일 절감 목표
-에너지부, 국방부, NASA 등이 국가주도의 연구개발 및 인프라 개선 프로젝트 추진 중 -> Hydrogen Fuel Initiative, FreedomCAR
-2005년부터 주택용 보급을 추진하고 2010년 전후부터는 자동차용 연료전지 보급을 확대할 계획
일본은 연료전지 전 분야의 산업화를 추구
-80년대부터 에너지절약 기술개발 계획의 일환으로 연료전지를 개발
-경제산업성을 중심으로 국토교통성, 환경성 등이 협력하고 있고, 정부가 적극적으로 연료전지 육성 의지를 표명
*"연료전지는 수소사회의 문을 여는 열쇠이며, 향후 3년 내 자동차 및 가정용 연료전지가 실용화되도록 하겠다"(고이즈미 총리)
-최근 주택용 연료전지에 대한 테스트를 전국 43개 소로 확대하고, 자동차용 연료 스테이션을 수도권 5개 소에 운영하는 등 실증실험에 주력
유럽은 환경문제 해결대안으로 연료전지 연구를 강화
-90년대 중반부터 연구개발이 시작되었고, 최근 예산을 대폭 확대
*2002~2006년 동안 20.9억 달러를 연료전지와 수소에너지 기술에 투자할 계획(1997~2002년 연료전지 연구 예산의 16배)
-아이슬란드는 지열 등 풍부한 재생에너지원을 이용해 수소를 생산, 수출함으로써 수소에너지 시대에 '북구의 쿠웨이트' 가 되겠다는 비전을 제시
한편 우리나라는 에너지의 대외의존도가 높음에도 연료전지에 대한 개발역량이나 수준은 높지 않은 상황
-우리나라는 에너지 소비량 세계 10위, 에너지 소비증가율 세계 8위, 석유소비량 세계 6위의 에너지소비대국
*1990~2002년 동안 국내 총에너지소비는 경제성장보다 빠른 증가율을 기록(연평균 증가율 : 에너지소비 6.9% vs GDP 5.9%)
-사용에너지(원자력 제외)의 84.5% 를 수입에 의존하고 있으나, 연료전지 기술수준은 낮은 편(정부는 선진국과 5년 격차가 있다고 분석)
5. 관련업계 동향
소재 : 수소 저장기술 및 개질성능 개선에 주력
-DuPont 등 전통 소재업체가 주도하고 있으나, 최근에는 연료전지 전문기업 및 소니, 히타치 등 기기업체들도 소재개발 분야에 참여
자동차 : 다양한 제휴를 통해 상업화 가능성 검증
-거의 모든 자동차업체들이 연료전지 자동차 개발에 참여
-자동차업체 간 제휴는 물론 연료전지업체, 에너지업체들과도 협력
*도요타-GM, 포드/Daimler Chrysler-발라드, Daimler Chrysler-쉘 등
전자 : 장시간 사용이 가능한 차세대 연료전지 개발에 주력
-2004년부터 출시될 제품은 기존 배터리 성능을 약간 상회하는 수준이기 때문에 일본업체들 중심으로 고성능 연료전지 개발경쟁이 가속화
에너지 : 화석연료를 사용한 수소생산에 관심
-자사에 유리한 수소추출 기술개발에 주력(석유업계는 가솔린 개질형, 가스업계는 가스개질형)
-일부 가스업체는 주택용 연료전지 시스템에 대한 유료렌탈을 개시
6. 연료전지의 발전전망
향후 연료전지는 '휴대용 -> 주택용 -> 자동차용' 순으로 시장형성 전망
-자동차용은 인프라, 가격, 소형화 등의 문제가 해결되지 못한 상황
-반면 휴대용은 대량생산이 가능하고, 인프라나 규제의 제한이 적고, 용량도 소형이어서 상대적으로 보급이 용이
가격급락이 예상되는 2010년 이후 본격적인 시장확대 예상
-현재 연료전지차는 수십 억 원 수준이며 가정용 연료전지도 수억 원
-2010년 경에는 현재의 수십 분의 1로 가격하락이 예상되며 2020년 경에는 자동차용은 2,000만 원대, 주택용은 300~500만 원대로 가격하락 예상
연료전지의 보급이 확산되면서 수소에너지 중심사회로 이행이 본격화
-2020년 경부터 수소에너지 전환이 본격화되고, 2030년부터는 모든 신제품에 연료전지가 탑재되기 시작할 전망
*2030년 경 자동차용, 가정용, 휴대용 연료전지 시장은 1,500억 불 이상으로 추정(연료나 교체시장은 제외)
-선진국을 중심으로 2040년 경부터 수소에너지 경제로 전환이 예상
7. 연료전지의 비즈니스 모델
연료전지 비즈니스는 연료전지 제조, 연료전지 활용으로 구분
-광의로 보면 연료전지 비즈니스에는 수소의 제조, 운반, 저장과 관련된 분야까지도 포괄
휴대용 연료전지 사업모델 : 잉크젯 카트리지형 -> 부탄가스형
-보급초기에는 연료전지 간 표준화가 되어 있지 않아 연료전지업체가 카트리지 사업을 관장
-보급이 확대되고 제품 표준화가 진행되면 카트리지와 전지사업이 분화, 일본을 중심으로 연료전지 표준화가 추진 중
거치용 연료전지 사업 모델 : 연료전지 솔루션업체가 주도
-보급초기에는 가스, 전기 등 에너지업체가 주도권을 잡을 것임, 렌탈이나 리스 등을 통해 연료전지를 보급
-보급이 확대되면 연료전지 시스템을 운영, 관리하는 솔루션업체가 등장해 이들이 보수유지, 전력판매, 연료전지 주택설계 등을 주도할 것임
자동차산업은 현재와 유사한 구조로 유지될 것으로 보임
-그러나 연료전지 분야의 기술혁신이 가속화될 경우 연료전지가 자동차산업의 수평분화를 촉진시킬 수도 있을 것임(예:PC산업)
8. 연료전지 발전의 이슈 및 과제
연료전지 보급을 확대하기 위해서는 경제성과 안전성 확보가 핵심
-경제성 확보의 조건 : 연료전지 저가화, 고효율화, 연료가격의 하락 등
*전해질막, 전극 등 기초소재의 저가화가 필요하며 수소추출 효율의 개선, 수소운반기술의 개발 등이 필요
-안전성 확보 : 폭발 등 소비자의 안전 우려를 해소
*아이슬란드 주민의 60% 가 수소에너지로 전환을 지지하나 안전성에 우려
*한번 주입으로 500km 순항을 하기 위해서는 연료탱크의 압력이 70MPa 이 되어야 함
연료전지 사업을 육성하기 위해서는 정부 역할이 중요
-수소에너지와 연료전지 도입을 위한 국가적 비전과 마스터플랜을 작성
해야 함
-연료전지 산업의 육성에는 막대한 자금과 긴 시간이 소요되기 때문에 다양한 정책적 유인책이 필요
*Push 정책 : 정부 R&D 예산의 확대, 표준화 및 제도의 정비, 연료전지 R&D 에 대한 인센티브, 인력양성, 대학의 연구기능 강화 등
*Pull 정책 : 연료전지 시범사업, 정부 구매의 확대, 연료인프라의 확충, 연료전지 제품에 대한 세제 혜택 등 |
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