화석연료 고갈과 지구 온난화 문제로 지구촌이 들썩인다. 세계 각국은 원전과 대체에너지에서 해결책을 찾으려 하지만, 원전은 위험성으로 사회적 저항이 심하고 태양광과 풍력 등 재생에너지는 효율이 떨어지는 데다 계통 병입도 만만치 않다. 이러한 상황에서 친환경적이고 경제적이며 실현 가능성이 높은 연료전지가 대안으로 떠올랐다. 연료전지는 연료가 가진 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치로, 효율이 우수하고 소음과 진동이 적으며 친환경적이다. 기존 화석연료 발전에 비해 온실가스 주범인 CO2는 약 40%, 에너지 사용량은 약 26% 줄이는 신에너지 기술이다. 전문가들은 "연료전지를 통한 새로운 에너지원 개발은 현재 화석연료 의존도가 높은 우리나라 에너지공급 구조에서 무한한 에너지원인 수소를 활용할 수 있는 전환점으로 작용하고, 완전한 공기업 분할과 민영화와 관련해 전력의 가격과 안정적인 공급 문제를 해결하는 일종의 안전장치 기능을 수행하며, 날로 급증하는 전력 수요에 대한 부담을 완화할 것이다"고 전망한다.
연료전지는 연료의 화학에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발전 장치로 연료전지 스택Stack, 주변 보조 기기(BOP : Balance of Plant), 연료 변환 장치와 제어기술을 통합하는 융 · 복합 기술이다. 연료전지의 역사를 보면, 1839년에 영국의 물리학자 윌리엄 로버트 그로브William Robert Grove가 연료전지를 개발했으나, 당시 상용화에 성공한 증기 기관 등에 가려 실용화를 위한 연구 개발로 이어지지 못했다. 1959년 프란시스 베이컨France Bacon 박사가 알칼리 전해질 연료전지를 발명했으며, 1965년 미국 나사NASA 유인 우주선 제미니Gemini 5호에 연료전지를 탑재했다. 우주선에 먼저 적용한 까닭은 로켓 연료가 수소와 산소고, 반응물인 물을 승무원의 식수로 사용하며, 장기간 고출력을 내기 때문이다. 연료전지 발전을 촉발한 것은 1990년 미국 다우케미컬에서 현대 연료전지의 시초인 고체 고분자형 연료전지 기술을 개발하면서다. 1997년 교토의정서 발효로 온실가스 절감 방안의 하나로 연료전지 기술 개발이 늘어났다. 2000년 대 들어 수송용, 휴대용, 가정용 등 다양한 분야에 연료전지를 응용하면서 기술 개발에 탄력을 받았다. 연료전지는 에너지를 저장하는 이차전지와 달리 수소와 산소의 화학적 반응을 통해 발생하는 에너지를 전기로 변환하는 에너지 변환 장치다. 다음은 임태훈 한국과학기술연구원 에너지본부장이《신재생에너지 백서-수소 · 연료전지》에서 밝힌 연료전지 원리다. "물을 전기 분해하면 수소와 산소가 발생한다. 연료전지는 이와 반대로 수소와 산소로부터 전기를 생산하는 전기 화학적 발전 장치다. 연료전지에 선 전기와 동시에 열이 발생한다. 연료전지의 기본 구성은 연료극, 전해질층, 공기극 접합의 셀Cell이며, 다수의 셀을 적층해 스택을 구성함으로써 원하는 전압과 전류를 얻는다. 일반적으로 연료전지 기본셀에서 전기를 발생시키기 위해 연료인 수소 가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 산화하며, 공기극에선 공급한 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합해 물을 생성하는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성해 전기를 발생시킨다." 연료전지 시스템은 ▲개질기(Reformer) - 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환하는 장치 ▲단위 전지(Unit Cell) - 기본적으로 전해질을 함유한 전해질 판, 연료극, 공기극. ※ 전해질이란 극성 용매에서 이온화해 전기를 전도하는 물질로 양이온은 음극, 음이온은 양극으로 이동하며 전류를 흘림. ▲분리판(Separator) - 단위 전지의 분리막으로 단위 전지에서 전류를 인출할 때 통상 0.6∼0.8V 저전압 생성 ▲스택 - 원하는 출력을 얻고자 단위 전지를 수십에서 수백 장 쌓아올린 본체 ▲전력 변환기(Invertor) - 전지에서 나오는 직류를 교류로 변화하는 장치 등으로 이뤄진다. 이처럼 연료전지는 연료로부터 전기에너지를 얻는 과정에서 연소 과정을 거치지 않는다. 임태훈 본부장은 발전 원리상 연료전지는 발전 효율이 높고 친환경적이며, 설치 장소 제약이 적고 발전 규모 조절이 용이하다고 설명한다. 발전 효율 | 연료를 연소해 열에너지를 발생시키고, 이를 기계적 에너지로 전환한 후 다시 전기에너지로 변환하는 가스 터빈이나 엔진에 비해 연료전지는 열역학적으로 전기 효율이 50% 이상 높다(기존 발전 35% 수준). 또한, 배열을 회수해 열병합발전이나 온수, 냉난방용으로 이용할 수 있다. 연료전지의 전기 발전 효율은 운전 장치 사용 전력, 열 손실 등을 감안하더라도 30~60%며, 열병합발전까지 고려하면 전체 시스템 효율은 80% 이상이다. 그뿐만 아니라 디젤 엔진, 가솔린 엔진, 가스 터빈 등은 출력 규모가 클수록 발전 효율이 높지만, 연료전지는 출력 크기에 상관없이 높은 효율을 일정하게 낸다. ▲기존 화력발전 방식 : 화학에너지(버너) ⇒ 열에너지(보일러) ⇒ 기계에너지(터빈) ⇒ 전기에너지(발전기) ▲연료전지 발전 방식 : 화학에너지 ⇒ 전기에너지.
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친환경성 | 발전 과정에서 화력 발전이나 디젤 발전기와 같은 연소 과정이 없으며, 전기와 물, 열만 발생할 뿐이다. 현재 천연가스, 석탄 등의 화석연료로 부터 수소를 얻지만, 향후 풍력, 태양광, 태양열 등 대체에너지를 이용한 물의 전기 분해로 수소를 얻으면 연료전지는 이산화탄소와 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등의 배출이 전혀 없는 무공해 발전시스템으로 자리할 것이다. 용이성 | 연료전지는 발전 규모를 조절하기 쉬우며, 설치 장소에 제약을 덜 받는다. 일반적으로 연료전지는 규모에 따른 에너지 전환 효율의 변화가 크지 않기에 소형급에서도 높은 에너지 전환 효율을 기대할 수 있다. 이 때문에 연료전지는 수W급에서 수십㎿급까지 다양한 용도로 사용할 수 있다. 또한, 연료전지는 소음과 진동이 작기에 도심지 어디에나 설치할 수 있다.
연료전지 종류와 응용 연료전지는 연료에 따라 수소, 메탄, 천연가스 등을 사용하는 기체 연료전지와 메탄올 및 히드라진Hydrazine(질소와 수소 화합물)을 사용하는 액체연료전지로 구분한다. 전해질에 따라 인산염 연료전지(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(MCFC : Moltan Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC : Solid OxideFuel Cell), 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC : Alkaline Fuel Cell)로 구분한다. 인산염 연료전지 | 여타 연료전지에 비해 저효율이며, 촉매로 고가인 백금을 사용하기에 보급이 활발하지않다. 용융 탄산염 연료전지 | 고온에서 작동하고, 발전 효율은 45% 이상이며, 폐열을 사용한 열병합발전이 용이해 대형 발전용으로 적합하다.
고체 산화물 연료전지 | 세라믹을 전해질로 사용하고, 500∼1000℃ 고온에서 작동하며, 효율이 높아 열병합발전이 용이하다. 고분자 전해질막 연료전지 | 효율이 높지만, 낮은 온도에서 작동해 폐열을 활용하기 어렵고 고온에서 사용하는 개질기와 연계도 어렵다. 직접 메탄올 연료전지 | 연료로 수소 대신 메탄올을 사용하고, 연료 공급 체계가 단순해 소형화할 수 있으며, 연료 보충이 쉬워 휴대용으로 적합하다. 알칼리 연료전지 | 저온에서 작동하고 효율이 높아 우주선용으로 적용했으나, 제조 단가가 높다. 또한, 작동 온도에 따라 300℃ 이하인 저온형 연료전지와 그 이상인 고온형 연료전지로 구분한다. 고온형 연료전지는 650℃ 이상에서 작동하는 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지다. 전극 촉매로 니켈을 비롯한 일반 금속을 사용하며 발전 효율과 출력이 높지만, 시동 시간이 오래 걸려 발전소나 대형 건물 등에 적합하다. 저온형 연료전지는 200℃ 이하에서 작동하는 인산염 연료전지, 고분자 전해질막 연료전지, 직접 메탄올 연료전지다. 전극촉매로 고가의 백금을 사용하며, 시동 시간이 짧고 부하 변동성이 뛰어나다. 우리나라에서 주로 개발 · 보급하는 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지, 용융 탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지 등이다. 연료전지는 적용 대상에 따라 수백㎾∼수십㎿급의 발전용, 수십㎾∼수십㎿급의 수송용, 1∼10㎾급의 건물용, 수W∼수㎾급의 이동 전원용 등으로 구분한다.
연료전지, 초기 시장 선점 경쟁 유동헌 에너지경제연구원 연구위원은《World Energy Market Insight》, <연료전지 시장 분석과 시사점>에서 고정형 연료전지 시장은 현재 주거용과 상업용 열병합발전을 중심으로 이뤄졌으나, 향후 산업용, 군사용 및 농업 응용 분야와 같은 다양한 제품이 산업 성장을 주도할 것으로 전망한다. "고정형 연료전지는 전 세계적으로 2011년에 2010년 대비 66% 성장한 54.6㎿ 보급됐으며, 유닛 기준으로 2011년에 2010년 대비 2600대가 늘어난 1만 대로 추정한다. 고정형 연료전지는 무정전 전원 장치(UPS), 열병합발전(CHP), 보조 전원 장치(APU) 등 다양하게 운용하며, 2015년에 무정전 전원 장치, 열병합발전 등의 수요 증가로 보급 대수가 약 26만 대에 이를 것으로 보인다." 임태훈 본부장은 일반 화력발전은 건설 단가와 발전 효율 측면에서 중앙 집중식이 유리하지만, 연료전지는 분산형 발전에 더 적합하다고 한다. "분산형 발전은 발전소 건설에 따른 님비NIMBY현상을 피할 수 있고, 원거리 송전에 따른 송전 손실을 5∼8% 줄이며, 복잡한 현대 사회에서 수요 특성에 맞춘 발전 방식을 제공할 수 있다. 분산형 발전용으로 1980년대 이후 인산염 연료전지, 용융 탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지 시스템을 중점적으로 개발해 왔으나, 본격적으로 시장을 형성하려면 무엇보다 가격은 낮추고 내구성은 높여야 한다. 우리나라는 2008년 포항에 용융 탄산염 연료전지 조립 공장이 들어섰고, 정부에서 발전 차액 제도를 시행함에 따라 용융 탄산염 연료전지를 중심으로 300㎾에서 5.6㎿에 이르는 분산 발전 시스템이 빠른 속도로 퍼져, 2010년 기준으로 약 35㎿ 시스템을 운영 중이다."
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연료전지는 현존하는 발전 기술 중 효율이 높고 친환경적이며 저렴하게 전기를 생산하는 기술로, 전 세계적으로 국가 차원에서 육성하는 중이다. 발전 설비 제조 기업인 GE, 지멘스 등도 연료전지를 기존 발전 설비를 대체할 수 있는 차세대 에너지 설비로 인식하고 기술 개발에 한창이다. 연료전지 주요 시장인 일본, 독일, 미국 그리고 유럽은 현재 초기 단계인 시장을 선점하고자 다양한 노력을 기울인다. ▲일본 - 에네팜Ene Farm 브랜드를 통해 가정용 고분자 전해질막 연료전지를 상업화하고, 내수는 물론 수출을 목표로 고체 산화물 연료전지 실증 작업을 진행 중이다. ▲독일 - Callux 프로젝트를 통해 가정용 고분자 전해질막 연료전지를 상업화해 2012년 800대를 보급할 계획이다. ▲EU - 저탄소 에너지 기술 로드맵을 보면, 건물용 보일러를 대체할 연료전지 시스템을 연구 · 개발해 2015년 연간 20만 대 보급할 계획이다. ▲미국 - 주로 고분자 전해질막 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 기술을 이용한 보조 전원용, 지게차용, 휴대형 전원용 초기 시장을 형성했으며, 가정과 상업용 연료전지는 향후 5년 내 개발할 계획이다. ▲영국 - 2016년 까지 14개 타운에 연료전지를 활용해 400만 동의 탄소 중립형 건물을 도입할 계획이다. ▲덴마크 - 연료전지 기반 소형 열병합발전소 실증 프로젝트를 통해 100대의 고분자 전해질막 연료전지, 고체 산화물 연료전지 시스템을 운용 중이다.
핵심 원천 기술 개발 시급해 연료전지 시스템은 촉매, 전극, 전해질, 밀봉재, 분리판 등의 소재로부터 최종 발전 시스템까지 다단계 서플라이 체인Supply Chain으로 이뤄진 기술집약적 산업으로 고용 창출이 크다. 또한, 기술 집적도가 높기에 초기 투자비와 연구 개발에 많은 비용과 노력이 필요하다. 이에 반해 높은 기술 장벽이 존재하므로 초기 시장 진입 시 시장을 지배할 수 있다. 전 세계 연료전지 핵심 소재 시장의 대부분은 미국, 일본, 독일 등 몇몇 선진 업체가 독점하는 상황이다. 우리나라는 지금까지 연료전지 시스템 위주로 기술 개발을 진행했기에 핵심 소재에 대한 수입 의존도가 매우 높은 실정이다. 세계적인 발전 시장 흐름은 미국, 일본 등을 중심으로 한 선진국에서 대규모 중앙 집중식 발전 방식에서 탈피해 소규모 분산 발전 형태로 옮겨가는 추세다. 분산 발전 방식엔 가스 터빈, 마이크로 터빈, 디젤 엔진, 연료전지, 태양광, 풍력 발전 등이 있다. 분산 발전 방식을 비교하면 연료전지는 터빈과 엔진류의 발전 방식에 비해 가격 측면에서 불리하지만, 효율성과 친환경성 측면에서 우수하다. 특히, 용융 탄산염 연료전지와 고체 산화물 연료전지는 전기뿐만 아니라 고온의 배열을 생산하기에 화력발전 플랜트와 융 · 복합할 수 있다.
연료전지 스택 부품 2025년 세계 시장은
일본 후지경제는 최근 2011년 4월부터 9월까지 고분자 전해질막 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 시장 동향을 조사해 발표했다. 세 가지 타입의 연료전지 시스템과 주요 스택 부품을 수요 5개 분야(자동차, 주택, 업무 · 산업, 마이크로 연료전지, 기타), 세계 4개 시장(일본, 아시아, 유럽, 북미) 11개국에서 조사 분석해 2025년 시장을 예측한 것이다. 그중 고분자 전해질막 연료전지, 고체 산화물 연료전지는 우리나라에서 주로 개발 · 보급하는 연료전지이기에 주목할 만하다.
전원電源을 다양화해 사회 인프라 구축에 대응하는 것은 매우 중요하며, 연료전지 도입으로 말미암은 리스크 분산은 종합적으로 사회 비용을 낮출 것이다. 연료 전지 스택 부품 시장에서 이미 일본의 몇몇 제조사가 해외 시장 개척에 적극적이다. 시장이 넓어지면, 그에 비례해 부품 가격 하락 압력도 강해지기에 제조사는 저가화에 관해 고민할 수밖에 없다. 그러한 이유로 2015년까지 공급력을 확보했지만, 그 이후 설비 투자를 결정한 제조사는 찾기 어렵다. 현재 다양한 용도로 고분자 전해질막 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 직접 메탄올 연료전지를 개발하는 중이다. 2025년 이 세 가지 타입이 연료전지 전체 시장의 85% 정도를 점하며, 연료전지 시장 확대에 중요한 역할을 할 것이다. 그중 매력적인 것이 연료전지 시장에 비례해 증가하는 추세를 보이며, 현재 세계적으로 시장을 형성한 고분자 전해질막 연료전지다. 향후 기술력을 바탕으로 산업 경쟁력을 높이려면 정책적 뒷받침이 필요하다. 고체 산화물 연료전지는 산업과 업무 분야에서 앞섰는데, 일본의 경우 주택 분야에서도 기대할 만하다. 직접 메탄올 연료전지는 차세대 모바일 전원용으로 시장이 급증할 것이다. 한편, 용융 탄산염 연료전지와 인산염 연료전지는 산업과 업무 분야에서 존재감은 크지만, 그밖에 용도로는 거의 사용하지 않는다.
일본은 고체 산화물 연료전지 시스템을 중심으로 시장을 개척하는 중이며, 특히 가정용 연료전지 시장이 급증하는 추세다. 현재 가정용에서 나아가 연료전지차를 개발하는 중이므로 고체 산화물 연료전지 시스템과 스택 시장은 향후 큰 비중을 차지할 것이다. 아시아에선 당분간 한국을 중심으로 시장을 형성하고, 중국 시장은 2020년 이후 서서히 늘어날 것이다. 한국은 일본과 유사하게 가정용 연료전지와 연료전지차의 기술 개발과 시장 확대를 목표로 고체 산화물 연료전지 개발에 주력한다. 한편, 업무용, 산업용 연료전지 시장에도 관심을 기울이기에 용융 탄산염 연료전지, 인산염 연료전지 시장도 2025년에 850억 엔으로 성장할 것으로 예측한다. 북미에선 업무용, 산업용 분야 연료전지 시스템을 도입한 가운데 2대 제조사가 용융 탄산염 연료전지와 인산염 연료전지 시장을 개척하는 중이다. 고체 산화물 연료전지도 다른 지역보다 먼저 출하했다. 고체 산화물 연료전지는 발전 효율과 저비용 면에서 잠재력이 높으며, 인산염 연료전지와 용융 탄산염 연료전지 시장에도 영향을 줄 것이다. 유럽에선 EU, 각국, 각주가 다양한 환경 시책을 검토하며, 각 시스템의 시책을 병행해 추진한다. 독일이 연료전지 시장을 이끌며, 현재 직접 메 탄올 연료전지 수요가 중심을 이루는 가운데 주택용 고체 산화물 연료전지 양산을 진행할 계획이다. 유럽의 고체 산화물 연료전지 시장은 다임슬러의 연료전지차 도입 등으로 2025년에 8,213억 엔 규모로 성장할 것이다.
우리나라는 2010년 12월 제5차 전력 수급 기본계획에서 2024년까지 연료전지 발전 설비를 660㎿ 도입하기로 했다. 또한, 서울시는 2009년 수립한 저탄소 · 녹색 성장 마스터플랜에서 2030년까지 서울시 신재생에너지의 47.6%(700㎿ 규모)를 수소 연료전지로 보급하고, 그중 600㎿를 도심형 및 분산 발전용 연료전지로 설치하기로 했다. 분산 발전용 용융 탄산염 연료전지는 2006년 남동발전이 미국 퓨얼셀에너지(FCE) 제품을 보급하기 시작해 2010년 기준으로 전국 16개소에서 약 40㎿가 안정적으로 가동 중이다.
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우리나라 연료전지 소재 · 부품 개발은 선진 기술 추격형으로 이뤄져 왔다. 이를 통해 기반 기술을 확보했으나, 선진 기술을 추월할 수 있는 핵심 원천기술은 확보하지 못한 실정이다. 전문가들은 "연료전지가 시장 경쟁력을 갖추려면 고성능화, 장수명화, 저가화 등을 이룰 수 있는 핵심 원천 기술을 확보해야한다"면서, "이를 위해 소재, 구성요소, 스택의 고성능과 장수명을 이룰 수 있는 미래 원천 기술 개발이 절실하며, 이에 대한 투자를 강화해야 한다"고 강조한다. 또한, "소재, 원재료, 부품을 대량 생산에 맞춰 적기에 공급할 수 있는 서플라이 체인도 필요하다"면서, " 이를위해소재 · 부품표준화, 원천 기술 확보, 대체 물질과 원자재 국산화 등 관련 산업을 시급히 육성해야 한다"고 덧붙인다. "특히, 소재 분야는 기술과 제품 개발에 비교적 오랜 기간이 걸리기에 장기적 안목으로 접근해야 하며, 당장 성과위주의 연구보다 정부 차원의 지원하에 산 · 학 · 연 · 관 연계 프로젝트 등을 통해 요소 기술을 개발하고, 기술 특허를 확보하며, 이를 유기적으로 연관시켜 원천 기술을 완성할 수 있는 장기적인 산업화 전략이 필요하다"고 말한다.
서울시 · 포스코 파워, 건물용 연료전지 전력 생산
서울시가 포스코파워와 함께 2012년 2월 국내 최초로 개발한 100㎾급 건물용 연료전지를 서울 서북병원과 어린이대공원에 설치하고, 도심형 친환경 에너지 생산 · 공급에 나섰다. 건물용 연료전지의 첫 설치 장소는 서북병원과 어린이 대공원으로 병원과 공원에서 필요한 전력의 약 10%를 생산 · 공급하며, 전기와 함께 생산하는 열은 병원의 급탕 시설과 공원의 난방 열풍기를 가동하는 데 사용한다. 서울시는 건물용 연료전지를 가동함으로써 연간 1억 원 이상 에너지 비용을 절감하고, CO2 배출 저감 등 친환경 효과를 기대했다. 연료전지 개발 프로젝트는 도심지 내 친환경 건물 확산을 위한 서울시 추진 사업의 일환으로 제품 사이즈가 5평(가로 2.6m X 세로 6.4m) 이내로 여타 신재생에너지 대비 공간 집약적이며, 갑작스러운 도심 정전 사태에도 효과적으로 대처하도록 24시간 365일 상시 발전한다. 서울시는 건물용 연료전지 공급이 일반 건물은 물론 안정적인 전력 공급이 필요한 인터넷 데이터센터, 방송국, 공항 등 특수 건물과 전력 사용량이 많은 초고층 상업 건물까지 늘어날 것으로 전망했다. 서울시는 저탄소 · 녹색 성장 정책의 일환으로 도심지 친환경 건물 확산을 위해 대형 건물과 초고층 건물 에너지 사용량의 각각 4%, 6%를 신재생에너지를 통해 이용하도록 친환경 제도를 강화했다. 발전용 연료전지는 서울 상암동 월드컵공원을 비롯해 18개 지역에서 가동 중이다.
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