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SOFC 기술확보에 글로벌 각축전…우리 정부 뭐하나

일본·유럽·미국, 시장 확산 속도 빨라…정부 지원이 보급 촉진
국내기업, 2018년 출시 목표…인증체제·실증사업 마련 급해

[월간수소경제] 최근 환경과 건강에 대한 관심이 고조되면서 미세먼지와 이산화탄소 문제가 일상의 이슈로 등장했다. 휴대폰 어플리케이션을 이용해 그날의 미세먼지를 체크하고 자동차 구매 시에도 이산화탄소 배출량을 고민한다. 정부 역시 정책으로 분위기를 이끌고 있다. 대표적인 것이 원자력과 화력발전의 감축 또는 신규 건설 억제정책이다. 대안으로 신재생에너지를 확대하는 것이 현 정부의 기조다. 이미 ‘신재생에너지3020’ 이라는 정책을 천명했다.

이에 따라 다양한 신재쟁에너지 분야 중에서도 어떤 발전원이 중심이 될 것인지에 민간의 부담은 달라지겠지만 LNG 기반 전력을 기존 발전원과 신재생에너지 발전원의 버퍼(buffer) 역할을 부여한다면 갑작스런 전력 수급 대란이나 급격한 에너지 비용 분담이 발생하지는 않을 것으로 예상된다.

여기에서 생각해볼 부분이 있다. 2030년까지 총 전력 생산량의 20% 이상을 신재생에너지로 감당한다고 한다. 그러나 현재 재생에너지원의 대부분은 전력변환효율과 에너지이용률이 10% 수준으로 매우 낮다. 비록 R&D 투자와 연구를 통해 지속적으로 개선하고 있다고는 하지만 분명한 한계가 존재한다. 특히 이용률의 경우 기술진보로 높일 수 있는 영역이 아니다.

설비용량 대비 전력생산량이 매우 낮고 불규칙한 전력생산도 큰 문제다. 많은 전문가들이 재생에너지만으로 20% 달성이라는 목표가 쉽지 않을 것이라고 우려하는 이유이다. 결국 현재의 재생에너지원을 설치·운영하기 위해서는 넓은 면적이 요구되고 발전량 대비 과다한 설비용량을 확충해야 될 뿐만 아니라 한전에서 요구하는 안정적 전력 공급과 간헐 발전으로 인한 낮은 이용률의 단점을 해소하기 위해서는 ESS(에너지저장장치)가 동반되어야만 한다. 물론 ESS의 경우에도 저장량이나 구축 비용 등의 어려움을 지니고 있어 쉽지만은 않은 문제다.

그러나 우려를 불식해 줄 에너지원이 존재한다. 바로 연료전지 시스템이다. 연료전지는 미세먼지와 이산화탄소 저감에 탁월한 친환경 에너지생산 장치로 기술 및 사업적 가치가 크다. 연료전지 시스템의 전력변환효율은 최소 40%대에서 최대 60%를 상회한다. 

정격 및 상시 운전이 가능하기 때문에 90% 이상의 이용률을 보인다. 탈원전과 탈석탄으로 인한 전력 생산 공백을 신재생에너지원으로 대체할 수 있는지에 대한 우려를 불식시킬 수 있는 기술이 바로 연료전지인 것이다.

친환경성, 전력변환효율, 이용률 등을 고려하면 연료전지는 가장 강력한 미래 에너지원이지만 생산단가 등 경제성이나 기술 성숙도 등 현실적인 면에서 일부 부족하다는 평가도 있는 것이 사실이다. 그럼에도 연료전지는 탁월하다. 기존의 발전시스템은 여러 가지 에너지 변환 과정과 송전 과정에서 많은 에너지 손실이 발생하지만 연료전지 시스템은 원료의 화학 에너지를 전기화학적 반응을 통해 전력을 생산한 후 곧바로 수요처에 공급할 수 있기 때문에 불필요한 에너지 손실을 최소화할 수 있다.

정리하면 연료전지는 미세먼지와 같은 환경문제 해결, 안정적인 전력 공급, 대형 발전소 등에 대한 님비(Nimby) 해소와 도심형 분산발전에 대한 니즈 등 국내 환경 및 산업 생태계 등을 감안할 때 가장 적합한 에너지원이라 할 수 있다. 



SOFC, 차세대 연료전지 기술로 각광…효율·융합 뛰어나
연료전지는 전해질의 종류에 따라 여러 기술이 존재한다. 이 가운데 고체산화물연료전지(이하 SOFC) 시스템은 발전효율이 50% 이상으로 타 연료전지 기술 대비 가장 우수하고 이산화탄소 발생을 40% 이상 저감하므로 매우 유용한 친환경 전력생산 시스템이다. 또한 출력 대역도 수W부터 수백kW까지 넓게 구현할 수 있기 때문에 가정용부터 발전용, 최근에는 자동차 및 선박용까지 응용 영역을 확대하는 등 차세대 연료전지로서 각광받고 있다.

특히 고효율, 고이용률, 작은 설치 면적, 넓은 출력 대역 이외에도 기존의 연소형 발전시스템에서부터 재생에너지 시스템까지 모두 융합이 가능해 고성능의 새로운 에너지 Application을 만들 수 있다는 것은 매우 큰 장점이다.

이러한 이유로 선진국에서는 앞서 연료전지 기술개발에 나서고 있으며 특히 SOFC 기술의 높은 에너지변환효율과 응용성에 관심을 두고 다양한 기술개발을 추진해 왔다.

SOFC기술이 중요한 분산전원으로 인식되고 있지만 시장은 여전히 높은 기술 수준 대비 낮은 가격을 요구하고 있는 만큼 이러한 기대를 만족할 수 있는 지가 여전히 숙제로 남아 있다. 그럼에도 장치의 융합을 통한 고성능화 및 대용량화가 가능한 잇점을 활용해 가스터빈, 가스엔진, 석탄화력, 바이오에너지 등을 융합한 새로운 에너지 Application 기술개발 시도가 이뤄지고 있어 기대를 갖게 한다. 



일본, 올해 SOFC 원년 선포…시장 재편 가속화
언급된 SOFC의 장점으로 인해 미국, 유럽, 일본에서는 오랜 기간 관련기술 개발이 추진돼 왔다. 일본, 유럽은 기술적 완성도가 높고 시장 진입에 유리한 소형 열병합 발전(Micro CHP, Combined Heat and Power) 시스템 위주로 개발해 상용 제품을 실증 및 판매하고 있다.

미국은 석탄과 연계한 고출력 발전의 대안으로 보고 DOE(Department of Energy)의 SECA(Solid State Energy Conversion Alliance) 프로그램을 통해 대용량 위주의 장기적인 연구개발을 진행해 발전용 SOFC 시스템의 누적 설치용량 면에서는 세계 최고의 시장 점유율을 보이고 있다.

가정용 연료전지 분야는 일본이 선도하고 있다. 2017년 9월 현재 약 21만 대의 가정용연료전지 시스템을 설치했다. 세계 최대 규모다. 특히 올해를 SOFC 원년으로 삼고 관련기술의 빠른 성장을 적극 소개하는 분위기다.

관련기술을 보유한 기업으로는 지난해 첫 가정용연료전지 시장에 뛰어든 후 2만 대를 설치한 아이신(Aisin)이 대표적이다. 또 올해 교세라(Kyocera)와 MHPS(Mitsubishi Hitachi Power Systems)가 각각 3kW급 건물용, 250kW급 발전용 시스템을 출시했다. 이 외에도 미우라(Miura), 덴소(Denso), 히타치(Hitachi Chosen)는 현재 관련 제품을 실증하고 있으며 올 연말 또는 내년 초 출시를 예정하고 있다.

출시된 상용 시스템의 전력변환효율은 대략 48~52%에 이른다. 보증기간도 10년 이상이다. 이 모두가 일본 정부의 Ene-Farm 사업을 통해 도출된 결과들로서 그 기술성뿐만 아니라 수십 년에 걸친 일본 정부의 체계적이고 적극적인 지원·성과 관리가 돋보인다. 그 중에서도 MHPS의 250kW 모델 개발에 최소 3,000억원(누적) 이상 정부 지원금이 투입된 것은 놀랍다. 과학기술인의 한 사람으로서 단일 연구 테마에 장기간 투자가 이어졌다는 사실에 부러움이 앞서고 기업인의 입장에서도 상업성 있는 제품을 만들기 위한 끈기와 집념에 박수를 보내고 싶다.

이러한 노력과 지원으로 일본의 가정용연료전지 시장은 SOFC 기술로 인해 재편되고 있다는 시각이 지배적이다.  우리는 일본의 사례를 통해 정부가 R&D 테마와 로드맵을 어떤 철학으로, 어떻게 설정하고 실현해 가는 지를 배워야 할 필요가 있다. 그들은 로드맵에서 설정한 계획대비 성과가 지체되면 기꺼이 투자비를 늘리거나 필요한 정책 또는 규제를 개선해 로드맵에 맞는 결과를 도출하기 위한 노력을 경주하고 있다.  



유럽, Ene-Field 1단계 실증사업 완료
유럽을 살펴보자. SOFC 업체로는 헤시스(Hexis), 바일란트(Vailant), 엘코젠(Elcogen), 솔리드파워(Solid Power), 세레즈(Ceres), 선파이어(Sunfire) 등이 있다. 지난 10월 1단계 Ene-Field 사업을 통해 12개의 기관이 참여해 약 1,000대의 건물용 연료전지 실증을 성공적으로 완료하고 2단계 사업을 추진하고 있다. 최근에 참여희망 기관과 기업 선정을 끝낸 것으로 전해졌다. 

유럽은 선진국들이 다수 포진해 있고 특히 북유럽은 기후특성상 최적의 열병합발전시스템 소비처가 될 수 있다. 우리나라 대비 3~5배에 이르는 개인당 전력 및 열을 소비하고 전력요금이 가스요금 대비 훨씬 높아 시장환경이 상당히 우호적으로 평가된다. 연료전지 열병합발전시스템이 확산될 수 있는 여건이라 할 수 있다.

이러한 특성으로 일본은 일찍부터 유럽에 주목했다. 일본 SOFC 기업들은 유럽의 기업 또는 기관과 합작·제휴 형태를 추진해 일정 이상의 성과를 이끌고 있는 것으로 알려졌다. 반면 유럽의 관련기업은 국내 신재생에너지 정책과 REC와 같은 인센티브를 긍정적으로 평가해 국내기업과의 제휴·합작에 관심을 보이고 있다는 점도 흥미를 끈다.

미국, 중대형급 분산전원으로 SOFC 적극 활용
미국을 포함한 북미 지역에서는 가정용 수요보다는 지형적 이유로 인해 중대형급 분산발전원에 대한 요구가 많다. 우선 빼놓을 수 없는 대표적인 기업으로 블룸에너지(Bloom Energy)가 있다. 2001년에 설립된 이 회사는 2006년 Tennessee 대학교 내 5kW급 시스템 실증을 거쳐 2008년 100kW급 상용시스템을 구글에 납품 설치한데 이어 월마트, AT&T 등 ‘Fortune 500’에 속해 있는 기업에 납품을 진행해 세계에서 가장 많은 SOFC 시스템 설치량을 확보하고 있다. 2015년 상반기 누적기준으로 약 150MW 정도를 설치했다.

최근에는 바이오가스 모델을 출시해 그 영역을 더욱 넓혀가고 있고 2022년까지 글로벌 연료전지시장에서 400억 달러 보급을 목표로 사업화를 진행 중에 있다.

LG 퓨얼셀시스템즈의 미국 법인은 세그먼트형 SOFC와 마이크로 터빈을 조합한 250kW급 연료전지 복합발전시스템을 개발해 실증에 나서 조만간 시장출시가 예상된다. 이와 유사한 모델로 금속지지체형 SOFC와 가스엔진을 융합해 전력변환효율 65%, 전체 에너지효율 90%의 복합발전시스템을 개발하고 있는 기업이 제너럴 일렉트릭(General Electric)이다.

이 회사는 이 외에도 고효율 화력발전 기술인 석탄가스화 복합발전(IGCC)의 차세대 기술인 석탄가스화 연료전지(IGFC)에도 높은 관심을 보인다. 이 기술은 기존 석탄가스화 복합발전과 SOFC를 응용해 효율을 높이고 온실가스 배출을 억제할 수 있는 시스템으로 향후 MW급 분산발전용 기술로 기대되고 있으며 미국 정부도 2020년 이후 상용화를 목표로 적극 지원하고 있다.
 


국내 SOFC 업계, 2018년 제품 출시 목표
국내의 SOFC 분야는 연구기관을 중심으로 시작됐다. 1980년대부터 한국과학기술원을 필두로 한국에너지기술연구원, 한국전력 전력연구원, 한국세라믹기술원, 재료연구소까지 다양한 연구기관에서 기술개발을 진행하고 있다. 서울대와 한양대, 고려대, 성균관대, 전북대, 전남대, 울산대, 포항공대, 영남대, KAIST, DGIST 등 학계에서도 꾸준한 관심을 보이고 있다.

국내 건물용 SOFC 업계는 기술 개발 및 사업 성장, 원가 절감, 이윤 창출 등 다양한 상업적 공동 목표를 달성하기 위해 2015년 8월 ‘SOFC 산업화 포럼’을 발족한 바 있다. 현재 정회원은 18개 기업이 가입돼 있으며 한전 전력연구원, 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원이 자문기관으로 참여해 SOFC의 신속한 산업화와 산업 저변의 확대, 업계의 사업적 성장 및 기술력 향상을 위해 협력하고 있다.

정회원사는 STX중공업(회장사), 경동나비엔, 미코, 유니온머티리얼, 한국광유, 케이세라셀, 지필로스, H&Power, 푸른기술, 한중엔시에스, 알란텀, LTC, EG, P&P Enertech, 신넥엔테크, 한글라스, DMT, 삼전순약공업 등이다.

국내 건물용 SOFC 시스템 제조사는 STX중공업, 경동나비엔, 미코 등이며 STX중공업은 1kW급 평관형 시스템, 경동나비엔은 700W급 평판형 시스템, 미코는 2kW급 평판형 시스템을 각각 제품군으로 해 2018년 또는 2019년 제품 출시를 준비하고 있다.

특히 STX중공업은 이들 업체 가운데 가장 먼저 한국가스안전공사에 가스용품 인증을 신청했으며 조만간 제품이 출시될 것으로 기대하고 있다. 현재까지 최고 성능은 전기출력 1.2kW, 전력변환효율 47.3% 및 종합효율 86.2%를 기록해 국내 최고의 전력변환효율을 달성한 바 있다.

정부, SOFC 인증체제 마련 서둘러야
국내 관련시장이 형성되고 성장하기 위해서는 가장 먼저 경쟁력을 확보한 제품 출시 노력이 필요하겠지만 앞서 일본과 같은 정부의 지원과 정책이 매우 중요하다.

인증제도를 살펴보자. 국내에는 SOFC에 대한 ‘KS 인증’이 제정돼 있지 않다. 제품이 개발되더라도 정부 보급사업에 참여할 수 없다. 인증을 전제하고 있기 때문이다. 정부는 현재 인증기준 마련을 위해 용역을 진행 중이다. 그러나 좀 더 적극적일 필요가 있다.

STX중공업이 가장 먼저 인증 준비에 나선만큼 이 회사의 준비상황을 체크하면 국내 실정이 한눈에 보인다. 정부가 추진 중인 용역은 내년 5월에 종료된다. 이후 바로 인증을 받을 수 있는 것도 아니다. 다음 단계가 국가기술표준원의 심의와 인증기관 선정 등 몇 단계가 남아 있다.

이 같은 상황을 고려하면 STX중공업이 가스안전공사의 가스용품 인증을 받더라도 정부의 ‘KS 인증’은 언제쯤 받을 수 있을 지조차 기대할 수 없다. 현재 연료전지 시스템은 제조단가가 높아 정부 보급사업에 참여하지 않고서는 시장 판매가 거의 불가능하다. 이런 상황에서 보급사업에 참여할 수 있는 ‘KS 인증’을 받지 못한다면 오랜 기간 연구개발한 제품의 생명이 어찌될지 모를 일이다. 

앞서 언급했지만 국내 SOFC 업계는 2019~2020년 양산체제를 구축할 계획이다. 현재 인증 일정을 고려하면 2018년 5월 표준(안)이 도출되고 국가기술표준원 심의를 거쳐 연말 KS표준규격이 마련돼야 업계의 계획을 추진할 수 있다. 혹여 2019년 5월 이후로 일정이 늦어지면 상업화 지연으로 인해 개발 제품이 사장될 우려가 높다. 이뿐만이 아니다. 국내 REC 등 신재생에너지 정책을 우호적으로 바라보고 있는 해외 기업에 국내시장을 통째로 넘겨줄 수도 있다.

이러한 이유로 SOFC 업계는 올해 연말까지 KS표준규격(안)을 도출하고 공청회 등을 거쳐 인증 과정을 신속히 마무리 할 것을 꾸준히 요구하고 있다. 또한 표준규격이 마련되는 동시에 보급이 진행될 수 있도록 일본의 Ene-Farm, 유럽의 Ene-Field와 같이 국내 SOFC에 대한 실증 보급사업 등 필드테스트사업을 마련해 줄 것을 정부에 강력히 촉구하고 싶다.

국내 전반적인 SOFC 기술 수준이 유럽과는 대등한 단계에 도달했다고 자평하지만 일본과 비교하면 직접적으로 경쟁할 수 있는 수준이 아니다. 그러나 정부의 체계적인 전략과 지속적인 투자, 그리고 기업의 노력이 함께 어우러진다면 향후 글로벌 경쟁에서 충분히 경합할 수 있을 것으로 자신한다.

결론적으로 신재생에너지 3020 정책에 부합하고 향후 미래먹거리로서 가능성이 높은 SOFC기술의 경쟁력 확보를 위해 정부는 조속히 인증체계를 마련하고 필드테스트 등의 실증사업 계획을 구체화해야 한다. 국내 취약 산업 중 하나인 에너지 산업에 있어 국내는 물론 글로벌 경쟁력을 갖출 수 있는 연료전지, 특히 성장성이 가장 높은 SOFC의 미래를 정부와 업계가 함께 만들어 나가기를 기대한다. 



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