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국내 건물용 SOFC 기술, 발전용으로 거듭난다

블룸에너지 등 해외 기술에 대응 가능한 발전용 SOFC 개발 필요
‘발전용 확장 가능한 고효율 모듈형 SOFC 시스템 개발’ 과제 착수
20kW 소용량 시스템 先 개발 후 150kW급 이상으로 확대 예정


[월간수소경제 이종수 기자] 수소경제 활성화 로드맵 등의 정책적 지원과 맞물려 연료전지를 활용한 분산발전용 시장이  2018년 308MW(41개소)에서 2022년 1.5GW(내수 1GW), 2040년 15GW(내수 8GW) 규모로 지속적인 성장이 예상된다. 


또한 그동안 국내외 연료전지 시장이 1세대 PEMFC(고분자전해질 연료전지) 및 PAFC(인산형 연료전지), 2세대 MCFC(용융탄산염 연료전지)가 보급됐는데, 국내에서도 3세대로 불리는 SOFC의 시장 진입이 본격화될 전망이다. 


정부는 올해 안으로 관계부처와 공동으로 ‘수소 기술개발 로드맵’을 수립해 SOFC 등 연료전지의 기술 국산화를 적극 지원할 계획이다. 국내 기업들이 PAFC, MCFC, SOFC 등 다양한 유형의 연료전지 기술을 확보해 설치 환경에 맞춰 보급을 확대해 나갈 수 있도록 하겠다는 것이다.


특히 국내 발전용 연료전지 시장에서의 미국 SOFC 전문기업 블룸에너지의 등장이 비상한 관심을 모으고 있다. 이러한 외국 기술에 대응할 수 있는 ‘발전용 확장이 가능한 SOFC 국산화 개발’ 국책과제가 본격적으로 시작돼 관심이 모아진다.           

 

국내외 SOFC 기술개발 현황
SOFC는 고온형(작동온도: 600~1,000℃) 연료전지로, 전해질로는 전도성 세라믹을 사용한다. 수소·도시가스·바이오가스 등 다양한 연료사용이 가능해 차세대 연료전지로 평가된다.


SOFC는 타 연료전지 대비 발전 효율(45~60%)이 높아 최근 각국에서 가정·건물용, 발전용으로 이용하기 위한 연구가 활발하게 진행 중이고, 이미 미국과 일본, 유럽을 중심으로 상용화하기 시작했다.




이미 일본과 한국 시장에 진출한 블룸에너지는 200~300kW급 SOFC시스템을 생산하고 있으며, 이 제품은 미국을 중심으로 350MW(누적_2018년 말 기준)가 설치됐다.


일본의 교세라는 지난 2017년 3kW 건물용 SOFC 시스템의 상용화를 개시했다. 후지전기는 50kW급 업무용 SOFC 시스템을 개발하는 데 성공하고 지난해 실증 평가를 마쳤다.


미우라는 영국 SOFC 연료전지 기업 Ceres Power와 협력해 4.2kW급 SOFC 시스템을 개발하고 올해 10월 출시할 계획이다. 도쿄가스는 5kW급, 히타치조선은 20kW급 SOFC 시스템 개발을 각각 완료한 것으로 알려졌다.


미쓰비시 히타치파워시스템즈(MHPS)는 지난 2017년 250kW급 SOFC-가스터빈 복합시스템의 실증을 마치고 상용화를 추진하고 있다. 국내 기업과의 연료전지 사업제휴를 통해 한국 시장 진출을 협의 중인 것으로 전해지고 있다. 


유럽에서는 이탈리아의 솔리드파워가 대표적이다. 1.5kW, 6kW급 SOFC를 공급하고 있는 솔리드파워도 한국 시장 진출을 추진하고 있다. 국내 연료전지 기업 에프씨아이와 손잡고 대전에 50MW 규모의 연료전지 생산공장을 설립할 계획이다.


국내에서는 STX중공업이 자체 기술로 개발한 1kW급 SOFC 시스템(상표명: encube), 미코가 2kW급 SOFC 시스템(상표명: TUCY)에 대해 한국가스안전공사의 가스기기 인증(KGS AB934)을 각각 획득하고, 2018년 하반기 에너지기술개발사업인 ‘kW급 건물용 고체산화물 연료전지 실용화 기술개발’ 과제로 실증을 진행 중이다.




경동나비엔은 700~750W급, 에이치앤파워는 3kW급, 피앤피에너지텍은 1kW급 SOFC 시스템 각각 개발해 시장 진입을 준비하고 있다.


현재 가정·건물용 PEMFC(20㎾ 이하)와 발전용 PAFC(440㎾)를 공급하고 있는 두산은 영국 연료전지 기술업체인 세레스파워(Ceres Power)사와 5~20㎾ 규모의 건물용 SOFC 공동개발을 추진하고 있다.


발전용 확장 가능한 SOFC 개발 착수
이처럼 국내외 SOFC 시장의 움직임이 활발한 가운데 이미 국내 발전용 연료전지 시장에 진입한 미국 블룸에너지의 SOFC 기술에 대응할 수 있는 발전용 SOFC 국산화 개발이 시급한 현안으로 떠올랐다.


블룸에너지는 SK건설과 손잡고 지난 2017년 12월 분당 복합화력발전소 내에 국내 최초로 8.3MW 규모의 SOFC 발전설비 구축을 완료한 데 이어 중부발전과는 6MW, KT와는 2곳(각 0.9MW)에 총 1.8MW 규모로 연료전지 발전설비를 구축할 예정에 있는 등 블룸에너지의 돌풍이 이어지고 있다.    


정부는 국산 분산발전용 SOFC 기술의 확보를 위한 적극적인 의지를 표명했으며, 수소경제 활성화 로드맵, 이노베이션 로드맵 등을 통해 기술개발 방향을 제시한 바 있다. 발전용 SOFC 시스템의 개발을 위해서는 현재 국내 기술 수준을 고려해 소용량 시스템의 개발이 선행되어야 할 필요가 있다는 지적이다.


이에 따라 향후 발전용으로 확장이 가능한 구조의 고효율 모듈형 SOFC 시스템 개발을 통해 국내 분산발전용 시장의 조기 대응 능력 확보가 시급한 상황이다.




산업통상자원부는 ‘2019년도 신재생에너지기술개발사업 신규지원 대상 과제’ 중 하나로 ‘발전용 확장이 가능한 고효율 모듈형 SOFC 시스템 개발’을 선정했다. 이번 과제는 주관기관인 에이치앤파워가 지난달 14일 착수회의를 개최하면서부터 본격적으로 시작됐다.  


이번 연구는 150kW급 이상의 분산발전용으로 확장이 가능한 고효율 모듈형 SOFC 시스템을 개발하는 것이 목표다. 이를 위해 우선 20kW 규모의 모듈을 개발할 예정이다. 사업 기간은 오는 2022년 12월까지다.


발전용으로 확장이 가능한 모듈형 SOFC 시스템은 향후 복수 연결(Numbering-up)이 가능한 Hot box 1기와 용량 확대(Scale-up)가 가능한 Cold box 1기로 구성된다.


시스템 개발에는 고신뢰성 고효율 단위 스택 기술과 소용량 단위 스택을 직·병렬로 연결하는 모듈화 기술개발을 포함한다. 대용량 확장 및 용이한 유지보수를 위한 기술 및 전략도 제시하게 된다. 


Hot box는 스택, 열교환기, 개질기, 연료재순환 송풍기 등 고온용 부품으로 구성되며, 에너지 고효율 구현을 위한 고온용 연료재순환 기술의 국산화가 필요하다.


Cold box는 수처리기, 기체 송풍기 및 EBOP로 구성되며, 최적의 운전 로직 개발을 위한 단위 스택 데이터의 모니터링 및 제어 기술을 개발하게 된다.


이번 과제에는 주관기관인 에이치앤파워와 함께 △대우조선해양 △비에이치아이 △케이세라셀 △황해전기 △한국과학기술연구원(KIST) △KAIST(한국과학기술원) △한국생산기술연구원 △연세대학교 △경북대학교가 참여한다.


에이치앤파워는 사업 기간 중 20㎾급 SOFC 시스템을 먼저 개발하고, 이를 기반으로 150㎾급으로 확대할 예정이다. 1차년도에는 한전 전력연구원과 공동개발한 시스템기술을 활용해 3㎾급 시스템을 제작해 한국가스안전공사로부터 가스기기인증을 획득할 계획이다. 


케이세라셀은 KAIST, 연세대, 경북대와 함께 스택을 개발한다. 여기서 KAIST는 분리판 설계 및 전산해석, 연세대는 스택 열화율 평가, KIST는 숏스택 성능시험 평가, 경북대는 코팅기술 개발을 각각 맡았다.


황해전기는 한국생산기술연구원(송풍기 설계)과 함께 연료재순환 송풍기를 개발한다. 대우조선해양은 시험부지 확보와 신뢰성 평가, 비에이치아이는 설계안 확보(≥150kW)를 각각 담당한다.


정량적 기술목표를 보면 시스템 용량은 1차년도 3kW를 시작으로 6kW, 10kW, 20kW로 확대할 계획이다. 최종 4차년도에 20㎾급 시스템을 대우조선해양 연구소 부지에 설치해 실증을 진행할 예정이다.


시스템 효율은 1차년도 48% 이상에서 최종 59% 이상을 달성한다는 목표다. 단위 스택 출력은 1차년도 0.16kW에서 출발해 최종 1.5kW 이상으로 확대하고, 단위 스택 효율은 최종 60% 이상을 달성할 계획이다. 연료재순환 송풍기 소비전력은 3kW급은 180~200W, 10kW급은 600~670W로 개발한다는 목표다.  


사업 기간 중 누적발전량 총 3만9,000kWh를 달성해 내구성과 신뢰성을 확보한다는 계획이다.  


강인용 에이치앤파워 대표는 “SOFC 시스템은 최근 전 세계적으로 고효율 분산발전원으로써 주목받고 있는 발전원 중 하나인 상황에서 건물용 SOFC가 발전용 시장에도 진출할 수 있도록 주관기관으로서 성공적인 기술개발을 위해 최선의 노력을 다하겠다”고 밝혔다.




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