[월간수소경제 성재경 기자] 영국의 글로벌 시장 조사기관인 IDTechEx가 지난 4월 ‘고체산화물 연료전지(SOFC) 2023~2033년: 기술, 응용 분야와 시장 전망’이라는 보고서를 펴냈다. 올해부터 향후 10년간 SOFC 시장의 성장 전망을 예측한 보고서다.
결론부터 말하면 매우 긍정적이다. 연평균 25.1%의 성장율을 기록해 2033년에는 68억 달러(9조 원)에 이르는 시장을 형성할 것으로 예측했다.
SOFC의 가장 큰 장점은 높은 발전효율과 연료의 유연성에 있다. 천연가스, 바이오가스, 수소, 암모니아, e퓨얼 등 무공해·저탄소 연료에 유연하게 대응한다. 개질 반응에서 발생하는 일산화탄소와 미분해 탄화수소까지 연료로 쓸 수 있어 안정성이 높기 때문이다. 이러한 장점을 살려 분산발전, LNG선박, 데이터센터나 병원의 비상전원 등 다양한 곳에 널리 활용할 수 있다.
미코파워, 발전효율 63.3% 달성
지난 8월 미코파워의 8kW SOFC 시스템이 한국가스안전공사 설계단계 검사에서 63.3%의 효율로 합격했다. 발전효율 63.3%는 국내 최고 공인 성적이다. 지난 6월 57.78%로 국내 연료전지 최고 효율을 경신한 데 이어 두 달 만에 얻은 성과다.
미코파워의 고효율 SOFC는 지난 9월에 열린 ‘H2 MEET 2023’에서 최고 혁신기술에 선정되기도 했다.
미코파워는 이번 고효율 모델에 AOGR(Anode Off-Gas Recycling) 기술을 적용했다. AOGR은 공정상에서 나오는 오프가스를 재순환시키는 기술을 말한다. 공급된 연료는 운전모드에 따라 스택에서 70~80%가 사용되는데, 이 중 일부를 순환시켜 연료전지 스택에 재공급할 수 있다.
“발전용 연료전지 시장에 진입한 SOFC 선진사가 모두 채택하고 있는 기술이다. 수증기 개질 반응을 위한 스팀 생산에 오프가스를 재사용하거나 추가 공급에 필요한 연료 사용량을 줄이는 식으로 시스템 효율을 높이게 된다”는 것이 미코파워 시스템개발실 이신구 부소장의 설명이다.
‘발전효율 60% 달성’은 야구로 치면 ‘직구 구속 150km 달성’ 같은 상징성이 있다. 메이저리그에 도전하는 투수라면 이 정도 구속은 나와야 한다는 암묵의 기준 같은 것이다. 60%는 돼야 블룸에너지, 교세라 같은 글로벌 기업에 도전장을 낼 수 있다고 본다.
다만 미코파워가 아직 ‘빅 리그’를 경험한 건 아니다. 트리플에이 투수가 메이저리그 더그아웃에서 몸을 풀 정도가 되려면 넘어야 할 산이 많다. 인증을 받기 위해 만든 시제품과 공장의 양산라인에서 나온 제품은 엄연한 차이가 있다.
양산 시기와 규모를 놓고 보면 두산퓨얼셀이 미코파워보다 한 발 앞서 있다. 두산퓨얼셀은 올해 완공을 목표로 전북 군산 새만금산업단지에 50MW 규모의 SOFC 공장을 짓고 있다. 건물은 다 섰고 현재 생산설비를 반입하는 단계다.
두산퓨얼셀의 관계자는 “60kW 스택 5개를 병렬로 묶어서 300kW급 SOFC 시스템을 개발했다. 조만간 대전에 있는 한수원 중앙연구원(그린수소 실증연구센터)에 설치해서 실증에 나설 예정”이라고 한다.
두산퓨얼셀은 미코파워와 달리 SOFC 스택을 자체 개발하지 않는다. 지난 2020년 10월 영국의 세레스파워(Ceres Power)와 기술 도입 계약을 맺고 ‘한국형 고효율 SOFC’ 개발에 매진해왔다.
참고로 독일의 보쉬도 지난 2018년 세레스파워의 연료전지 기술을 채택해 SOFC 시스템을 개발해왔다. 밤베르크, 홈부르크, 잘츠기터 등 독일 내 보쉬 공장에 설치해서 운영하고 있고, 최근에는 쾰른 인근에 있는 에어켈렌츠의 헤르만 요제프 병원에 100kW 시스템을 설치하고 전기와 열을 함께 쓰는 실증에 들어갔다.
한편, 두산퓨얼셀이 300kW급 시스템을 개발한 것은 블룸SK퓨얼셀을 의식한 행보로 볼 수 있다. 블룸에너지의 SOFC 주기기인 에너지서버가 300kW에 맞춰져 있기 때문이다.
국내 발전용 연료전지 시장의 성장은 신재생에너지공급의무화(RPS) 제도에 따른 신재생에너지공급인증서(REC) 덕을 톡톡히 봤다. 발전 공기업을 중심으로 한 발전사업자들이 연료전지 설치에 경쟁적으로 나서면서 세계 1위의 ‘발전용 연료전지 시장’이 만들어졌다.
PAFC(용융탄산염 연료전지)로 국내 발전시장을 주도해온 두산퓨얼셀은 블룸SK퓨얼셀의 등장에 큰 위기를 느꼈다. 이를 타개하기 위해 세레스파워와 손을 잡고 SOFC 시장 진출을 선언했다.
세레스파워의 스택은 800℃ 이상 고온에서 작동하는 블룸에너지의 SOFC보다 200℃가량 낮은 620℃에서 작동한다. 낮은 온도로 작동하면서 60%대 효율을 보인다면 충분한 경쟁력이 있다.
세레스파워는 세라믹 구조를 채택한 다른 회사들과 달리 금속분리판을 셀 지지체로 쓴다. 금속지지체를 연료극에 활용해 세라믹보다 두께를 얇게 가면서 기계적인 강도와 밀봉 효율을 높인 것이 특징이다.
“높은 작동 온도로 인해 SOFC에서 극복해야 할 가장 중요한 과제 중 하나는 운전 중 응력(Stress)을 제한하기 위해 인접한 구성 요소의 열팽창 계수를 일치시키는 것이다. 세라믹 전해질의 일반적인 재료로 YSZ(Y2O3 stabilized ZrO2, 이트리아 안정화 지르코니아)를 쓰지만, 세리아(CeO2, 산화세륨) 기반의 금속지지체형 셀이 대안이 등장하면서 작동 온도를 낮추고 성능 저하를 억제했다”는 것이 IDTechEx 보고서의 평가다.
실제로 세리아 전해질이 일반적인 YSZ 전해질 대비 이온전도도가 높아 작동 온도를 낮추는 데 유리하다고 한다. 다만 650℃ 이하에서만 사용이 가능해 전해질 지지형 셀 같은 분야에는 사용이 어렵다.
케이세라셀의 임경태 대표는 “세리아 전해질이 실제로 상용 제품에 적용된 예는 세레스파워의 금속 지지형 셀에 국한된다”며 “세레스의 셀이 금속 지지형이라 세라믹 셀 대비 유연하다. 급속 시동도 어느 정도 가능한 것으로 안다”고 말했다.
ESC 셀 적용한 ‘블룸에너지’
국내를 대표하는 SOFC 소재·부품 기업인 케이세라셀의 임경태 대표는 최근 SOFC 업계의 분위기를 두고 이렇게 말했다.
“소재 회사에서 소재를 사 와서 셀·스택·시스템을 모두 일괄 생산하는 곳이 있고, 외부에서 스택만 공급받아서 시스템을 제작하는 곳이 있죠. 사업구조를 보면 크게 이 두 부류로 나뉩니다. 하지만 최근에는 외부에서 셀을 공급받아서 스택과 시스템을 생산하는 구조를 채택한 회사들이 늘고 있죠.”
SOFC 셀은 기술진입 장벽이 매우 높다. 셀 제작공정은 기본적으로 도자기 굽는 도공의 작업을 꼭 닮았다. 고온에서 셀을 굽는 과정을 눈으로 확인할 수 없어 이를 정교하게 제어하기가 어렵다.
SOFC용 셀은 크게 전해질 지지형 셀(ESC, Electrolyte Supported Cells)과 연료극 지지형 셀(ASC, Anode Supported Cells)로 나뉜다. 블룸에너지는 ESC 셀, 미코파워는 ASC 셀을 쓴다.
ESC는 가장 저항이 큰 전해질의 두께가 150μm(마이크로미터) 정도로 두꺼운 편이라 저항을 줄이기 위해 850℃ 이상 고온에서 작동해야 하는 단점이 있지만, 상대적으로 연료극의 두께가 얇아 연료 이용률이 높고 시스템의 효율을 높이는 데도 유리하다.
하지만 최근 중저온에서 구동되는 ASC 기술이 크게 발전하면서 ESC 못지않은 경쟁력을 갖춰가고 있다. 2000년까지 최대 출력밀도가 1W/㎠를 넘지 못했던 ASC가 최근 3W/㎠에 근접하는 높은 성능을 보이고 있다.
“출력밀도 향상의 핵심 기술로 두 가지를 들 수 있어요. 먼저 전해질 박막화를 통한 셀 저항 감소입니다. ASC 전해질 두께 같은 경우 10μm 전후의 후막에서 2~3μm 정도로 박막화가 이뤄졌어요. 최대 5분의 1까지 두께를 줄였다고 보시면 됩니다. 두 번째로는 양극에 고성능 공기극(MIEC, Mixed Ionic & Electronic Conductor)을 쓰면서 성능이 크게 올랐죠.”
망간 기반의 페로브스카이트 촉매인 LSM을 기반으로 한 기존 복합소재 공기극 대신, MIEC 공기극을 적용하면서 공기극 표면 전체에서 전기화학반응을 이끌어낸 것이 주효했다는 설명이다.
“유럽, 미국을 중심으로 ASC 연료극 지지체 두께를 줄이기 위해 힘쓰고 있죠. 이는 셀 성능 향상에 도움이 되지만, 기본적으로 니켈 가격 상승과 관련이 있어요. 배터리 쪽에 니켈 수요가 워낙 크니까요. ASC의 전체 부피 중 90% 이상이 연료극 지지체고, 연료극 지지체의 절반 이상이 산화니켈(NiO)이라 소재 원가에서 차지하는 부분이 크죠.”
임경태 대표는 ESC와 ASC 셀 생산에 따른 소재 원가를 비교한 적이 있다. 동일한 YSZ 전해질을 적용할 경우 ESC의 가격 경쟁력이 높았다. SOFC 시스템에서 스택이 차지하는 비중이 큰 만큼 제조원가를 낮추기 위한 노력이 꼭 필요하다.
글로벌 SOFC 시장에서는 단연 블룸에너지가 가장 앞서 있다. ESC 스택을 적용해 고온에서 운전이 되지만, 높은 발전효율과 가격 경쟁력을 앞세워 시장 지배력을 키워왔다. 고정식 연료전지 시장 세계 점유율 약 44%로 1위 자리를 지키고 있다.
SK에코플랜트는 지난 2018년부터 블룸에너지와 전략적 협력 관계를 이어오고 있다. 2020년 1월 합작법인인 블룸SK퓨얼셀을 설립하고 그 해 10월 경북 구미에 제조공장을 세워 국내 생산을 시작했다.
핵심이 되는 스택은 미국에서 들여오지만, 시스템 조립 등에 필요한 주요 부품은 국내 협력사를 통해 조달하고 있다. 한선엔지니어링이 피팅과 배관을 공급해왔고, LS알스코는 전력변환장치와 전력생산장치에 이어 탈황장치 모듈을 공급한다. 또 텍슨에서 판금 제조와 조립에 특화된 인클로저를 생산한다.
SOFC로 맺은 SK와 블룸에너지의 협력 관계는 굳건하다. SK에코플랜트는 해외 영업망을 활용해 중국 최대 데이터센터 개발·운영 기업인 GDS가 싱가포르에 구축하는 데이터센터의 전력공급시스템 수주를 따냈다. SK에코플랜트가 EPC(설계·조달·시공) 업무를 도맡고 있다.
또 대만의 반도체 기판 전문기업인 유니마이크론과 체결한 10MW급 연료전지 시스템 공급계약 중 1단계 600kW 규모 준공식이 지난 8월 대만 현지에서 열렸다. 블룸SK퓨얼셀이 아시아시장 확대의 거점인 셈이다.
블룸에너지의 스택 기술에 의존한다는 비판이 있지만, SOFC 시스템 전반을 놓고 보면 국내에 밸류체인이 갖춰지면서 업계 전반의 기술 수준이 한 단계 성장하는 계기가 되었다고 볼 수 있다.
블룸에너지는 최근 독일의 에너지 대기업인 EnBW(Energie Baden-Wuerttemberg AG)의 계열사와 열공급형 SOFC 공급계약을 맺었다. 전력생산 과정에서 나오는 부산물인 350℃ 이상의 열을 회수해 온수, 난방 등에 활용하게 된다.
이 기술은 블룸SK퓨얼셀에서 왔다고 볼 수 있다. 블룸SK퓨얼셀은 지난해 강원도 동해 북평레포츠단지에 4.2MW 규모의 SOFC 주기기를 설치하면서 세계 최초로 열공급형 SOFC를 현장에 적용했다. 2.4MW는 일반형으로 배치하고, 1.8MW를 열공급형으로 따로 배치했다. 주기기에서 나오는 300℃ 정도의 가스배열을 회수해서 열교환기로 물을 데운 뒤 북평레포츠센터에 공급하고 있다.
기존 전력생산 효율을 유지하면서 추가로 열을 공급해 에너지 효율을 90% 이상 높일 수 있다. 전기와 열을 모두 활용해야 연료전지의 장점을 살릴 수 있다.
암모니아 직접 쓰는 ‘DA-SOFC’
국내 SOFC 업체로는 앞서 말한 미코파워, 두산퓨얼셀 외에도 에프씨아이, 범한퓨얼셀, 에이치앤파워 등이 있다. 1kW, 3kW, 8kW 등으로 건물용에 대응하면서 용량을 키워 발전용 연료전지 개발에 집중하고 있다.
미코파워의 경우 발전시장 진출을 위해 25kW급 모듈 6개를 적용한 150kW급 TUCY 모델을 개발 중이다. 또 사우디 합작법인으로 설립된 에프씨아이(FCI)는 45kW급 RevGEN 연료전지를 개발하고 있다. RevGEN45를 기반으로 240kW급 SOFC 제품을 출시한다는 계획이다.
SOFC 기술의 국산화, 자립화를 위해서는 스택의 제조원가를 낮추는 노력이 필요하다. 포스코에서 개발한 금속분리판(STS 460FC)을 스탬핑(Stamping, 형단조) 공정으로 찍어 저가의 분리판이나 집전체를 양산하기 위한 기술개발이 진행되고 있고, 그동안 수입에 의존해왔던 글라스 밀봉재도 국산화 개발을 진행 중이다.
“SOFC는 그린수소 생산을 위한 SOEC 스택과 기술을 공유합니다. SOEC용 셀의 경우에도 ASC와 ESC가 모두 개발되고 있죠. 또 수소 운반체로 암모니아가 주목을 받으면서 암모니아를 직접 연료로 쓰는 DA(Direct Ammonia)-SOFC용 셀 개발이 한 축으로 진행되고 있어요.”
임경태 대표가 말하는 DA-SOFC는 암모니아에서 수소를 분해해서 공급하는 방식이 아니라 개질기 없이 암모니아를 곧바로 스택에 공급하는 방식을 말한다. 이를 위해 셀 내부에서 암모니아를 직접 개질하는 새로운 연료극 소재가 필요하다.
“해외 연구 자료들을 살펴보면 DA-SOFC용으로 프로톤(Proton, 양성자) 전도성 전해질 기반의 셀이 높은 암모니아 전환율과 출력밀도를 보이고 있습니다. 산소이온을 이동시켜서 전기를 발생시키는 SOFC와 달리 수소이온을 이동시켜 저온에서 구동할 수 있죠. 이를 PCFC(Proton Conducting Fuel Cells)라 하는데, 세계적으로 관심이 높은 기술입니다. 케이세라셀도 기술개발을 진행하고 있죠.”
국제해사기구(IMO)는 지난 7월 탈탄소화를 위한 규제 강화를 위해 더 엄격한 목표를 제시했다. 해운업계는 2030년까지 탄소 배출을 20% 감축하고, 2050년까지 탄소중립을 달성해야 한다. 이를 위해서는 암모니아 같은 무탄소 연료의 도입이 꼭 필요하다.
직접암모니아 연료전지의 선도업체로는 노르웨이의 알마클린파워(Alma Clean Power, 이하 ‘알마’)가 있다. 알마는 선박용 SOFC 개발에 집중하고 있다. 지난 7월에는 세계 최초로 6kW DA-SOFC 시스템을 성공적으로 테스트했다. 시험 결과 61~67%에 이르는 전기효율을 기록했다고 발표했다.
DA-SOFC 시스템은 연료를 수소로 변환하는 전처리 공정이 필요 없어 에너지 효율이 훨씬 높다. 알마는 6kW 스택을 기반으로 100kW급 모듈 개발에 도전하고 있다. 100kW 모듈 10개를 연결해 1MW를 구성할 계획이다.
국내 조선업계도 SOFC 기술에 관심이 많다. HD현대의 조선해양부문 중간지주사인 한국조선해양은 독일의 프라운호퍼, 에스토니아의 연료전지 기업인 엘코젠(Elcogen)과 함께 대용량 SOFC 시스템 개발에 도전하고 있다.
한국조선해양은 프라운호퍼 IKTS(세라믹 기술·시스템 연구소)에는 나오는 SOFC 시제품 완성 시점을 2025년으로 잡고 있다. 육상 발전용으로 먼저 테스트를 한 뒤 선박에 적용게 된이다.
한국조선해양은 이와 별개로 글로벌 에너지 기업인 쉘, 두산퓨얼셀과 함께 대형 선박용 SOFC 실증을 준비하고 있다. 쉘이 2025년부터 운용하게 되는 17만4,000㎥급 LNG 운반선에 두산퓨얼셀의 600kW급 SOFC 시스템을 탑재해 1년간 실제 노선에 투입할 예정이다. 고온에서 작동하는 SOFC는 끄고 켜기가 어려워 엔진보다는 선박의 보조동력장치로 쓰임이 있다.
SOFC는 도심 건물에 설치해 전기와 열을 함께 쓸 수 있고, 공장이 밀집한 국가산단 등에 설치해 ‘직접 PPA’ 전력거래를 하는 것도 가능하다. 다만 직접 PPA는 재생에너지 전력으로 생산한 그린수소로 발전한 전기에 해당해 연료전지에 적용하기에는 무리가 있다.
SK에코플랜트가 창원 산단에 RE100 대응을 위한 ‘에너지자립형 신재생 발전 인프라’를 구축하면서 1.8MW의 SOFC 연료전지를 설치했지만, 수소 가격이 워낙 비싸고 설비에 대한 초기 투자비용이 높아 경제성을 찾기가 힘들다.
그럼에도 SOFC 기술에 대한 기대와 전망은 여전히 살아 있다. 재생에너지가 풍부한 해외에서 수소를 활용해 높은 효율로 전기를 생산할 수 있고, 청정 암모니아가 유통되기 시작하는 시점에 기술이 크게 올라 있을 가능성이 높다. PEMFC와 더불어 건물용, 선박용으로도 활용도가 높다.
스택에 적용되는 핵심 소재·부품을 국산화하면서 양산 비용을 낮추기 위한 노력이 더해진다면 국내 SOFC 시장도 새 전기를 맞을 수 있다. 시장을 더 크게 보고 2030년 이후를 대비해야 한다.
