[월간수소경제 이종수 기자] 연료전지 발전은 발전 과정에서 발전효율이 높고 소음이 적은 도심 분산형 전력 생산시설로 주목받고 있다. 또 수소와 공기 중 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산해 미세먼지의 주요 물질인 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 분진 등이 발생하지 않고, 미세필터를 통해 초미세먼지까지 걸러내 대표적인 친환경 발전설비로 떠오르고 있다. 

연료전지발전소는 대부분 천연가스 개질 방식으로 가동 중인 가운데 세계 최초의 50MW급 부생수소 연료전지발전소가 국내에 등장했다. 부생수소는 석유화학 및 제철 산업 등의 공정에서 부수적으로 발생하는 수소로, 수소전기차 및 연료전지 발전용 연료로 사용될 수 있다.

국내는 울산, 여수, 대산 등의 석유화학단지를 중심으로 부생수소를 생산 중이다. 국내 수소생산능력(2017년)은 약 192만 톤(울산 50%, 여수 34%, 대산 11%, 기타 5%)이다. 실제 생산량(2017년)은 약 164만 톤(자체 소비 141만 톤 + 외부 활용 23만 톤)이다. 

여유 생산 능력은 약 5만 톤(수소전기차 약 25만대에 필요한 수소량)으로, 석유화학 공정의 가동률과 연계되는 부생수소의 특성상 부생수소의 생산량은 큰 변동이 없을 것으로 보인다.  장기적으로는 외부 유통량(약 23만 톤)도 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

부생수소 연료전지는 개질 과정이 필요 없기 때문에 발전효율이 높고 투자비 절감 효과를 기대할 수 있다. 아울러 값싼 부생수소를 공급받을 수 있는 생산시설(온사이트)이나 수소배관을 이용할 수 있는 근접거리에 연료전지발전소를 구축할 경우 생산원가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

국내 부생수소 연료전지기술은 울산 수소타운 등의 실증용으로만 적용돼 왔다. 선진국에서도 부생수소 연료전지 발전이 1MW 정도의 실증 수준에 머물러 있다. 국내 건설 중인 대산 부생수소 연료전지발전소는 상업용으로 전 세계의 주목을 받고 있다. 대산 연료전지발전소 외에도 인천, 울산에도 부생수소 연료전지 발전소가 등장할 예정이다.

부생수소 연료전지 시스템을 국산화한 두산은 해외 공급도 추진할 전망이다. 

대산 부생수소 연료전지 발전 최초 개시
한국동서발전은 지난 7월 18일 50MW급 대산 부생수소 연료전지 발전을 최초로 개시했다.

한국동서발전, 한화에너지, 두산이 공동 출자한 대산 수소연료전지 사업은 부생수소를 활용한 국내 최대 규모의 연료전지 사업(법인: 대산그린에너지)으로, 지난해 8월 16일 착공했다.

충남 서산 한화토탈 부지 내에 복층형으로 50.16MW(440kW ×114개)의 PAFC형 연료전지 발전설비를 구축하고 있다. 두산이 연료전지 시스템을 공급한다. 지난 7월 최초 발전 개시 당시에는 연료전지 114개 중 42개가 설치됐으며, 오는 2020년 6월 준공 목표로 EPC 및 시운전을 추진하고 있다.

전체 사업비는 2,550억 원에 달하며 자본금 510억 원(20%), 프로젝트파이낸싱(PF) 2,040억 원(80%)으로 사업비를 조달했다. 연료전지 발전소 부지 규모는 약 2만㎡다.

대산 부생수소 연료전지발전사업을 위해 지난해 1월 설립한 대산그린에너지는 자본금 49%를 출자한 한화에너지가 최대주주다. 다음으로 한국동서발전 35%, ㈜두산 10%, SK증권 6%의 지분을 확보했다.

동서발전은 대산 수소연료전지 발전소가 완공되면 연간 약 375GWh의 전기를 생산해 연간 약 80만 REC(신재생에너지 공급인증서)를 확보할 것으로 예상하고 있다.

생산된 전력은 한화토탈 제2변전소를 통해 계통 연계된다. 한화토탈 대산공장의 방향족 공정에서 발생하는 부생수소를 활용한다. 연료전지는 전기 생산과정에서 부산물로 물이 나오는데 여기서 발생하는 연간 약 4만 톤의 물은 한화토탈 공정에 사용된다.

한국동서발전 관계자는 “대산 수소연료전지 발전소는 사업 초기부터 기존의 LNG를 사용하는 연료전지와 달리 석유화학공정에서 발생하는 부생수소를 활용하고, 국산 연료전지 기자재 공급 확대로 국내 수소산업에 선도적 역할을 한다는 점에서 많은 기대와 관심을 받고 있다”며 “이번 최초 발전 개시는 미래 수소산업 활성화에 중요한 촉매제가 될 것”이라고 말했다.

연료전지 시스템을 공급하는 두산은 이번 프로젝트가 연료전지사업 진출 이래 최대 규모이고, 부생수소 연료전지로는 국내 최초라는 점에 의미를 두고 있으며, 부생수소 연료전지 시장에서도 경쟁 우위를 확보할 것으로 기대하고 있다.  

두산, 부생수소 연료전지 국산화 
두산은 지난 2017년 부생수소 연료전지를 독자기술로 개발하는 데 성공했다. 3년여의 개발 기간 중 46개 협력사가 참여해 분리판, 슈퍼모듈 등 주요 부품을 98% 국산화했다.

분리판 공급 업체인 제이앤엘테크는 적극적인 투자로 연간 63MW 규모의 공급체계를 확보하고 두산에 전량 공급하고 있다. 태양광 인버터 및 ESS(에너지저장장치)용 PCS(전력변환장치) 전문 업체인 데스틴파워는 두산과 함께 연료전지용 ESM(전기제어시스템)을 공동 개발했다. 두산은 하이에어코리아와 함께 2·3차 협력사를 지속적으로 발굴, 슈퍼모듈의 국산화를 완료했다.

대산 연료전지발전소에 설치되는 연료전지가 첫 국산 부생수소 연료전지 공급 실적이 되는 셈이다.

두산의 관계자는 “아직 상용시장이 활성화되지 못한 부생수소 연료전지 시장에서도 우리나라의 기술이 경쟁 우위를 갖고 세계 시장을 선도하는 중요한 계기가 될 것”이라며 “대산 부생수소 연료전지 발전시설을 구축해 성공적으로 가동하면 중국 등 해외 진출을 위한 레퍼런스로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

실제로 두산은 부생수소 연료전지를 중국·인도 등 해외에 공급하겠다는 전략을 세운 것으로 전해졌다. 두산이 지난달 13일 임시주주총회에서 연료전지와 소재사업 분할을 최종 승인함으로써 국내외 연료전지 사업에 탄력이 붙을 것으로 전망된다.

특히 중국 내에는 부생수소가 생산되는 화학공장과 제철소들이 많다. 세계철강협회에 따르면 중국은 세계 조강 생산량의 약 50%를 차지한다. 허베이철강, 샤강 등 세계 10대 철강사 가운데 절반이 중국 기업이다. 석유화학사는 지난 2014년 기준으로 2만9,134개에 이른다.

중국 정부가 수소 및 연료전지 공급에 적극 나서고 있어 부생수소 연료전지 사업의 기회가 많아질 것으로 기대된다. 

부생수소 연료전지 발전사업 늘어날 듯
대산 수소연료전지 발전사업에 참여한 한국동서발전은 또 하나의 부생수소 연료전지발전사업을 추진 중이다. 

동서발전은 지난 4월 현대자동차, 덕양과 ‘수소연료전지 발전 시범사업 MOU’를 체결했다. 3사는 울산 화력발전소 내에 1MW급 연료전지 발전설비를 구축해 시범사업을 진행키로 했다. 덕양이 울산 내 석유화학단지에서 생산된 부생수소를 수소 배관망을 통해 공급한다. 현대차는 수소전기차 ‘넥쏘’의 파워 모듈 여러 대가 컨테이너에 탑재되는 모듈형으로 연료전지 시스템을 공급한다.

500kW급 컨테이너 모듈 2대로 구성된 해당 설비는 연간 약 8,000MWh의 전력을 생산할 수 있다. 이는 약 2,200세대(월 사용량 300kWh 기준)에 전력을 공급할 수 있는 양이다.

현대차는 지난해 11월부터 울산테크노파크 내 수소연료전지 실증화 센터에서 500kW급 발전용 연료전지 실증사업을 진행 중이다.

한국중부발전은 두산, SK건설과 함께 부생수소 연료전지발전사업을 추진하고 있다. 지난 2017년 4월 인천수소연료전지 발전사업 공동개발을 위한 업무협약을 체결한 바 있다. 인천 석유화학단지에서 나오는 부생수소를 활용하며, 시범설비를 1년간 운영하고 성공 시 20MW 규모의 수소연료전지로 확대할 계획이다.

한편 국내 최초의 부생수소 직접 공급 방식의 연료전지 실증연구시설인 울산 수소연료전지 실증화 센터는 지난해 10월 준공식을 갖고, 두산퓨얼셀의 25kW 4기와 100kW급 4기, 에스퓨얼셀의 50kW 6기, 호라이즌퓨얼셀테크놀로지(싱가포르)의 200kW급, 현대차의 500kW급이 설치돼 실증 운전 중이다.