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FOCUS

현대차 PEMFC, 연료전지 발전시장 지평 넓힌다 

차량용 연료전지 활용해 수소 직공급 전용 발전시스템 개발
울산서 1MW급 수소연료전지 발전시스템 시범 운영
“미래사회에는 수소 직공급 연료전지 발전시스템이 핵심 될 것”
비상발전・이동식 발전기・건물용 등으로 개발 확대

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[월간수소경제 이종수 기자] 현대자동차가 넥쏘 수소전기차 기술 기반의 수소연료전지 발전시스템(PEMFC)의 상업화에 시동을 걸었다. 


현대자동차는 지난 1월 20일 독자기술로 개발한 수소연료전지 발전시스템의 준공식을 개최하고 한국동서발전, 덕양과 함께 시범 운영에 본격 착수했다.


3사는 지난 2019년 4월 ‘수소연료전지 발전 시범사업 MOU’를 체결하고 동서발전 울산 화력발전소 내 1MW급 수소연료전지 발전시스템 구축 및 시범사업 추진을 협의해왔으며, 이번 준공식을 기점으로 향후 2년간 수소연료전지 발전시스템을 시범 운영한다. 


특히 넥쏘 수소전기차의 차량용 연료전지 모듈을 발전용으로 활용하고, 수소 직공급 전용으로 개발했다는 점에서 크게 주목된다. 현대차는 이 발전시스템이 미래사회에서 상당한 경쟁력을 발취할 것으로 기대하고 있다. 


또한 현대차그룹은 이번 1MW급 상시발전용 외에도 차량용 연료전지 기술을 활용해 비상발전용, 이동식 발전기, 건물용 등으로 개발을 확대하며 연료전지 발전시장의 새로운 지평을 열어 나가고 있다.

 

1MW급 연료전지 발전시스템 시범 운영

현대차그룹은 지난 2018년 12월 공식 발표한 ‘FCEV 비전 2030’을 통해 타 완성차, 선박, 철도, 지게차 등 운송 분야, 전력 생산 및 저장 등 발전 분야에 연료전지시스템을 공급하는 신사업을 추진한다고 밝혔다. 


현대차는 지난 2012년 여수엑스포 전시공간인 한국관에 당시 수소전기차용으로 개발 중인 연료전지시스템을 활용해 100kW급의 발전용 연료전지를 설치, 건물 내 전력을 공급한 바 있다. 2017년 현대차에 전략기술본부가 신설되면서부터 본격적으로 수소연료전지 발전시스템의 연구개발을 진행했다.  


2018년 12월부터 울산테크노파크 수소연료전지실증화센터에서 500kW급 연료전지 발전시스템 실증운전을 통해 개선과 보완을 거쳐 이번에 울산 화력발전소에서 1MW급으로 시범 운영할 수 있게 됐다. 


현대차가 개발한 1MW급 수소연료전지 발전시스템은 500kW의 전력 생산이 가능한 컨테이너 모듈 2대로 구성되어 있다. 




덕양이 구축한 수소 배관(2.8km)을 통해 울산 석유화학단지에서 생산된 부생수소를 공급받는 해당 설비는 연간 생산량이 약 8,000MWh로, 이는 월 사용량 300kWh 기준 약 2,200세대에 전력을 공급할 수 있는 양이다. 


여러 대의 넥쏘 수소전기차 파워 모듈이 컨테이너에 탑재되는 방식이라는 점에서 향후 컨테이너 대수에 따라 수십 내지 수백 MW로 공급량 확장도 가능하다. 


특히 현대차의 수소연료전지 발전시스템은 기존 연료전지 발전시스템과 달리 현대차의 차량용 연료전지 기술이 적용되어 실시간으로 전기 생산량을 빠르게 조절해 효율적인 전력 공급이 가능하며, 이를 통해 태양광・풍력 등 재생에너지가 가지는 전력수급 변동성의 문제도 보완할 수 있다.


현대차는 이번 시범사업을 통해 국내 연료전지 발전시장의 부품 국산화율을 대폭 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 


과거 국내 발전용 연료전지의 대부분은 해외기술을 기반으로 하고 있어 부품 교체 및 유지 비용이 높았으나, 이번 시범사업을 통해 국내 순수 독자기술로 개발된 수소연료전지 발전시스템을 도입하게 되어 향후 시장이 확대될 경우 발전용 연료전지 가격과 더불어 수소차 가격 하락에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.


현대자동차 전략기술본부 지영조 사장은 “이번 사업은 발전사와 함께 필드에서 설비 운영에 대한 경험을 쌓는다는 점에서 매우 깊은 의미가 있다고 생각한다”라며 “앞으로 성공적인 시범사업을 통해 상업화를 이루어 연료전지를 타 산업에 확대 적용하고 규모의 경제를 통한 수소산업 확대에 힘쓰겠다”고 밝혔다.

 

연료전지 발전시스템 개발 과정

<월간수소경제>는 이번 사업을 추진해온 현대차 전략기술본부 에너지신사업추진실장 오재혁 상무를 만나 현대차의 수소연료전지 발전시스템의 개발 과정과 향후 방향성 등에 대한 자세한 내용을 들었다. 


오재혁 상무에 따르면 현대차는 초기에는 수소연료전지와 이를 기반으로 하는 수소전기차에 포커스를 맞추었다. 그러나 수소차 판매는 단순한 문제가 아니었다. 수소충전소 구축이 따라주어야 했고, 후속 연구개발도 필요한 상황이었다. 현대차가 가지고 있는 역량을 기반으로 더 잘할 수 있는 것을 찾았는데 바로 수소연료전지 발전시스템이었다. 


오 상무는 “연료전지 발전시스템 사업이 수소차 또는 수소연료전지 자체와 상호 윈-윈 할 수 있는 사업이라고 판단해 2017년부터 사업화를 준비해 왔다”고 밝혔다. 




현대차는 당시 수소연료전지 발전시스템 사업이 경쟁력을 가지고 선도적 위치를 차지하기 위해서는 결국 가격경쟁력을 갖추어야 한다는 결론에 도달했다. 


“차량용 연료전지 모듈을 활용해 수소연료전지 발전시스템을 만들기 위해서 바꿔야 하는 부품이 생긴다면 가격경쟁력 측면에서 메리트를 가지기가 힘들어집니다. 그래서 차량용 연료전지를 최대한 공용화해서 사용하는 것이 가격경쟁력을 맞출 수 있는 유일한 길이라고 판단했습니다. 물론 일부 필요한 것은 조금씩 바꿀 수 있지만 최대한 공용화 해야 한다는 방향성으로 수명, 성능, 효율은 물론 가격경쟁력까지 맞추는 데 개발의 초점을 두었습니다.” 


현대차는 수소연료전지 발전시스템 개발에서 아주 까다로운 발전 내구성을 확보하는 데 주력했다. 


오 상무는 “차량용과 발전용은 요구되는 수명, 성능, 효율, 가격 등에 차이가 있다. 차량용과 공용화를 유지하면서 발전용으로서의 사양을 만족시키는 것이 어려웠고, 특히 장시간 운전이 가능한 수명(내구성)을 확보하는 게 가장 어려웠다”고 말했다. 


그는 이어 “또 하나의 난관은 우리가 목표로 하는 수명을 보장할 수 있을 만한 소프트웨어(오퍼레이션 알고리즘)들이 자리를 잡고 있어야 하는데, 이를 증명하는 데 많은 시간이 걸렸다는 점”이라고 덧붙였다. 




해외에서도 현대차와 같이 차량용 연료전지시스템을 활용해 발전용으로 개발하는 사례가 생겨나고 있다. 현대차가 선도적으로 수소연료전지 발전시스템을 개발해 차량용에 이어 발전용에서도 경쟁 우위를 나타낼 것이라는 게 오 상무의 견해다. 


오 상무는 “현대차는 2018년 말부터 울산에서 연료전지 발전시스템(500kW)의 자체 실증을 시작했다. 도요타는 지난해 중반에 실증사업을 발표했고, 롤스로이스가 다임러・볼보와 협력해서 자동차용 연료전지를 발전용으로 개발을 추진하겠다고 발표한 것도 지난해 중반이었다. 이러한 점에서 현대차가 이들 기업보다 앞서 있다고 생각한다”고 밝혔다.


오 상무는 “처음 선보인 프로토타입의 500kW를 실증을 거쳐 컨테이너 형태로 컴팩트하게 상품형으로 만들어 울산 화력발전소 내에서 시범 운영 중인데, 이는 정말 여러 가지 많은 부분의 설계 노하우를 축적해서 만들었다는 데 의미가 있다”라며 “이번 시범사업 종료 후에 수십 MW 규모로 사업을 확대할 수 있도록 발전사와 공동으로 진행하는 사업화 준비 작업으로 이해하면 될 것”이라고 설명했다. 


오 상무는 “이번 시범사업은 우리가 목표하는 성능・수명・효율 기준 등에 맞추어 제대로 작동하는지 확인하고, 제품을 판매하기 전에 운전 레코드를 쌓기 위한 것”이라며 “앞으로 갈 길이 더 있을 순 있겠지만 최종 제품에 근접했다고 판단하고 있다”고 말했다. 


그는 이어 “이번 시범사업은 현대차의 수소연료전지 발전시스템이 최초로 고객사에서 운전되는 사례이기에 고객(동서발전)이 시범 운영 중에 요구하는 사항들이나 새롭게 얻은 데이터를 최종 제품에 반영하는 게 또 하나의 목표”라고 덧붙였다.

 

수소 직공급 전용 발전시스템

현대차는 수소연료전지 발전시스템을 수소 직공급 전용으로 개발했다는 점에 상당한 의미를 두고 있다. 미래사회에서는 수소 직공급 전용 연료전지 발전시스템이 핵심이 될 것이라는 판단에서다. 


오 상무는 “현재 MCFC는 유지보수 측면에서 고전을 하고 있고, SOFC는 발전효율이 높지만 아직은 수명 관점에서 좀더 지켜봐야 할 것 같다. PAFC는 오래된 기술이고 시장에서 많이 증명된 기술이다. 이들 발전용 연료전지는 천연가스 개질에 중점을 두고 개발된 제품이지만 현대차의 수소연료전지 발전시스템(PEMFC)은 수소 직공급 전용이라는 점이 가장 큰 차이”라고 강조했다.




현대차는 수소연료전지 발전시스템 사업을 시작할 때 파리 기후변화협약이 몰고 올 미래사회의 메가트렌드를 주목했다. 


“세계 각국이 파리 기후협약에 따라 온실가스 감축을 위해 에너지 전환을 추진 중인데, 그 핵심이 바로 재생에너지로의 전환입니다. 그런데 태양광, 풍력 등 재생에너지는 전력수급의 변동성 문제를 안고 있어요. 과거에는 수요 변화를 LNG 가스터빈 등을 활용해서 공급단계에서 맞춰 갔지만 이제 공급단계와 수요단계도 흔들리는 상황에서 수급균형을 맞출 수 있는(전력수급 변화에 능동적으로 대응할 수 있는) 친환경 발전 솔루션인 수소연료전지 발전에 주목할 필요가 있습니다. LNG 발전은 기본적으로 화석연료이기에 이산화탄소가 발생해 결국 미래사회에는 수소 직공급에 의한 연료전지 발전시스템이 굉장히 중요해질 것이고, 상당한 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 보고 있습니다.” 


그래서 SOFC 및 MCFC 등과는 마켓 포지션이 다르다는 게 오 상무의 말이다. 


오 상무는 “국내에 수소 직공급 형태의 연료전지 발전시스템 구축 사례가 있으나, 현대차 제품은 효율이 높고 로드 팔로잉(부하 추종)이 실시간으로 이루어질 만큼 응답성이 빠르기 때문에 경쟁력을 가질 수 있을 것”이라고 설명했다.


다른 PEMFC 제품들과 비교해도 경쟁 우위를 점할 것이라는 게 현대차의 전망이다. 


“이미 발전용으로 PEMFC 제품을 선보인 업체(해외)들이 여럿 있습니다. 현대차는 오랜 개발 경험과 노하우를 바탕으로 이들 제품보다 성능 면에서 우위를 점할 것이며, 무엇보다도 규모의 경제 효과에 집중할 것입니다. 차량용 연료전지 부품을 공용화했고, 수소차 보급 확대에 따른 규모의 경제는 수소연료전지 발전시스템에서 가장 중요한 가격경쟁력의 근원이기에 현대차가 가격경쟁력에서 우위를 점할 것으로 생각하고 있습니다.”

 

연료전지 발전시스템 공급 방향성

현대차는 수소연료전지 발전시스템을 수소 직공급에 최적화하여 개발했기에 당장 부생수소용으로 판매가 가능하고, 대형 수소생산단지에서 이산화탄소 제거장치를 거쳐서 생산된 수소는 물론 해외에서 생산한 그린 암모니아나 그린수소의 공급을 수소연료전지 발전시스템과 연결하는 방안 등 다양한 사업 모델을 구상하고 있다. 


오 상무는 “향후 아프리카, 중동, 호주 같은 재생에너지가 유리한 지역에서 그린수소를 싸게 만들고, 이러한 수소를 수소차에도 공급하지만 에너지 수요가 많은 발전 분야에도 활용할 수 있도록 하는 것”이라며 “글로벌 관점에서 턴키(토털) 솔루션이 요구될 것이며, 이를 위해 국제적으로 역량 있는 기업들과도 협력할 수 있도록 하겠다”고 밝혔다.


국내에서도 실증사업을 추진 중이다. 현대차그룹은 지난해 11월 새만금개발청, 새만금개발공사, LG전자, 한국서부발전, 수소에너젠 등과 ‘그린 수소 밸류체인 구축을 위한 공동연구 양해각서’를 체결한 바 있다. 


현대차는 새만금 재생에너지 전력으로 생산한 그린 수소를 연료전지 발전시스템에 투입해 전기를 생산하는 실증을 하게 된다. 




또한 현대차는 융복합형 수소충전소에 연료전지 발전시스템을 연결하면 충전소의 경제성이 높아져 경쟁력을 가질 것으로 내다보고 있다. 


오 상무는 “융복합형 수소충전소는 수소 생산, 충전, 판매, 연료전지 발전 등 다양한 기능이 포함된 충전소”라며 “수소 생산을 하는 리포머 초기 투자비용이 들지만 생산한 수소를 수소차에 공급하고, 남는 수소는 판매하거나, 연료전지 발전시스템을 연계하여 전력도 생산하면 충전소의 경제성이 개선되고, 연료전지 발전을 통해 전기차의 급속한 증가에 대응할 수도 있다”고 설명했다. 


현대차는 지난해 7월 한국가스공사와 상용 수소전기차용 융복합형 수소충전소 구축・운영 등에 관한 업무협약을 체결한 바 있다.

 

연료전지 발전시스템 개발 확대

현대차그룹은 이번 1MW급 상시발전용 외에도 수십 킬로와트급의 건물용, 비상발전용, 이동형 발전시스템으로 개발을 확대해 나가고 있다. 




현대모비스는 지난 2019년 2월 충북 충주에 있는 수소연료전지 공장 내에 차량용(넥쏘) 수소연료전지 5개를 나란히 병렬로 연결한 최대 450kW급 수소 비상 발전시스템을 설치해 공장 정전 시 비상전원과 계절별 전력 사용량 증가에 대비한 보조 전력으로 운영 중이다. 


이에 앞서 2019년 1월 미국 라스베이거스에서 열린 세계 최대 규모의 소비자 가전 박람회(CES)에서 수소 비상 발전시스템을 소개한 바 있다.


현대차는 지난해 7월 경기도 고양시 킨텍스에서 개최된 ‘2020수소모빌리티+쇼’에서 이동형 수소연료전지 발전기를 선보였다. 




이동형 수소연료전지 발전기는 수소전기차 넥쏘에 탑재된 연료전지 스택 2기를 결합해 제작됐다. 별도의 보조 전력저장장치 없이 연료전지 스택만으로 전기를 공급하는 방식으로 160kW의 최대 출력을 갖춰 정전 등 비상 상황이 발생했을 때 전기 공급이 가능하며, 섬이나 고산지대, 사막, 극지 등 전기 공급이 어려운 지역과 영화·방송 등 야외 촬영 현장에서도 사용할 수 있다.


특히 2대의 전기차를 동시에 급속 충전할 수 있을 뿐만 아니라 승용차는 물론 배터리 용량이 큰 전기 버스와 트럭 등의 상용차 충전도 가능하다. 돌발 상황에서 충전이 필요한 전기차 모터스포츠 등 다양한 분야에서 사용할 수 있어 활용 범위가 매우 넓은 것이 강점이다.


건물용 연료전지 발전시스템도 선보일 예정이다. 


오 상무는 “건물용도 발전용과 같이 자동차용 연료전지 공용화에 초점을 둬 개발하고 있고, 발전용을 건축물에서 사용하는 규모에 맞도록 용량을 조절하여 대응할 수 있도록 준비하고 있다”라며 “울산 수소 시범도시와 연계해 현대차 소유부지에 있는 시설(문화회관)에 수소 배관이 연결될 예정으로, 이 시설에서 건물용 연료전지를 시범 운영하는 사업을 기획 중이고, 해외에서도 실증이 이뤄질 것으로 보인다”고 밝혔다. 


끝으로 오재혁 현대차 상무는 “재생에너지와 연계할 수 있는 최적의 매개체는 수소이며, 수소를 직접 사용하는 연료전지 발전시스템인 현대차의 제품이 상당한 경쟁력을 발휘할 것으로 기대하고 있다”라며 “수소연료전지 발전시스템 사업을 성공적으로 추진해 일자리 창출 등 국가 경쟁력으로 이어지게 하고, 수소 사회도 앞당기는 데 기여할 것”이라고 각오를 밝혔다.





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