굴뚝과 소음이 없는 발전 ‘연료전지’가 온다 

2018년 글로벌 80억 달러 규모… 대기업·중소기업 등 적극 진출 나서

수소와 산소의 전기화학반응을 통해 연소과정 없이 전기와 열, 물을 생산하는 고효율ㆍ친환경발전설비인 연료전지가 최근 각광을 받고 있다. 

1839년 영국에서 처음 그 원리가 발견됐지만 환경파괴 이슈가 현재처럼 심각하지 않아 화석연료를 사용하던 과거에는 주목을 받지 못했다. 하지만 1990년대 상용화에 성공한 후 저변이 크게 확대되고 있다. 

연료전지 전문업체 관계자는 “석탄 등 화학에너지를 열에너지 → 운동에너지 → 전기에너지로 순차적으로 변환시켜 전기로 만드는 기존 화력발전과 달리, 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 바꿔주기 때문에 에너지 손실이 적어 발전설비 중 효율이 가장 높다”고 말했다. 연료전지 원리는 ‘물의 전기분해’ 역반응. 물을 전기로 분해하면 수소와 산소가 발생하는데, 역으로 수소와 산소를 반응시켜 전기와 열을 얻는 원리다. 연료공급기(MBOP)가 수소와 산소를 발전기(Stack)에 공급하면, 발전기가 수소와 산소의 전기화학반응을 일으켜 전기와 열, 물을 생성한 뒤 전기를 전력변환기(EBOP)로 보내고, 이후 전력변환기는 생성된 직류전기를 교류전기로 변환해 각 가정 등에 공급한다. 

수소는 LNG나 석유, 메탄올 같은 화석연료로부터 얻고, 산소는 공기 중에서 얻는다. 수소를 얻기 위한 기초 연료가 화석연료지만 전기를 얻고 나오는 부산물이 화력발전에서는 이산화탄소인 반면, 연료전지는 물이어서 친환경 에너지로 분류된다. 이런 점 때문에 연료전지는 1969년 아폴로 11호에 탑재된 후 현재까지 우주선의 전력 및 식수 공급원으로 쓰이고 있다.

연료전지, 전세계 연평균 80% 이상 성장세  

현재 연료전지 시장은 전세계적으로 연평균 80% 이상의 높은 성장세를 보이고 있다. 정부도 2018년까지 글로벌 연료전지 시장규모가 60억달러까지 확대될 것으로 보고, 2009년 1월 향후 대한민국을 이끌 22개 신성장동력 중 연료전지 발전시스템을 선정했다. 2018년까지 전세계시장의 40%를 점유하고, 9대 국가 수출산업으로 키워 2013년 1만명, 2018년에는 6만8,000명의 고용창출효과를 낸다는 계획이다. 그러나 국내 업체들 가운데 세계 유수업체들과 어깨를 견줄 수 있는 곳은 아직 포스코파워뿐이다. 2007년 연료전지 사업 시작 이후 현재까지 서울, 부산, 대구 등 국내 16개 지역에 총 40MW 규모의 연료전지를 설치해 가동 중이다. 이는 연간 동탄신도시 규모의 5만 가구가 사용하는 전기와 1만7,000 가구가 사용할 수 있는 열을 생산하는 규모다. 특히 지난달에는 핵심설비인 발전기 제조공장을 준공해 연산 100MW 규모의 연료전지를 자체 생산할 수 있는 체제를 갖췄다. 

포스코파워는 이를 바탕으로 2013년까지 경기 화성 발안산업단지에 세계 최대 규모인 총 60MW 규모의 연료전지 발전소를 설치하기 위한 MOU도 다음달 7일 경기도 등과 체결하기도 했다. 전력거래소에 따르면 지난달 기준 국내 건설된 발전용 연료전지 규모는 39.25MW로 이 중 포스코파워가 31.65MW를 설치했다.

그러나 포스코파워가 독점한 발전용 연료전지 시장에 다른 국내기업들도 적극 뛰어들고 있어 경쟁체제가 조성될 조짐을 보이고 있다. 두산중공업은 국책과제와 자체개발을 통해 현재 포스코파워가 독점하고 있는 용융탄산염형 연료전지(MCFC·Molten Carbonate Fuel Cell) 분야에 도전장을 내밀었다. 300kW급을 상용화하고 향후 용량을 다양화한다는 전략이다.

특히 아직 상용화되지 않았으나 MCFC에 이은 차세대 연료전지로 인식되는 고체산화물형 연료전지(SOFC·Solid Oxide Fuel Cell)에는 현재 포스코파워와 삼성SDI 등이 연구를 진행하고 있다.

연료전지차 시장 10년 후 100만대 전망

연료전지 시장이 확대되면서 연료전지자동차에 대한 수요도 지속적으로 증가할 전망이다. 전문조사기관인 파이크리서치는 ‘연료전지자동차’라는 보고서에 따르면 전기자동차의 연속선상에 있는 연료전지자동차가 전세계 승용차와 버스운송 시장에서 점점 큰 점유율을 차지할 것이라고 밝혔다. 

보고서는 전기자동차와 달리 주행거리나 충전 횟수 제한같은 부문을 신경쓰지 않아도 탄소배출 제로의 효과를 볼 수 있다는 점을 연료전지자동차의 장점으로 꼽았다. 특히 여객 자동차 시장에서 연료전지방식이 각광을 받으며 2015년 상용화를 위한 본격적인 시장움직임이 일 것으로 예상했다. 

보고서는 2010년부터 본격적인 상용화 이전 기간인 2014년까지 약 1만대, 2015년까지 57,000대의 연료전지 자동차가 배치되고 이후부터 매년 39만대의 시장성장이 있을 것으로 예측했다. 

한편 3세대 태양전지로 일컬어지는 연료감응형 태양전지 관련 시장이 오는 2013년께 본격 열릴 것이라는 분석 결과가 나왔다. 전문조사기관 솔라앤에너지 최근 `염료감응형 태양전지의 기술 동향과 시장전망(2008~2015)'이라는 보고서에서 올해 초까지는 소형 염료감응형 태양전지가 시장의 대부분을 차지할 것으로 예상되나, 내년 이후로 삼성SDI, 동진쎄미켐, 티모와 같은 한국 업체와 코러스, 샤프, DNP, 3G 솔라등과 같은 해외 업체들의 제품이 출하되면서 오는 2013년경에는 본격적인 상업화가 이뤄질 것으로 전망했다.

또한 보고서는 염료감응형 태양전지의 응용제품으로는 현재 건물 일체형 태양전지(BIPV)가 가장 유력해 시장의 50% 이상을 차지할 것으로 보인다고 설명했다. 아울러 현재 주요 시장을 형성하고 있는 포터블 전자 기기용 충전기 시장도 20% 내외로 발전할 것으로 보인다고 덧붙였다. 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에는 못 미치지만 향후 10~11% 정도의 상용화 효율을 가지며 저가의 제조설비 및 공정기술로 인해 발전단가를 1/3~1/5 수준으로 낮출 수 있고, 유연한 기판에 투명한 태양전지로 응용 가능한 장점 등으로 전세계적으로 집중적인 연구가 행해지고 있다.

한편 대지진으로 원전폭발사고를 겪은 일본에선 원전대신 지열발전을 확대하고 있다. 일본은 전 세계 화산 활동의 10%를 차지하며 온천도 많아 지열에너지를 더 개발할 수 있는 환경을 갖추고 있기 때문이다. 

하지만 활용사례는 미미한 형편이다. 현재 일본에는 18개의 지열발전소가 있고 전체 전력 생산량에서 차지하는 비율이 0.3%에 불과하다. 미국 정책연구소에 따르면 일본이 지열발전을 확대하면 전력공급량을 현재 535MW에서 8만MW까지 늘릴 수 있다. 하지만 지열보급이 쉽지 않은 것은 온천 관광업자들의 반대와 높은 설치비가 걸림돌로 작용하고 있기 때문이다. 

미국은 지열에너지 생산에서 세계 1위의 자리를 지키고 있다. 현재 발전용량은 3,102MW이며 15개주에서 146개 지열발전 프로젝트를 개발중에 있으며 몇 년 안에 지열에너지 생산이 약 3배 정도 증가할 것이라고 미지열에너지협회는 전망한다.