대한민국 미래 에너지, 수소를 다시 보다

2019년 대구시, 첫 수소에너지 콤플렉스 설립

자동차가 달려도 배출되는 것이 물 뿐이라면? 바로 수소 연료전지를 이용한 수소 자동차에서 가능한 일이다. 2019년에는 수소자동차를 움직이기 위한 연료 전지 분야의 시장 규모가 380억달러에 달할 것이라는 보고가 나왔다. 70여 만개 일자리가 만들어질 것이라 추산되면서 수소 에너지에 대한 관심이 나날이 높아지고 있다.

물을 분해하면 산소와 수소로 분리된다. 즉 수소(H2)를 연소시켜도 다시 산소(O)와 결합해 물(H2O)로 환원되기 때문에 배기가스가 생기지 않는다. 이런 청정성이 수소 에너지의 가장 큰 특징이다. 지구 온난화 등 환경오염이 국제 문제로 대두된 지금, 친환경 수소에너지가 화석연료의 대체 에너지로 각광받고 있다. 21세기 들어 각국이 경쟁적으로 연구개발에 나서고 있다.

수소에너지를 활용하기 위해 물 분해가 우선돼야 한다. 수소는 전 우주의 75%를 차지하는 기체지만 지구 상에서는 대부분 물이나 탄소화합물로 존재한다. 수소를 대량으로 얻기 위해서는 물을 전기 분해하는 것이 가장 쉽다. 하지만 수소와 산소가 강하게 결합한 물을 분해하기 위해서 또다시 에너지가 필요하다.

물을 분해해 수소를 얻어 에너지화

세계 여러 나라에서 수소를 얻기 위해 활발히 연구를 진행하는 분야는 고온 원자로를 이용한 수소채집법이다. 950도에서 초고온 가스로 높은 열을 이용해 물을 열화학이나 고온 전기분해를 통해 수소를 얻는다. 친환경 에너지로 부각되는 수소에너지 제조의 궁극적 방법으로 부각되는 방법이 광화학적 수소제조기술이다. 바로 태양에너지를 이용해 물에서 수소를 만드는 기술이다. 물을 분해해 수소를 얻기 위해서는 약 1.23전자볼트(eV)의 에너지가 필요하다. 에너지를 빛에서 받아 화학반응을 가능하게 해주는 것이 광촉매 작용이다. 반도체 물질이 광촉매 역할을 할 수 있다. 광선이 반도체 물질에 흡수돼 산화·환원 반응을 일으키는 방식이다.

교육과학기술부 프론티어 사업 중 하나인 `고효율 수소에너지 제조·저장·이용기술개발사업단(수소에너지사업단)’에서는 궁극적인 수소 생산기술로 광화학적 수소제조 기술에 대한 소재와 시스템을 연구한다. 내년에는 태양광·수소 전환 효율을 5%까지 만드는 시스템을 목표로 두고 있다.

광화학적 수소제조 방법과 관련해 지난 1996년부터 2010년까지 세계 특허 정보와 논문정보를 분석한 결과 미국이 특허 41.3%, 논문 29.7%로 가장 선두에 달리고 있다. 일본은 각각 31.9%, 11.2%로 2위를 차지하고 우리나라는 세 번째 (논문 8.7%, 특허 10.1%) 수준의 기술력을 갖추고 있다. 특히 우리나라 논문 수는 올해까지 1,078건에 이르며 그중 사업단에서 발표한 논문은 70%를 차지하고 있다.

수소를 만들어냈다고 끝이 아니다. 수소를 에너지로 활용하기 위해서는 저장과 연료전지화 기술이 필요하다. 수소는 가스·액체로 수송할 수 있으며 고압가스·액체수소·금속수소화합물 등으로 저장할 수 있다. 기체 상태로 저장하는 것이 가장 쉽지만 부피가 커 경제성과 안전성이 떨어진다. 최근 효율성 있는 액체·고체 저장법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

액화 저장을 하거나 수소 저장용 나노구조체, 금속 수소화물 등으로 저장해 활용할 때는 에너지 손실율을 최소화 시키는 것이 중요하다.

미국 연료전지 조사기관인 `퓨얼셀투데이`가 분석한 자료에 따르면 2010년 기준으로 우리나라 수소연료 분야 특허 출원 건수는 일본, 미국, 독일에 이어 세계 4위에 해당한다.

국내 최초 '수소에너지 콤플렉스' 세운다

무공해 수소에너지를 생산해 산업용 에너지와 수송용 연료로 제공하는 ‘수소에너지 콤플렉스’가 국내 최초로 대구시 북구 서변동 일대 타워형태양열 발전소 옆의 시 부지 4000㎡에 들어선다.

대구시는 최근 수전해방식 수소제조 분야에서 국내 최고의 기술력을 가진 이엠코리아(대표 강삼수)와 김범일 시장 접견실에서 ‘수소콤플렉스 설립 및 운영’에 대한 사업협약을 체결했다.

수소콤플렉스는 무공해 수소에너지를 생산하는 수소제조 플랜트와 차량용 수소연료를 충전하는 수소 스테이션이 결합된 형태로 이번에 들어서는 플랜트는 국내 최초로 시간당 50Nm3의 수소를 생산하게 된다.

수전해방식 수소제조 공법은 순수한 물을 전기분해해 수소와 산소를 분리하는 방식으로, 이번에 건립되는 수소콤플렉스는 낮에는 태양광발전과 밤에는 심야 전기를 활용하는 친환경 에너지절감형으로 운영된다.

생산된 수소와 산소는 성서산업단지, 구미전자공단, 지역 내 병원 등에 공급된다. 수소는 반도체 정제, 금속소재 표면처리, 다이옥신 제거, 암모니아 합성 등 산업 다방면에 활용되고 있어 매년 30% 이상 시장규모가 증가 추세이며, 2020년 이후에는 차량용 수요가 대세를 이룰 것으로 전망되고 있다.

이엠코리아는 창원과 함안에 에너지사업부를 두고 있으며, 대경 광역경제권 선도산업으로 지정된 연료전지분야 연구개발에 참여해 그 간 ‘알칼리 수전해를 활용한 20Nm2/h급 수소 스테이션 개발 및 실증’과제를 수행해 왔다.

특히 이번 수소콤플렉스는 이엠코리아의 제안으로 이루어져 국비지원으로 선도산업 과제에 참여한 기업이 개발된 기술을 지역에 다시 확대 투자한다는 측면에서 그 의미가 크다.

또한 우수한 기술력을 바탕으로 그 간 현대자동차 등 대기업과 협력한 많은 노하우를 확보하고 있어, 앞으로 대구시의 전략산업인 자동차 부품산업과 연계해서도 큰 시너지를 창출할 것으로 전망되고 있다.

정부 ‘탄소배출저감 및 친환경 수소연료전지차 보급계획’에 따르면 국내 수소스테이션은 2012년 13개소에서 2020년까지 268개소로 늘어날 계획이며, 대구시는 이번 수소콤플렉스 건립을 계기로 서울, 울산에 이어 관련 보급사업에서도 우위를 가지는 계기가 될 것으로 기대하고 있다.

고유가 시대, 미래의 에너지로 석탄의 ‘재구성’

석탄가스/액화 기술… 석탄 연료화 사업으로 각광

우리는 여전히 고유가 시대에서 어려움을 겪고 있다. 세계적으로 에너지 소비패턴에 변화가 일어나고 있는데 이는 석유와 가스를 대체할 에너지원에 대한 관심을 부추기고 있다.

이러한 가운데 풍부한 매장량, 고른 분포, 비교적 저가로 향후 석유를 대체할 유력한 후보로 `석탄'이 다시 대두되고 있다.

석탄은 매장량이 풍부하지만, 이산화탄소 배출 등의 환경오염과 석탄을 이용한 신기술의 개발이 필요하지만 장기적으로는 석탄의 이용 기술이 개발되어 석탄이 석유를 대체하는 에너지원으로 부상할 전망이다. 즉 석탄은 미래 에너지로 떠오르고 있는 것이다.

천덕꾸러기 석탄의 화려한 변신

석탄에서 가스를 뽑아내 전기를 생산하는 친환경 발전소가 설립되는가 하면 석탄에서 ‘산업비타민’으로 불리는 리튬을 추출하는 기술도 상용화를 앞두고 있다. 정부는 석탄을 활용한 그린에너지 산업을 수출동력으로 키울 계획이다.

지식경제부와 업계에 따르면 최근 석탄의 변신은 석탄에서 가스를 추출하는 ‘석탄 가스화’ 기술이 주도하고 있다. 가스화 설비를 이용해 고온ㆍ고압 상태에서 석탄을 합성가스로 제조하고 이를 이용해 합성석유ㆍ합성천연가스ㆍ화학제품 등을 생산하는 기술이다.

합성가스로 터빈을 구동해 전기를 만들어낼 수도 있는데 이는 IGCC 기술이라 불린다. 한국서부발전은 이날 충남 태안군 원북면 방갈리에서 국내 최초로 300MW급 한국형 ‘IGCC 실증 플랜트’ 착공식을 열었다.

IGCC 기술은 석탄을 가스화시켜 먼지와 황을 제거한 뒤 가스터빈의 연료로 사용한다. 이와 함께 가스화 반응열과 가스터빈 배열에 의해 생산된 증기로는 증기터빈을 구동해 쌍방향으로 전기를 생산한다.

현재 미국ㆍ네덜란드ㆍ스페인ㆍ일본 등 선진국에서 300MW급 총 5기만 운전 중일 정도로 고도의 기술력을 요구한다. 이번에 태안에서 착공된 한국형 IGCC 실증 플랜트는 오는 2015년 준공될 예정이며 2017년 영남, 2019년 군장에 2호기와 3호기 준공도 계획됐다.

이 플랜트가 가동을 시작하면 열효율 42%(기존 석탄발전소 40%) 이상, 황산화물 15ppm 이하, 질소산화물 30ppm 이하인 고효율 청정발전소 기술을 우리도 확보하게 된다.

석탄의 변신은 여기서 그치지 않는다. 화력발전소에서 연소 후 남은 석탄재(석탄회)를 이용해 리튬을 추출하는 기술도 최근 국내에서 개발돼 2013년 상용화될 예정이다.

서부발전과 군산대는 석탄회에서 리튬을 추출하는 기술을 개발해 지난 9월 특허를 출원했다. 리튬은 2차 전지의 필수 소재로 우리나라는 현재 전량 해외에서 수입하고 있어 이 기술이 상용화되면 석탄이 희유금속의 원천으로까지 부각될 것으로 보인다. 서

석탄에서 석유를 뽑아내는 석탄액화 기술은 국가 ‘에너지 안보’ 사업으로 부각되며 세계 각국이 뛰어들고 있다. 석탄을 가스화해 합성가스를 만들어 다시 이를 액체로 만드는 것이다. 남아프리카공화국의 사솔이라는 회사가 주도적으로 사용하면서 관련 기술을 개발해놓고 석탄기름을 활발히 생산 중이다. 우리나라도 관련 기술 개발에 나서고 있지만 아직까지는 성과가 미흡하다.

석탄가스화/액화기술에 주목

특히, 석탄 활용기술 중에서도 최근 가장 주목받고 있는 기술은 석탄가스화/액화기술이다. 석탄가스화 사업은 석탄을 스팀(H2O)과 같이 고온, 고압상태에서 합성가스(CO+H2)를 제조한 후 이를 이용해 석탄액화, 합성천연가스(SNG), 전력(IGCC), 화학제품을 생산하는 청정석탄 연료화 사업이다.

석탄가스화는 정유, 비료, 화학산업 등에서 활용된 지 50년이나 됐으며, 전력을 생산한 것은 35년 이상이 됐다. 제2차 세계대전 독일에서는 석탄을 이용한 합성석유 생산에 성공했으며, 남아공은 인종차별에 따른 석유금수 조치로 합성석유를 생산했다.

그리고 1970~1980년대에는 1, 2차 오일쇼크로 각국에서 석탄 이용 기술이 적극 개발되었으나 대규모 가스전 개발과 유가 하락으로 석탄이용 기술이 쇠락의 길로 접어들었다. 그러나 최근 고유가, 오일피크 논란에 따라 석탄 이용 산업이 재조명받고 있다.

미래 수소 시대의 수소 공급원으로서 석탄 이용 방안이 대두되고 있다. 석탄 이용 기술이 각광을 받는 것은 매장량이 풍부하고 전 세계에 고르게 분포돼 있어 경제적, 안정적으로 조달이 가능하기 때문이다. 가채매장량으로 볼 때 석유, 천연가스 40년에 비해 석탄은 200여 년으로 청정 이용 기술을 활용함으로써, 향후 탄소규제가 강화되면 이산화탄소 처리에 대한 경쟁력 확보가 가능하다는 것이 전문가들의 견해이다.

미국은 2025년까지 중동 원유 수입의 75% 감축을 목표로 대체에너지 개발에 대한 적극적인 지원에 나서 세계 최대 석탄부국으로 각종 프로젝트를 활발히 추진 중이며, 일본도 정부 주도로 자체 기술을 개발하여 2007년부터 IGCC 프로젝트 250M급 실증플랜트를 운전 중이다. 중국은 에너지 수요 증가에 대비해 2020년까지 석유 사용량의 10%를 대체할 목표를 세워두고 있다.

우리나라도 지난해 9월 지식경제부가 `그린에너지사업 발전전략'을 수립, 대통령에게 보고하면서 9대 분야에 석탄가스화 복합발전, 석탄액화를 포함했다. 이와 함께 지난 2006년부터 2014년까지 서부발전이 `300MW급 IGCC 실증 플랜트 운영기술 개발' 국책과제를 추진하고 있어 관련 기술의 국산화와 노후한 화력발전소를 순차적으로 대체할 계획이지만 국가의 한정된 투자로는 전력 생산단가가 높은 신재생에너지의 전력생산 비율을 단기간에 높이기는 힘들고 태양광과 풍력 발전은 고밀도의 전력 생산이 어렵다는 단점이 있다.

따라서 신재생에너지 관련 기술의 획기적인 기술개발이 이루어질 때까지 온실가스 저감 정책의 가장 효과적인 대안은 석탄가스화 복합발전과 같은 석탄 청정 기술이다. 석탄 이용의 미래기술인 석탄가스화/액화 사업의 상용화를 위한 기술개발이 험난해도 청정에너지를 사용할 수 있는 그날까지 지속적인 관심과 투자는 계속되어야 한다고 본다.

재생이 아닌 '신에너지'가 뜬다

연료전지, 석탄액화, 수소, MHD, 태양연못 등 기술과 시장 확대 예상

지난 7월호 신재생에너지 특집 1탄에 이어 이번 호엔 신에너지에 대한 내용을 알아본다. 신에너지는 소수력, 연료전지, 석탄의 액화, 가스화 등 연료를 의미한다. 우리나라는 미래에 사용될 신재생에너지로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 11개 분야를 지정했다. 재생에너지는 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 등 8개 분야이고 신에너지는 연료전지, 석탄액화․가스화, 수소에너지 등 3개 분야다. 여기에 MHD 발전, 태양연못 등 에너지 분야를 한국에너지기술연구원의 자료를 통해 집중 조명해 본다.

이승재 편집장 sjlee@engnews.co.kr

소수력(Small Hydro Power)발전, 높은 에너지 밀도 보유

소수력(small Hydro Power)은 엄밀하게 정의를 내리기는 어려우나, 우리나라의 경우 설비용량이 10,000kW 이하인 수력발전을 말한다.

소수력 발전은 공해가 없는 청정에너지로서 국내에는 1,500MW 정도의 부존량이 확인되어 있으며 다른 대체 에너지원에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 개발 가치가 큰 부존자원으로 평가되어 구미(歐美) 선진국을 중심으로 기술 개발과 개발 지원 사업이 경쟁적으로 활발하게 진행되고 있다.

소수력 자원의 적극적인 개발은 에너지원의 개발 차원뿐 아니라 경제․사회적으로 전력 수요 급증 시의 부하 평준화 효과 및 석유 수입 대체, 민간 주도의 반영구적 공익사업으로서 환경친화적인 에너지원의 개발을 통한 지역 개발의 촉진과 이로 인한 경제적 파급 효과의 극대화, 관련 기술의 수출 산업화 등의 부수적인 효과를 거둘 수 있다고 평가되고 있다.

구미(歐美) 선진국과 중국 등지에서는 일찍부터 소수력 개발의 사회․경제적 중요성을 인식하고 수문학적 자료를 비롯한 기초 통계 자료의 확보와 기술 개발 및 보급에 힘을 기울여 다음의 표에서 확인할 수 있는 것처럼 소수력 발전은 에너지원으로서뿐 아니라 주요 산업으로 자리를 잡아가고 있다.

소수력 발전 강국들은 토목 공사비를 절감하기 위한 방안으로 관개용 등 기존의 댐을 활용한 소용량 발전 시스템의 상용화와 사이폰식 저낙차(低落差) 시스템의 개발을 추진하고 있으며 발전용 댐 건설 기술의 개량과 댐 설계 및 운용의 최적화 기술의 개발에도 투자를 아끼지 않고 있으며 수차를 비롯한 다양한 소수력 발전 설비의 표준화를 추진하여 큰 성과를 거두고 있다.

우리나라에서는 '1982년 소수력개발 활성화 방안'이 공표되면서부터 소수력 자원의 개발이 본격적으로 추진되기 시작하였다. 국내의 소수력 자원은 약 1,500,000kW 정도가 개발이 가능한 것으로 평가되고 있으며 2007년 6월 말 현재 53개소에 65,222kW 용량의 소수력발전소가 가동되고 있다. 정부는 소수력 발전의 보급 확대를 위해 발전된 전력에 대한 매입 단가 보장, 장기 저리의 시설자금 융자 등의 보급확대 정책을 펴고 있다.

우리나라 소수력자원의 조사를 통하여 도출된 결과에 의하면 대부분의 소수력 발전 입지가 자연낙차가 크지 않다는 것을 알 수 있으며 자연낙차가 큰 소수력 발전입지는 매우 제한되어 있기 때문에 낙차가 작은 저낙차 소수력발전소의 건설에 노력을 기울일 필요가 있다.

또한 이와 병행하여 저낙차이면서도 고낙차(高落差) 소수력발전소에 비하여 경제성 면에서 뒤지지 않는 저낙차용 수차의 개발이 시급한 실정이다.

국내에서 가동되고 있는 소수력 발전소의 평균 설비용량은 약 1,200kW 정도이고 대부분이 낙차가 큰 곳에 위치해 있다. 그러나 낙차가 큰 입지가 줄어들고 있어 앞으로는 저낙차 소수력 자원을 효과적으로 개발할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 아울러 물 관련 기존 시설물의 미활용 소수력자원을 최대로 활용하는 방안도 검토되어야 할 것이다.

서울시 맞춤형 소수력발전기술 개발 나서

낙차가 크지는 않지만 유량이 풍부한 서울지역 상황에 맞는 국산 소수력발전기술이 개발될 전망이다.

서울시는 물재생센터와 아리수정수센터 등 낙차가 크지 않으나 유량이 풍부한 서울의 지형특성에 맞는 서울형 소수력발전설비 기술개발에 나선다.

소수력발전은 물의 낙차를 이용해 수차발전기를 회전시켜 전기를 생산하는 원리로 일반적으로 낙차가 2m 이상 되어야 상용발전이 가능한 것으로 알려졌다. 하지만 서울시는 올해부터 '서울형 녹색기술 육성을 위한 R&D지원사업'의 일환으로 2m 미만의 저낙차 조건에도 적용 가능한 고효율 수력발전설비 개발에 착수한다.

이에 따라 시는 고효율 수력발전설비 개발을 위한 사업자 모집 공고를 지난 8월 24일까지 신청받았다.

저낙차 소수력 기술개발은 서울시가 운영하고 있는 물재생센터와 아리수정수센터를 비롯해 서울소재 하천의 소수력 에너지까지 친환경에너지로 재탄생시키겠다는 의지를 담고 있다.

시는 이번 기술개발을 통해 4개 물재생센터 중 발전입지 여건이 가장 좋은 난지물재생센터에 우선으로 소수력발전시설을 설치하고 단계적으로 이를 확대한다는 계획이다.

----------------------------------------------------------------------------------------------

파력(Wave Force)

파력에너지(波力, Wave Energy)를 이용한 발전 기술 연구는 파력 자원이 풍부한 일본, 영국, 노르웨이 등에서 활발하게 추진되고 있다. 파력 발전은 심한 출력 변동과 대규모 발전 플랜트를 해상에 계류시키는데 기술적인 어려움이 있으나 2000년대 초에는 상용 발전이 가능할 것으로 전망되고 있다.

일본은 카이마이(Kaimei)에 240kW급의 해안 고정식 파력 발전 장치를 설치하여 시험 가동하고 있으며 해양 과학 기술 센터 주관으로 540kW급의 부유식 파력 발전소 건설을 진행하고 있다. 영국도 벨파스트의 퀸스(Queen's) 대학에 75kW급 파력 발전 장치를 설치하여 가동 중이고 덴마크는 34kW급 발전소에 대한 실증 실험을 진행하고 있으며 노르웨이도 500kW급 발전소를 건설하고 있다.

국내에서는 아직 파력 에너지의 개발에 관한 구체적인 연구가 시도된 바 없으나 파랑이 심하다고 알려진 일부 해역을 대상으로 타당성 검토를 선행시킬 필요성은 높다고 말할 수 있다.

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. 

포스코파워 필두로 두산・현대 이어 오션텍 등

경쟁체제 본격화 

연료전지 상용화는 전문기업들의 노력이 큰 역할을 하고 있다. 국내 연료전지 시장에서 대기업들은 완제품과 소재 분야에 집중하고 있다. 대표적인 기업으로 포스코파워, GSEPS, 두산중공업 등이 발전용 연료전지 수요처이면서 메이커로 자리잡고 있다. 이외효성중공업, 현대기아자동차, STX중공업 등이 참여하고 있다. 

포스코파워를 필두로 발전용 연료전지 시장에 진출한 기업들이 가속도를 내고 있어 이 시장에서도 경쟁체제가 조성될 조짐을 보이고 있다.

전력거래소에 따르면 국내 건설된 발전용 연료전지 규모는 39.25MW다. 포스코파워는 이 가운데 31.65MW를 설치했다. 올해내8.4MW를 추가로 증설할 계획이다.

포스코파워가 앞서 나갈 수 있었던 이유는 세계 용융탄산염형 연료전지(MCFC. Molten Carbonate Fuel Cell) 산업을 리드하고 있는 미국의 FCE(Fuel Cell Energy)사의 시공 및 정비 기술을 독점하고 있기 때문이다. 아직 국내 생산이 불가능해 MCFC 발전용 연료전지 보급에 유일한 보급로가 된 것.

이에 두산중공업은 국책과제를 통한 MCFC개발에 적극 나서고 있다. 이 회사는 300kW급을 상용화하고 향후 용량을 다양화한다는 전략이다. 하지만 실증단계는 대략 2~3년 정도의 시간이 걸리기 때문에 향후 몇 년간은 더 시간이 필요할 것이란 게 업계 관측이다. 

삼성에버랜드는 MCFC가 아닌 인산형 연료전지(PAFC. Phosphoric Acid Fuel Cell) 보급을 시도하고 있다. 이 회사나는 UTC파워의 PAFC 400kW급 설비를 독점 계약해 국내에서는 유일하게 PAFC를 판매하고 있다.

연료전지 핵심기술 보유한 포스코파워 선두 

포스코파워(주)는 2000년대 초반부터 국책과제를 통해 연료전지 기술개발에 착수했으며 2007년 2월 미국 퓨얼셀에너지(Fuel Cell Energy사와의 제휴를 통해 본격적인 사업 추진을 개시하했다.

2008년 9월 세계 최대 규모의 연료전지 발전시스템 제조공장을 준공하고 BOP(Balance-of-Plant, 보조설비장치)를 탑재한 제품을연산 100MW규모로 양산할 수 있는 생산설비를 구축하였다.

포스코파워는 지난 2007년부터 정비, 설치・시공, BOP(주변보조기기)의 순으로 단계적인 연료전지의 국산화를 추진해 왔다. 이번 100MW규모 스택제조공장의 준공으로 연료전지 완제품을 자체적으로 생산할 수 있는 양산체제를 갖추게 됐다.

포스코파워는 전국 14개 지역에 총 19기의 연료전지를 판매하여 설치 가동 중이며 2013년 차세대 연료전지인 SOFC시스템을 상용화하기 위한 연구개발을 지속하고 있다. 향후 국내 시장에서의 경험을 축적하여 동남아 등 해외 진출을 도모할 계획이다.

포스코파워는 국산제품이 본격 양산되는 올해부터 단계적인 해외에도 진출한다. 1차 진출을 검토중인 시장은 동남아 중동 일본으로 현재 다수의 프로젝트를 검토 중에 있다. 또 연료전지의 본고장인 미국에 역수출하는 전략도 계획 중으로 미국 진출에 필요한연료전지 UL인증 획득을 추진하고 있다.

GSEPS(주)는 천연가스(LNG)를 주 연료로 사용하는 2.4MW급 연료전지 MCFC 발전설비를 동사 복합화력발전소 2호기 유휴부지에 총투자비 약 153억원을 투입한 결과 2009년 11월 부터 설치.운영을 개시하여 2010년 기준 약 50억원의 전력판매 실적이 올렸다.

연료전지 설치 후 GSEPS(주)는 전력시장운영규칙과 정부의 신재생에너지 발전차액지원제도에 따라 전 력을 생산하고, 시장가격이 기준가격(274.06원)에 미치지 못할 경우 15년 동안 정부로부터 차액을 지원 받게 된다.

현대ㆍ기아차은 독일 클린 에너지 파트너십(CEP) 참여에 관한 양해각서(MOU)를 체결, 본격적인 친환경 차량 보급에 나섰다.

현대ㆍ기아차는 25일 양해각서 체결로 독일 정부가 주도하는 수소연료 전지차 시범보급 사업에 참여하게 되어 수소연료전지분야의 축적된 기술력을 유럽 자동차 본고장인 독일에서 선보일 수 있는 기회를 얻게 되었다. 독일은 국가 혁신 기술(NIP)의 하나로서수소연료전지 차량 및 인프라에 대한 연구개발과 실증사업을 꾸준히 실시하고 있으며, 산업계 공동 투자를 통해 2007년부터2016년까지 총 14억유로(2조1천억원) 규모의 투자를 진행 중에 있다.  

오션텍. 한텍테크 등 부품사업 진출

연료전지 부품, 주변기기 분야에 중소기업이 참여하면서 분야별로 기술개발 및 상용화가 적극적으로 추진되고 있다.

퓨얼셀파워는 2005년 연료전지 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly) 국산화에 성공하고 지속적으로 성능을 개선해 1~30kW 출력의 스택을 생산.판매하는 등 가정용 연료전지시장적극 진출하고 있다.

연료전지 및 수소에너지분야 전문기업 (주)오선텍은 2000년 회사 설립당시 정부의 연료전지 자동차 개발과제 참여를 시작으로 지금까지 정부와 대기업에 연료전지 관련 개발품을 납품하고 연구개발 협약 등을 토대로 연료전지분야 연구개발(R&D)에 적극 나서고 있다.

연료전지 시장에서 오선텍은 LNG용 수소개질장치와 주택용 연료전지 발전시스템, 10kW급 상업용 연료전지, 이동형 수소연료전지인 파워팩, 수소저장합금 및 응용제품 등을 개발했다. 특히, 최근에는 정부의 에너지절약형 친환경주택건설 사업인 그린홈 사업에 동참하기 위하여 가정용 연료전지 인증 절차를 진행 중이다.

자동차 엔진 변속기 부품업체인 한텍테크놀로지 수소연료전지 부품사업에 진출한다.

이 회사는 수소연료전지 핵심부품인 분리막(Separator)에 대한 연구・개발을 완료,본격적인 양산체제 구축에 들어갔다. 이 회사가 개발한 분리막은 수소연료전지의 양극과 음극의 접촉을 막고 수소와 산소, 냉각수를 각각 분리해 공급하게 하는 박막으로 폭발사고 방지 등 수소연료전지의 기능과 안정성을 부여하는 핵심 소재다. 기존 흑연 분리막 대신 금속성 분리막을 사용해 제품 크기와 생산비용을 크게 줄인 게 차별화된 특징이라는 것이 회사 측 설명이다. 연내에 연료전지 발전설비인 스택(Stack)에 실제 분리막을 적용해 성능 검사와 인증 절차를 거치는 등 본격적인 상용화 단계를 밟을 계획이다.

연평균 80% 성장세, 2018년 글로벌 60억달러 규모 전망

‘1990년대 초반까지 서울의 쓰레기 매립지였던 난지도 일대를 메워 만든 월드컵경기장. 이 근처 노을공원에는 지난해 9월 발전소가 세워졌다. 그런데 발전소에 굴뚝이 보이지 않는다. 소리도 없다. 냄새도 없다. 단지 500m2 가량의 면적에 3~5m 높이의 조그만설비 서너 개만이 있다. 이곳 발전소의 전기생산 규모는 2.4MW로, 마포지역 3,000가구의 전력 공급과 1,000가구의 온수 공급하고 있다.’

지난해 9월 가동을 시작한 서울 상암동 연료전지 발전소 얘기다. 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 화석연료지만전기를 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 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 경기도 등과 체결하기도 했다. 전력거래소에 따르면 지난달 기준 국내 건설된 발전용 연료전지 규모는39.25MW로 이 중 포스코파워가 31.65MW를 설치했다.

그러나 포스코파워가 독점한 발전용 연료전지 시장에 다른 국내기업들도 적극 뛰어들고 있어 경쟁체제가 조성될 조짐을 보이고있다. 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 큰점유율을 차지할 것이라고 밝혔다. 

보고서는 전기자동차와 달리 주행거리나 충전 횟수 제한같은 부문을 신경쓰지 않아도 탄소배출 제로의 효과를 볼 수 있다는 점을연료전지자동차의 장점으로 꼽았다. 특히 여객 자동차 시장에서 연료전지방식이 각광을 받으며 2015년 상용화를 위한 본격적인시장움직임이 일 것으로 예상했다. 보고서는 2010년부터 본격적인 상용화 이전 기간인 2014년까지 약 1만대, 2015년까지57,000대의 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 초까지는소형 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 시장의50% 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 제조설비및 공정기술로 인해 발전단가를 1/3~1/5 수준으로 낮출 수 있고, 유연한 기판에 투명한 태양전지로 응용 가능한 장점 등으로 전세계적으로 집중적인 연구가 행해지고 있다.