수소연료전지는 기존의 연소방식이 아닌 수소와 산소의 전기화학반응으로 기존 다단계에 걸친 에너지 전환과정없이 연료의 화학에너지를 직접 전기로 변환하는 기술이다. 탄소 및 이산화탄소 배출이 없는 수소를 연료로 사용하기 위해 개발된 기술로 탄소중심의 에너지로부터 벗어나 수소로 에너지 패러다임을 전환하고 탄소중립을 실현하기 위한 핵심 활용기술 중 하나다. 

특히 연료전지 복합 및 열병합기술은 연료전지에서 생산되는 전기와 함께 발생하는 열을 최대한 활용하는 기술로 사용되는 연료의 이용율을 극대화시킴으로써 최대의 효율을 얻을 수 있으며 열병합기술은 연료전지에서 생산되는 전기와 함께 폐열을 활용, 히트펌프 기술과 연계해 냉열과 온수 등을 공급할 수 있다. 연료전지 복합기술은 초고효율 연료전지 또는 연료전지와 기존 발전 복합화로 발전효율을 극대화시키는 기술이다. 

정성욱 한국에너지기술평가원 수소·연료전지PD를 만나 탄소중립 100대 핵심기술로 선정된 수소연료전지 및 복합·열병합기술분야의 시장동향 및 탄소중립 핵심기술 동향에 대해 들어봤다. 

열병합시스템 적용이 가장 적합한 분야는 데이터센터다. 데이터센터 운영비용의 약 70~80%가 에너지비용이며 에너지사용량의 약 40% 이상이 IT시스템 냉각에 사용되고 있다. IT기기의 고효율화와 함께 데이터센터의 에너지사용량 절감을 위한 대규모 움직임이 있으며 최근에는 데이터 대기업을 중심으로 신재생에너지를 통한 전력 생산 및 활용에 많은 관심을 두고 있다. 

데이터센터의 전력공급원으로 연료전지시스템을 도입하는 데 많은 연구가 보고되고 있으며 Microsoft Research Technical Report에 따르면 연료전지시스템은 △에너지원 공급망 측면의 높은 신뢰성 △높은 Fuel to Server 에너지효율 △연료전지 운전 중 생산되는 냉열을 활용한 서버시스템에 직접 Cooling을 통한 전체 시스템효율 추가 상승 △낮은 온실가스 배출 △낮은 운영비용 △연료전지시스템 도입 시 공급전력대비 냉각에 사용되는 전력비율 저감 가능 △전체 운영비용 약 30% 절감 등이 장점으로 부각되고 있다. 이러한 열병합시스템은 100% 무공해 발전이 가능할 뿐만 아니라 전기효율 극대화도 가능해 인구 집약적 도시에 적합한 친환경 고효율 발전시스템으로 활용 가능하다. 연료전지시스템의 폐열회수 온도를 100℃ 이상으로 올릴 수 있다면 폐열을 사용해 냉열을 직접 생산이 가능해져 4계절 에너지수요에 맞춰 △전기 △온열 △냉열 등의 자유로운 공급이 가능하며 연간 가동률을 95% 이상 확보도 기대된다. 

국내 Stack기술은 아직 해외 선진기관대비 성능, 효율, 열화율, 내구성 측면에서 부족한 점이 많아 해외로부터 기술이전 및 M&A를 통한 기술개발이 주류를 이루고 있다. 두산퓨얼셀(Clear Edge, Ceres Power), Bloom-SK퓨얼셀(Bloom Energy), 한국퓨얼셀(Fuelcell Energy) 등 대기업 위주로 해외 선진기술 이전을 통한 기술개발 및 사업을 활발히 추진 중이다. Bloom Energy의 경우 최근 공식 발표자료에 따르면 4세대 발전용 SOFC의 경우 2021년 약 70% 이상 전기효율을 목표로 개발하고 있다. 

국내 SOFC업계는 기술 개발 및 사업 성장, 원가 절감, supply chain 형성, 소재·부품 국산화 등 다양한 상업적 공동 목표를 달성하기 위해 2015년 8월 ‘SOFC산업화포럼’을 발족했으며 현재 국내 기술 기반 SOFC시스템 개발 완료 및 SOFC 양산 체계 구축을 추진하고 있다. 

현재까지 국산화 개발이 완료된 건물용 SOFC시스템의 평균적인 발전효율은 50~55% 수준으로 발전효율이 55~60% 수준인 선진국 고효율 제품과 기술경쟁 및 국산 원천설계기술 확보를 위한 국내 SOFC 제품의 성능과 신뢰성 향상을 위한 기술 개발이 지속적으로 진행돼야 한다.

Stack off-gas의 효과적인 활용을 위한 Heat & Mass balance 최적화 기술 부족과 고온 부품의 단가 및 내구성 이슈로 인해 국내는 Bloom Energy의 제품을 제외하고는 상용화 실적이 거의 없다. 

국내 SOFC 대표기업으로는 STX중공업과 미코, 에이치엔파워가 완성품을 보유하고 있으며 경동나비엔, 피엔피에너지텍, 두산퓨얼셀, 범한퓨얼셀 등 다수의 기업들이 건물용 및 발전용 SOFC시스템 개발을 준비하고 있다.

글로벌 발전용 연료전지시장은 2013년 215MW, 2015년 299MW, 2017년 670MW로 연평균 33% 성장해 국내기준 약 900MW까지 성장했다. 미래 발전용 연료전지시장 규모는 2030년 12.7~25.4GW에서 2050년 95GW로 연평균 7~11% 성장할 것으로 전망된다. 이는 2017년대비 2030년과 2050년 CAGR은 각각 25~32%, 16% 성장한 것이다. 연료전지는 한국, 일본, 미국을 중심으로 초기 시장을 형성 중이며 연평균 30%씩 성장할 것으로 전망된다. 이에 따라 2020년 90Mt 미만 사용량을 보이는 수소수요는 2030년 200Mt을 넘기고 2050년에는 530Mt에 이를 전망이다. 수소를 활용하는 연료전지수요도 꾸준히 증가해 2018년 2조2,000억원 수준의 시장이 연평균 30%씩 성장해 2030년에는 약 50조원 규모가 될 것으로 추정된다.

2018년 사용량을 기준으로 전 세계 연료전지시장에서 한국, 중국, 일본 등 아시아 비중은 약 42%를 차지하며 큰 시장을 형성하고 있으며 국가별로 진행되는 수소산업 지원 정책으로 수소시장이 커짐에 따라 민간 기업의 투자가 활성화되는 중이다. 

SK에코플랜트은 미국 Bloom Energy와 협력으로 국내 SOFC시장에 진출해 국내 생산과 보급을 본격화했다. 2020년 1월 Bloom Energy와 SOFC 연료전지 국산화를 위한 합작법인 블룸SK퓨얼셀을 설립하고 같은 해 10월 구미공장을 준공했다. LNG를 연료로 하는 SOFC 제품을 생산할 계획이며 2027년 400MW까지 생산량을 점진적으로 확대할 계획이다.

두산퓨얼셀파워는 주요 제품군에는 1kW급 가정용과 5kW, 10kW 규모의 건물용 연료전지가 있으며 10kW급은 PEMFC 타입 중 단일기기 기준 가장 큰 용량이다. 

세계 두 번째로 잠수함용 연료전지 상업화에 성공한 범한퓨얼셀은 건물용 PEMFC시장에도 두각을 나타내며 40여곳에 제품설치를 완료했다. 이와 함께 SOFC시스템과 메탄올 개질기도 개발하고 있으며 발전효율 60% 이상 목표로 캐스케이드 스택을 활용한 10kW급 SOFC시스템을 개발 중이다. 

천연가스에서 디젤, 가솔린, 수소에 이르는 추출기술력을 바탕으로 에이치앤파워는 3kW급 SOFC제품인 에너블럭모델을 출시했으며 전기효율은 51.7%, 열효율은 35%로 열회수장치도 내재하고 있어 연료 다변화가 가능하다. 

미코파워는 세라믹소재 전문성을 토대로 2008년부터 기초소재, 스택, 단전지, 시스템에 이르는 전주기 공정의 자체 제작기술을 보유하고 있으며 일괄생산체계도 갖추고 있다. SOFC시스템인 TUCY는 2kW급과 8kW급의 제품군을 보유하고 있으며 전기효율 52%, 종합효율 99%를 기록했다. 

연료전지의 일반적인 전기효율은 약 40~60% 수준으로 분산발전시스템에 비해 높은 편이며 열까지 모두 회수해 사용한다면 총괄효율이 90%에 달한다고 보고되고 있다. 하지만 실제 사용되는 열이 일반적으로 난방에 사용될 정도의 낮은 온도로 인해 계절적 요인이 강해 열이용율은 낮다. 연료전지 복합발전 및 열병합기술은 연료전지와 터빈 또는 히트펌프 등과 연계해 전기효율을 높이거나 열활용율을 높여 전체 에너지효율을 증가시키는 방법이다. 연료전지에서 도시가스를 이용해 전기만 생산 시 약 50%의 전기효율을 갖는 시스템은 MWh당 0.404ton의 이산화탄소를 발생시키지만 전기효율을 70%까지 고효율화시킬시에는 0.289ton의 이산화탄소를 발생시키게 된다. 

열병합기술의 경우 열활용을 극대화해 총괄효율을 90%까지 증가시킬 시 MWh당 이산화탄소 발생량은 0.224ton으로 감소돼 도시가스를 이용하는 분산에너지공급에서의 이산화탄소 감축에 기여할 수 있다. 물론 사용되는 연료를 무탄소 기반 수소를 이용해 사용할 시에는 이산화탄소 발생량이 ‘0’에 가깝게 된다.