Hot Agenda - 수소연료전지, ‘반값 에너지’ 시대 앞당기나?
HYDROGEN-FUEL CELL
수소연료전지는 수소 에너지화의 첨병이다. 기존 화석에너지보다 40% 이상 효율적이다.
수소연료전지는 전기와 함께 열을 생산하기 때문에 효율도 80% 이상이다.
최근 동경에서 열린 ‘2013 신재생에너지와 스마트그리드 전시회’에 출품된 연료전지는 92%라는 경이적인 효율을 보였다.
수소를 한 번 충전 후 500km를 주행하는 수소연료전지차도 등장했으며, 이처럼 수소의 가격이 저렴하기 때문에 각광받지 않을 이유가 없다.
수소연료전지 전망 밝지만 아직 비싸
수소연료전지의 전망은 꽤 밝다.
산업부는 수소연료전지 시장규모가 2020년 13조 원, 2025년에 66조 원에 이를 것으로 추정했다.
수소연료전지는 발전용, 건물용, 수송용, 가정용으로 나눌 수 있다.
발전용은 650℃이상에서 가동되고 건물용과 수송용, 가정용은 상온 200℃이하에서 가동되는 차이가 있다.
건물용 연료전지는 일본에서 이미 상용판매가 시작돼 2011년 누적 2만 8,000대에 이르고 2012년 2만 대 추가 판매가 예상된다.
국내에서는 정부의 보급 사업 등을 통해 약 600기가 보급되었다. 시범적으로 어린이대공원, 서북병원 등에 설치됐다.
그림 1> 서울 어린이대공원에 설치할 연료전지 발전기
또한, 올해 고덕, 탄천지하철 차량 기지에 20MW 규모로 MCFC 방식의 발전용 연료전지를 설치한다.
일본 도시바는 발전과 저장을 함께하는 5MW급 수소연료전지발전저장소를 개발할 예정이다.
단일규모로는 최대규모로 20m×30m대지 위에 수소저장탱크, 고체산화전지, 증기발전기와 저장기, 열교환기가 설치된다.
수송용 연료전지도 성장세다. 전 세계 주요 자동차회사들은 2015년에 1만 대 규모의 연료전지 자동차를 양산할 계획이다.
현대자동차는 올해 수소연료전지 양산차 투싼iX를 내놨다. 2015년까지 누적 1,000대, 이후 연 1만 대를 양산할 계획이다.
가정용 연료전지도 빼놓을 수 없다.
일본 도시바는 700W급 가정용 연료전지를 2,500만 원에 내놓았으며 우리나라의 퓨어셀파워도 이미 2005년에 개발한 바 있다.
산업부는 2010년부터 1kW급 가정용 연료전지를 본격적으로 보급하기 시작해 해마다 2,000대씩 늘려가고 있다.
일본은 2015년까지 1만 5,000대 이상, 2030년까지 250만 대의 가정용 연료전지를 설치하겠다고 나섰다.
EU는 2015년까지 연간 20만 대 보급이 목표다.
그림 2> 퓨어셀파워의 가정용 연료전지 시스템 설치 모습
수소연료전지 보급에 가장 큰 걸림돌은 가격과 안정성이다.
에너지 컨설팅펌인 코발트스카이는 2011년 6월 대구시에 600억 원 규모의 11.2MW의 연료전지 발전소를 건립한 바 있다.
국내 기업이 인도네시아 자카르타에 준공할 30kW급 연료전지 발전소는 30 ~ 40억 원 정도가 들어간다.
일본의 1kW급 건물용 연료전지의 판매가격은 250만 엔(2850만 원)선이다.
현대자동차의 투싼iX의 유럽판매가격은 15만 유로(2억2152만원)에 달한다.
수소연료전지의 발전 효율(LNG가스 투입 대비 전력과 열에너지 발생을 통한 에너지 변환율)은 현재 80% 수준이다.
그림 3> 대구연료전지발전소 전경
효율이 19%인 태양광 발전소 1MW 건설에 21억 원이 소요되고 30%가량인 육상풍력 발전소 1MW가 50억 원, 최장저장시간이 4시간인 ESS 1MW가 19억 원이라는 점을 감안한다면 연료전지발전소가 결코 싸지 않다.
또 1회 충전으로 160km를 달리는 르노삼성의 준중형전기차 SM3 Z.E.의 국내 공급가가 4,500만 원이고 현대차의 연비 리터당 20km인 쏘나타 하이브리드가 2,500만 원 선에 팔리는 점을 감안한다면 수소연료전지차도 현재 분명 ‘대중용’은 아니다.
그리고 결정적으로 ‘수소’를 계속 공급해줘야 한다.
에기평, 수소연료전지차 핵심 기술 국산화 나서
수소연료전지의 구조는 일반 전지와 비슷하다. 양극과 음극, 전해질로 구성돼 있다.
다만 양극에 산소, 음극에 수소를 주입하고 음극에서 수산화반응이 일어나 물과 전기가 나온다는 것만 다르다.
빠른 반응을 위해 열을 가하며 촉매로 백금을 쓴다.
산소야 공기 중에 있으니 그대로 나두면 되지만 수소는 수소저장탱크를 둬 수소를 공급하거나 메탄이나 LNG에서 뽑아 쓴다.
따라서 수소연료전지가 계속 작동하려면 LNG 등 ‘연료’를 계속 공급해줘야 한다.
0.3g 정도 수준이기는 하지만 백금 사용과 최소 70 ∼ 600℃온도 유지는 수소연료전지 가격상승의 요인이다.
연료전지는 전해질에 따라 여러 종이 있다. MCFC(Molten Carbonation Fuel Cell)는 용융탄산염이 전해질이다.
SOFC는 Solid Oxide Fuel Cell의 약자로 고체산화물이 전해질이다. PEFC는 고분자전해질(Polymer Electrolyte)가 전해질이다.
이 밖에도 여러 종이 있으나 가장 많이 언급되는 것들이 이들이다.
MCFC방식은 600℃이상 고온에서 작동되며 주로 300kW이상 발전용에 쓰인다.
SOFC는 최근 개발되고 있는 기술로 고체 전해질이기 때문에 안정적이다.
역시 600℃이상 고온에서 작동하며 저온에서 작동되는 SOPC가 한창 연구 중이다. PEFC가 작동되는 온도는 70 ∼ 90℃로 가정용 연료전지에 많이 쓰인다.
일본은 1990년대 초반부터 개발하기 시작했으며 우리나라는 2005년 첫 PEFC 방식의 가정용 연료전지가 퓨얼셀파워에 의해 개발됐다.
산업부는 수소연료전지의 가격경쟁이 2020년에야 가능한 것으로 보고 있다.
올해 에너지기술평가원(이하 ‘에기평’)은 수소연료전지의 안정성과 가격경쟁력 향상을 목표로 ‘저온 연료전지 및 개질기용 고성능 촉매 제조기술 개발(이하 ‘촉매기술 사업’)’과 ‘300N㎥/h급 천연가스 개질 수소스테이션 개발(이하 ’수소스테이션 사업’)’에 뛰어들었다.
에기평의 연구기획은 수소연료전지차를 겨냥한 것이다.
수소연료전지차가 비싼 이유는 여전히 백금 촉매를 쓰기 때문인데 에기평은 촉매기술 사업에서 백금 사용량을 kW당 0.25g으로 낮출 예정이다.
기존 미국 3M이 0.3g을 쓰니 세계 최고 수준의 기술을 개발하겠다는것.
또 촉매의 내구성도 자동차 운전에 적합하게 5,000시간으로 늘릴 계획이다.
종전의 최고 기술은 美3M이 세운 3,000시간이다.
우리나라는 현재 2,000시간 정도의 수명을 가진 저온연료전지촉매 기술을 갖고 있다.
또 수소연료전지가 200℃ 이하 온도에서도 작동하게 만들 예정이다.
촉매가 양산 시 연료전지 스택과 개질기에서 차지하는 가격비중이 38%인만큼 연구가 완성되는 2017년경에는 산업부의 예측대로 가격경쟁력을 갖추게 된다. 현재 우리나라 연료전지차 국산화율은 92%다.
연료전지차는 ▲연료전지 스택 ▲수소공급계 ▲공기 및 물관리계 ▲전력동력시스템과 보조전원시스템으로 나뉜다.
연료전지차에 쓰이는 전극막은 2015년 개발 예정이며, 국산 수소탱크는 개발 과제로 남아 있다.
올해 수소연료전지 양산차 투싼iX를 출시한 현대차의 개발사는 2001년으로 거슬러 올라간다.
최초 차량은 ‘산타페’를 기반으로 제작됐으며 美 UTC퓨어셀과 공동개발해 2005년 1월 선보였다. 최고시속 124km, 1회 충전 주행거리 160km의 성능을 지녔다.
하지만 영상온도에서만 시동이 걸리는 단점이 있다. 현대차는 그 후 영하의 온도에서도 운행이 가능한 ‘투싼‘을 내놓았다.
투싼은 최고시속이 150km이며 1회 충전 주행거리도 300km도 대폭 늘어났다.
연료전지 스팩이 80kW이며 보조전원으로 20kW급 리튬폴리머 전지를 사용했다.
산타페가 수소연료전지 1세대라면 투싼은 2세대다. 현대차는 3세대 연료전지차 투싼iX를 완성하고 올해 초 양산을 시작했다.
투싼iX 수소연료전지차는 100kW급 연료전지 시스템과 700기압의 수소저장시스템이 탑재돼 있다.
1회 충전으로 594km까지 주행이 가능하다. 가솔린 기준으로 연비를 환산하면 리터당 27.8km다.
또 영하 20℃ 이하에서도 구동 가능하다.
그림 4> 현대차의 수소연료전지차 투싼ix
그림 5> 수소연료전지차 모식도
산업부는 2010년 12월 7일 범정부 차원의 그린카 발전 로드맵을 발표한 바 있다.
수소연료전지차 모니터링 사업 명목으로 작년까지 약 200대의 수소연료전지차와 수소충전소 13기가 설치됐다.
2020년까지는 수소충전소 168기를 확보할 예정이다.
대규모 수소스테이션 우리 손으로 만든다
현재 국내의 수소 생산가격은 kg당 2만 3,000원이다. 생산용량은 30N㎥정도다.
각각 기술 선진국인 일본이 2010년 기준 1만 9,353원에 생산하고 미국 H2Gen이 268N㎥를 생산하는 것과 비교한다면 낮은 수준이다.
에기평은 수소타운 연계형 300N㎥/h급 천연가스 개질 수소스테이션을 개발하여 천연가스 개질 방식을 채택할 예정이다.
수소스테이션은 수소연료전지차와 가정 모두에 수소를 공급한다.
선진국에서는 수소스테이션과 수소연료전지를 한데 묶어 ‘수소타운’을 건설하고 있다.
우리나라도 수소타운을 겨냥해 한국에너지 기술연구원, SK이노베이션, 가스공사도 20N㎥/h급 컴팩트형 고효율 수소제조장치를 개발한 바 있다.
따라서 300N㎥/h를 개발한다는 에기평의 기획은 획기적인 것이다.
과제가 완료되면 우리나라는 세계 최고 수준의 수소스테이션을 갖게 된다.
에너지 절감효과는 2012년연간 280TOE에서 2020년 6만 6,200TOE로 확대된다. 수소스테이션의 시장규모도 확대된다.
300N㎥/h급 수소스테이션 설치비용은 2008년 기준 40억 원 수준이고 2025년 1만 2,000기의 수소스테이션이 세계 곳곳에 건설된다고 가정할 때 예상 세계시장 규모는 1조 2,000억 원이 된다.
2012년 현재는 200기 800억 원에 불과하다. 우리 시장에는 현재 10기의 수소스테이션이 건설돼 있는데 2025년에는 500기로 늘어나 5,000억 원대로 시장이 성장할 것으로 예측된다.
수소연료전지 공급사슬 구축에 나서
우리나라 수소연료전지 기술은 세계 수준에 다다르고 있지만 부품소재에만 집중돼 있을 뿐 공급사슬이 구축돼 있지 않다는 것이 걸림돌이다.
연료전지 가치사슬은 ▲연료공급/개질기 ▲주변기기 ▲스택 ▲모듈/시스템 ▲발전으로 구성돼 있다.
선진국 대비 우리나라의 연료전지기술, 부품 국산화율은 평균 75%로 수송용과 건물용 일부 부품만 국산화가 이뤄졌을 뿐 스택 핵심 소재와 부품은 대부분 수입에 의존하고 있다.
일본은 수소연료전지 공급사슬 구축에 적극 나서 가와사키가 함수율 50 ∼ 60%인 호주 갈탄을 가스화 후 정제, 액화해 들여오는 수소공급망 사업을 올해부터 실시할 예정이다.
올해부터 자금을 모집해 2017년 시범사업, 2025년 실증사업, 2030년께 상용화에 나설 예정이다.
또 도시바는 수소연료전지와 ESS를 결합한 수소발전저장장치 개발에 나섰다.
가와사키는 2030년경 수소를 소비자에게 제세공과금 제외하고 N㎥당 29.8엔(339.73원)에 공급하겠다는 목표를 제시했다.
현재 가격의 절반 수준이다. 산업부는 수소연료전지발전전략을 늦어도 올해 안에 작성해 수소연료전지 공급사슬을 완성하고 소재부품 R&D를 강화할 예정이다.
신재생에너지과 김창완 사무관은 “부생수소 등을 적극 활용해 현재 LNG 의존구조를 적극적으로 탈피해 나갈 것”이라며 “SOFC방식 등 수소연료전지 부품소재 개발을 선도할 것”이라고 밝혔다.
환경부도 수소연료전지차와 충전소 보급사업을 실시하고 있다. 규모는 충전소 1기와 수소차 5대 규모.
일단 올해 광주광역시에 수소차 구입비와 수소충전소 시설비를 동시 지원하고 성과를 토대로 국가보조사업확대 여부를 살필 예정이다.