연료전지, 수소사회 성장 ‘주도’
연료전지, 수소사회 성장 ‘주도’
  • 홍수인 기자
  • 승인 2020.04.10
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

발전용·건물용·수송용 등 상용화

[투데이에너지 홍수인 기자]수소에너지를 활용하는 연료전지가 다양한 분야로 확대되며 수소사회 성장을 주도하고 있다.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 고효율 발전시스템이다. 연간 가동률이 높고 설치면적이 작아 에너지밀도가 높은 것이 특징이다.

연료전지 모델은 전해질의 종류에 따라 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 고분자전해질형 연료전지), PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell, 인산형 연료전지), MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell, 용융탄산형 연료전지), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체산화물 연료전지) 등이 있다
.
각각의 형태에 따라 발전 용량과 작동 온도, 촉매가 다르기 때문에 용도에 맞게 각각 다른 형태의 연료전지를 선택할 수 있다. 국내에는 용도별로 크게 발전용(수백kW 이상), 건물·가정용(1~수십kW), 수송용 등 3가지로 활용 중이다. 

■발전용 연료전지
발전용 연료전지는 전력계통에 연결해 전력발전을 목적으로 최소 수백kW 이상의 용량을 가지며 PAFC, MCFC, SOFC의 3가지 제품이 상용화 돼 보급 중이다.

미국에는 SOFC타입을 생산하는 Bloom Energy, MCFC타입을 생산하는 FuelCell Energy가 있으며 국내에는 PAFC타입을 생산하는 두산퓨얼셀과 MCFC타입을 생산하는 한국퓨얼셀(이전 포스코에너지, 美 Fuelcell Energy 원천기술 활용) 등이 연료전지를 생산하고 있다.

두산퓨얼셀이 부산그린에너지에 설치한 발전용 연료전지(30.8MW급)
두산퓨얼셀이 부산그린에너지에 설치한 발전용 연료전지(30.8MW급)

국내 두산퓨얼셀의 PAFC기술 연료전지 발전소 공급 실적은 △부산그린에너지(30.8MW) △유진초저온 연료전지(9.68MW) △한화대산부생수소발전소(50.16MW) △여의도 파크원 빌딩(900kW) 외 다수 프로젝트 진행 중이며 현재 건설 중인 설비까지 포함하면 총 400MW 이상에 달한다.

두산퓨얼셀(대표 유수경)은 연료전지사업의 성장에 맞춘 경영 효율과 전문성 강화를 위해 지난해 (주)두산에서 분할해 별도 법인으로 출범했다.

두산퓨얼셀은 발전용 연료전지 개발, 제작과 서비스를 주력사업으로 추진 중이며 공장 자동화와 부품 국산화를 통한 제품 경쟁력을 바탕으로 수소, LNG, LPG 등 다양한 연료로 발전할 수 있는 제품 라인업을 구축했다.

두산퓨얼셀은 세계 최대 부생수소 발전소(한화 대산)를 수주하는 등 시장 진입 후 3년만인 지난해 처음으로 수주 1조원을 넘어섰고 2023년 매출 1조원을 달성한다는 계획을 세웠다. 또한 국내 누적 설치 기준(2015년 이후)으로 시장점유율 79%를 기록하고 있다.

한편 국내 발전용 연료전지사업은 정부의 수소경제 활성화 로드맵에 따라 2040년까지 연평균 20% 이상 성장할 전망이다.

■가정·건물용 연료전지
건물용 연료전지의 경우 아파트, 빌딩, 오피스텔 등과 같은 건축물에 설치해 건물에서 필요한 전력량 중 기저부하를 대응하고 일정 부분의 열 부하까지 대응할 수 있는 소규모 열병합 발전기 형태의 연료전지를 의미한다.

우리나라의 경우 일반적으로 10kW급 이하의 연료전지 제품을 건물용 연료전지로 일컫으며 대부분 PEMFC가 건물용으로 활용되고 있다.

이 중 1kW급 이하의 연료전지는 주로 아파트와 같은 가정용으로 적용되고 있다. 가정용 연료전지는 대부분 PEMFC가 적용되고 있으며 SOFC를 이용한 개발도 활발히 이뤄지고 있다.

건물용 연료전지는 다른 신재생에너지원에 비해 설치장소 제약이 작다. 연료전지는 용도에 따라 다양한 규모로 제작해 활용할 수 있으며 소음 및 유해가스 배출이 적고 자연환경에 따른 제약이 작아 도심에서도 유용하게 사용될 수 있다.

에스퓨얼셀의 건물용 연료전지 제품은 PEMFC타입 연료전지로서 발전용량에 따라 1kW급부터 10kW급까지 4개 모델로 나눌 수 있다.

에스퓨얼셀의 연료전지(발전용량에 따라 1kW급부터 10kW급까지 4개 모델).
에스퓨얼셀의 연료전지(발전용량에 따라 1kW급부터 10kW급까지 4개 모델).

또한 사용하는 연료에 따라 NG, HG, PG 3개 모델로 구분된다. NG는 도시가스, HG는 순수수소, 그리고 PG는 LPG를 연료로 사용한다.

에스퓨얼셀의 연료전지는 롯데캐슬아파트(100kW), 서울드래곤시티(146kW), 을지트윈타워(48kW), 하나은행 본점(85kW), 경북도청 신청사(60kW), 서울시립대 100주년 기념관(17kW) 등 다양한 건물에 설치·사용되고 있다.

또한 최근 에스퓨얼셀은 국내 최초로 건물용 수소연료전지를 중국에 수출한 바 있다.

이번 수출은 지난해 중국JV를 설립한 이후 추진해온 중국시장 진출 결과물로 에스퓨얼셀은 중국의 에너지기업과 협력해 중국형 건물용 수소연료전지를 개발하고 중국 전역으로 사업을 확대할 예정이다.

한편 에스퓨얼셀의 자체 영업자료에 의하면 국내 건물용 연료전지시장은 2014년 75억원 규모에서 2020년 960억원 규모의 시장으로 성장할 것으로 전망되고 있다.

■수송용 연료전지
수소에너지는 이동수단분야에서도 활발히 적용되고 있다. 이미 수소전기자동차가 상용화됐다. 독일에서는 기존에 운영하던 디젤기관차를 대체한 수소전기열차를 지난 2018년부터 영업운행하고 있다.

2015년 파리기후협정 체결로 온실가스 감축의 필요성이 커지고 국내에서도 탄소배출제로 기존 노후 디젤철도차량을 대체할 수 있는 친환경 철도차량에 대한 수요가 점차 늘어나 수소전기열차가 대안으로 언급되고 있다.

수소전기열차는 친환경성뿐만 아니라 수소연료전지가 독립적인 동력원이라 전차선이 필요 없어 전동차에 비해 별도 인프라 구축 비용이 적어 경제적인 장점도 가졌다. 전차선 건설 비용만 km당 24억원 가량 절감할 수 있을 것으로 예상된다.

현대로템은 이러한 수소전기열차 수요에 대응해 우선적으로 수소전기트램 개발을 진행 중이다. 2018년부터 연구기획을 시작했으며 현대자동차에서 개발한 수소연료전지시스템을 현대로템이 개발한 트램에 적용하는 방식으로 다양한 동력 분배 제어와 주행 제어 알고리즘을 시험할 계획이다.

현대로템의 수소전기트램 조감도.
현대로템의 수소전기트램 조감도.

이 시험차량은 지난해 12월 마하티르 빈 모하마드 말레이시아 총리가 현대로템 창원공장 방문 시에도 선보인 바 있다.

현대로템은 자동차용 연료전지를 철도차량에 적용해 효율적으로 운용하기 위한 통합제어시스템 개발을 비롯해 핵심 전장품인 인버터, APU, PMSM과 수냉각 통합모듈을 개발하고 있으며 철도차량에 대용량 수소를 적재하기 위한 철도차량용 수소저장 탱크 모듈 개발을 진행할 예정이다.

이를 통해 현대로템은 2021년까지 성능시험 플랫폼 개발 후 수소연료전지를 활용한 본격적인 주행시험을 실시해 수소전기트램 핵심기술을 확보한다는 계획이다.

현대로템의 수소전기트램은 수소연료전지와 전기배터리 조합의 혼합 하이브리드 방식이다. 수소연료전지 동작 과정에서 공기정화 기능이 있어 공해배출이 전혀 없으며 도심 공기 정화 효과가 있는 것이 특징이다.

또한 수소연료전지 및 수소탱크, 냉각시스템을 모듈화해 차량 지붕에 탑재하기 때문에 저상형 구조 실현으로 차량 바닥의 높이가 낮아 휠체어, 유모차 등 교통약자의 승하차가 편리한 장점이 있다.

현대로템은 수소전기트램을 필두로 수소전기열차 개발에 힘써 관련 시장을 선도할 수 있는 기술력과 경쟁력을 확보하고 글로벌 철도시장에 대응할 수 있는 첨단 제품 연구개발에 매진해 고객가치를 창출하는 기술선도기업으로서 꾸준한 노력을 기울일 계획이다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

해당 언어로 번역 중 입니다.