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수소경제 핵심축 ‘연료전지’, 새로운 전환기 맞았다

세계적 수준 기술 보유했지만 국내 시장 규모는 미미
규모의 경제 이루지 못해 제조원가 절감 어렵고 연료비 변동성 커
연료전지, ‘수소경제 활성화 로드맵’서 핵심 축 담당
발전용 연료전지 확대로 경제성 확보 및 수출 산업화
가정·건물용, 분산전원 장점 살려 설치 확대 및 수출기반 마련
블룸에너지 등 해외 기업, 국내 시장 진출…시장 지각 변동 예고



[월간수소경제 이종수 기자] 광주시는 지난달 25일 남구·광산구·한국서부발전과 연료전지 발전소 건설에 관한 양해각서(MOU)를 체결했다. 남구와 광산구에 총 1조4,000억 원을 들여 100MW급 2기를 건설한다는 계획이다.

경주시는 지난달 27일 경상북도·경주시·강동에너지·네모이엔지·한국수력원자력·한국서부발전과 함께 200MW급 연료전지 발전소 건설과 관련해 1조4,000억 원 규모의 투자 유치 MOU를 체결했다.

정부가 지난 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표한 이후 연료전지 발전소 건설 추진 움직임이 활발하다.

지난해 말 기준으로 국내에 설치된 발전용 연료전지는 총 307MW(포스코에너지 182MW, 두산 125MW). 올해 신규 설치목표만 해도 137MW에 달한다. 지난해까지 설치된 307MW의 약 44%에 해당하는 수치다.

문재인 정부 출범 이후 에너지전환 정책에 따른 ‘재생에너지 3020’ 이행계획에 신에너지가 빠지면서 연료전지가 소외되는가 싶더니 수소경제 활성화 로드맵의 양대 축으로 ‘수소전기차’와 함께 ‘연료전지’가 이름을 올리며 연료전지산업이 새로운 전환기를 맞이하고 있다.



친환경 분산전원 연료전지 부상
정부가 수소경제의 양대 축 중 하나로 연료전지를 선정한 것은 친환경적이면서 전기와 열을 생산하는 분산전원의 최적 에너지전환 기술 및 설비로 받아들여지고 있기 때문이다.

전 세계 발전용 연료전지는 2013년 215MW, 2015년 299MW, 2017년 670MW로 연평균 22% 이상 증가하고 있다. 글로벌 수소위원회는 2030년 전 세계 발전용 연료전지 시장 규모를 12.7~25.4GW, 2050년 95GW 가량 확대될 것으로 전망하고 있다.

연료전지산업발전협의회에 따르면 국내 연료전지 잠재시장 규모는 발전용의 경우 발전공기업(RPS)대상 연평균 250MW, 민간 자가용 분산발전은 2040년 기준 총 6.7GW, 집단에너지(외부 수전분 및 노후설비 대체)는 총 4GW 규모로 예상된다.

가정·건물용의 경우 2030년까지 가정용은 연평균 30MW, 건물용은 연평균 148W로 전망된다.

또한 연료전지는 협력부품업체가 대부분 중소·중견기업으로, 활용 확대에 따라 협력기업의 성장과 고용창출로 연계할 수 있다는 장점이 있다. 연료전지 부품 수는 발전용은 약 1만개, 가정·건물용은 4,000여 개에 달한다.

국내 연료전지산업이 원천기술을 보유한 국내외 기업과의 제휴·M&A 등을 통해 세계적 수준의 기술력을 확보해 수출 산업화까지 가능하다는 점도 주요인으로 작용했다.

발전용은 포스코에너지가 미국 FCE에너지와의 기술제휴, 두산은 미국 CEP 및 한국의 퓨얼셀파워 M&A를 통해 연료전지시스템 기술을 확보했다. 가정·건물용은 정부 과제를 통한 국내 자체 기술로 두산과 에스퓨얼셀이 연료전지시스템을 상용화했다.

다만 발전용 연료전지의 국산화율은 57% 정도로, 주요 핵심부품은 아직 수입에 의존하는 형편이다. 연료전지(발전용)의 주요 핵심부품은 셀스택, 운전장치(탈황기, 스팀개질기, 열교환기, 블로우어 등), 전자장치(전기제어장치, 전력변환장치)로 구성된다.



주요 핵심부품인 스택의 셀 전극·촉매, 연료변환기 촉매는 전량 수입에 의존하고 있지만 전극·촉매 제조 기술은 국내에서 개발 중으로 2019~2022년 중 확보가 가능할 것으로 예상된다. 대부분의 열교환장치, 공기공급장치 및 전자장치 등은 단기간 내 100% 국산화 달성이 가능할 것으로 보인다.

아직은 미미한 국내 연료전지 시장
국내 연료전지산업이 최고 수준의 기술력을 보유하고 있고, 잠재시장이 많음에도 연료전지 시장 규모는 아직 미미하다. 지난해 말 기준으로 발전용은 307.6MW(41개소), 가정·건물용은 7MW(3,167개소)가 보급됐다.

먼저 제조원가 절감이 쉽지 않다는 점이 문제다. 아직은 한정된 시장 규모이다 보니 ‘규모의 경제’를 실현하기 힘든 탓이다. 발전용은 2017년까지 연평균 27MW 보급에 불과했다. 가정·건물용 보급량은 2010년 이후 연간 300여 대 수준이다. 일본이 연간 5만 대 가량을 보급하는 것과 비교하면 천양지차다.

설치단가를 보면 2018년 기준 발전용은 kW당 450만 원, 가정·건물용은 kW당 2,700만 원이다. 특히 가정·건물용의 경우 일본이 kW당 1,100만 원 수준인 것과 비교하면 국내 설치비 부담이 큰 게 사실이다.

연료전지산업계의 한 관계자는 “국내 제조사는 기술개발 및 국산화를 통한 제조원가 절감 노력을 지속 중이며, 적정 시장 규모 확보 시 제품 판매가격 인하를 통한 경쟁력 확보가 가능할 것”이라고 밝혔다.

또한 시장 잠재량의 50% 이상인 자가 수요에 대한 지원제도 부재로 가정·건물용, 산업용, 전력 다소비 사업장 등 민간부문 분산발전 투자가 미미한 상황이다.

특히 LNG 가격 대비 낮은 전기요금 및 REC 판매와 같은 인센티브 부재로 연료전지 운영의 경제성을 확보하기 어려운 구조다.

발전원가 중 60% 이상이나 차지하는 연료비(LNG)의 높은 변동성으로 연료전지 발전사업의 수익 및 비용 불안정성이 증대되고 있는 점도 연료전지산업계의 애로사항이다. 이로 인해  540MW 규모의 연료전지 신규 투자가 지연되고 있다.


연료전지, 수소경제 한 축 담당
정부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’에서 연료전지 세계시장 점유율 1위 달성을 비전으로 삼았다.

보급 목표는 발전용은 2022년 1.5GW(내수 1GW), 2040년 15GW(내수 8GW), 가정·건물용은 2022년 50MW, 2040년 2.1GW로 설정했다.

먼저 발전용 연료전지 설치 확대를 통해 경제성 확보 및 수출 산업화를 이룬다는 목표다.

2022년 누적 1GW(내수) 보급 시 규모의 경제를 통한 단가 절감이 가능할 것이라는 분석이다. 2040년에는 2018년 대비 설치비 35%, 발전단가 50% 수준을 달성할 것으로 예상된다.

설치비는 2018년 450만 원/kW에서 2022년 380만 원/kW, 2040년 157만 원/kW, 발전단가는 2018년 250원/kWh에서 2022년 224원/kWh, 2040년 131원/kWh으로 각각 인하될 것이라는 얘기다.

특히 2025년에는 중소형 가스터빈 발전단가(190∼200원/kWh)와 대등한 수준에 도달할 것으로 보인다.

또한 새만금 연료전지(2022년, 100MW) 등 국·내외 대규모 사업을 추진하고, 2030년까지 밸류체인 전반의 생태계를 조성하면 부품 협력업체 수는 2018년 224개에서 2022년 400개, 2025년 600개, 2030년 1,000개로 점차 늘어날 전망이다.

중장기적으로는 산업단지 등 전력 다소비 시설에 대한 연료전지 보급 확대도 검토될 것으로 보인다.

정부는 연료전지 경제성 확보를 위해 연료전지 전용 LNG 요금제를 신설하고, 일정 기간 연료전지 REC를 유지해 투자 불확실성을 제거한다는 계획이다. 중장기적으로는 ‘그린 수소’를 활용한 경우 REC를 우대하는 것도 방안이다.

안정적으로 연료전지사업을 추진할 수 있도록 현재 태양광에만 적용 중인 장기(20년) 고정가격 계약제도 도입도 검토한다.

연료전지 핵심부품 국산화율 100% 달성을 위해 2022년까지 촉매(백금) 등 수입 소재를 제외한 전 부품 국산화를 완료하고, 장기적으로 수입 소재(촉매, 전극, 분리판) 기술개발을 추진한다. 연료전지 부품 표준화·공용화를 통한 설비가격 인하도 가능하다.

가정·건물용 연료전지 분야에서는 분산전원의 장점을 활용한 설치 확대를 통해 수출기반을 마련하는 것이 목표다.

먼저 정부 보급사업 예산(주택 2,340만 원/kW, 건물 2,240만 원/kW)의 단계적 확대로 보급 확산을 지원할 수 있고 병원, 데이터센터 등에서 활용 중인 비상전원(디젤·가솔린 등 사용 발전기)을 ‘건물용 연료전지+ESS 시스템’으로 대체하는 한편 연료전지 대여사업, 연료전지 열 및 전기 중개사업 등 새로운 비즈니스 모델 발굴도 가능하다.

또 LNG 전용 요금제 신설, 전력계통 부담 완화에 따른 전기요금 특례제도 연장 검토 등 추가적인 인센티브도 적극 고려될 수 있다.

공공기관 가스냉방 의무화 제도를 참고해 공공기관, 민간 신축 건물에 대한 연료전지 의무화 추진과 이 외 설치장소 또는 사용유형별 특징을 고려한 다양한 모델을 출시하고, IoT 기술과 연계해 원격, 자동으로 연료의 사용과 생산된 전기·열의 활용을 관리하는 스마트 관리시스템 개발도 필요하다.

정부는 단기적으로 연료전지 전용 요금제 신설과 일정 기간 연료전지 REC를 유지할 계획이다. REC의 경우 지난해 상반기 RPS 고시 개정을 통해 연료전지의 기존 REC 가중치 2.0을 유지한 바 있다. 가중치 2.0은 신재생 전원 중 풍력·태양광 설비 연계 ESS와 해상풍력 다음으로 높은 수치로, 발전공기업 입장에서 연료전지는 RPS 실적 달성의 호재다. 최근 발전공기업이 연료전지발전소 구축에 적극 나서는 이유다.

연료전지 전용 요금제는 올해 안으로 신설될 것으로 보인다. 이용환 산업통상자원부 에너지산업정책관은 지난 1월 도시가스업계 신년인사회에서 올해 연료전지 전용 요금제 신설을 적극 검토하겠다고 밝힌 바 있다. 



연료전지 시장 판도 변화 예고
정부의 이러한 연료전지 로드맵에 따라 시장에서의 연료전지시스템 업체 간 경쟁도 향후 관전 포인트다. 연료전지 시장의 지각 변동도 예고된다.

국내 발전용 연료전지 시장은 현재 포스코에너지와 두산이 이끌고 있다. 포스코에너지(MCFC; 용융탄산염연료전지)가 독주하다시피 하다 품질 문제와 LTSA 협상 난항으로 인해 한동안 연료전지시스템 공급을 중단한 사이에 두산(PAFC; 인산형연료전지)이 포스코에너지의 빈자리를 채우며 시장을 확대해 나가고 있다.

보급량으로는 아직 포스코에너지가 1위를 점유하고 있지만 포스코에너지 사태가 장기화 될 경우 두산이 1위를 탈환할 가능성이 높아 보인다.

한편 관련 업계에서는 시장의 건전한 발전을 위해 포스코에너지가 하루빨리 정상화되기를 바라는 시각이 많다.

최근 연료전지 시장을 깜짝 놀라게 한 것은 현대자동차의 연료전지 판매사업 진출 선언이었다. 현대차는 수소전기차 연료전지시스템을 기반으로 발전용 연료전지시스템을 개발해 현재 울산 수소연료전지 실증화 센터에서 500kW 발전용 연료전지시스템 실증사업을 진행 중이다. 올해 하반기에는 성능 및 안정성이 개선된 컨테이너 타입의 1MW급 시스템도 개발할 계획이다.

현대차는 발전용 외에도 최소 수십kW 이상의 대형 건물용 연료전지와 비상전원용 시스템에 관심을 가지고 시범사업을 검토하고 있다.

해외 기업들이 국내 기업과 전략적인 제휴를 맺고 잇따라 국내에 진출하고 있어 주목된다. 특히 SOFC(고체산화물연료전지) 기업들이 대부분이어서 국내 발전용 시장에서 SOFC도 한 축을 담당할지 관심이 모아진다.



대표적인 사례가 SK건설과 전 세계 SOFC 선도기업인 미국의 블룸에너지다. 블룸에너지는 200~300kW급 SOFC시스템을 생산하고 있으며, 이 제품은 미국을 중심으로 350MW(누적)가 설치됐다.

SK건설은 블룸에너지와 손잡고 지난 2017년 12월 분당 복합화력발전소 내에 국내 최초로 8.3MW 규모의 SOFC 발전설비를 수주하고, 지난해 설비구축을 완료했다.

양사는 국내 시장 진출을 본격화하기 위해 지난해 11월 발전용 연료전지 주기기에 대한 국내 독점 공급권 계약을 체결했다. SK건설이 블룸에너지의 주기기인 ‘에너지 서버(Energy Server)’를 국내에 독점 공급하게 된 것이다.

이후 SK건설은 한국중부발전·KT 등과 총 3건의 블룸에너지 연료전지 주기기 공급 및 공사계약을 체결했다. 중부발전과는 6MW, KT와는 2곳(각 0.9MW)에 총 1.8MW 규모로 연료전지 발전설비를 구축할 예정이다.



SK건설은 주기기 조립공장의 국내 설립도 검토하고 있다.

이와 함께 SK디앤디도 지난 2월 초 블룸에너지와 발전용 연료전지 주기기 공급계약을 체결하고 연료전지 발전사업 진출을 선언했다.

포스코에너지와 기술제휴를 맺은 미국의 FCE에너지가 포스코에너지 사태가 장기화 되면서 국내 모 건설회사와 한국에 독자 진출할 채비를 하고 있다는 소문이 무성하지만 아직 수면 위로 올라오지 않고 있다.

지난 2012년 롤스로이스 자회사인 퓨얼셀시스템즈를 인수한 LG그룹은 전기차 배터리 사업에 집중하기 위해 지난 2월 연료전지 사업을 중단키로 결정하고, LG퓨얼셀시스템즈(SOFC)의 청산절차를 밟고 있다.

GS에너지는 일본 미쓰비시 히타치 파워 시스템즈(MHPS)와 연료전지 사업제휴를 협의 중인 것으로 알려졌다. MHPS는 지난 2017년 250kW급 SOFC-가스터빈 복합시스템을 실증을 마치고, 2020년 도쿄올림픽 때 제품을 설치해 홍보할 예정이다.

MHPS의 제품은 전기만 생산하는 SOFC와는 달리 MCFC와 PAFC와 같이 전기와 열을 동시에 생산하는 시스템으로 알려졌다.

한편 정부의 발걸음도 빨라지고 있다. 해외 SOFC 기업의 잇따른 국내 시장 진출에 따라 그 대항마로 150kW급 이상의 분산발전용으로 확장이 가능한 고효율 모듈형 SOFC시스템 개발 과제를 지난달 공고했다.

산업부의 관계자는 “올해 안으로 관계부처와 공동으로 ‘수소 기술개발 로드맵’을 수립해 SOFC 등 연료전지의 기술 국산화를 적극 지원할 계획”이라며 “국내 기업들이 PAFC, MCFC, SOFC 등 다양한 유형의 연료전지 기술을 확보해 설치 환경에 맞춰 보급을 확대해 나갈 수 있도록 하겠다”고 밝혔다.



에스퓨얼셀과 두산이 양분하고 있는 가정·건물용 연료전지 시장의 판도 변화도 관심사다.

에스퓨얼셀은 이미 지난 2016년 일본 후지전기와 PAFC 공급에 관한 MOU를 체결하고 국내 발전용 연료전지 시장 공동 진출을 선언했다. 후지전기는 100kW급 PAFC 생산기업으로 전 세계 90여 사이트를 운영 중이다.

에스퓨얼셀은 도심 지역 중소규모 발전사업에 후지전기의 PAFC시스템을 보급한다는 방침으로 영업을 강화하고 있다.

이의 일환으로 지난해 6월 후지전기코리아, KT와 함께 호텔, 병원, 공장 등의 사업장 에너지관리시스템(EMS)과 연계한 연료전지 융·복합 사업을 추진하는 내용의 MOU를 체결했다. 이후 KT의 대관령수련관에 후지전기의 100kW급 연료전지 발전설비가 구축돼 운전 중이다.

지난해 연료전지업계 최초로 코스닥에 상장된 에스퓨얼셀은 상장을 통해 확보된 자금으로 생산설비를 증설할 계획이다. 연간 최대 30MW 규모로 건물용과 발전용 연료전지시스템 모두 생산할 수 있는 플랫폼 제조업 형태의 연료전지 제조공장을 구상하고 있다.

‘플랫폼 제조’ 방식은 시스템 설계기술을 보유한 에스퓨얼셀과 개질기·스택·인버터 등의 핵심장비를 제작하는 1차 밴더, 시스템을 조립·평가·출하하는 2,3차 밴더가 모두 동일한 장소에 위치하는 것으로 국내 최초 사례다.

한편 에스퓨얼셀은 국책 연구과제로 유럽형(수출형) 건물용 연료전지 실증 과제를 지난달 수행하고 있어 유럽 진출도 가능해질 전망이다.



국내 가정·건물용 연료전지 시장에 세계적인 연료전지(SOFC) 기업인 이탈리아 솔리드파워의 SOFC 시스템 ‘BlueGEN’(1.5kW, 6kW)도 한국 진출이 예정돼 있어 주목된다.

솔리드파워는 지난해 11월 대전시, 국내 연료전지기업 ㈜에프씨아이와 둔곡 외국인투자지역 내 4만9,500㎡의 면적에 합작투자 방식으로 총 5,120만 달러를 투자하는 내용의 양해각서를 체결했다.

솔리드파워는 에프씨아이와 합작 형태로 대전시에 법인을 설립하고, 오는 2020년 둔곡 외국인투자단지에 입주할 계획이다. 양사는 50MW급 연료전지시스템 생산 공장을 설립할 예정이다.

에스퓨얼셀 이외의 국내 기업들도 시장에 가세할 전망이다.

2015년 5월 GS칼텍스의 군수용 연료전지 사업 부문을 양수한 범한산업은 잠수함용 연료전지 기술력으로 건물용(5kW, PEMFC) 연료전지 진출을 준비 중이다.

범한산업은 지난해 8월 세계적인 연료전지 기업인 스웨덴의 ‘파워셀’과 스택 및 연료전지시스템의 한국 내 독점공급에 관한 계약을 체결했다.

범한산업이 국내에 공급하는 파워셀의 연료전지시스템은 부생수소용 및 UPS(무정전전원장치)용으로, PS-5(1~5kW), PS-100(20~100kW), MS-30(10~30kW), MS-100(50~100kW) 총 4개 모델이다.

STX중공업, 미코, 에이치앤파워 등 SOFC산업화포럼 기업들은 1~3kW SOFC시스템을 개발하고 관련 인증 및 실증 과정을 진행 중이다. 상업화를 위한 신재생에너지 KS인증 기준만 마련되면 시장에 본격 진출한다는 계획이다.    

“정부 지원과 업계 협력으로 시장 확대해야” 
업계 일각에서는 현대자동차의 연료전지 시장 진출을 놓고 “왜 자동차 회사가 연료전지 시장에 뛰어드느냐”는 볼멘소리가 나온다. 블룸에너지의 국내 진출 이후 “국내 기업 제품이 있는데 왜 해외 제품을 사용하려고 하느냐”라는 비난도 제기된다.

실제 한 기업의 관계자는 “연료전지발전 사업을 추진하는 과정에서 블룸에너지의 SOFC시스템을 선택하자 외부에서 ‘왜 해외 제품을 쓰느냐’라는 소리를 자주 들었다”라며 “건설하려는 연료전지발전소 근처에 열원 수요처가 없어 발전효율이 가장 높은 블룸에너지 제품을 선택했는데 무조건 외국산을 배척하는 것은 바람직하지 않아 보인다”고 항변했다.

정부가 연료전지 부품 국산화율을 높이는 정책을 펼치다 보니 해외 기업과의 제휴 과정에서 정부 눈치를 보는 경향도 나타나고 있다.



하지만 무엇보다 중요한 것은 시장 초기이니만큼 무리한 경쟁보다는 정부의 연료전지 지원정책에 발맞춰 업계가 협력하고 신기술 개발 및 품질 향상 노력을 통해 함께 시장을 확대해 나가는 게 최우선이라는 지적이 나온다.

정부도 연료전지 시장 확대에 강한 의지를 보이고 있다. 산업부는 지난달 5일 발전용 연료전지 업계 간담회를 개최하고 연료전지 보급 진행 상황 및 보급 목표 달성 가능성, 업계 동향 및 애로사항 등을 청취하고, 주요 부품 국산화 및 협력 중소기업 육성 전략과 공장 건설 등 투자계획 및 해외 수출 가능성에 대해 논의했다.

이날 업계는 아직 초기인 연료전지 시장이 성장할 수 있도록 정부의 적극적인 지원이 필요하다고 요청했다.

주영준 산업부 에너지자원실장은 “연료전지는 수소전기차와 함께 수소경제 선도국가로 도약하기 위한 핵심축인 만큼 향후 정부 지원을 신설·강화하고 기술개발 사업을 확대하겠다”라며 “특히 중소·중견기업과 연구기관, 대학 등이 협업해 기술 완성도를 높이고 연료전지 분야의 고급인력을 지속적으로 양성해 수소경제 이행 기반 및 산업생태계 구축에 최선을 다하겠다”고 강조했다.

연료전지에 대한 대국민 인식 제고 노력도 시급하다는 지적이다. 현재 인천지역에서는 연료전지발전소 건설 반대 민원으로 연료전지가 곤욕을 치루고 있다. 앞으로 연료전지발전소 건설이 늘어나면 지역주민들의 님비현상도 증가할 가능성을 예상케 하는 대목이다.

업계의 한 관계자는 “앞으로 연료전지발전소가 많이 들어서려면 연료전지에 대한 오해와 진실을 제대로 알릴 필요가 있다”라며 “정부와 업계가 공동으로 연료전지에 대한 올바른 이해를 도모하는 프로그램을 마련했으면 좋겠다”고 밝혔다.



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