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심기일전, 두산의 수소전략

두산중공업 유동성 위기 후 구조조정 약속 이행
‘두산→두산중공업→두산퓨얼셀, 밥캣’으로 지배구조 재편
두산퓨얼셀, 트라이젠·SOFC·수전해 등 신사업모델 발굴 
두산중공업, 가스터빈·풍력발전 등 친환경 에너지사업 집중

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[월간수소경제 성재경 기자] 작년 한 해 두산그룹은 질풍노도의 시간을 보냈다. 두산건설이 상장폐지가 되고 두산중공업의 주력사업인 원자력·화력 발전 등에 신규 수주가 급감하면서 유동성 위기에 몰렸다. 결국 국책 은행에 3조6,000억 원의 자금을 빌려야 했고, 두산그룹은 사활을 건 자구책 마련에 나섰다. 오너가(家) 사재 출연, 유상증자를 비롯해 그룹의 주요 사업부문 매각에 나섰다.


두산그룹 구조조정의 핵심은 두산퓨얼셀이었다. 과거 ‘두산→두산중공업→두산인프라코어’로 이어지는 지배구조를 ‘두산→두산중공업→두산퓨얼셀, 밥캣 등’으로 재편하기로 한 것이다. 이를 위해 전지박과 OLED 등 첨단소재를 생산하는 두산솔루스를 스카이레이크인베스트먼트에 매각했고, 두산 대주주 일가가 보유하고 있던 두산퓨얼셀 지분 23%(1,276만3,557주)를 두산중공업에 무상으로 증여했다. 그리고 구조조정의 마지막 퍼즐인 두산인프라코어 매각 우선협상대상자로 현대중공업그룹이 결정되면서 최종 절차를 밟게 됐다.

 

두산퓨얼셀의 수소연료전지 사업 

두산퓨얼셀은 이제 두산중공업의 핵심 계열사다. 이는 두산중공업의 주력사업이 원자력·화력발전 사업 중심에서 수소를 비롯한 신재생 사업 쪽으로 상당 부분 옮겨갔다는 뜻이다. 이로써 가스터빈 발전, 신재생에너지 사업을 축으로 하는 사업 포트폴리오가 새롭게 구성된 셈이다.


두산퓨얼셀은 국내 발전용 연료전지 시장 점유율 1위 업체로, 수소연료전지 핵심기술 기반의 기술혁신 역량을 갖추고 있다. 지난 2019년 10월 두산의 연료전지 사업부문을 인적분할해서 설립한 회사로, 440kW 규모의 발전용 인산형 연료전지(PAFC)를 생산해 장기 서비스를 제공하고 있다(10kW 건물용과 1kW 주택용 PEM 연료전지 사업은 ㈜두산이 사업권을 보유하고 있다).


특히 올해는 3세대 연료전지로 통하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 시장 진출도 본격화한다. 두산퓨얼셀은 지난해 2분기 ‘한국형 고효율 저온형 SOFC 기술개발과 국산화’ 국책 과제에 선정된 데 이어, 작년 10월에는 영국의 SOFC 기술 전문업체인 세레스파워(Ceres Power)와 기술 도입 계약을 체결했다.




세레스파워의 셀과 스택 기술을 도입해 대규모 양산기술을 공동 개발할 예정으로, 연료전지의 내구성 향상을 위해 620°C 정도의 낮은 온도에서 작동하는 SOFC 개발을 목표로 하고 있다. 연료전지의 작동 온도가 낮으면 초기 전력효율이 떨어질 수밖에 없다. 대신 시스템의 생산비용을 낮추면서 내구성을 크게 높여 발전소 운영기간 동안 높은 효율을 장기적으로 유지할 수 있고, 순수소 발전 등 연료 유연성의 확보가 가능하다는 이점이 있다. 두산은 3년간 세레스 파워와 800만 파운드 상당의 기술협력 계약을 통해 국내에 SOFC 50MW 셀·스택 양산체계를 구축하게 된다.


사업 형태로 보면 독일의 보쉬와 유사하다고 할 수 있다. 보쉬 또한 지난 2018년에 세레스파워와 전략적 제휴를 맺고 스틸셀(SteelCell) 기술을 도입, 10kW 연료전지시스템을 개발 중에 있다. 


두산퓨얼셀은 작년 10월 19일 이사회를 열어 한국형 SOFC 생산시설 투자 계획을 승인했다. 발전용 SOFC 셀·스택 제조라인과 SOFC시스템 조립라인 구축을 위해 2023년 말까지 724억 원을 투자한다. PAFC를 합쳐 현재 연간 90MW에 이르는 연료전지 생산 규모를 올해 말까지 260MW로 늘리고, 향후 620MW까지 증설할 계획이다. 두산퓨얼셀은 12월 초 3,360억 원의 주주배정 유상증자에 성공했고, 이 자금을 수소연료전지 생산라인 증설과 미래기술 개발에 투자한다.


사용처 확보에도 나섰다. 두산퓨얼셀은 현재 개발 중인 한국형 고효율 SOFC를 나빅8(Navig8)이 발주하는 7.5MW급 선박에 탑재해 추진 동력과 선박 내 전원으로 사용하는 프로젝트를 추진 중이다. 나빅8은 싱가포르에 본사를 둔 글로벌 해운회사로, 60척 이상의 석유화학제품과 원유 운반선을 보유하고 있다.


유수경 두산퓨얼셀 대표이사는 “선주가 직접 엔진 업체를 선정해 조선사에 발주하는 구조라 선주와의 협력은 사업화를 안정적으로 전개할 수 있는 장점이 있고, 동시에 선주가 보유한 선박에 직접 실증이 가능해 상용화 시점을 크게 앞당길 수 있다”고 말했다.


국제해사기구(IMO)는 해운산업의 온실가스 배출을 줄이기 위해 2050년까지 2008년 대비 온실가스 배출량을 50% 감축하는 강력한 규제안을 발표한 바 있다. 해운업체들이 앞다퉈 암모니아, 수소 등 친환경 에너지원 발굴에 나서고 있는 것은 이런 배경 때문이다.

 



트라이젠·SOFC 등 새로운 사업모델 발굴 

두산은 지난 2014년 7월 한국을 대표하는 고분자전해질형 연료전지(PEM) 업체인 퓨얼셀파워, PAFC 기술을 보유한 미국의 클리어엣지파워를 잇달아 인수하면서 연료전지 시장에 본격적으로 뛰어들었다. 당시만 해도 국내 연료전지 시장은 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 기술을 앞세운 포스코에너지가 주도권을 쥐고 있었다.


당시 연료전지 시장에 관심을 보인 기업은 두산만이 아니었다. GS에너지의 전신인 GS파워도 가정용 연료전지 시장에 진출한 바 있고, SK그룹도 자회사를 통해 건물용·가정용 연료전지 시장에 진출했지만 별다른 성과를 거두지 못했다. 코오롱도 캐나다 연료전지 전문기업인 하이드로제닉스와 코오롱하이드로제닉스를 세웠지만, 50MW 규모의 대산 연료전지발전소 사업이 두산퓨얼셀에 돌아가면서 도약의 기회를 잃었다.




수소연료전지 시스템은 초기 개발에 많은 자본이 들고, 10년 정도는 수익에 대한 기대 없이 연구개발을 지속해야 하는 어려움이 있다. 그래서 자체 개발보다는 인수합병이나 기술이전을 택하는 경우가 많다. 국내 발전용 연료전지 시장의 개척자로 평가받는 포스코에너지 또한 미국의 퓨얼셀에너지로부터 기술이전을 받아 사업을 시작했다.


2014년 당시 두산은 클리어엣지파워의 인수를 두고 “천운”이라는 표현을 썼다. 현대차의 수소전기차 탄생에 기여한, 최고의 연료전지 기술을 보유한 UTC파워를 인수한 회사가 클리어엣지 파워였다. 두산은 경영 악화로 법정관리에 들어간 클리어엣지파워를 3,240만 달러에 인수하면서 UTC파워의 50년 연료전지사업 노하우가 담긴 특허를 확보했다. 


이후 포스코에너지가 MCFC의 품질 문제로 시장의 신뢰를 잃은 틈을 타 발전용 연료전지 시장에서 승기를 잡았다. 2018년 발전용 연료전지 내수시장에서 두산퓨얼셀의 점유율은 94%에 달했다. 독과점 지위를 유지하던 기세는 SK건설이 미국의 블룸에너지와 손을 잡고 SOFC를 발전시장에 들여오면서 한 풀 꺾였다. 지난해 연말 두산퓨얼셀의 국내 점유율은 64%로 떨어졌고, 이제는 ‘두산퓨얼셀 vs 블룸SK퓨얼셀’의 경쟁 구도가 확실히 자리를 잡았다.


발전시장에선 고온으로 운전해 발전효율이 높은 SOFC의 인기가 높다. 시스템 설비도 블룸에너지 쪽이 훨씬 작고 간결하다. 스테인리스 냉장고를 일렬로 죽 세워놓은 듯한 세련미가 있다. 두산퓨얼셀은 블룸SK퓨얼셀과의 경쟁에서 밀리지 않기 위해 한시라도 빨리 SOFC 기술을 확보해야 하는 처지다. 두산퓨얼셀이 SOFC시스템 기술을 확보할 경우 두산은 모든 형태의 연료전지 기술을 보유하게 되어 다양한 수요에 대응할 수 있게 된다.


두산퓨얼셀이 국책 과제로 개발 중인 트라이젠(Tri-gen) 모델도 주목할 만하다. 전기와 열, 수소 생산이 모두 가능한 모델로 전기차·수소차 충전 인프라 생태계를 동시에 확장할 것으로 기대를 모은다. 트라이젠은 기존 PAFC 기술을 기반으로 한다. 기존 제품의 개질기(수소추출기) 용량을 극대화해 발전용, 수소충전용 두 가지로 활용한다고 보면 된다.




두산퓨얼셀의 PureCell M400은 시스템 최대 출력 440kW급으로 발전효율은 43%, 열효율은 47%에 달한다. 스택의 반응 온도가 200°C 정도로 낮아 핵심부품인 셀의 수명이 길고 부하추종이 되는 장점이 있다. 이를 350kW로 출력을 낮춰 설계해 전기와 열을 생산하고, 나머지 수소를 충전용으로 활용하게 된다.


윤용세 두산퓨얼셀 R&D 신사업본부 대외협력팀 부장은 “연료전지 발전사업에 수소충전소를 더한 모델로, 수소충전소만으로는 수익을 내기 힘든 구조에서 발전사업을 함께 운영해서 안정적인 수익을 도모할 수 있다”고 말했다. 전기와 열을 필요로 하는 도심에서 분산발전소 역할을 하면서 수소충전소와 전기차 충전소를 함께 운영할 수 있는 새로운 사업모델이다.


특히 열은 난방 수요가 있는 인근 아파트 단지에 저렴하게 공급하는 방안이 있다. 이렇게 되면 90%에 이르는 에너지 효율을 달성해 도심 분산에너지원인 연료전지의 활용성을 크게 높일 수 있다. 두산퓨얼셀은 올해 실증을 거쳐 2022년부터 트라이젠의 상용화에 나선다.

 

두산중공업의 친환경 에너지사업

두산퓨얼셀을 핵심 계열사로 둔 두산중공업의 사업전략은 어떨까? 두산중공업은 수력, 풍력, 가스터빈, 수소 등 전방위로 친환경 에너지사업을 추진 중이다. 1조 원을 넘게 투자해 확보한 발전용 가스터빈 기술이 대표적이다. 두산중공업은 미국의 제너럴일렉트릭(GE), 독일의 지멘스, 일본의 미쓰비시파워(MHPS), 이탈리아의 안살도에 이어 세계에서 다섯 번째로 H급 발전용 가스터빈 기술을 보유하고 있다.


두산중공업에서 개발한 가스터빈은 270MW 이상 H급이다. 향후 한국서부발전이 추진하는 김포열병합발전소에 납품되어 2023년부터 상업운전에 들어갈 예정이다. 액화천연가스(LNG)로 터빈을 돌려 1차로 전력을 생산한 뒤, 폐열을 활용해 증기터빈을 돌려 한 번 더 전력을 생산한다. 복합발전 효율은 60% 이상으로 잡고 있다.


두산중공업은 국가 과제인 ‘분산발전 가스터빈용 수소전소 저 NOx 연소기 개발’도 진행하고 있다. 이미 개발이 완료된 5MW급 분산발전용 가스터빈에 수소 연료로 돌아가는 연소기를 새롭게 개발해 운전을 하게 된다. 수소는 천연가스보다 화염 전파속도가 8배나 높아 고온의 연소 환경에서 질소산화물(NOx)이 배출된다. 이 문제를 해결하면서 터빈을 안정적으로 돌리기 위해서는 새로운 연소기 개발이 꼭 필요하다.


여기에 더해 두산중공업은 ‘수소혼소형 대형 연소기 개발’을 국책 과제로 진행 중이다. 이 연소기를 두산중공업이 개발한 270MW H급 가스터빈에 장착하게 되면 천연가스를 연료로 사용하는 가스터빈이 수소를 연료로 하는 가스터빈으로 전환되게 된다. 향후 두산중공업은 한국형 표준 복합에 적용 예정인 380MW급 가스터빈을 장기적으로는 ‘Hydrogen Ready Gas Turbine’으로 개발해 향후 천연가스 연소기를 수소 연소기로 교체 시 수소 가스터빈으로 전환할 수 있도록 할 예정이다.  


국내 발전소에서 운영되는 가스터빈은 158기로 전량 수입산이다. LNG 발전용 가스터빈의 대당 가격은 700억 원이 넘고, 유지보수 비용도 발전사별로 연간 300억 원에 이른다. 그럼에도 가스터빈의 수요 전망은 밝다. 정부의 제9차 전력수급기본계획안(2020∼2034년)에 따르면 가동 연한 30년이 도래하는 석탄발전 30기를 폐지하고, 이 가운데 24기를 LNG 가스터빈으로 운영하는 복합화력발전소로 대체하게 된다. 2034년까지 약 18GW의 시장 규모로 두산중공업은 GE, 지멘스 등이 독점하고 있는 가스터빈 시장에 국산 가스터빈으로 도전장을 낸다.




제9차 전력수급기본계획은 정부의 탈원전 정책을 반영하고 있다. 원자력발전은 단계적 감축에 따라 지난해 24기에서 17기로 차츰 줄어드는 대신, 신재생에너지의 발전설비 용량은 지난해 20.1GW에서 2034년 77.8GW로 4배 가까이 늘어난다. 정부의 그린뉴딜 정책 기조를 적극 반영해 2025년 기준 재생에너지 발전설비의 목표치를 종전의 29.9GW에서 42.7GW로 올려 잡은 점에 주목해야 한다.


정부의 수소경제 활성화 정책은 명확하다. 작년 10월에 열린 제2차 수소경제위원회에서 태양광, 풍력 등이 모두 포함된 기존의 신재생에너지 공급 의무화(RPS) 제도에서 연료전지만 분리해 별도의 의무 공급시장을 조성하는 ‘수소발전 의무화제도(HPS)’를 도입하기로 결정했다. 이를 수소법 안에 명시해 2022년에는 의무적으로 친환경·분산형 연료전지 발전전력을 구매하는 제도를 시행할 계획이다.


두산중공업의 경영전략은 정부의 이런 에너지 정책과 보조를 같이한다. 특히 수소연료전지 분야에서 두산퓨얼셀과의 시너지 효과를 기대하고 있다. 두산중공업은 설계·조달·시공을 일괄 수행하는 EPC 역량과 글로벌 고객망에 강점이 있다. 이를 기반으로 두산퓨얼셀과 손을 잡고 세계 연료전지 시장 진출을 노리고 있다. 이는 발전용 가스터빈에도 동일하게 적용된다.

 

그린수소 생산을 위한 P2G사업

제주 신창해안도로의 초입이라 할 수 있는 한경면 신창리포구 연안에는 10기의 해상풍력발전기가 한 줄로 늘어서 있다. 두산중공업이 남동발전과 함께 건설한 국내 최초의 상업용 해상풍력발전단지로 탐라해상풍력발전에서 운영한다. 두산중공업은 지난 2005년 풍력사업에 진출한 이후 지금까지 약 1,800억 원을 투자해 관련 기술을 개발해왔다.


두산중공업은 제주도와 서해 등 전국에 총 79기, 약 240MW 규모의 풍력발전기를 공급했다. 서남권 해상풍력 실증, 제주 탐라해상풍력 등 96MW에 달하는 국내 해상풍력기는 모두 두산중공업의 손을 거쳤다. 두산중공업은 여기서 한 발 나아가 제주의 그린수소 실증사업에도 참여한다.




두산중공업은 제주에너지공사가 주관하는 ‘그린수소 생산·저장·활용 실증사업’에 참여해 ‘P2G 통합 관리시스템’을 개발한다. 풍력으로 생산한 3MW의 전력으로 하루에 약 200kg의 수소를 생산(총 저장량 600kg)해 9대의 수소버스 운행에 활용한다. 또 미활용전력을 2MWh 용량의 ESS 배터리에 저장해 전기차 충전에도 활용한다. 과제 기간은 2022년 연말까지로 잡혀 있다.


두산중공업은 이번 사업에서 수소의 생산·압축·저장 등 수소플랜트 전체의 통합 설계를 비롯해, 원격운전 솔루션이 포함된 통합 에너지관리시스템(EMS) 개발을 맡고 있다. 이와 별도로 40피트 표준 컨테이너에 맞춘 ‘P2G 올인원 모듈’도 제작한다. 이는 200~300kW급 수전해 시스템을 하나의 컨테이너에 담은 단일 모듈로, 신재생에너지로 그린수소를 만드는 P2G사업에 대한 두산의 의지를 엿볼 수 있다.




두산은 두산퓨얼셀아메리카에서 보유한 UTC파워의 관련 기술을 검토해 양이온교환막(PEM) 수전해 장치를 개발하기로 확정했다. 2024년 개발을 목표로 하는 만큼 이번 제주 프로젝트의 모듈에는 타사의 수전해 시스템이 들어갈 예정이다. 


그린수소 생산을 위한 P2G 설비에는 풍력터빈의 부하변동을 제어하기 위한 에너지저장장치(ESS)가 필요하다. ESS를 버퍼로 활용해 기계적인 스트레스 없이 수전해 장비의 스택을 안정적으로 운영하는 일이 아주 중요하다. 두산중공업은 ESS에도 강점이 있다. 미국의 자회사인 두산그리드텍을 통해 호주 퀸즈랜드 주에 150MWh 규모의 ESS를 공급하기로 했다. 뷔나에너지가 발주한 이번 사업의 수주 금액은 총 1,000억 원 상당으로 알려져 있다.


두산중공업은 국내 첫 수소 액화플랜트 건설에도 나선다. 2022년까지 두산중공업 창원공장에 하루 5톤 규모(연간 1,700톤 규모)의 액화수소를 생산할 수 있는 플랜트를 세울 예정이다. 이미 효성은 독일의 린데그룹과 손을 잡고 울산에 연간 1만3,000톤 규모의 액화수소 플랜트를 짓기로 했고, SK도 2023년까지 수도권에 연간 3만 톤 규모의 액화수소 플랜트를 완공하기로 하는 등 액화수소 시장도 뜨겁게 달아오를 전망이다.





두산이 그리는 수소전략의 핵심은 두산퓨얼셀과 두산중공업의 조합에 있다. 두산퓨얼셀은 기존 발전용 연료전지 외에도 선박용 연료전지, 수송용 파워팩(버스, 기차, 트럭), 수소충전소용 트라이젠 모델, 그린수소 생산을 위한 P2G사업 등 다양한 수소 관련 신규 산업을 계획 중이다. EPC의 강점을 갖춘 두산중공업은 두산퓨얼셀의 든든한 뒷배라 할 수 있다. 여기에 두산이 100% 지분을 보유하고 있는 두산모빌리티이노베이션(DMI)의 수소드론도 함께 거론할 수 있다.


두산은 지난해 심기일전했다. 버리고 취할 것을 따져 체질 개선의 약속을 이뤄낸 셈이다. 정부는 수소경제로 가겠다는 일관된 신호를 시장에 흘려왔다. 코로나19, 유럽의 수소전략, 조 바이든 행정부의 등장 등은 그 흐름을 가속화하고 있다. 정부의 탈탄소 에너지 정책과 경제 활성화 정책은 한 묶음으로 움직이고 있다. 이제 곧 수소법이 시행된다. ‘그린뉴딜’의 흐름을 제대로 짚고 대응해온 기업들에게 새로운 기회가 주어지는 건 어쩌면 당연한 일이다.





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