2021.10.06 (수)

FOCUS

SK에코플랜트-블룸에너지의 수소전략, SOFC부터 SOEC까지

SK어드밴스드 울산공장서 블룸에너지 ‘순수수소 SOFC’ 실증
SK에코플랜트 창원 RE100 사업 위한 사전 실증 성격
발전용 연료전지 시장서 SOFC 돌풍…3년 만에 40%대 점유율
생활 SOC, 열공급형 연료전지발전으로 사업모델 다변화
4세대 에너지서버 출시, SOEC 개발로 시장 주도권 확보

URL COPY



[월간수소경제 성재경 기자] 질의서를 만들어 보낸 게 지난 5월 초다. 그때만 해도 SK건설이었다. 지난 5월 21부로 SK건설은 SK에코플랜트(SK ecoplant)로 사명을 바꿨다. 친환경을 뜻하는 ‘에코(Eco)’에 심는다는 의미의 ‘플랜트(Plant)’를 붙여 ‘지구를 위한 친환경 아이디어와 혁신기술을 심겠다’는 포부를 담았다. 


이름은 정체성을 담는 그릇이다. 건물이나 설비를 세운다는 좁은 뜻의 ‘건설’에 갇히지 않고 환경·사회·지배구조를 뜻하는 ESG경영을 접목한 환경기업으로 체질을 바꾸겠다는 선언으로 읽힌다. 


근 한 달 만인 6월 초에 답변서가 도착했다. SK에코플랜트와 미국 블룸에너지 본사가 협의 하에 답변서를 작성하느라 시간이 걸렸다고 했다. 본 취재는 그 답변서에 기초하고 있다.

 


수소 연료로만 작동하는 SOFC 실증사업

SK에코플랜트는 SK어드밴스드의 울산 PDH 공장 안에 블룸에너지에서 개발한 100kW 고체산화물 연료전지(SOFC)를 설치하고 순수수소를 연료로 실증을 진행 중이다. Hydrogen SOFC 개발 소식은 이미 작년에 접했다. 


2020년 4월호 <월간수소경제>에 블룸에너지가 수소 기반 연료전지를 개발해 미국 NASA의 모펫필드에서 성공적으로 첫 실증사업을 마쳤다는 소식을 전한 바 있다. 내부 개질형인 블룸에너지의 SOFC 에너지서버는 천연가스에 최적화되어 고온으로 운전된다. 그래서 전력생산 효율이 높다. 


수소연료가 직접 투입되면 개질에 필요한 열 수요가 없어져서 적정 온도보다 고온이 발생되기 때문에 기존 제품보다 전력생산 효율이 떨어질 가능성이 있다. 그럼에도 수소 전용 모델 개발에 나선 것은 수소공급이 크게 늘어나는 2023년을 기점으로 수요가 크게 늘 것이라는 전망 때문이다. 


이번 실증사업은 블룸에너지, SK에코플랜트, SK어드밴스드 3사의 협의를 통해 추진됐다. SK어드밴스드가 프로필렌 생산 공정 중에 나오는 부생수소를 정제해 연료로 공급한다. PDH(Propane De-Hydrogenation) 공정은 프로판(C3H8)에서 수소(H2)를 제거해 프로필렌(C3H6)을 생산한다. 프로판 약 70만 톤을 기준으로 할 때 약 3만 톤의 수소가 부산물로 나온다.




기술 면에서 천연가스를 개질하는 기존의 에너지서버와 다른 점은 무엇인가?

기존 제품과 수소 전용 모델의 가장 큰 차이는 별도의 천연가스 개질 과정 없이 순수수소를 직접 반응에 사용한다는 점이다. 기존 제품이 수소와 산소의 전기화학반응에서 발생하는 열을 천연가스 개질 공정에 활용한다면, 순수수소 연료전지는 해당 프로세스가 없어 더 많은 열 배출이 필요하다. 따라서 열 관리를 위한 부품 변경이 있었고, 직접 공급되는 연료가 수소란 점을 고려해 시스템 안전설계를 강화했다. 


울산 현장에는 연료전지 주기기 2기(1기당 50kW)가 있고, 직류를 교류로 바꾸는 전력변환기, 별도의 수처리 장치가 있다. 물공급장치는 초기 작동을 위한 스팀 발생에 필요하며, 이후 연료전지가 작동되면 물공급은 필요가 없다.


지난 4월 중에 실증이 시작됐다. 이번 실증은 언제까지 이뤄지며, 어떤 점을 중점적으로 점검하게 되나?

SK에코플랜트는 지난 2019년 초부터 순수수소를 100% 연료로 주입하는 연료전지 발전의 필요성을 두고 블룸에너지와 지속적인 협의를 해왔고, SK어드밴스드의 부생수소 활용을 고려해 이번 실증사업을 추진했다. 실증은 올 연말까지 잡혀 있고, 성능 검증을 거쳐 상용화가 진행될 예정이다. 블룸에너지 측 개발 일정을 보면 Hydrogen SOFC의 상용화를 2022년 말로 잡고 있다. 


실증에서 가장 중요한 대목은 수소 직접 주입에 따른 성능 추이다. 설계 당시 시뮬레이션, 랩 테스트 결과가 실제 성능 데이터와 어떤 차이가 있는지 교차검증을 통해 향후 출시할 제품의 보증 성능을 확증하게 된다. 또 실제 운영에서 예기치 못한 요인이 발생할 수 있고, 이때 운영최적화 방안을 도출하게 된다.

 

SK에코플랜트가 수행 중인 ‘창원 산업단지 에너지 자급자족형 인프라 구축사업’(창원 RE100 사업) 현장에 순수수소 SOFC를 설치할 예정으로 알고 있다. 

그렇다. ‘창원 RE100 사업’ 대상지인 창원 산단에 2022년까지 1.8MW 규모의 순수수소 SOFC를 설치할 예정이다. 이번 실증사업을 통해 SK에코프랜트와 블룸에너지는 발전 과정에서 이산화탄소가 발생하지 않는 친환경 탄소중립 분산발전원으로서 순수수소 SOFC 사업을 본격화할 계획이다. 


부생수소뿐 아니라 해상풍력발전 등 재생에너지와 연계한 P2G 그린수소를 활용한 전력생산 설비로 그리드 안에 함께 들어가는 것도 가능하다. 재생에너지와 연계해 SOEC(Solid Oxide Electrolyzer Cell, 고체산화물 수전해) 설비로 생산한 그린수소를 SOFC에 직공급해 전력을 생산할 경우, 수소를 에너지 캐리어로 활용하면서 RE100 수요에 대응할 수 있다. 넷제로(Net-Zero)가 그리드에서 구현되는 셈이다. 


현재 ‘창원SG에너지’라는 컨소시엄을 구성해 사업을 진행 중으로, 컨소시엄과는 별개로 단독 투자를 통해 SOEC 설비를 현장에 구축해 그린수소 생산에도 나설 방침이다.

 


창원 RE100 사업에 대해 좀 더 자세히 듣고 싶다.

본 사업은 국내 최초로 국가산업단지 안에 신재생에너지 발전설비와 에너지 관리·거래 시스템, RE100 인증 지원시스템을 구축해 에너지 자급자족을 실증하게 된다. 해당 사업은 창원 국가산업단지에서 진행되며, 내년 말까지 연료전지 발전설비와 수전해 설비를 포함한 에너지 인프라 구축이 완료되어 친환경 전력을 생산할 예정이다. 순수수소 SOFC는 1.8MW 규모이며, SOEC 설비는 300kW급 SOFC를 가동할 수 있는 규모로 설치가 된다.

 

블룸에너지의 SOEC 기술이 어느 단계에 있는지 궁금하다.

블룸에너지의 SOEC는 현재 NASA의 모펫필드에서 제품 개발 연구가 한창 진행 중이며, 가능하면 올해 하반기에는 한국에서 hydrogen SOFC처럼 실증사업을 진행할 수 있도록 SK에코플랜트와 협의하고 있다. 늦어도 내년 상반기에는 한국에서 실증사업이 시작되기를 기대하고 있고, 창원 산단에도 SOEC 시스템을 설치해 2023년에는 완전 상용화에 나선다는 목표를 세워두고 있다.  

  


높은 효율 앞세워 발전용 연료시장에서 두각

SK에코플랜트는 2017년 12월 분당복합화력발전소 안에 국내 최초로 SOFC를 활용한 8.3MW 규모의 발전설비를 수주하면서 블룸에너지와 인연을 맺었다. 이후 2018년 11월에 발전용 연료전지 주기기에 대한 국내 우선 공급권 계약을 맺고 에너지서버를 독점 공급하기 시작했다. 


불과 3년 만에 발전용 연료전지 시장에서 SOFC는 무서운 성장세를 기록했다. 이는 수치로도 알 수 있다.    


지금까지 SK에코플랜트가 설치한 국내 SOFC 발전소 규모는 설치 중인 사업까지 더해 약 167MW에 이른다. SK에코플랜트 측은 이 중 68MW가 상업운전 중이며(’21년 6월 초 기준), 모든 현장이 누적 이용률과 누적 발전효율 측면에서 정상 운영이 되고 있다고 밝혔다. 지난해 신규 수주 규모를 기준으로 SOFC의 국내 발전용 연료전지시장 점유율은 약 40%로, SK에코플랜트는 올해 50% 이상 점유율을 목표로 수주 활동을 벌이고 있다.


지난해 단연 눈에 띄는 사업은 한국동서발전, 서울도시가스와 함께 진행한 8.1MW 규모의 파주연료전지 발전사업이다. 일명 ‘생활 SOC 연료전지 발전사업’으로, 도시가스 소외지역에 연료전지발전소를 지어 도시가스 수요처를 확보하면서 인근 마을에 도시가스를 공급하는 ‘농촌 상생형’ 발전사업이다. 




서울도시가스가 4.6km의 도시가스 배관을 설치, 파주시 월롱면 도내1리 마을 74세대에 도시가스를 공급하고 있다. 도농간 에너지 불균형 해소에 기여한 점을 인정받아 지난해 ‘적극행정 우수사례’에 선정되기도 했다. 


한국수력원자력 또한 춘천시 신북면에 추진 중인 30MW 발전용 연료전지에 ‘생활 SOC’를 적용할 방침이다. 한수원은 그동안 SOFC를 주기기로 채택해서 운영한 적이 없다. 하지만 최근에 추진하는 사업은 이야기가 다르다. 춘천(30MW)을 비롯해 강릉사천(20MW), 암사(20MW) 연료전지사업의 경우 SOFC를 염두에 두고 있다. 


한수원은 SK에코플랜트와 지난 4월 ‘수소 및 재생에너지 융복합사업 협력 강화’를 위한 업무협약을 맺고 창원 산단의 RE100 사업에 참여하기로 했다.


한수원이 국내 대표 에너지 공기업으로 경기도 화성의 경기그린에너지(MCFC, 58.8MW), 서울 마포의 노을그린에너지(MCFC, 20MW), 부산 해운대의 부산그린에너지(PAFC, 30.8MW) 등에 참여하고 있다는 점을 감안하면, 발전용 연료전지 시장에 던지는 메시지가 크다.


올해 진행 중인 대표 사업지로 어디가 있나?

올해도 경기도 의왕, 강원도 영월, 전남 여수 등 전국에 걸쳐 연료전지발전소를 구축하고 있으며, 대원연료전지 등 신규 사업도 진행되고 있다. 지난해 12월 7일에 착공한 대원연료전지 발전사업의 경우 울산 북구에 있는 강관 제조업체인 대원에스앤피 부지에 20MW급 SOFC 발전소를 짓게 된다.

 

블룸에너지와 함께 해외 사업도 시작한 걸로 알고 있다. 

미국의 데이터센터 전문 운영기업인 에퀴닉스(Equinix) 사가 발주한 SOFC EPC(설계·조달·시공) 공사를 작년에 수주했다. 캘리포니아 산호세에 있는 데이터센터에 6.4MW 규모의 SOFC 발전소를 짓는 사업이다. SK에코플랜트의 EPC 사업 경험, 자금 조달 역량을 접목해 사업을 수행 중이다. 


이번 프로젝트를 성공적으로 완수해 해외 연료전지시장에서도 설계와 시공 능력을 인정받아 향후 더 많은 기회를 확보하기를 기대하고 있다. 이번에 SK에코플랜트가 전기사업자로도 참여하는 만큼, 연료전지사업 EPC와 더불어 친환경 분산발전 사업자로서 그 영역을 확장하겠다는 포부를 안고 있다.

 

블룸SK퓨얼셀 구미공장은 어떻게 운영 중인가? 

개관 당시 완제품 형태로 수입하던 블룸에너지 연료전지의 국산화율을 50% 이상으로 끌어올리고, 제3국 수출의 전진기지로 삼겠다는 비전을 제시한 바 있다.


블룸SK퓨얼셀 구미공장은 지난해 가동을 시작해 올해 50MW 생산을 목표로 하고 있다. 구미공장에서 생산된 SOFC는 올해 SK에코플랜트가 시공 중인 국내 현장에 공급될 예정이다. 지난해 10월 구미공장 개관 당시 블룸SK퓨얼셀 합작법인 설립과 국내 SOFC 생산기지 구축을 통해 국내 연료전지 생태계 조성의 뜻을 밝힌 바 있다. SK에코플랜트는 현재 다수의 국내 기업과 부품 제조, 조달 협력을 추진하고 있다. 또 우수한 품질과 원가 경쟁력을 보유한 국내 강소기업과의 협력을 통해 단계적으로 부품 국산화를 추진할 예정이다. 

 


 


4세대 에너지서버, SOEC 개발 진행 중

블룸SK퓨얼셀 합작법인을 보면 SOFC 연료전지 제품 제조는 ‘블룸SK퓨얼셀’, 마케팅과 사업개발 및 EPC는 ‘SK에코플랜트’, 유지보수는 블룸에너지의 자회사인 ‘블룸에너지코리아’로 사업 체계가 딱 나뉜다. 본 사업이 블룸에너지의 원천기술에서 출발한 만큼 스택의 내구성이나 시스템 효율을 두고 우려의 목소리가 있는 것도 사실이다.


800℃가 넘는 고온으로 운전되는 SOFC의 경우 셀 하나만 이상이 생겨도 스택의 전체 성능이 크게 떨어질 수 있다. 장비가 고온에 장시간 노출되면 시스템에도 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 


국내에서 가장 오래된 블룸에너지 SOFC 설비의 운영기간은 채 5년이 되지 않는다. 현재까지는 발전효율과 이용률에 큰 문제가 없는 것으로 보이나 장기유지보수계약(LTSA) 관련 이슈는 여전히 살아 있다.

 

3, 4년 정도 지난 발전소의 경우 실제 효율은 어떤가? 스택의 내구성에 문제는 없는지 궁금하다.

분당발전본부의 6단계 연료전지발전소를 포함한 국내 SOFC 연료전지발전소는 안정적으로 운영되고 있으며, SOFC 스택의 내구성에 이상이 없다는 것은 다수 프로젝트의 누적 이용률과 발전효율을 통해 검증이 됐다. 현재 국내에서 운영 중인 68MW 연료전지의 통합 운전시간은 10만 시간을 돌파했다. 


종합 평균 이용률은 99%에 육박하며 전력생산 효율은 61%다. 블룸에너지 SOFC의 성능보증치를 20년간 유지하기 위해 필요한 스택 교체주기가 5년이라는 말로, 스택의 수명이 5년이라는 뜻과는 거리가 있다. 실제로 한국에서 운영을 시작해 2년 반이 지난 설비의 경우에도 현재 평균 98% 이상의 이용률과 60%에 달하는 효율을 유지하고 있다. 블룸에너지 에너지서버인 ES-5는 이용률이나 효율 면에서 보증 성능에 미달한 사례를 찾을 수 없다. 


이미 검증이 된 설비이고, 사업의 지속 가능성 면에서도 연료전지사업은 SK에코플랜트의 핵심 사업이자 미래 성장동력인 만큼, 고객에게 지속 가능한 솔루션과 서비스를 제공할 것이다. 


블룸에너지 또한 수소 산업에서 글로벌 고객사와 성공 사례를 써온 만큼 한국의 연료전지 시장과 전반적인 수소 밸류체인에 기여하고, 나아가 한국의 협력사들과 함께 세계시장으로 진출하겠다는 계획을 갖고 있다. 이를 위해 블룸에너지는 SK뿐 아니라 정부, 업계, 학계와 협력을 모색하고 있다.

 



천연가스 개질 시 나오는 이산화탄소, 즉 그레이수소에 대한 비판을 극복하기 위한 노력이 필요한 시점이다. 열이나 온수 공급이 가능한 솔루션이나, 탄소포집 관련 솔루션을 적용하기 위한 기술개발은 어떻게 진행되고 있나?

그레이수소에 대한 비판을 피하기 위해서는 일단 자본지출(CAPEX)을 줄이고 발전효율을 높여 보조금 없이 생존할 수 있도록 균등화발전비용(LCOE)을 낮추는 방안을 우선 추진하고 있다. 또한 탄소포집·저장(CCS) 기술 등을 적용해 적어도 블루수소가 가능하도록 여러 기술 업체들과 협의하고 있다. 


블룸에너지의 에너지서버는 내부 반응온도가 800℃ 이상으로 높기 때문에 전기 생성 후 배출되는 배기가스로부터 폐열을 회수해 온수를 공급할 수 있는 HRU(Heat Recovery Unit) 모듈 설비도 가능하다. 이는 연료전지 내부의 반응에 직접적인 영향을 미치지 않는 순수 배기폐열의 활용에 들기 때문에 (PAFC, MCFC 타입과 비교했을 때) 열활용에 따른 발전효율에 전혀 지장이 없다. 


최근에는 SK에코플랜트가 블룸에너지와 협력해 열공급형 연료전지발전소 사업을 수주한 바 있다. 동서발전이 발주한 4.2MW 규모의 ‘북평레포츠센터 연료전지발전소’ 사업으로, SK에코플랜트가 EPC를 맡아 열공급형 연료전지발전소를 구축하게 된다. 


이 사업의 특징은 세계 최고 효율을 자랑하는 블룸에너지의 SOFC에 SK에코플랜트가 자체 개발한 열회수 모듈을 탑재해 전기와 열을 동시에 생산해 에너지 효율을 극대화한다는 점이다. 발전소에서 생산되는 열은 북평레포츠센터의 건물 난방, 수영장 온수 공급에 활용될 예정이다. 수소발전의무화제도(HPS) 시행을 앞둔 대응 전략이라 할 수 있다.  

 

블룸에너지가 새롭게 개발 중인 기술이나 제품이 있다면?

블룸에너지가 국내에서 가장 집중하고 있는 솔루션은 다음 세 가지라 할 수 있다. 기존 ES-5(3세대) 제품을 업그레이드한 4세대 ES-7.5를 상용화해 한국의 연료전지 발전원가 절감에 기여할 방침이다. 이 제품은 내년 출시를 목표로 하고 있다.


두 번째는 Hydrogen SOFC의 상용화다. 수소공급 인프라의 확대가 예상되는 2023년에는 순수수소를 바로 넣는 연료전지 수요가 늘 것으로 예상된다. 내년까지 Hydrogen SOFC의 상용화 준비를 마칠 계획이다. 마지막으로 한국의 수소경제 로드맵의 한 축이 될 수 있는 그린수소 생산설비인 SOEC를 2023년에 출시하겠다는 목표를 세워두고 있다. 이 세 가지는 실제 연구개발, 실증, 상용화 단계에 돌입한 사안이다. 

 

미국의 퓨얼셀에너지도 에너지부의 지원을 받아 SOFC・SOEC 시스템을 개발 중이다. 두산퓨얼셀도 SOFC 개발에 뛰어들었다. 점점 치열해지는 SOFC 시장에 어떤 전략으로 대응할 방침인가?

연료전지 시장의 성패는 누가 먼저 낮은 가격으로 고객에게 안정적이고 친환경적인 분산발전원을 제공하느냐로 판가름이 날 것으로 본다. SK에코플랜트는 블룸에너지와의 협력을 통해 다양한 애플리케이션 기술을 적용하고 있고, 시스템 가격을 낮춰 더 안정적인 에너지 공급원의 가치를 제공하고자 한다. 


SK에코플랜트는 블룸에너지와의 파트너십을 바탕으로 국내외 영업 활동과 수주 활동을 활발히 벌이고 있다. 또 관련 응용기술 개발과 확보에도 힘쓰고 있다. 연료전지 기술뿐 아니라 수전해 관련 솔루션을 고도화해서 높은 에너지 효율로 깨끗한 에너지를 제공하겠다는 점에 서로가 공감하는 만큼, 공동의 목표를 향해 함께 노력할 방침이다.





배너

배너

배너

배너

배너

배너

배너

배너




배너
배너