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현대자동차, 전기공학
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수소연료전지, 어디까지 왔나
21세기프론티어사업 수소에너지사업단 김종원 단장
2012년 06월 07일 (목) 관리자 webmaster@elenews.co.kr
   
 
   
 

이번 6월 초에는 캐나다 토론토에서 19차 세계수소에너지대회가 열리고 있어 수소연료전지에 대한 전망을 공유하고 확인하는 기회를 제공해주고 있다.


가까운 나라 일본은, 동일본 대지진에 의한 원자력 발전소 사고가 발생하여 원자력 에너지에 대한 불안이 높아지고 있기 때문에 풍력, 태양광 발전 등 재생에너지와 함께 수소와 산소를 반응시켜 발전하는 연료 전지가 저탄소 사회에 어울리는 신에너지원으로 주목 받고 있다.


우리는 그동안 수소가 재생에너지의 저장 수단임을 언급한 바 있었다. 즉, 재생에너지와 제어 시스템과 결합하여 스마트 그리드의 구축도 가능하다. 연료 전지의 주요 용도는 가정용, 휴대용 기기, 자동차, 업무 및 산업용 등이 있다.


일본의 경우는 가정용 연료전지를 “에네팜”이라는 공동 브랜드로 판매하고 있고 보급규모로 보면 2005년부터 수행된 “대용량 정치형 연료전지 실증사업 프로젝트”에 의하여 2008년까지 총 3,307개의 가정용 연료전지가 따라 설치되었고, 이후 2009~2010년 합쳐 대략 9800대 등 총 1만3천대 수준으로 세계 선두를 달리고 있으며, 2030년도 목표는 250만대로 설정해 놓고 있다.


이 프로젝트에 대한 환경적인 측면은 일본 후쿠오카 (http://www.pref.fukuoka.lg.jp /somu/ multilingual/english/flash.html )에 150 가구에 보급한 효과를 측정한 결과 이산화탄소 저감과 1차에너지 절약에 효율적이었다고 평가를 하고 있다.


고체산화물연료전지(SOFC) 가정용연료전지 에네팜은 급탕수요를 학습하여 운전하는 고체고분자연료전지(PEMFC)에 비하여 전력부하에 추종시켜 24시간 연속운전하며 발전효율이 45%로 높고 일본의 경우 4인 가족의 평균적인 전력소비의 70%를 커버할 수 있다고 한다.


아직은 숫적으로는 적으나 SOFC형은 구조가 간단하여 발전 유닛의 소형화가 가능하므로 설치공간이 작아도 되고, 또한 부품의 가짓수가 PEMFC형의 절반수준인데다가 공용인 보조기기류가 많기 때문에 가격저감의 가능성이 있다고 말하고 있다. 물론 이 기술도 아직은 완벽한 상태는 아니다.


일본 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)프로젝트의 SOFC 실증 시험에서 실제 가동한 실증기기들을 검증하여, 전해질, 공기극, 연료극 등 여러가지 열화요인을 분석한 결과, 접속부위의 밀봉재료에서 나오는 불순물이 의외로 많아 운전장애를 일으키는 요인이라고 보고 있다.


다만 열화요인의 해명과 이에 대한 개선책은 비교적 순조롭게 진행되어 0.3%/1000시간 내구성이 전망되는 것으로 말하고 있다.


지금의 추세는 재생에너지와 수소를 연계하는 것과 같이, 전기와 수소를 함께 생산해내는 방향으로 가고 있으며 이는 석탄을 이용하는 발전시설인 석탄가스화복합발전(IGCC)도 마찬가지이며 원자력산업도 같은 방향을 모색하고 있다.



수소자동차 인프라 문제
연료전지 자동차 분야 역시 큰 기대를 걸고 있는 분야이며 인프라가 확보되지 않은 상황에서도 실증 및 시범 주행용으로 소량 출하하고 있으며 세계의 주요 자동차 메이커는 2015 년부터 연료 전지 자동차의 본격 보급을 목표로 보조를 맞추고 있다. 일본 토요다 자동차의 경우는 이보다 빠른 출시계획을 말하기도 한다.


우리나라는 반도체와 자동차, 조선, 철강 등의 분야에서 경쟁력을 갖추고 우리나라 성장 을 이끌어 왔지만 출발 당시 우리나라가 이정도의 위치에 오를 수 있을 것으로 예측한 이는 거의 없었을 것이다.
수소연료전지 분야도 마찬가지이다. 다만 차이가 있는 것은 아직 시장도 기술도 성숙되어 있지 않아 리스크가 큰 분야라는데 있다.


이러한 특성을 가진 수소 연료전지 분야에서 우리가 경쟁력을 갖추고 시장을 주도해 나갈 수 있을까?
산업요건으로 본다면, 다양한 기술과 부품산업의 성장을 기대할 수 있는 분야가 연료 전지 산업이다.
부재 및 장비, 기술 등 다양한 관련 분야의 기여가 필요하기 때문에 부품 제조 업체의 성장도 동반할 수 있는 분야이다.


상용화가 되기 위한 목표는 부품과 시스템의 연계 최적화로 궁극적으로는 연료 전지의 저비용화, 성능 및 내구성 확보하는 데 있다.


수소자동차의 인프라 문제는 수소자동차 보급을 위해서는 반드시 이루어져야할 요건이다. 하지만 현재의 석유와 가스인프라에 참여하고 있는 업체의 참여가 쉽지 않은게 현실이다. 이에 참여함으로서 얻는 이익이 당장은 눈에 보이지 않기 때문이다.


일본 에어리퀴드사는 바이오가스개질에 의한 수소생산. 유기폐기물, 매립지 가스 등에서 나온 바이오가스를 포집하여 실록산(siloxane) 제거 탈황장치를 거쳐 압축기 (10기압 미만)를 거쳐 VOC를 제거하고 분리막을 거쳐 개질시켜 수소로 이용할 수 있음을 말하고 있다.


수소를 만드는 일련의 과정은 서울 상암동에 설치된 수소연료전지 스테이션에서 실시하는 공정과 유사하다.


혼다와 이와타니가 일본 환경성의 지구온난화대책기술개발사업으로 공동 참여한 ‘소형 솔라-수소 스테이션 및 연료전지차를 조합시킨 CO2 배출 제로 시스템 개발’을 통해 만든 디스펜서는 압축기없이도 350기압까지 가압할 수 있는 고압수전해 시스템을 사용하였다.


혼다의 수전해시스템은 수소발생량 0.7N㎥/hr (1.5kg/day), 압력은 최대 350 기압이며, 부피가 0.37㎥인 차압식 고압수전해시스템이며 가정용 수소충전소로서의 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대하고 있다.


일본의 연료전지 차량 보급시나리오를 보면, 2025년 1000개소의 충전소, 200만대의 수소연료전지자동차 보급목표를 가지고 있으며,우선은 동경, 아이치, 오사카, 후쿠오카 등 4개 도시를 중심으로 100개소의 충전소를 먼저 구축하는 것을 단기적으로 실시하고 있고 이러한 수소공급인프라 정비에 관한 공동 성명에는 자동차사 3사와 사업자 10개사가 함께 참여하고 있다.


이러한 수소스테이션 설치 시나리오는 우리나라도 마찬가지여서 이미 수소연료전지 실증 사업이 이루어지고 있는 서울과 울산을 중심으로한 인프라 구축을 예상하고 있다. 인프라 구축에 대한 정부와 민간부문의 협력이 필요한 시점인 것이다.


이번 19차 세계수소에너지회의 (WHEC 2012)에서 세계적으로 수소연료전지 산업을 선도하고 있는 기업중의 하나인 발라드사의 셰리단 회장은 기조 강연을 통하여 2005년까지가 기존의 패러다임에 기초한 시기 였다면 2009년까지는 이러한 패러다임이 변화하는 시기였고 지금은 새로운 패러다임에 의한 시기라고 진단했다.


기존 패러다임에서는 환경적으로 우수한 기술이라면 시장에서 받아들여 질것이라는 환상에 기초하고 있으나, 새로운 패러다임은 신기술이 시장에 이익을 주는 쪽으로 움직여야 한다는 것이다.


예를 들어보자면 캐나다 앨버타주의 캘거리에 있는 월마트에서 화물운반용 연료전지 지게차를 이용하고 있는데, 배터리 지게차와 비교하여 배터리 교체에 20분정도 소요되던 것이 3분만에 수소충전이 가능하기 때문에 매우 효율적이며 연간 운영비를 15만 달러를 절감할 수 있어 정부 보조금이 없어도 이익 창출이 가능하다는 것이다.


이로 인한 이산화탄소배출 저감도 72%까지 가능했다고 말하고 있다. BMW에서도 이러한 장비를 활용하여 연간 배터리를 충전하는데 요구되는 전기사용량 1.8백만 kWh를 절감하였으며 연간 1200톤의 이산화탄소 저감 효과를 가져 왔다고 말하고 있다.


남아공화국의 앵글로 아메리칸과 협력하여, 전력망 공급이 어려운 지역에 메탄올이나 LPG등을 사용하는 연료전지시스템을 공급한 성공적인 사례를 들기도 했다.


지금까지 연구개발에 오랫동안 투자해 왔는데, 이는 새로운 기술이 시장에 진입하는데 긴 시간이 요구된다고 하는 일반적인 상황과 다를 바 없다.


지금의 발라드사의 성공은 지속적인 연구개발로 성능향상과 내구성에 대한 개선이 이루어진데 기초한 것으로서, 적절한 사업 파트너와의 협력이 있기에 가능한 것이었다고 말하고 있다. 현재버스에 적용되는 75-150kW급 발라드사의 연료전지는 5년간 12000시간을 보장해주고 있다.


연료전지의 시장 규모가 얼마나 될 것인가 하는 데에는 다양한 견해가 있다.
SBI 에너지의 최근 연구보고서 국제 연료전지기술(Fuel Cell Technologies Worldwide)’는 2010년 연료전지시장이 5억9800만 달러일 것으로 예측했으며, 2014년에는 12억 2000만 달러로 매년 20%의 성장률을 보일 것으로 예상된다고 했다.


하지만 파이크리서치는 2017년 군용연료전지 시장만으로도 120억 $에 이를 것으로 예상했다.


일본의 경우에는 동일본 대지진 이후에 예측한 일본경제센터(Japan Economic Center)의 자료에 따르면 2020 년도 연료 전지 (가정, 소형 자동차, 업무 및 산업) 시장은 세계 규모로는 2 조 4000억 엔, 일본내 규모는 5분의 1 수준이 넘는 5230억 엔이 될 것으로 예측하고 있다.


여러 변수가 있겠으나 적어도 연료전지 시장의 성장을 예측하는 것만은 틀림없다.



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