현실을 살고 있는 일반인에게는 연료전지와 같은 신에너지 이용에 대한 기대가 매우 높은 실정이다.
90년대초에 발발한 이라크전쟁은 석유전쟁이었음은 누구도 부정할 수 없다. 이는 한 국가에 있어서 성장 동력의 근원인 에너지의 안정적인 확보가 무엇보다도 최상의 과제임을 각인시켰고 연일 치솟아 오르는 국제 오일가격은 멀리 내다보지 않고도 에너지의 심각함을 알 수 있을 정도로 안정적인 에너지확보는 향후의 경쟁사회를 이겨나갈 수 있는 핵심 기반임을 명확하게 했다.
오늘날 오일을 대체할만한 에너지원이 확보되지 않는 상황에서 세계 각국은 신재생 에너지에서 그 답을 찾고자 하는 많은 노력을 기하고 있다.
시장성이 부족하다는 점이 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있지만 연료전지의 상품화는 분명 미래에너지에 대해 단비와 같은 큰 희망을 품게 하고 있다.
2000년대에 들어서 연료전지 기술개발은 점차 R&D기술에서 D&D(demonstration & dissemination)의 방향으로 진입하고 있는 가운데 몇몇 분야는 상용화를 근거리에 두고 연료전지 산업의 발전을 위한 발전을 거듭해 왔다.
최근 2000년대에 들어와서 연료전지 기술의 기술혁신이 급성장하는 결과를 나타내고 있다. 아직까지 기술적 한계가 높아서 시장에 제품이 진출하기는 쉽지 않은 실정이지만 시제품 중심의 시범화 사업을 비롯해 몇몇 기업들의 상품화 기술 등 각 국가별 또는 주요 기업체별로 연료전지에 대한 연구 노력이 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지 발전시스템은 기존의 에너지 변환 방식과 비교할 때 고효율, 고출력, 무공해 및 무소음의 특징을 갖는 열병합 발전 시스템으로 다양한 연료를 사용할 수 있다.
또한 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 방법이기 때문에 에너지 변환효율이 획기적으로 높고 공해물질 배출이 낮다는 점이 차세대 에너지원으로 크게 부각되고 있다.
이에 본지는 연료전지에 대한 독자들의 이해를 돕고자 상식과 기술 및 시장의 전반적인 흐름에 대해 정리해 보고자 한다.<편집자 주>
연료전지의 종류 및 특성
연료전지의 시초는 19세기 초 영국의 물리학자인 그로브(W.R. Grove, 1811~1896)경은 황산에 담근 2개의 백금전극에 수소와 산소를 공급하여 전류를 만드는 실험에 성공한 것이 최초라고 할 수 있다.
이후 연료전지가 실용화의 움직임에 편승한 것은 1930년경부터이며 영국의 베이컨(F.T. Bacon)이 1952년 알칼리형 연료전지의 기초가 되는 특허를 받고 그 이후 미국 UTC(United Technology Corp.)에서 베이컨의 특허를 이관 받아 알칼리 연료전지 개발을 추진했다.
실제로 실용화의 첫 테이프는 1965년 미국 NASA 우주개발 프로그램에서 유인 우주선 제미니 5호(1965)에 GE가 개발한 고분자 전해질염 연료전지를 탑재함으로 이루어졌고 뒤이어 아폴로계획에 UTC의 AFC가 사용되기도 했다.
연료전지의 기본 원리는 물의 전기분해와 반대되는 원리로 발전을 하는데 물을 전기분해할 때 외부의 전기를 흡수하여 물을 수소와 산소로 분해하는 반면에 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생한다. 여기에는 수소 단독으로는 자연계에 존재하지 않아 다른 물질로부터 추출해야하는데 수소를 여러 가지 연료로 추출하는 것을 개질이라 하며 연료전지에 사용되는 산소는 공기 중에 있는 것을 이용하고 수소는 천연가스 등에서 추출하여 사용한다.
연료전지의 구조는 수소와 산소로부터 전기를 발생하는 본체(cell stack)와 천연가스 등으로부터 수소를 발생시키는 장치인 연료개질장치, 발전된 직류전원을 교류로 변화하는 인버터, 연료개질장치와 스택으로부터 나온 열을 회수하여 스팀이나 온수로 변화하는 장치인 배기회수장치로 구성된다.
특히 본체는 중심부에 많은 전지(cell)를 차곡차곡 쌓은 구조이며 각 전지는 단위 unit로 구성되어 있고 내부는 단전지로 +전극(공기극), 전해질, -전극(연료극)으로 된 샌드위치형으로 이루어져 있다. 전지와 전지사이는 분리돼 있으며 인접한 수소와 산소의 통로를 구분하고 전기적으로 연결하는 역할을 하며 공기극(+)과 연료극(-)은 기체를 통과할 수 있는 구조로 만들어져서 화학반응에 필요한 산소와 수소가 그 안을 통과할 수 있도록 돼 있다.
수소는 전극 속에 있는 촉매의 작용으로 전자를 분리하여 수소이온이 되며 전해질은 이온만 통과시키기 때문에 여기에서 분리된 전자는 밖으로 튀어나가고 전해질로 이동한 수소이온은 반대측 전극으로부터 보내진 산소와 외부로부터 전선을 통해 되돌아온 전자와 반응하여 물이 되는데 여기서 반응에 관여하여 전자가 외부회로로 통과하는 것이 연료전지 원리의 핵심이며 이 과정에서 전기가 발생하는 것을 의미한다.
각 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에서 작동하지만 다른 점은 연료의 종류, 운전온도, 촉매와 전해질로 구분된다.
연료전지에서 이용되는 연료선택은 다양해 각 기술별, 주변 여건별로 다르게 적용되지만 수송용으로는 압축수소(CH2), 메탄올(MeOH), 액체수소(LH2), 발전용은 천연가스(NG), 압축수소(CH2), Biogas, 휴대용은 메탄올이 가장 많이 적용되고 있다.
연료전지는 작동온도와 주원료의 타입에 따라 알카리형, 인산염형, 용융 탄산염형, 고체 전해질형, 고분자 전해질형, 그리고 직접메탄올 연료전지 등으로 구분된다.
이용형태는 수송용 연료전지(FCVs, Fuel cell vehicles), 발전용 연료전지(Large stationay FC), 가정용 연료전지(Small stationary FC), 휴대용 연료전지(Portable FC), 군사용 연료전지(Military FC) 등 다양하게 이용되고 있으며 산업용으로는 자동차산업, 소재산업, 에너지산업, 그리고 전자산업 군으로 대별되어 제품화를 이룬다.
연료전지의 기술별 분리는 온도의 범위에 따라 고온형과 저온형으로 구분되며 고온형으로는 용융탄산염(MCFC)과 고체산화물(SOFC)로 650℃이상의 작동온도를 요구하고 있다. 저온형으로는 인산형(PAFC), 고분자형(PEMFC), 알칼리(AFC)로 50~200℃로 상대적으로 낮은 온도로 제품화에 진입할 수가 있다.
연료전지 시장 트랜드
Fuel cell today의 최근 시장정보에 따르면<표-1>, 연료전지 시장에서의 성장률은 2000년대에 들어서서 55%의 급성장을 하고 있다.
특히 휴대용 연료전지분야의 빠른 성장 속에 1960년대부터 개발되어오던 연료전지기술의 제품화 과정은 2006년 현재 2만2천시스템을 설치해 가파른 성장곡선을 나타내고 있다.
1990년대부터 실제적으로 설치된 연료전지 시스템은 2000년을 기점으로 1,000시스템을 달성하였으며 2002년과 2003년에는 급성장해 4년만에 10,000시스템 설치의 벽을 넘는 가운데 다양한 기술별로 적용 범위를 넓혀나가고 있다.
또한 참여기업의 증가를 비롯하여 이제는 뚜렷한 연료전지 산업군을 이루고 있다. 이를 기술별로 살펴보면 <표-2> 1970년 이후 2006년까지의 설치된 시스템에서 그간 PEMFC의 독주를 DMFC가 근소한 차로 앞서면서 PAFC, SOFC, MCFC, 그리고 AFC 순으로 나타나고 있다.
이를 2006년 기준만으로 기술별 설치 경향을 재조명해 볼 때 단순 시스템 설치 대수로 비교하면 DMFC가 약 50%, 그리고 PEMFC가 48%를 차지하여 주종을 이루고 있는데 이는 DMFC가 약진하고 있음을 알 수 있는 지표이며 나머지 2%를 4개 기술에서 차지하는 극단적인 결과를 나타냈다.
또한 응용분야별로 기술적용을 살펴보면 수송용과 가정용은 PEMFC가 지배적으로 시장을 장악하고 있음을 알 수 있고, 대규모발전형은 5개 기술이 골고루 점하고 있는 반면에 휴대용은 DMFC의 약진이 주목되고 있다.
2006년에 생산된 연료전지시장의 지역별 배분은 미국을 포함한 북미 22%, 유럽이 56%, 일본이 20%, 아시아 기타 2%로 이용되고 있다.
주요한 이슈중의 하나는 2005년 까지 미국을 중심으로 한 북미 지역이 강세를 보였지만 지난 2006년에는 유럽이 북미지역을 크게 따돌리고 점유율 1위를 기록했다.
이 같은 결과는 지역별로 국가별 개발 환경에 맞추어 기술선점을 위한 노력을 강화하고 있는 것에 따르며 경쟁분야 별로 북미는 수송용, 군사용에 유럽은 건물용, 발전용, 일본은 건물용, 휴대용에 집중도를 높여가고 있다.
연료전지제품 상용화 전략
미국, 일본 중심의 주요국에서는 2004년을 상용화 연료전지가 출시되는 원년으로 하여 연료전지의 보급 활성화를 위해 수소 인프라 구축을 위한 법적, 제도적 규제 완화를 준비해 왔다.
또한 친환경적인 기술로 정부의 지원금에 관련된 법의 제정 역시 준비하고 있으며 이와 관련해 기술적으로는 표준화 작업을 통해 연료전지 기술을 선점하려는 노력을 기울이고 있다.
그러나 연료전지 시장의 활성화의 가장 큰 요인은 가격인하와 인프라구축에 대한 어려움이 크기 때문에 상용화 시장진입은 진입장벽이 낮고 비용저감이 용이한 소규모 연료전지들로부터 시작되어질 것으로 예상된다.
E4tech(英 에너지관련 자문기업)에서 제시한 바에 따르면 2000년대 초반의 휴대용 연료전지 중심부터 시작하여 2010년까지 가정용 연료전지 제품들이 속속 시장에 선을 보여 2015년경에는 중심시장인 자동차시장까지 이루어져 나갈 것으로 보고 있다.
용도별 시장전개가 달라질 전망
휴대용, 발전용(주택, 산업용), 자동차용 등 용도별로 시장유인, 보급촉진 요인 및 인프라 의존도가 상이하다.
자동차용 및 발전용은 휴대용에 비해 규제와 인프라 영향을 많이 받으며 시장요인은 에너지 위기 및 기술혁신의 영향이 크며 보급촉진 요인은 가격과 규제로 구별할 수 있다.
연구개발은 자동차용, 발전용, 휴대용으로 확산됐지만 시장보급용은 휴대용을 출발로 발전용, 자동차용 순으로 시장에 진입할 전망이다.
휴대용인 경우 안정성, 소형화, 가격만 만족시킨다면 수소인프라 의존도가 낮기 때문에 시장이 급속히 확대될 전망이고 휴대기기의 고성능화가 기존 2차전지로는 해결하지 못하는 상황까지 진행되었기 때문에 시장도입의 필요성과 긴급성이 크고 새로운 모델의 개발주기가 1년 미만인데다 소비자들의 제품 교체주기도 2년 내외로 짧기 때문에 보급 속도가 빠를 것으로 예상된다.
발전용은 최근 일본을 중심으로 실용화 단계에 들어섰고 2005년 이후부터 제한적으로 보급되기 시작했다. 가정용발전(RPG)은 자동차용 발전 능력의 1/30이면 충분하고 소형화, 경량화에 대한 부담도 적으며 발전용 연료전지가 실용화에 들어서면서 도요타, GM 등 자동차용에 주력해오던 업체들도 거치용 연료전지 개발을 추진 및 완료하고 있다.
자동차용 시장은 기술개발이 가장 먼저 시작됐으나 안정성, 인프라 미성숙 등으로 시장형성은 가장 늦을 것으로 예상됐지만 최근 각국에서 수소 충전소 등 인프라 장비를 빠르게 확충하고 있어 그 시기를 예측하기 힘들 정도로 기술 개발이 급진전 중이다.
하지만 일반인들이 연료전지 자동차를 구매하기 위해서는 가솔린차와 경쟁할 수 있는 수준으로 가격 하락이 큰 변수로 작용하고 있다.
현재의 연료전지 보급에 있어서 가장 큰 장애는 가격으로 자동차용의 경우 차량 포함가격이 수십억원이고 가정용발전도 수억원에 이르기 때문에 시장을 형성하기가 곤란하다는 것이다.
대중화를 위해 대량생산이 필요하고 이를 수용할 대규모 수요 창출을 위해 가격메리트가 우선적이어야 하기 때문에 가격인하가 무엇보다 필수적이다.
가격수준을 점검하면 업계에서는 현재수준의 1/10~1/100 수준을 목표로 잡고 있다.
자동차업계에서는 2010년까지 대당 1억원 수준의 차량공급을 추진 중에 있으며 궁극적으로는 2천만원대의 연료전지 자동차 보급을 목표로 하고 있다.
가정용발전원은 일본 업체들은 2005년경 1천만원을 목표로 개발했으나 실제로는 2010년경에 1천만원 수준이 될 것으로 예상되며 궁극적인 목표는 kW당 3백~5백만원 수준이 될 때 에너지효율 감안시 기존 보일러 등과 경쟁이 가능하다고 전문가들은 내다보고 있다.
휴대용 연료전지 가격은 가격수준에 그렇게 높지 않고 사용기간이 길다는 프리미엄을 제공하기 때문에 가격에 덜 민감한 편이며 또한 휴대용은 기본적으로 대수가 많아 대량생산이 가능하기 때문에 가격하락 속도도 더 빠를 것으로 예상된다.
향후 시장 전망을 살펴보면 2030년 출시되는 신제품에 연료전지가 전부 탑재될 경우 연료전지 시장규모는 자동차용으로 1천억달러, 주택용으로 2백50억달러, 휴대용으로 1백50억달러 정도로 추산되고 있다.
2차 전지, 보일러, 엔진 등 기존 시장의 대체수요만을 고려한 보수적인 전망치만 고려할 때 시장별 점유는 자동차용 71%, 주택용 18%, 휴대용 11% 순이다.
수소생산, 저장, 운송 및 연료전지 교체수요 등을 포함하여 연간 1조달러를 훨씬 상회할 것으로 예상된다.
<휴대용 연료전지산업>
무엇보다 고객들의 강한 요구로 조기 시장 진입이 가능하리라 보고 있으며 시장형태를 세분하면 컴팩트형(Chargers for power tools, Wheelchairs, Video camera 등)에서 미세형(노트북, PDA 등)으로 제품화 방향이 옮겨지고 있다.
노트북의 충전은 Li-ion 배터리보다 높은 효율을 나타내고 점차로 컴팩트형으로 바뀌어가고 있다.
휴대용 연료전지의 상업화 가능성은 기술경쟁으로부터의 성능 우세 쪽으로 치우칠 것이며 장기간 사용될 수 있는 충전기능과 연료주입의 비교기능과 폐기물에 대한 독성의 유무에 시장세 확보 가능성을 나타내 줄 것으로 예상된다.
이러한 영향아래 휴대용 연료전지 시장보급 초기에는 기존 기기업체들이 연료전지사업을 종속적으로 운영하는 형태로 발전할 것이고 향후 연료전지의 탑재가 유대기기의 보급에 있어서 제한적이기 때문에 연료공급체 시장이 확대되면서 표준화사업으로 정착할 것으로 예상된다.
보급초기에는 기기업체마다 연료전지와 카트리지 형태가 다르기 때문에 연료 카트리지사업이 기기업체에 종속적으로 운영돼야할 것이고 연료전지 탑재 휴대기기 보급이 제한적이기 때문에 연료 카트리지 유통도 소매판매가 아닌 휴대기기 업체가 담당해야 할 것이다.
그리고 보급 확대기에는 연료전지 보급이 확대되면서 카트리지 형태가 표준화되면 연료전지 제조와 카트리지 사업이 독립적으로 분화되어 잉크젯 카트리지형에서 부탄가스형으로 발전할 것이다.
<발전용 연료전지산업>
100kW급에서 MW급까지의 발전용시장은 초기의 틈새시장이나 데모형으로 보급이 이루어질 수 있으나 대부분은 2010년 이후에 적극적인 시장이 이루어질 것이다.
문제는 여전히 시스템비용이 높고 장기적인 기술적 증명이 진행돼야할 분야이다.
가정용 연료전지는 0.5~10kW급의 범위에서 가정이나 빌딩용 소규모 열병합발전이 이루어질 수 있는 영역으로 시장조건이 양호한 편이라 2010년 이전에 상용화가 가능할 것으로 전망하고 있으나 아직까지는 기술과 시장이 입증되지 않았고 다른 기술의 소형CHP가 시장진입의 장애가 될 수도 있다.
발전용의 또 다른 시장으로 소규모 Genset용이나 원거리발전용은 1~25kW급으로 신뢰성은 입증되었고 시장 진입도 원활할 것으로 보이나 연료공급과 유지보수의 해결점이 요구된다.
발전용 연료전지는 기술별 상용화 접근이 다르다. 대규모 발전용에서는 특히 고온인 MCFC와 SOFC는 기술의 상용화가 2010년 이후에 일어날 것으로 예상되지만 가장 적합한 응용분야로 진행될 것이다. PAFC는 장기적으로 비용저감에 제한적이기 때문에 적합하지 않다.
가정용 및 상업용 열병합발전으로의 응용은 수요자, 전력회사, 그리고 정부 모두 반기고 있는 실정이며 수요자는 가스나 전력구매보다 더 관심을 유발하는 가치를 제공하고 있고 발전회사는 전력 송전비를 저감시키고 장기간 고객 유치에 도움이 되며 원격 부하관리에 가능성을 가져다주며 정부에서는 질 높은 열병합발전이 공급될 수 있고 민수용 CO2저감이 뚜렷이 나타날 수 있기 때문이다.
따라서 발전용 연료전지 보급 초기에는 기존 발전원에 의존하는 에너지산업이 적극성을 나타낼 것이고 이들이 직접 가정용 에너지 공급시장에 경쟁이 가속화될 것이다.
이후 2010년경에는 대형 발전과 가정용 발전 산업이 본 궤도에 올라 본격적인 유통망을 갖춘 연료전지 시스템사업이 전망을 밝게 하고 특히 연료전지시스템사업은 연료전지 솔루션 업체 등이 등장하여 시스템설치 및 운영, 잉여전력 판매 등을 대행하고 발전용 연료전지사업의 주력시장이 될 것으로 전망된다.
<수송용 연료전지사업>
구동용과 동력보조장치(APUs)를 구분하여 상용화를 준비하고 있으며 동력보조장치(APUs)는 이미 어느 정도의 시장이 이루어졌지만 구동용은 비용, 수명, 수행도 및 연료인프라 등에 의하여 2010년 이전에는 상용화가 어려울 것으로 보인다.
APUs는 가솔린+SOFC의 기술접목은 수소인프라에 의존하지 않아도 되므로 상용화시기를 빠르게 당겨줄 수가 있다.
미국의 Freedom Car의 전망에 의하면 연료전지 자동차의 규모는 2004년 이전에는 기술가능성 점검시기로 10대 내외로 시장에 들어 왔으며 2008년까지는 시험용 데모시기로 1백대이상이 배출될 것이고 20012년까지는 상업용 데모시기로 1천대 이상이 도로를 달릴 수 있을 것으로 보고 있다.
마지막으로 2012년 이후에는 실제로 상용화가 가능한 시기로 십만대 이상이 시장에 침투되어 궁극적으로 모든 자동차와 스쿠터 및 도시버스들까지 대체될 것으로 예상하고 있다.
현재의 자동차 산업과 유사한 가솔린엔진 대신 연료전지시스템을 이용하여 연료전지자동차를 운영하고 주유소대신 수소충전소를 이용하는 방식으로 발전할 것이나 자동차산업의 경쟁 환경은 크게 변화할 것임은 자명하다.
이는 자동차에서 기계적 요소가 감소하고 연료전지의 외부 아웃소싱이 가능하여 진입장벽이 감소함으로 향후 기술혁신이 가소화할 경우 연료전지가 자동차산업의 수평분화를 촉진시킬 수도 있다. PC산업에 인텔 CPU가 탑재되면서 야기되었던 시장분화와 같은 현상을 기대할 수는 것이다.
연료전지 발전이슈
연료전지 보급 장애의 극복, 연료전지 보급을 위해서는 연료전지 가격, 운영비용 등 전체 비용구조를 최대한 낮춰 경제성을 확보해야 한다. 이는 연료전지 시스템 도입 시 소비자의 판단 근거가 얼마나 빨리 투자금액을 회수할 수 있느냐에 달려있기 때문이다.
이를 위해 우선적으로 연료전지 시스템의 저가화가 필요하다. 연료전지가 기존시스템에 비하여 1.5~2배 가격 수준으로 떨어져야 소비자의 가격저항이 완화되기 시작할 것으로 예상되며, 이를 위해서는 우선적으로 소재가격의 하락이 필수적이며 전해질막, 전극, 촉매 등 기초소재 저가화는 응용분야에 상관없이 공통적으로 해결해야하는 과제이다.
둘째로 연료전지의 고효율화이다. 현재까지 제시되는 연료전지 시스템은 효율성에 미비점을 많이 가지고 있다.
연료전지 자동차의 종합효율이 하이브리드 자동차수준이고 주택용 경우는 폐열을 효과적으로 이용하지 못하고 있고 출시예정 연료전지 노트북은 구동시간도 5시간 내외로 더 이상의 효율개선이 필요하다. 또한 효율을 높이기 위해서는 전해질막, 전극 등 소재의 성능을 개선해야하며 특히 주택용의 경우 열을 활용하기 위하여 고온에서 동작하는 전해질 막 개발이 필수적인 것처럼 요소별로 효율제고가 우선돼야할 것이다.
셋째로 연료가격의 인하이다. 수소를 친환경적으로 값싸게 생산할 수 있는 기술개발이 요구된다.
화석연료에서 수소 추출시 가솔린보다 추출효율(Well to Tank)이 20% 정도 낮고 발생하는 온실가스를 처리하기 위해 추가적인 비용이 필요하다. 그리고 저장 및 운송방법을 개선해 비용을 줄이고 연료손실을 최소화해야하며 특히 자동차 항속거리를 확대하기위하여 저장기술의 개발이 매우 중요하다.
장애요인의 다음으로 중요한 것은 안정요구이다. 일반적인 소비자들은 수소가 폭발성이 있고, 위험성이 크다고 인식하여 안정성을 확보하는 것은 소비자 신뢰를 확보하는 것으로 매우 중요하다. 다음으로 아정성에 관한 실증실험을 바탕으로 안전성을 홍보하고, 신뢰할 수 있는 안전 기준을 확립할 필요가 있다.
결과적으로 현재 연료전지의 실용화에 필요한 것은 고출력 밀도화, 가격 저감, 내구성 향상 등의 기술로 전 세계적으로 이에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있다.
연료전지 실용화에는 전기기기 산업, 소재산업, 에너지산업 등 광범위한 산업과 연계된 복합기술이 필요하기 때문에 국가 산업 전체에 미치는 영향이 크고 새로운 기술의 진전에 의해 신규산업의 창조, 고용창출의 가능성도 매우 크다.
연료전지산업은 기술종류도 다양하고 제품도 폭넓게 만들어지고 있다. 그러나 연료전지 시장은 아직도 embryonic stage(미숙성단계)이기 때문에 우리나라같이 수소인프라의 미비, 기술영역의 on-going, 스택, 촉매 등의 여타기술을 습득함과 이를 상용화제품으로 시장에 내놓기까지는 많은 노력과 집중이 필요하다.
아울러 차세대 에너지 개발에 있어 우리나라가 선점할 수 있는 틈새시장이 무엇인지를 발굴함에 국가가 앞장서야 할 것이다.
