선택과 집중 통한 전략적 기술개발과 인프라 구축 필요

韓, 건물·주택·수송용 연료전지 상용화…최근 비약적 성장세
日, 수소차 시판·에너팜 누적판매 10만대 등 착실한 진전

일본은 2014년 연료전지 자동차 판매개시 및 누적 10만대 이상의 가정용 연료전지 에너팜(Ene-farm) 보급에 성공해 연료전지 산업화가 본격적으로 성공리에 진행되고 있다. 이와 함께 인산형(PAFC)과 고체산화물연료전지(SOFC)를 중심으로 산업·업무용 연료전지의 꾸준한 보급과 더불어 실증연구를 중심으로 혁신적인 기술개발이 이뤄지고 있다.  우리나라는 연료전지 공급망 완성을 위해 기술력 있는 중소·중견기업을 중심으로 취약한 핵심 부품·소재 분야에 R&D투자를 지속 확대하고 있다. 본격적인 연료전지 상업화의 성공적인 달성을 위해  R&D 전략품목을 선정하여 단·중·장기 집중지원을 통해 기술 경쟁력 확보와 산업화 기반 마련에 주된 연구가 수행되고 있다. 이에 우리나라와 일본의 업무용 연료전지 보급현황을 중심으로 수소사회를 실현하고 있는 일본과 우리나라의 수소연료전지 연구개발 현황을 비교하고 살펴보고자 한다.

 

우리나라 수소연료전지 연구 현황

최근 5년간 우리나라는 연료전지 전체 예산의 약 60%를 시스템(완성품) 개발에 지원했으며 구체적으로 핵심 부품·소재 R&D 지원 비율(연료전지 예산 기준) : 2010(183억 원, 36%)→2011(200억 원, 47%)→2012(190억 원, 50%)→2013(210억 원, 55%)→2014(230억 원, 60%)→2015(250억 원, 65%)으로 확대될 계획이다.

건물·발전용 SOFC 분야는 2015년까지 가정용(1kW급 이하)과 상업 건물용 (5~10kW급)의 상용화 기술개발과 단계별 실증, 시범보급을 추진한다. 2015년까지 SOFC형 연료전지를 소규모 열병합 시스템(가정용, 건물용)으로 개발할 계획이다.

장기적으로 발전용 SOFC 스택 기술개발에 집중하고 2020년까지 25~100㎾급 건물용과 선박 보조전원용(50㎾급)을 개발·실증·보급할 계획이다.

R&D 단계 중 실증·상용화 과제를 중심으로 공통 기반기술을 표준화 사업으로 지원하기 위해 집적화된 실증설비(테스트베드, 수소 테마마크 등)와 연료전지 성능평가 시험기관을 연계하여 연료전지 표준화와 안전성 관련 과제가 지원되고 있다. 연료전지 테스트베드 지역으로 대경권이 선정(2011. 8)돼 2014년까지 시험·평가·신뢰성 장비 구축 추진이 완료됐다.

또 다양한 건물용도에 따라 맞춤형으로 적용하는 용량별 인증제 확대의 일환으로 전략 품목을 중심으로 기술기준을 마련 후 해당 인증 품목들의 지원을 강화해 보급과 시장창출을 확대하고 있다. 1, 5, 10㎾ 용량의 고분자연료전지 시스템에 대한 인증기준이 완료됐다.

분야별 단품위주의 실증에서 벗어나 PEMFC, MCFC, SOFC 시스템 등의 통합 패키지형 실증단지를 구축해 실제 환경에서의 기술검증과 신뢰성 확보를 추진 중이다. 아울러 수소마을 시범사업 추진을 통해 시스템 연계 기술을 축적하고 연료 다변화(바이오 수소, 부생수소 등) 등을 강구하여 R&D와 신제품(부품/시스템) 실증 지원 중에 있다.

2012년은 가정·건물분야에 집중해 시범사업으로 추진하고 시범사업 추진 후 신재생에너지공급의무화(RPS)와 연계된 발전소 등과 차량용 수소 스테이션까지 확대하는 방안도 검토 중이다.

 

시장창출을 위한 보급기반 강화

가정용 고분자전해질연료전지(PEMFC)는 실속형 가정용 연료전지(예시 : 600W 이하 등)의 개발·인증 지원과 보급을 통해 시장창출 추진계획을 세우고 있다. 국내 60%이상 가구의 월 전력 소모량이 300~450㎾h이므로 이러한 실정에 맞는 1㎾급 이하 시스템에 대해 개발·보급·지원이 진행되고 있다.

건물용 PEMFC와 용융탄산염연료전지(MCFC)는 전력 피크 해소 등 전력 부하관리를 위한 맞춤형 신규 연료전지 시장 창출의 솔루션으로 작용할 것으로 판단하고 있다.

안정적 전력공급이 필요한 대형 데이터센터(IDC : Internet Data Center), 방송국, 초고층 상업건물 등을 중심으로 분산전원, 무정전시스템(UPS), 냉·난방 등의 역할이 가능한 형태로 연료전지 보급을 추진하고 있다.

사업현황을 보면 한국은 건물·주택용과 수송용 연료전지를 중심으로 상용화하거나 실증 근접기술을 확보하고 있으며 시범 보급사업 등으로 최근 비약적인 성장 추세를 보이고 있다. 최근 3년간 국내의 주택용 연료전지보급에 대한 정부 보조금은 2012년 100억 원, 2013년 72억 원에 이어 올해는 60억 원이다. 1대당 보조금단가인 3,157만 원임을 고려하면 209대를 보급할 수 있는 금액으로 한 해 보급되는 연료전지는 200대~300대 가량으로 추정할 수 있다.

 

건물용 연료전지 시장 변화 움직임

건물지원 사업으로 설치된 연료전지는 2013년 말 기준 32건, 261㎾에 불과하다. 지원예산은 연평균 25억 원 수준으로 주택용에 비해서도 낮은 수준에 머물고 있다. 그러나 건물용 시장은 공공건물의무화, 친환경건축물 제도 등에 의해 향후 발전 가능성이 큰 분야이다.

2013년 7월 ‘신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침’개정을 통해 설치의무화시장 내 연료전지 단위 에너지생산량 및 보정계수(6.5)를 적용해 발표했다.

보정계수는 에너지원별 연간 에너지생산량을 보정하기 위해 정한 계수다. 이 계수를 각각의 에너지원별로 적용하면 기존 생산량에 가중치로 작용해 실제 생산량보다 높은 수치의 생산량을 인정받을 수 있게 된다.

 

일본의 수소사회 출현 추진

최근 수소에너지에 관한 일본의 정책은 크게 전개되고 있다. 2014년 4월에 개정된 일본의 에너지 기본계획에 있어 수소를 에너지로서 이용한 수소사회에 대해 포괄적인 검토가 진행되고 있으며 기존의 2차 에너지로 전기, 열에 첨가해 수소가 중심적인 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

2014년 연료전지 자동차 시판을 시작으로 누적 10만대를 초과한 가정용 연료전지 에너팜 보급을 기반으로 수소사회를 위한 착실한 진전을 성공적으로 이뤄 나가고 있다.

일본은 2014년「수소연료전지전략 로드맵」에 따르면 2020년을 수소 발전의 본격 도입과 대규모 수소 공급 시스템의 확립 시기로 설정하고 연료전지 등을 활용한 수소의 이용 기술을 단계적으로 도입할 예정이다.

일본의 수소연료전지 관련 시장은 2020년도부터 급속히 증가하고 2025년에는 2013년의 114배인 5,228억 엔으로 확대될 전망이다. 2014년 6월에 발표된 「신성장 전략」에도 수소사회 구축을 위한 계획을 포함, 올림픽에서 일본의 연료전지나 수소 관련 비즈니스를 중점 홍보할 계획이다.

 

업무용 연료전지 현황

인산형 연료전지는 2008년에 100㎾ 1대에서 2012년 한해에 10대도 출하됐다. 2012년 7월부터 재생에너지의 고정가격판매(FIT)제도가 시작돼 음식물가스발전도 대상이 되며 향후 배경도 크다고 사료된다.

또한 가격저감과 장수명화, 비상용 대응으로의 부가가치 향상 등 기술개발의 노력이 결실을 맺었다는 평가이다. 2013년 9월에는 미쯔비시 중공업의 SOFC와 마이크로 터빈(MGT)을 조합한 200㎾급의 가압형 하이브리드 시스템이 동경가스 센쥬스테이션에서 세계최초로 4,000시간을 초과하여 장시간 연속운전을 달성했다.

더욱이 2013년 11월에는 블룸에너지재팬이 200㎾ 출력의 SOFC(Bloom 에너지서버)를 후쿠오카 시내의 엠타워에 설치해 영업 운전을 개시했다. 일본 외에서는 가정용과 수소연료전지차 보다 오히려 업무용 연료전지의 개발이 선행되고 있는 실정이다. 일본의 최종에너지 소비는 산업부문이 전체의 40%를 초과해 민생용 업무부문을 추가하면 60%를 초과하여 약 2/3를 점유하고 있다.

일본의 경우도 가정용 연료전지 보급의 성공을 기반으로 업무용 연료전지 보급에 기대를 걸고 사업이 추진되고 있다. 2020년 동경올림픽 선수촌을 수소타운으로 건설하고 올림픽 후 선수촌 근방에 상업시설과 학교 등에 수소에너지로 전력과 열을 공급하는 것이 계획돼 수소사회를 위한 대규모 실증사업이 실제로 이뤄지는 좋은 기회가 될 것으로 기대되고 있다.

 

SOFC 등 실용화추진기술개발 프로젝트

SOFC는 발전효율이 높고 천연가스와 석탄가스 등 다양한 연료에 대응이 가능하고 소형 분산에서 대규모 화력대체 시스템까지 폭넓은 적용성이 가지고 있어 그 실용화가 크게 요구되고 있다.

일본의 경우 SOFC는 1980년대부터 국가 프로젝트가 시작돼 2011년 11월 SOFC 가정용 연료전지 시스템이 실용화되어 높은 발전효율이 실증됐다. 그러나 SOFC의 본격적인 보급을 위해 비용의 저감과 특히 내구성의 확립이 요구되고 있다.

더욱이 수 ㎾~수백 ㎾급의 중용량 시스템은 아직 기술개발이 필요한 시점이다. 이러한 배경에서 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)는 SOFC의 실용화를 가속화하기 위해 2013년부터 ‘고체산화물 연료전지 실용화 추진기술개발’ 프로젝트를 추진하고 있다.

이 프로젝트는 SOFC의 내구성 평가방법에 관한 기초연구, SOFC를 사용한 업무용 시스템의 실용화기술실증, SOFC를 이용한 사업용 발전시스템의 요소기술 개발, 차세대 기술개발 4가지 분야를 주제로 이뤄지고 있다.

일본은 2014년 수소연료전지차 판매개시와 더불어 누적 10만대 이상의 가정용 연료전지 에너팜 보급에 성공하며 연료전지 상용화를 본격적으로 진행하고 있다.

기술개발 실증연구 시범보급 등을 통해 초기 산업기반 형성과 일부 부품에 대한 국산화 등 산업발전 가능성은 확인했다. 그러나 타 에너지원에 비해 높은 가격, 수소기반 사회가 도래하기 전까지 화석연료(LNG 등)를 사용해야 하는 한계, 짧은 내구성과 낮은 상용화 기술, 공급망 미형성 등은 산업화 지연으로 작용하고 있다.

국내 연료전지의 산업기반 조성과 초기시장 확립을 위해서는 선택과 집중을 통한 전략적 기술개발과 인프라 구축이 필요하며 이와 병행해 보급기반 정비 등을 통해 전주기적인 연료전지 산업화 육성전략 수립 필요하다.

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