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[기획] 고체산화물연료전지(SOFC), 상용화 어디까지 왔나
남영태 기자  |  nam@gasnews.com
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[1271호] 승인 2016.10.16  23:11:34
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KS인증규정 마련과 함께 보급 확대 나서야

日, 필드테스트 위해 233대 투입…효율·수명 개선
초기시장 진입, 전력· 열수요 많은 건물 대상 보급
업계, 내년초 실증사업용 SOFC 시스템 개발 목표

[가스신문=남영태 기자] 고체산화물연료전지(SOFC)는 연료전지 5개 타입 가운데 발전효율이 가장 높고 연료의 유연성 등에 장점을 지녔다. 이에 미국, 유럽, 일본 등은 기술·개발 및 산업화에 돌입한 발전원이다. 국내 SOFC 산업계도 이러한 세계 추이에 맞춰 지난 1980년대 후반부터 산·학·연을 중심으로 기술개발을 진행하고 있으나, 고분자전해질연료전지(PEMFC)와 용융탄산염연료전지(MCFC), 인산형연료전지(PAFC) 등 보다는 산업화가 늦어지고 있는 실정이다. 현재 국내에는 이 3개 연료전지타입을 중심으로 가정·건물·발전용으로 보급되고 있고, SOFC 시스템은 내년 초 실증사업용으로 모습을 나타내 오는 2019년 상용화에 돌입할 전망이다. 아직 국내 연료전지시장에 SOFC가 진입하기 위해선 법 제·개정, 모니터링 사업, 시스템 가격경쟁 등 해결해야 할 과제가 많은 상황에서, 이번 기획을 통해 연료전지 중 SOFC를 상용화시키기 위한 해외 선진국의 기술개발현황을 파악해 보고, 현재 국내 기술개발 상황과 나아가야 할 과제들을 파악해 보고자 한다.

 

고효율·연료유연성 지닌 분산전원

SOFC는 높은 효율과 연료의 유연성으로 가정·건물·발전·수송용 등 다양한 분야에 활용할 수 있다. 국내도 지난 1980년대 후반부터 대학과 한국과학기술연구원(KIST)을 중심으로 연구·개발을 진행하고 있으며, 이후 전력연구원, 에너지기술연구원도 개발에 착수했다.

뿐만 아니라 연구·개발에 동참한 관련 산업계 역시 SOFC의 산업화를 촉진시키고자 지난해 국내 10개사가 모여 ‘SOFC 산업화 포럼’을 발족하기도 했다.

SOFC는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용해 연료전지 타입 가운데 작동온도가 600~1000℃로 가장 높으며, 전기효율은 50% 이상, 열병합발전을 이용한 복합효율은 80~90%인 발전원이다.

또한 SOFC는 타 연료전지 타입과는 달리 내부 개질이 가능해 LNG, 수소, 바이오가스, 디젤 등 다양한 연료를 적용할 수 있다는 유연성도 보유하고 있다. 이에 산·학·연이 공동으로 다양한 연료를 적용시키기 위해 연구·개발을 진행하고 있다.

이와 같은 SOFC의 특성에 관련 산업계는 최근 정부가 추진하고 있는 에너지자립섬과 도서·산간지역에 별도 연료 공급 없이도, 타 신재생에너지원과 융·복합 및 연료 수용성과 고효율 특성을 기반으로 한 다양한 응용 개발로 분산발전원의 역할 수행을 할 수 있을 것으로 내다보고 있다.

선진국은 이미 기술·개발 추진

이미 미국과 일본, 유럽은 정부 및 기업체에서 기술·개발을 진행하고 있으며, 이를 기반으로 산업화 추진단계에 진입했다.

미국의 경우 지난 1999년 민·관협력 파트너십을 구성하고 가정용(RPG), 발전용(DG/CPG), 보조전원(APU) 연료전지 사업의 실용화에 주력하고 있다. 이 중 SOFC는 분산전원 시장 진입을 위해 대용량 SOFC시스템 개발을 목적으로 지난 2013년 기술로드맵과 SOFC 가격 저감 로드맵을 발표했다.

이에 현재 분산전원용 SOFC는 낮은 가격, 온실가스저감 및 NOx, SOx 무(無)배출·소음을 기반으로 고효율 달성을 위한 열병합발전(CHP)으로 개발을 진행하고 있다.

유럽(독일, 덴마크, 영국, 스위스, 핀란드 등)은 지난 1974년 1차 오일쇼크 이후 SOFC 개발에 착수했다. 정부지원의 육성보다는 기업체 주도로 시스템 제작업체와 스택모듈 제작업체간 컨소시엄을 형성해 다양한 규모의 시스템 실증 및 상업화를 추진하고 있다.

특히 가장 주목해야 할 점은 일본의 SOFC 기술개발 상황이다.

일본은 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)의 지원 아래 세계에서 가장 발 빠르게 움직임을 보이고 있다. 지난 2000년까지 수십㎾급 SOFC모듈을 개발했으며, 2004년부터는 10~100㎾급 시스템 개발, 복합발전, 시스템평가기술개발, 원천소재 기술개발 등을 통해 본격적으로 SOFC 개발을 시작했다.

일본이 SOFC 강국이라고 불리는 이유는 실용화 및 상용화 궤도에 진입을 위한 ‘필드테스트’를 통해 기술적 문제점과 추가 기술개발과제를 도출했다는 점이다.

일본은 지난 2007년부터 2010년까지 4년간 총 233대의 SOFC시스템 설치 및 운전 테스트를 통해 일본 전국에서 필드테스트를 진행했다. 이 테스트에는 9개의 설치운전사업자가 참여하고 제작사로 6개사의 9기종의 제품이 활용돼 도시가스, LPG, 등유 등 연료 적용 유·무를 파악했다.

이를 통해 최장 누적운전 시간은 2만5843시간을 기록했으며, 필드테스트 결과로 시스템의 효율은 당시 45%이상, 운전기술, 수명 10년 보장 등으로 기술력을 향상시켰다.

일본은 필드테스트를 지난 2012년에 또 한 번 진행해, 700W 기준으로 전기발전효율 46.5%, 열병합종합효율은 90%까지 끌어올리는데 성공했다. 시스템 단가 역시 셀·스택의 생산성 향상으로 원가를 낮췄다. 또한 최근 SOFC의 장점을 최대한 활용해 수송분야에도 적용하고자 하는 등 끊임없이 다양한 시도를 계획하고 있다. [표]

   
 

韓, 2020년까지 발전효율 1.5배

국내도 지난해 4월 관계부처합동으로 ‘기후변화대응을 위한 핵심기술 개발전략 이행계획’ 발표를 통해 기존 연료전지의 발전효율 및 수명을 획기적으로 개선키로 했다. 향후 국내 연료전지 산업이 세계시장을 선도할 수 있도록 핵심기술에 대한 연구를 진행한다는 정부의 복안이다.

정부는 차세대 연료전지인 SOFC에 가능성에 주목했다. 높은 발전효율을 가진 SOFC가 향후 상용화 시 기존에 구축된 건물·발전용 연료전지를 대체할 수 있을 것으로 전망하고, 정부차원의 SOFC 기술·개발에 돌입한 것이다.

   
▲ 국내 SOFC 7개사가 참여해 개발한 700W급 건물용 SOFC m-CHP 시스템

이에 오는 2020년까지 복합발전시스템 기술(연료전지-가스터빈 또는 연료전지-연료전지)을 개발해 발전효율을 70%까지 향상시킴과 동시 발전원가를 33% 절감시키고, SOFC의 수명을 2배 연장한 7만 시간까지 개선키 위해 SOFC와 관련된 연구R&D사업을 지원하고 있다.

특히 정부가 지난 5월 신재생에너지 표준화 및 인증지원 사업의 일환으로 SOFC시스템 KS인증 마련에 나선 것은 국내 연료전지시장에 SOFC가 자리매김 할 수 있는 기틀을 다지는 복안으로 볼 수 있다.

현재 연료전지 중 고분자전해질연료전지(PEMFC)만 KS인증(KS C 8569)이 마련돼 있어, 정부의 신재생에너지설비 설치지원 및 의무화사업과 신재생에너지공급의무화(RPS)제도 등에 최우선 적용되고 있으며, 정부 조달 우선 구매와 입찰계약 특례 등의 혜택을 받고 있다.

따라서 SOFC의 KS인증규정이 정부 계획대로 오는 2018년에 마련된다면 SOFC시스템도 이 같은 혜택을 적용받을 수 있게 된다.

이에 발맞춰 국내 SOFC 관련 기업들도 오는 2018년 상용화를 위한 준비를 갖추고 있다.

최근 경동나비엔을 중심으로 ㈜미코, ㈜LTC, H&Power㈜, 세라믹기술원, 경동원, 한국가스안전공사 등이 참여해 700W급 건물용 SOFC 시스템을 개발했으며, 500㎾h/월 의 최대 발전량을 자랑하고, 전기발전효율 45%, 열복합효율 90%를 달성했다.

뿐만 아니라 STX중공업 역시 1㎾급 건물용 SOFC 시스템을 개발하고 있다. STX중공업은 가스안전공사 규격을 기반으로 자체 평가를 진행한 결과, 발전효율 45% 이상 달성했으며 올해 제품화를 완료하고 내년도에 건물용 SOFC 시스템 실증을 목표로 개발에 박차를 가하고 있다.

BOP 양산체제 돌입 기반 마련 필요

이처럼 정부 정책과 KS인증규정마련, 업계의 SOFC시스템 개발이 추진되고 있지만, 국내 연료전지 시장에 SOFC가 진입하기 위해선 아직 넘어야할 산이 많이 남아있다.

SOFC의 본격적인 상용화는 KS인증규정이 마련될 오는 2019년으로 판단된다. 인증규정을 통해 업계가 개발한 SOFC 시스템이 인증을 취득해야 보급이 가능하기 때문이다.

SOFC는 타 연료전지에 비해 가동까지 장시간이 소요되고 이에 기동·정지를 반복하면 열사이클로 인해 전해질의 내구성이 저하된다. 이러한 특성에 SOFC의 초기시장 진입은 병원, 호텔 등 야간 전력부하가 비교적 크고, 열 수요가 큰 건물을 타깃으로 잡아 진행해야 한다. 이와 함께 전력단가에 비해 품질을 중요시하는 반도체 공장과 전자산업, 안정적 전력공급이 중요한 은행과 공공기관 등도 수요처가 될 수 있다.

그러나 SOFC가 향후 수요처를 넓히기 위해선 반드시 기동·정지 반복에서 이뤄지는 열사이클에 의한 내구성 저하 문제를 신소재 개발로 반드시 해결해야 한다.

열사이클에 의한 내구성 향상 과제는 상용화 전 모니터링사업 및 실증테스트를 병행한 기술·개발 과정을 통해 달성할 수 있다는 것이 관련 업계의 중론이다. 특히 소재와 스택 분야는 다소 시간이 걸리더라도 기술 기반 확충 및 경쟁력 확보를 위해 지속적인 진행이 필요하다는 입장이다.

SOFC는 세라믹 소재를 기반으로 제작되기 때문에 고난이도 기술력뿐만 아니라 제작 시간도 그 만큼 많은 기간이 소요된다. 또한 현재 국내 SOFC 시스템의 부품 중 시스템 제어, 스택, 개질기 등 다수의 BOP가 아직 양산체제에 돌입하지 못했다.

이에 양산체제 전 최적 운전 범위 및 조건, 양산기술·라인 확보 등을 위한 실증테스트를 기반으로 한 모니터링사업은 반드시 필요한 과정 중 하나다. 즉, 이 두 사업이 병행된다면 타 연료전지에 비해 가열 시간이 많이 소요되는 SOFC 시스템 전원 On/Off 개선, 효율성 향상, 수명 연장 등도 함께 향상될 것으로 판단된다.

그러나 이러한 실증테스트와 모니터링사업은 한 기업이 단독으로 추진하기는 어렵다. 세라믹 소재를 기반으로 한 스택을 사용해야 하는 SOFC의 특성 상 시스템의 제작기간과 비용부담이 크기 때문이다.

현재 국내 연료전지 기업체는 타 신재생에너지원에 비해 적은 상황이고, 그 중 SOFC와 관련된 기업은 더더욱 부족한 상황이다. 이러한 상황에서 자칫 단독으로 이 두 사업을 진행할 경우 기업체가 떠안아야 할 위험부담이 큰 것이 현실이다.

따라서 정부가 오는 2020년까지 차세대 연료전지로 SOFC와 관련된 기술개발을 추진하기로 한 만큼, 정부의 실증테스트와 모니터링사업의 병행을 추진해 기업체의 위험부담을 최소화시킴과 동시, 열안정성 신소재 개발 등 핵심기술 국산화 및 양산화로부터 가격 경쟁력을 확보해 오는 2018년 KS인증규정이 마련되는 즉시, 수요자에게 보급이 진행돼야 SOFC시스템이 국내 연료전지시장에 자리매김 할 수 있을 것이다.

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