나노기술 및 정책 정보

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1. 연료전지는 발전효율이 높고 열과 전기를 동시에 생산하는 차세대 대체 에너지 기술

 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 전기에너지로 변환시키는 발전장치이다. 발전효율이 높고 공해물질 배출이 적으면서 열과 전기를 동시에 생산하기 때문에 대규모 발전 설비의 분산형 에너지원, 초저공해 자동차등에 적용되고 있는 차세대 대체 에너지 기술이다. 연료전지의 종류에는 인산(PAFC), 용융탄산염(MCFC), 고체산화물(SOFC), 고전자분해(PEMFC), 직접메탄올(DMFC) 등이 있다.

 연료전지는 구성요소소재(원가 구성비중 10%)와 소재로 가공된 단전지 즉, MEA(Membrane Electrode Assembly) 및 스택(30%), 연료전지스택 이외 시스템을 구성하는 기계적 장치인 M-BOP(Mechanical Balance of Plant, 40%), 전기 및 제어부의 E-BOP(Electrical Balance of Plant, 20%)로 구성된다. 연료전지 발전은 온난화의 주요 원인인 이산화탄소 배출량을 약 45% 저감(LNG 발전 대비 23%, 석유 및 석탄 발전 대비 각각 46%, 58% 저감)시키면서도 약 31%의 에너지를 절감시키는 효과가 있다. 또한 전기와 물의 발전효율 30~40%에 온수로 회수되는 열효율 40%가 더해져 전체 70~80%의 높은 발전효율을 나타내고 있다. 녹색대체에너지원으로 각광받고 있는 태양광발전과 비교해 1MW급 발전에 필요한 설치면적이 약 120㎡로 태양광발전(약 13,000~15,000㎡)의 약 1/100 수준이어서 설치측면에서도 에너지원으로의 실효성이 크다.

연료전지는 CO₂를 약 45% 저감시키고 태양광발전과 비교해 1MW급 발전에필요한 설치면적이 약 120㎡로 태양광발전의 약 1/100 수준이어서 설치측면에서도 에너지원으로의 실효성이 더 크다.

 지구 환경 보존을 위한 녹색산업의 개발 확대와 수소 경제로의 에너지 패러다임전환, 석유자원의 고갈, 온실가스 감축 규제 확대, 중동의 정치상황 악화로 인한 석유수급 불안정 및 고가격화와 함께 최근의 일본원전 사고로 인한 원자력 발전의 위험성 부각 등에 따라 수소연료전지 발전의 개발과 확대는 더욱 가속화될 것으로 판단된다.

2. 정부는 2015년 세계 1위의 연료전지 강국실현을 위해 다양한 지원전략 수립

 정부는 2015년 세계 1위의 연료전지 강국 실현을 위해 연료전지의 그린에너지 전략로드맵, 미래 수소경제사회로의 기반 구축등 다양한 지원 전략을 수립하고 있다. 건물용, 수송용 연료전지의 보급 확대를 위한 실증연구, 발전용 연료전지의 상용화 기술개발(지경부), 원천기술개발(교과부), 잠수함용 연료전지 개발(방사청)등의 핵심기술개발을 추진하고 있다. 또한 세계시장을 선도할 수 있는 SOFC 스텍 제조기술, 선박용 연료전지, 수송용 연료전지등의 기술과 제품을 선정하고 집중 개발하여 수출산업화를 목표로 한 대형 프로젝트를 추진할 계획이다.

 가정용 연료전지는 신뢰성, 안전기준에 적합하도록 2006년부터 실증사업을 추진하고 있으며 보급촉진을 위해 보조금제도(그린홈 보급사업)를 적용해 2010부터 설치비용의 80%, 2013~2016년까지 50%, 2017~2020년까지 30%를 지원할 계획이다. 또한 수소연료전지로 전기, 열, 수송용 연료를 공급하는 ‘수소타운(H-Town)’시범사업을 추진해 광양시, 울산시 등을 대상으로 1차 시범사업 후 확산시킬 계획이다.

세부기술개발을 위해 건물용 PEMFC의 경우 국산화를 위한 BOP, 소재 개발을 중장기적으로 추진하고 있으며 발전용 MCFC, SOFC의 경우는 선진 기술의 도입으로 기술격차를
해소시키고 Stack/BOP 생산기술을 확보하여 국산화하는 데 초점을 두고 있다. 사업화전략으로는 1단계(’09~’12년)로 표준화 및 대량생산체제를 통한 상용화 기반을 구축하고 2단계(’13~’20년)에서는 시스템의 대형화 및 양산기술 최적화를 통한 경제성 확보로 해외시장 진출과 수출산업육성을 추진, 3단계(’21~’30년)로 석탄화가스 기술과 연계한 수소 생산/운송 등의 시장개발을 통해 수소에너지 경제를 선점한다는 계획이 추진 중에 있다.

 연료전지 소재산업은 각 구성요소 소재를 양산하는 산업과 소재를 최적으로 조합하여 단전지를 제조하는 MEA 산업으로 구분된다. PEMFC 및 DMFC 연료전지의 전체 시스템 부분에는 삼성전자, 포스코파워, 효성, LG전자, 현대·기아자동차, 중소기업으로는 오선텍,
GS퓨얼셀, 퓨어셀파워 등이 Supply Chain을 구성하고 있다.
 PEMFC 및 DMFC 스택 기술은 삼성전자를 중심으로 진행되어 왔으며 주로 휴대폰, 노트북 등 IT용 기기의 전원 개발에 초점이 맞추어져 있다. 현재 PEMFC 스택 기술을 적용한 자동차용 연료전지 개발을 위해 현대·기아자동차가 참여하고있으나 분리판(포스코 이외 철강회사)을 제외한 전극, 전해질 소재관련 기업 참여는 미약한 상태이며 PEMFC 및 DMFC 스택 내각 구성요소 소재는 전량 수입하고 있다. 세계 각국의 대표적인 기업은 PEMFC의 경우 일본 bara-Ballard가 세계 최고수준의 건물용 PEMFC 스택 적용 시스템 기술을 보유하고 있다. 그 밖에 Ballard Power System, Hydrogenics(캐나다), UTC Fuel Cells, PlugPower, Teledyne(미국), Toshiba, Toyota, Honda 등의 기업이 있다.

 미국 FCE(Fuel Cell Energy)가 MCFC 350KW~2.8MW급을 상용화시켜 전 세계에 80여기를 보급하고 터빈복합, 차압 발전연계 등을 추진하고 있으며 독일의 MTU Friedrichschafen 등이 개발에 참여하고 있다.
 영국 Rolls-Royce사는 SOFC 시스템 전반에 걸친 원천핵심기술 확보를 위해 연구개발 중에 있으며 그 외 Global Thermoelectric, Fuel Cell Technologies(캐나다), Sulzer-Hexis(스위스), Siemens-Westinghouse 등이 대표적 기업이다. PAFC의 경우, UTC/ONSI/Toshiba (미국/일본)가 개발 진행 중이다.

PEMFC 의 경우 일본 bara-Ballard가 세계 최고수준의건물용 PEMFC 스택 적용 시스템 기술을 보유, 미국 FCE가 MCFC 350KW~2.8MW급을 상용화시켜 전 세계에 80여기를 보급, 영국 Rolls-Royce사는 SOFC시스템 전반에 걸친 원천핵심기술 확보를 위해 연구개발 중

 세계시장에서는 스위스의 Sulzer Hexis가 24%의 점유율을 차지하고 있으며 UTC Power 15%, Plug Power 14%의 점유율을 나타내고 있다. 그리고 PEMFC가 시장의 56.2%를 점유하고 있다. 자동차분야에서 국내 기업으로는 현대자동차가 수소연료전지 자동차 개발 및 모니터링 사업에 275억 원을 투자(’06~’11)하여 일본에 이어 세계 2위 기술수준을 보유(국산화율 71%)하고 있다.
 현재 200kW급 연료전지 버스 및 115kW급 연료전지 자동차를 개발하고 있으며 2015년부터 시판을 계획하고 있다. 연료전지 자동차 시장(승용차 부문)에서 Daimler가 14.8%로 선두에 있으며 국내 기업은 현대차가 약 4.6%의 시장을 점유하고 있다. 버스의 경우는 Mercedes가 31.4%를 점유하고 있으며 자동차용 연료전지업체는 모두 캐나다의 Ballard가 각각 31.4%(승용차), 52.1%(버스)의 높은 시장점유를 나타내고 있다.

4. 연료전지의 세계시장은 수년간 꾸준한 성장세를 보이며 2025년에는 약 640억 달러로 확대 예상

연료전지의 세계시장 규모는 2010년 약 5.98억 달러로 추산되고 있다. 2014년에는 12.2억 달러로 연간 약 20%의 성장률을 나타낼 것으로 예상(SBI energy research, 2010)되고 있으며 2025년에는 약 650억 달러로 성장이 예측(후지경제, 2011) 되고 있다.
 특히 자동차용 연료전지 분야가 약 308억 달러 규모로 크게 성장이 예상되고 있으며 가정용이 164억 달러, 산업 및 업무용 연료전지시스템이 106억 달러로 전망되고 있다. 우리나라는 2008~2018년까지 약 2.7조 원(~2013년), 12조 원(~2018년)의 기술개발 및 시설투자를 통해 229억 달러의 수출로 세계시장의 38%를 점유할 것으로 보인다. 향후 시장이 크게 성장할 것으로 예상되는 SOFC 발전시장은 2022년 세계시장이 약 91.1조 원, 국내시장은 1.73조원, SOFC 발전시장은 세계시장이 약 31.9조원, 국내시장이 약 6,000억 원 정도로 추정되고 있다. 연료전지는 발전규모의 조절이 용이하고 설치장소의 제약이 적고 오염물질 배출이 극히 적은 것 등의 여러장점을 지니고 있는 차세대 발전장치이지만 현재까지는 기대에 못 미치는 시장 성장을 보이고 있다. 그러나 앞서 언급한 바와 같은 정책 및 발전 전략, 그리고 각국의 지원계획 등을 통해 내구성,신뢰성 등의 성능 향상과 비용절감 등의 경제성을 제고하여 조기상용화에 성공한다면 거대시장으로 성장할 것으로 판단된다. 그러므로 중장기적으로 성능 한계를 획기적으로 향상시킨 연료전지 개발을 통해 새로운 시장을 창출하기 위한 노력이 요구된다.