연료전지 기술동향 분석 및 Capacity

 연료전지 개요 및 발전용 연료전지 기술 동향 분석

 연료전지는 수소와 산소로부터 전기화학반응을 통해 직접 전기를 생산하는 발전장치이다. 연료전지 스택, 연료변환장치, 주변기기 (BOP : Balance of plant) 및 제어 기술을 포함하는 통합기술이다. 연료전지를 통해 발전하면 기존 화력발전 대비 온실가스의 주범인 이산화탄소 배출을 약 40% 감소시키고 에너지 사용량은 약 26% 절감하는 효과를 거둘 수 있다. 부생 물로 물과 열이 발생될 수도 있다. 

 

 연료전지는 핵심 원료인 수소의 생산 기술은 크게 1) 수전해 기술 2) 탄화수소 개질 3) 원자력 수소 제조 3가지로 나누어진다. 한국에서는 주로 LNG를 연료로 사용하는 탄화수소 개질 방법으로 수소를 공급한다. 개질 된 수소가스가 연료극 쪽으로 공급되면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되며, 공기극에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킨다. 

 

 연료전지는 1) 열 손실 등을 감안하더라도 발전 효율이 높고(35~60% 이상), 2) 이산화탄소, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등의 배출이 거의 없는 무공해 에너지 시스템이며, 3) 모듈 형태로 제작이 가능해 발전규모 조절이 쉽고, 설치장소 제약이 상대적으로 적다.

 연료전기는 용도에 따라 1) 건물용 2) 수송용 3) 발전용 4) 휴대용 등으로 구분되며 건물용 연료전지 관련 기업은 두산푸얼셀, 에스 퓨얼셀 등이 있으며 발전용 연료전지 관련 기업은 두산 퓨얼셀, SK건설, SK D&D 등이 있다.

 발전용 연료전지는 주로 작동 온도에 따라 고온형/저온형으로 구분할 수 있다. MCFC(용융탄산염 연료전지)와 SOFC(고체 산화물 연료전지)는 650도 이상에서 작동하며 반응성이 우수하고 발전효율이 높다. 반면 고온을 이용하기 때문에 가동/정지 시간이 필요하며 열충격에 취약하다. 저온형 연료전기는 시동 시간이 짧고 부하면 동성이 뛰어나나 비교적 효율이 낮은 단점이 존재한다.

 우리나라의 발전용 연료전지 주 플레이어는 포스코에너지, 두산퓨얼셀, 블룸에너지(SK건설, SK D&D 협업)이다. '19년 말 3사의 연료전지 용량은 약 380MW로 우리나라 누적 설치용량의 절대다수를 차지한다. 포스코에너지가 지속적인 영업 손실을 내고, 신규수주활동을 멈춘 사이, 두산 퓨얼셀이 활발한 신규수주를 이어가고 블룸에너지 SK건설, SK D&D와 협업하며 국내 시장에 진출했다. 따라서 현재 발전용 연료전지 시장은 사실상 두산 퓨얼셀과 블룸에너지 양강 구도로 재편되었다.

 

 두산퓨얼셀의 PAFC 연료전지의 발전효율은 42%이고 Bloomegergy 연료전지의 SOFC방식 연료전지 발전효율은 3세대의 경우 60%를 상회한다. 하지만 두산 퓨얼셀은 전기와 열을 동시에 생산한다는 특성이 있고 열효율은 48%에 달한다. 따라서 현재 시점에서 PAFC와 SOFC 사이의 일방적인 우열이 있다기보다는 연료전지사업을 하는 발전 사업자의 특성 및 요구사항에 따라 필요한 연료전지가 달라진다고 보는 것이 타당하다. 두산 퓨얼셀의 연료전지를 설치한 부산 그린에너지는 안정적인 매출과 영업이익을 지속하고 있고, Blommenergy 연료전지가 설치된 남동발전 분당복합 연료전지 발전소 역시 설치한 지 1년이 넘었지만 전기효율이 60% 이상으로 안정적으로 유지되고 있어, 양측 연료전지 모두 발전사업자들에게 이익을 제공하고 있다.

 

 '18년 307MW에 불과했던 발전용 연료전지 누적 설치용량은 적극적인 정부의 보급정책에 힘입어 '19년 408MW까지 증가하였다. 하지만 '19년 발주 후 설치 중인 물량임을 고려하더라도 '22년 내수 발전용 연료전지 1GW의 목표를 달성하기 위해서는 여전히 연 200MW를 상회하는 물량이 매년 발주될 것으로 예상된다. 현재 두산 퓨얼셀의 CAPA는 '17년 준공된 익산 공장, 미국 공장까지 합쳐서 123MW이다. '20년 연내에는 본격적으로 대량생산이 예상되는 SK건걸과 블룸에너지의 합작 연료전지 생산공장 CAPA가 50MW('20년 착공 SOFC 연료전지 발전소는 미국 블룸에너지 공장에서 수입된 연료전지 활용 예상)로 두 회사의 합산 CAPA는 173MW 플러스 알파로 볼 수 있다. 따라서 당초 목표대로 연료전지 발주 증가가 이루어진다면 두 회사 모두 고루 시장 성장의 수혜를 볼 것으로 예상되며 오히려 중기적으로 늘어나는 수요를 따라잡기 위해 연료전지 CAPA의 추가 증설이 필요한 상황이다.