연료전지는 정보통신기술(ICT) 기반의 융합 운영으로 국가 피크 전력을 관리하는 시스템으로, 또 주택 및 건물에 에너지 공급을 담당하는 기기로, 미래형 에너지 생산과 운영에 중추적인 역할을 담당하면서 에너지 신산업 분야의 분산전원 연료전지 가치가 재조명될 것으로 확신하다.

분산전원 연료전지의 가치

전 세계 에너지 생산·공급기기 분야의 정책 및 산업 관계자들은 기후변화에 대처할 수 있는 신재생에너지 개발·보급을 통한 신산업시장 육성 및 보급에 대한 투자를 확대하고 있으며, 국제에너지기구(IEA)에 따르면 2035년 세계 전체 에너지 발전량에서 신재생에너지 분야가 30%를 차지하는 괄목할 만한 에너지원으로 대두될 수 있다고 예측한다.
국내의 경우 2006년부터 2011년까지 모니터링 사업(사업비 420억 정도)을 진행하여 1kW급 연료전지 시스템의 핵심 파트 국산화, 내구성 증진 및 가격 저감 방안 등의 실증연구를 추진했으며, 2010년부터 ‘주택/건물 지원 보급사업’의 일환으로 1kW급 연료전지를 매년 수백 대 규모(보조금 70~100억 정도/년)로 주택에 보급하고 있다.
우리나라와 에너지 생산 체계가 비슷한 일본의 경우에는 2009년에 보급이 시작되어 첫해에는 5,000대, 2013년에는 40,000대[정부 보조금 170억엔(2,300억원 정도)]의 시장이 형성됐으며, 2030년까지 누계 250만 대의 보급을 목표치로 발표했다. 국내와 비슷한 시기에 연료전지 보급·판매가 시작됐지만 일본은 연료전지 관련 소재, 부품, 시스템 및 유틸리티 등의 산업 기반을 완성시켜 700W급 연료전지 분야를 선도하고 있으며, 2023년에는 글로벌하게 주택·건물용 시장 규모가 39조원에 이를 것이라고 예측하고 있다^*1.

‌시장현황

연료전지는 탄화수소계 원료를 사용하여, 전기화학반응을 통해 전기와 열을 생산하는 친환경·고효율 에너지 생산기기이므로 각 나라의 에너지 가격 체제(전기요금, 열요금, 가솔린 등의 연료요금)가 연료전지 초기시장 형성 규모 및 산업화에 커다란 영향을 미친다.
우리나라와 같이 전기가격 대비 천연가스(LNG)가 고가인 경우에는 최근 동절기 기간에, 가스보일러 사용 비율이 줄어들어 가스회사의 도시가스 매출이 정체되고 난방용의 적외선 히터와 온수 매트 활용이 확대되는 경향은 에너지 경제성 면에서 자명한 사실이다. 
해외의 경우, 일정량의 전기를 생산하는 데 필요한 가스의 소매가격과 이와 동일한 양의 전기 사용에 대한 소매가격의 차이인 스파크 스프레드(Spark spread)를 비교해 보면(표 1 참조), 세계 연료전지 시장은 스파크 스프레드가 큰 서유럽 및 일본을 중심으로 연료전지 시장 확대가 먼저 이루어질 것으로 사료된다^*2.

표 1. 주요 국가 스파크 스프레드 비교표

일본의 경우, 가정용 연료전지를 위주로 하는 일관된 정책 방향하에  파나소닉, 도시바 등의 시스템 제조업체와 가스사업자들이 에너팜(ENE-Farm)이라는 공동 브랜드로 시장에서 소비자에게 가스요금 할인과 매전수익이라는 인센티브를 도입하여 에너지 경제성이 가장 우수한 분야인 0.7~1KW급 가정용 연료전지를 향후 3년간 집중 보급하여 수십 만 대 이상의 보급량을 달성하여 2016년도에는 정부 보조금 없이도 자립 보급할 수 있는 산업 생태계 조성을 완료하고 2020년에는 추정 140만 대를 보급할 계획을 갖고 있다^*3.
독일의 경우, 2006년에 Callux Lighthouse 프로그램을 제정, 발표하고 ’08년 투자를 시작으로 1~5kW급 가정·건물용 연료전지를 중점 보급하여 800여 대 설치했으며, 2013년에는 가정용 연료전지를 EU 전 지역으로 확대한 에너필드(Ene.Field) 프로그램으로 영국과 프랑스, 이탈리아 등 EU 지역 12개 국가가 참여하여 1,000여 대의 가정용 연료전지 설치했으며, 독일의 Baxi사 등은 2015년부터 대량 양산을 통한 보급 준비 중에 있는 것으로 알려져 있다.
미국의 경우, 원유 사용량 감소와 에너지 안보 전략의 일환으로 수소연료전지의 장기적 시장 전개 전략하에 안전/표준화 코드 전개 및 높은 보험 비용을 감소시키고 있으며, 정부는 초기시장의 테스트베드 역할, 성능 및 비용 데이터 분석을 통한 가치 제안 그리고 사용자에게 제공할 모델, 도구(tools) 및 틀(templates)을 개발하고 있다.
미국 에너지부가 집중하고 있는 수소연료전지 상용화 시장 분야의 기술 성숙도는 백업 전원(Emergency Backup Power), 정치형 연료전지(Stationary Power)의 소형 열병합발전(micro CHP), 지게차(Material Handling Equipment) 순으로 정의, 전개하고 있다.

그림 1. 일본의 가정용 연료전지 시장 정책

백업 전원 분야는 소음, 공해, 유지보수 및 안정성에서의 문제점을 해결할 대안으로 미국에서만 최근 2,000기가 넘은 연료전지 백업 전원이 설치됐으며, 연료전지는 기존의 배터리 백업 전원보다 유지보수를 포함한 총비용이 낮고 설치 공간, 무게 및 극한 온도 환경에서의 안정적인 전력공급 등의 장점이 있는 응용분야이다.
소형 열병합발전시스템(micro CHP)은 소·중형 건물에서의 에너지 절감용으로, 기존 방식의 전기와 열원 사용보다 탄소발자국(carbon footprint)을 40% 정도 감소할 수 있으며, 열원은 건물 난방(space heating)이나 온수로 사용하고 남은 전기는 유틸리티 회사에 다시 판매하는 모델로, 초기시장을 가속화시키고 있다.
지게차 시장인 MHE(Material Handling Equipment) 분야는 기존 배터리로 구동하는 지게차와 비교하면, 재충전 노임이 80%로 감소하고 재충전 시설 공간이 75%로 감소하며 빠른 재충전 시간으로 생산성을 향상하는 장점이 있으며, 3,500기 이상의 연료전지 지게차(fuel cell lift truck)가 설치되고, 현재 DOE 보조금 없이 물류창고, 제조공장 등으로 판매되고 있는 상황이다^*4.
발전용 연료전지 시장은 우리나라의 RPS 정책 시행에 따라 2013년에는 전 세계 발전용 연료전지 시장의 60% 이상이 국내에서 발생했으며, 당분간 포스코에너지 및 두산 퓨얼셀 등의 사업자들의 선도적인 리드로 국내 시장이 확대되겠지만, 미국 등 해외시장이 뒤따를 것으로 예상하고 있다.
국내 중앙공급식 에너지 공급 체계에서 발전용 연료전지가 분산전원으로 주목을 받고 있으나, 종래의 화력 및 열병합발전소와 균형 있는 성장을 하기 위해서는 기존 시장에 형성되어 있는 kW당 설치 가격 차이의 차이를 어느 정도까지 완화시킬 수 있는 시기가 도래해야 할 것이다. 국내 사업자들이 이를 위해 핵심 부품 및 소재를 국산화하기 위한 로드맵이 진행되고 있으며, 연료전지 관련 업계 및 연구기관들에서 발전용 연료전지의 고출력과 신뢰성 향상을 위한 기술개발을 한창 진행하고 있다.  

‌연료전지 가치 

고효율 에너지 생산기기인 연료전지는 공기 중의 산소와 수소의 전기화학반응으로 물을 생성하는 과정에서 전력을 생산하고 폐열을 이용하여 온수를 동시에 생산한다. 기존 한전 전력과 개별 보일러 대비 연료전지로 전력과 열을 생산하면 1차 에너지 소비량을 31% 감소시킬 수 있고 온실가스인 CO2도 45%나 감축시키는 효과도 있다.
국내에서는 1kW급 이하의 연료전지는 가정용 연료전지로 통용되며, 전기 누진제도가 적용되는 주택에 대부분 적용되고 있다. 넓은 의미로 고려하면 건물용 연료전지는 주택과 일반 건축물에 적용될 수 있는 연료전지로 이해할 수 있으며, 주택과 건축물에 적용하는 연료전지의 가치를 증가시키려면 어떤 기능 발휘와 마케팅 전략이 필요할까?
주택은 전기누진제가 적용되는 분야이며, 소비자들은 기기 소형화와 전기 사용량에 따른 자동운전으로 최대의 에너지 절감 금액을 요구하는 분야이다. 건축물은 용도에 따라 일반 업무시설(사무실), 숙박시설, 의료시설, 교육시설, 관광시설 및 공장 등으로 구분할 수 있으며, 상기 용도에 따라 다소 차이는 있으나 설계 전력부하의 15∼30%가 건축물의 전력 기저부하로 사용된다고 보고되고 있다.
또한 24시간 운영되는 극소수의 건축물도 있지만 대부분 오전 9시부터 오후 7시까지의 시 간에 전력부하가 집중되는 특징을 가지고 있으며, 면적당 인구밀도가 높아 정전 리스크 관리와 피크부하 관리가 중요시 되는 적용 분야이다. 
연료전지의 사용 부가가치를 최대한 인정받으려면 갖추어야 할 성능들은 크게 4가지로 분류된다.
첫째, 전력공급 체계에서 기저부하를 담당하는 ‘원자력발전’의 안전성과 관련 폐기물 처리와 같은 환경적 문제가 이슈가 되고 있는 시대에서, 연료전지는 부하 대응성이 있어야 한다. 분산전원으로서의 역할을 충실히 수행하기 위해 기기의 기동 및 정지가 사람들의 근무시간 또는 주거하는 시간 안에 이루어질 수 있어야 하며, 매일 매일 기동·정지할 수 있는 기능(DSS)을 갖추어야 전력부하가 집중되는 시간에 주택과 건물의 에너지 사용을 효율화할 수 있다.  
둘째, 주택과 건축물은 설치된 시설물의 점검·보수, 전기, 소방 등의 주기적인 안전관리가 필요하며, 연료전지도 화학반응으로 에너지를 생산하는 기기이므로 주기적인 점검, 필터 교환 등의 유지보수 시간이 필요하다. 연료전지의 점검 혹은 필터 교환 등의 유지보수 시간이 길어진다면 사용자의 편의성을 증진시킬 수 없으므로 기기의 정지 시간과 점검, 부품교환 시간이 짧은 저온수리(Cold Repair)가 가능해야 한다. 
셋째, 연료전지 적용 시에 아파트 단지 공동전기 또는 건물의 기저부하를 담당하든 혹은 피크 부하나 전력부하 집중 시간대 완화용이든, 전력계통의 정전 시에 독립 운전을 할 수 있는 기능이 있다면 주택과 일반 건축물의 비상발전기 역할도 할 수 있을 것이다.
세계적으로 신재생에너지의 확산 및 스마트그리드에 관심이 고조되면서 IEEE에서는 2011년에 분산전원의 의도적 단독운전에 대한 규격(IEEE Std 1547.4 Guide for Design, Operation, and Integration of Distributed Resoure Island Systems with Electric Power Systems)을 제정했다. 물론 우리나라에서도 하루 빨리 분산형 전원으로서 계통 연계 방법에 있어서도 비의도적 단독운전을 일반적인 단독운전의 개념으로 정의하는 대신, IEEE 1547.4의 의도적 단독운전 기준에 따라, 분산형 전원의 의도적 단독운전을 장려하는 방향으로 법 개정(한국전력의 ‘분산형 전원 배전계통 연계 기술기준’)이 필요하다.
넷째, 연료전지는 전력을 생산하는 동시에 열을 생산하므로, 주택과 건축물의 열원 이용 방안이 명확해야 그 효용성이 증대된다. 동절기에는 난방용 열원으로 사용할 수 있지만, 춘·추절기, 특히 하절기에 주택과 건축물에 열원을 사용할 수 있는 열 이용기기의 추가 설치 방법이나 상시 열이용 시설이 있는 상업시설(커피숍, 사우나, 식당 등)에 열원을 공급할 수 있도록 설계되어야 한다.

그림 2. 발전용 연료전지 국내 설치 현황(발주 기준)

‌연료전지 비전과 정책 

우리나라와 일본의 국민총생산(GDP) 규모를 비교해 보면, 국내 연료전지 시장 규모(발전 분야 제외)는 올해 1만 대 이상이 되어야 국제적인 산업 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 판단된다. 현재의 국내외 환경에서 국내 연료전지 업계가 글로벌 시장을 선도할 수 있도록 성장·발전하기 위해 긴급하게 구축해야 할 요소들은 무엇일까?
첫째, 연료전지 관련 업계 종사자들의 원가 경쟁력 확보를 위한 더욱 더 치열한 노력이다. 국내 연료전지 업계 관계자(주택·건물 사용자, 도시가스사, 건설사 등)들과 정책 당국에서는 다른 신재생에너지원보다 훨씬 고가인 연료전지 기기 가격과 연료인 천연가스(LNG) 비용이 보급 확대의 최대 장애로 지적하고 있다.
우선, 정부 정책(보정계수, REP 임대사업 등)의 도움을 받을 수 있는 시장 분야 확대로 대량 생산라인 구축, 경쟁력 있는 서플라이체인 양성, 응용분야별 하이브리드 제품화 기술개발을 통한 연료전지의 사용가치 향상에 주목할 필요가 있다.
둘째, 정부와 민간도시가스사 및 건설사 등의 업계 관계자들이 에너지 믹스에 대한 유용성을 충분히 인지하여 지하자원이 부족한 국가의 에너지 생산·공급 체계에서 분산전원의 유용성을 단지 에너지 경제성뿐 아니라 친환경·고효율 에너지 생산, 전력 부족 대응 수단(송배전 없음) 및 신산업 육성의 관점에서 일관된 중장기적인 분산전원 정책 방향에 따라 적극적으로 동참해야 한다.
셋째, 연료전지의 새로운 비즈니스 모델 구축이다. 기존 화력·열병합 발전소와 같은 중앙공급식 에너지 공급모델이 아닌 Micro-CHP를 이용한 ICT(Information Communication Technology)-based NEW Biz 모델 구축(예를 들면 Virtual Power Plant)을 통한 시장 활성화가 한국형 연료전지 발전 모델을 도출하는 중요한 요소가 될 것이다.
계통한계가격(SMP)이나 태양광과 같은 다른 신재생에너지원과 연료전지를 비교하면, 보급 사업을 시작한 지 5년째인 연료전지의 kW당 높은 기기 가격과 연료로 천연가스(LNG)를 사용하므로, 현재 kWh당 연료비가 고가인 것은 부인할 수 없는 사실이다.

그림 3. 400kW급 인산형 연료전지 구성 개략도

하지만 연료전지는 친환경·고효율의 특성을 갖는 에너지 생산기기인 것은 물론 기기 설치 면적 및 에너지 사용 편의성이 가장 우수한 에너지원이고, 계절별 날씨와 무관하게 의도적인 운전이 가능하므로 타 에너지원 대비 에너지 생산량 조절이 가능한 유일한 신재생에너지원이다.
국가적인 에너지 수요관리 대책에 고효율 분산전원으로 자리매김하려면, 민간 자가용 연료전지 발전을 REP로 인정할 수 있는 임대사업 육성, 연료전지를 비상용 전원 공급시설로 적용하기 위한 분산전원의 의도적 단독운전에 대한 규격 법제화 및 소규모 구역 전기 사업과 열공급 사업에 대한 규제 완화를 통해 우선, 정부에 추가 예산을 요구하지 않는 정책을 발굴, 추진하여 연료전지 산업 생태계가 조성될 수 있는 시장 규모에 조속히 도달해야 한다.
연료전지는 정보통신기술(ICT) 기반의 융합 운영으로 국가 피크 전력을 관리하는 시스템으로, 주택 및 건물에 에너지 공급을 담당하는 기기로, 미래형 에너지 생산과 운영에 중추적인 역할을 담당하면서 에너지 신산업 분야의 분산전원 연료전지 가치가 재조명될 것으로 확신한다.

두산 퓨얼셀 김호석 상무