연료전지 시장의 성장이 기대에 미치지 못하고 있지만, 장기적인 성장잠재력은 여전히 매력적으로 보인다. 조급한 상업화보다는 본질적 경쟁력 강화를 통해 본격적 시장 형성에 대비할 필요가 있다.

“휴대폰이 통신시장에서 그랬듯이, 우리제품도 에너지시장에 엄청난 영향을 몰고 올 것이다.” 지난 2월 bloom energy의 ceo가 자사의 연료전지 신제품을 공개하면서 야심적으로 한 말이다. ‘bloom box’라는 별명으로 불리는 이 제품은 당장 언론과 업계의 관심을 불러 일으켰다. 구글, 이베이, 월마트, 코카콜라, 페덱스 등 굴지의 기업들이 ’bloom box’의 도입을 결정했거나 이미 도입했다는 소식은 관심을 증폭시키는 역할을 하였다. bloom energy의 혜성같은 등장을 업계에서는 이변으로 평가한다. 불과 10여 년의 역사를 지닌 신생기업이, 기술적으 로 가장 어렵다는 sofc(solid oxide fuel cell, 고체산화물형연료전지) 제품의 상업화 계획을 자신만만하게 들고 나왔기 때문이다.

지금까지의 연구 과정이나 채택된 신기술이 명확히 공개되지 않았다거나, 상업화 계획이 구체적이지 않다는 점 등에서 bloom box에 대해 의문의 소리가 제기되고 있는 것이 사실이다. 그러나 한편으로 bloom energy의 등장이 연료전지에 대한 관심을 다시 고조시키는 계기가 될 것이라는 기대감도 존재한다. 경제성 확보의 어려움과 풍력, 태양광, 2차전지등의 부상에 밀려 고전을 면치 못하고 있는 연료전지 기업들이 이 신생기업의 행보를 주시하는 이유이다. 이하에서는 연료전지 시장 현황을 살펴보고, 연료전지 상업화를 앞당기기 위한 과제는 무엇인지 생각해보고자 한다.

다양한 장점을 지닌 차세대 발전장치

연료전지(fuel cell)란 산소와 수소의 전기화학적 반응을 이용하여 연료의 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치를 의미한다. 태양광, 태양열, 풍력 등의 재생가능(renewable) 에너지가 화석연료의 이용 없이 에너지를 반복적으로 만들어내는 분야인 데비해, 연료전지는 어떻게 보면 단순한 에너지전환 장치에 불과하다. 그럼에도 연료전지가 재생가능에너지와 함께 신재생에너지로 분류되고 있는 이유는 연료전지가 지닌 뛰어난 장점들 때문이다.

우선 연료전지는 기존 발전장치에 비해 에너지 전환효율이 높을 뿐 아니라 오염물질배출이 적다. 연료전지는 발전효율이 40∼60%로 높을 뿐 아니라 열병합 발전을 포함한 전체 에너지 효율은 최대 80% 이상에 달하는 것으로 평가된다. 오염물질 배출은 직접 수소를 사용하는 경우는 아예 없고, 화석연료를 사용할 경우 이산화탄소 배출은 40% 가량이 줄어들고, 기타 황산화물, 질소산화물, 일산화탄소 등은 극히 적은 양만이 배출될 뿐이다(<그림 1> 참조).

발전규모 조절이 용이하고, 설치 장소의 제약이 적다는 것도 최근 부각되는 연료전지의 장점이다. 일반적으로 연료전지는 규모에 따른 에너지전환 효율의 변화가 크지 않은 것으로 알려져 있다. 다시 말해 소형에서도 높은 에너지전환 효율을 기대할 수 있다는 것이다. 이 때문에 연료전지는 수 w급에서 수십 mw급까지 자유자재로, 다양한 용도로 사용하는 것이 가능하다. 또한 연료전지는 소음, 유해가스 배출을 획기적으로 낮출 수 있어 도심 어디에도 설치가 가능할 정도이다. 발전시설이 일반적으로 혐오시설에 속하는 것과 비교하면 큰 차이라고 할 수 있다.

기대에 못 미치는 저조한 성장

연료전지는 1839년 영국의 윌리엄 그로브경에 의해 발명되었다. 내연기관보다도 오랜 역사를 자랑한다. 그럼에도 연료전지 상업화는 아직까지 매우 부진한 편이라고 할 수 있다. 우주·항공, 잠수함 등 특수 용도를 제외할 경우 본격적인 상업화 단계에 접어든 연료전지는 사실상없다고 해도 틀린 말은 아니다. 1990년대 후반이후 휴대용 전자기기, 자동차용 등으로의 개발을 시도했으나, 2차전지의 급속한 성장에 밀려 실패로 돌아간 것이 대표적 사례이다. 당시 자동차용 연료전지 개발을 주도했던 캐나다 ballard power systems의 실적 추이는 이를 상징적으로 대변한다(<그림 2> 참조). ballard는 2005년 자동차용 연료전지 시스템 사업을 포기하고, 현재는 스택 개발 및 생산에만 집중하고 있다.

가정·상업용, 발전용 등 이른바 정치형(stationary) 분야는 사정이 다소 나은 편이나 역시 완전한 상업화 단계에는 이르지 못한 실정이다. 가정용 연료전지 분야에서는 일본이 가장 앞서가고 있다. 도시바, 파나소닉, eneos셀텍(신일본석유와 산요전기 합작) 등의 연료전지 제조업체들(생산 담당)과 신일본석유, 동경가스, 오사카가스, 동방가스 등의 석유 및 가스 기업들(영업 및 판매 당담)이 제휴하여 ‘enefarm’이라는 공동 브랜드를 만들고 지난해 5월 이후 본격적인 시판에 돌입한 상태이다. 그러나 연료전지 대당 가격이 300만엔 이상으로 정부 보조금(최대 140만 엔)을 지원받아도 부담스러운 수준인 데다 ’all 電化주택(취사, 난방 등을 모두 전력으로 해결)‘을 내세운 전력기업들의 공세에 밀려 판매 실적은예상보다 저조한 수준으로 알려지고 있다. 판매 개시 직후 대표적 연료전지 제조업체였던 에바 라 발 라드( 1998년 에바 라제작소 와 ballard power systems 합작)가 연료전지사업 철수를 발표한 점도 악재로 작용하였다.

발전용의 경우도 상황은 크게 다르지 않다. 현재 발전용 분야에서는 미국의 fuel cellenergy, utc power 등 2개 사 정도가 상업판매를 진행 중이며, 한국에서는 포스코파워가 fuel cell energy와의 합작을 통해 점진적으로 투자를 확대해가고 있다. 그러나 발전용 분야도 아직까지 정부의 지원 없이는 경제성 확보가 어려워 매출 확대에 어려움을 겪고있는 상황이다.

잠재 수요는 막대

현재 연료전지의 상업화가 저조하다고 해서, 장기 성장 전망까지 어두운 것은 아니다. 전문가들은 에너지 부족, 온실가스 감축 규제 강화등과 같은 최근의 환경 변화가 연료전지 시장성장에는 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상하고 있다.

국제에너지기구(international energy agency, iea)에 의하면 2030년까지 지구의온도 상승을 2℃로 억제하려면 2030년 기준(세계경제 연평균 3.3% 성장 지속 가정)으로 약 140억 톤의 이산화탄소 감축이 필요한데, 이중 57%는 에너지 절약을 통해 해결해야 할 것으로 내다보고 있다. 또한 이를 위해서는 2030년까지 발전설비와 에너지 절약 설비에약 9조 달러의 투자가 필요할 것으로 예상하고 있다. 한편 온실가스 감축원별로는 산업부문보다는 가정이나 상업 부문, 수송부문의 감축노력이 시급한 것으로 알려지고 있는데, 이들 부문은 연료전지의 적용 노력이 집중되고 있는 분야이다. 결국 온실가스 규제 강화에 따라 향후 에너지 절약에 대한 관심이 높아질 수밖에 없으며, 에너지 절약 분야는 연료전지의 장점을 가장 잘 발휘할 수 있는 분야라는 것이다. 더욱이 연료전지는 온실가스 저감 효과가 뛰어난 친환경 발전장치이기도 하다.

에너지 절약 및 온실가스 감축을 위한 각국의 규제 및 정책 지원 강화도 연료전지 경쟁력 확보에 직간접적 도움을 제공할 전망이다. 국가별로 차이는 있으나 신재생에너지에 대한r&d 지원에서부터 관련 설비 구매 시 보조금지원, 신재생에너지 발전차액지원제도, 신재생에너지 의무할당제, 수소에너지 인프라 구축지원, 대형 에너지 이용시설 에너지 효율 규제(상업용 건물, 선박, 공장) 등 다양한 제도가 실시되고 있거나, 실시될 예정이다(<표 1> 참조).

딜레마에 빠진 연료전지 기업들

이러한 에너지 절약 관련 수요나 정책 지원이 연료전지에만 해당되는 것은 물론 아니다. 가깝게는 기존의 내연기관이나 발전장치, 멀게는 태양광, 풍력 등의 재생가능 에너지, 2차전지등의 에너지저장장치 등이 모두 연료전지의 경쟁 상대가 될 수 있다. 결국 연료전지의 성패는 이들 경쟁자들과 확고히 차별화된 포지션을 얼마나 빨리 구축하느냐에 달려 있다.

장기간의 실증 과정과 연구개발을 통해 연료전지의 코스트와 성능은 과거에 비해 대폭 개선된 것으로 나타나고 있다. 그러나 현재 연료전지의 가격이나 성능 수준으로도 정부의 지원 없이는 경쟁력을 확보하기가 어렵다는 것이 지배적인 시각이다. 이 때문에 많은 기업들이 획기적인 코스트 절감을 통한 경쟁력 확보를 지상 목표로 내세우고 있다. 일본의 가정용연료전지 생산업체들은 현재 대당 300만엔 이상의 가격을 2015년까지 50만 엔 수준으로까지 낮추겠다는 목표를 설정하고 있다.

일부기업들은 이미 적극적인 투자에 나서고 있다. 지난 6월 일본의 jx 홀딩스(2010년 4월 신일본석유와 신일본광업이 합병하여 발족)는 자사의 장기 비전을 발표하면서 2020년 연료전지 연간 30만 대 판매목표(수출 포함)를 설정하였다. 지난해 이 회사의 연료전지 판매실적은 1,200대에 불과하였다. 한편 포스코파워는 지난 4월 연산 100mw의 생산능력을 지닌 mcfc(molten carbonate fuel cell, 용융탄산염용 연료전지)용 스택 공장을 착공하였다. 동사는 총 700억 원이 투입되는 이 공장이 완공되면 대폭적인 코스트 절감이 가능할 것으로 기대하고 있다.

연료전지에 적극적으로 투자하는 기업들도 나타나고 있지만, 아직까지 대부분의 기업들은 관망의 자세를 유지하고 있다. 양산 투자를 통해 가격을 낮추고, 그것이 수요를 촉발하는 선순환만 구축된다면 다행이지만, 문제가 그리 녹록하지 않다는 것이다. 수요가 충분할지, 정부의 지원 기간 안에 독자적 경쟁력 구축이 가능할지, 장기적으로 경쟁 솔루션을 압도할 수 있을지 장담할 수 없기 때문이다. 최악의 경우 공급과잉으로 대규모 투자비만 날리는 결과를 초래할 수도 있다. 최근 연료전지시장의 부진도 기업들의 고민을 깊게 하고 있다. 경쟁력 확보를 위해서는 투자가 시급한데, 의사결정이 쉽지 않은 것이다.

본질적 경쟁력 확보를 위한 투자가 우선

그러나 본격적인 시장 형성이 지연된다고 해서, 연료전지의 유망성까지 퇴색되는 것은 아니다. 연료전지는 재생 가능 에너지나 여타 경쟁자에 비해 분명히 차별화 된 경쟁력을 지니고 있으며, 이는 오히려 시간이 지날수록 빛을 발할 가능성이 높은 것으로 보인다.

연료전지는 개발의 역사가 길기는 하나, 라이프사이클 상으로는 여전히 도입기 제품에 해당한다고 볼 수 있다. 본격적인 성장기에 진입하기 위해서는 가격과 성능 면에서 아직까지 많은 개선이 필요하다는 것이다. 따라서 기업의 상황에 따라 다르겠지만 조급한 양산보다는 장기적 관점에서 본질적 경쟁력 확보를 위한 투자에 집중하는 전략이 바람직해 보인다.

소재 혁신을 통한 코스트 절감 및 성능 향상

연료전지 유형에 따라 다소 차이가 있지만 본격적인 연료전지 상업화를 위해 해결해야 할 과제로는 시스템의 내구성 및 신뢰성 강화, 설계 최적화 및 부품 교체를 통한 장치 소형화, 고가 소재의 사용량 최소화 및 대체 등이 공통적으로 지적된다. 전문가들은 이들 과제 해결을 위해서는 무엇보다 혁신적인 소재 기술개발이 선행되어야 하며, 이것이 원활하지 않을 경우 연료전지 상업화에 장애요인으로 작용할 것이라고 경고한다.

가정용 또는 자동차용 연료전지로 사용되는 pemfc(polymer electrolyte membrane fuel cell, 고분자전해질형 연료전지)의 경우 전극의 화학반응을 촉진하기 위해 고가의 백금촉매가 사용되는데, 이의 사용량을 줄이는데 연구가 집중되고 있다. 예컨대 연료전지 자동차의 경우 시스템 크기에 따라 현재 기술 기준으로 30∼50그램의 백금이 사용되는데, 이 비용만 해도 17∼27만 엔에 이른다(동경공업대학 연구결과 인용). 그러나 연구성과는 다행히 고무적이다. 미국 에너지성에 의하면 최근 3∼4년 사이 백금 사용량을 70% 이상 줄이는 성과가있었으며, 지금도 많은 기업과 연구팀들이 추가적인 절감을 위해 노력하고 있다. 한편 3m, basf fuel cell 등 화학기업들을 중심으로 성능을 획기적으로 향상시킨 mea(membrane electrode assembly, 멤브레인 전극 접합체)개발이 진행되고 있다. basf의 경우 고온에서도 내구성을 유지하는 mea 개발을 통해 연료전지 구조를 단순화함으로써 연료전지 기업들의 코스트 절감에 기여한다는 계획이다.

차세대 연료전지의 개발

장기적으로는 기존 연료전지의 성능 한계를 극복하거나 새로운 시장을 창출할 수 있는 연료전지의 개발도 기업들 입장에서는 유용한 전략이 될 수 있다. 대표적인 제품이 sofc다. 앞서 소개한 bloom energy가 후발 기업임에도 단번에 관심의 대상이 될 수 있었던 것은 sofc라는 제품의 혁신성 때문이기도 하다. sofc는 다양한 연료전지 유형 중 가장발전효율이 높을 뿐 아니라 소형에서 대형까지 광범위한 영역에서 활용이 가능하며, 구조가 상대적으로 단순하며, 다양한 연료 사용이 가능하다는 장점을 지닌다. 이처럼 다양한 장점 때문에 과거부터 많은 기업들이 개발에 참여하고 있으나 지금까지는 실증단계에 머물러 있었다.

그러나 2000년대 중반 이후 정체에 빠진 연료전지 시장의 돌파구를 모색하는 과정에서다수의 기업들이 sofc 개발에 참여하면서 기술발전 속도가 빨라지고 있다. 일본의 경우가 특히 적극적인데 sofc의 핵심 부품인 전해질 개발에 일본촉매(bloom energy에 전해질 공급), 교세라, toto 등이 참여하면서 이 분야의 새로운 강자로 부상할 전망이다. 가정용 연료전지 사업에 참여하고 있는 오사카가스는 pemfc와 함께 sofc 개발에도 나서고 있다. 교세라, 도요타자동차, 아이신정기 등과 함께 현재 실증 실험을 진행하고 있으며, 2012년경 본격적인 판매에 나선다는 계획이다. 일본 기업들의 연구개발을 지원하고 있는 nedo(신에너지·산업기술총합개발기구)는 여세를 몰아 2007년 현재 kw당 1천만 엔에 달하는 가정용 열병합시스템의 가격을 2015년에는 100만엔으로, 2020년에는 다시 40만 엔 수준으로까지 낮춘다는 계획이다.

대형 application의 개발

마지막으로 연료전지가 거대 시장으로 성장하기 위해서는 대형 application의 개발이 필수적이다. 대형 application은 그 자체 시장 창출로도 의미가 있지만, 산업 전체의 생산성에 긍정적인 파급효과(spillover effect)를 미침으로써 연료전지 성장에 결정적 기여를 할 수있기 때문이다. 현재 2차전지 산업의 도약을 이끌고 있는 자동차용 전지가 하나의 사례가 될 수 있다.

향후 성장이 기대되는 연료전지의 대형application으로는 자동차용과 분산발전용을들 수 있다. 자동차용의 경우 전기자동차에 밀려 주춤한 상태이나 연료전지 기업들의 입장에서는 결코 포기할 수 없는 분야이다. 현재는기존의 pemfc 이외에 sofc를 자동차용 보조 전원으로 이용하려는 시도가 진행 중이다. 이 경우 sofc의 기동시간이 너무 길다는 점(최소 1시간 이상)이 문제가 되는데, 현재 작동온도를 낮춤으로써 기동시간을 단축하려는 연구가 활발하다. 분산발전용 시장 역시 2008년기준 60gw의 거대시장으로 향후에도 연평균 10% 이상의 성장이 예상되는 유망 분야이다.

지금까지는 디젤엔진, 가스터빈 등 기존 경쟁자 대비 가격경쟁력 열세로 고전을 면치 못했지만, 신재생에너지 의무할당제 등의 실시에 따라 사업 여건이 크게 개선될 전망이다. 또한 가격경쟁력이 강화될 경우 신흥시장을 공략할 수 있다는 점도 매력으로 꼽힌다. 이밖에 장기적으로는 석탄화력발전 분야도 주시할 필요가 있다. 현재 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 온실가스 배출을 원천적으로 차단하면서 60%이상의 발전효율을 달성할 수 있는 연료전지-석탄가스화복합발전에 대한 연구가 진행 중이다.