■ 산업 및 시장 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

전 세계 연료전지 시장의 경우 우주선, 잠수함 등 특수 용도에선 상업화 단계에 진입하였으나, 그 외의 응용분야에서는 현재까지 미숙한 단계로 파악된다. 다만 2020년경에는 시장규모가 400억 달러 수준까지 확대될 전망이다. 발전용 연료전지는 2008년부터 상용화가 시작되어 정부의 제도적 지원 하에 시장이 형성되는 단계이다. 세계 2020년 연료전지 시장은 금액 기준으로는 PEMFC, 수량 기준으로는 SOFC가 가장 큰 비중을 차지할 것으로 예상되고 있다. 이는 PEMFC의 경우 높은 단가로 주택용 연료전지 보급이 확산될 것이라는 전망과 SOFC는 낮은 단가로 발전용 연료전지 시장을 장악할 것이라는 전망에 기인하는 것으로 판단된다. 미국 에너지부에서는 2020년경 세계 시장 규모가 400억 달러 수준에 이를 것으로 전망하였다. 연료전지 시장을 응용분야별로 살펴보면 현재는 발전용 연료전지가 약 64% 수준으로 가장 큰 비중을 차지하고 있으나 중장기적으로 자동차용 연료전지가 대세를 이룰 것으로 전망되고 있다. 전 세계적으로 에코카(Eco car) 개발에 대한 관심이 높아지는 가운데 현재 하이브리드카, 전기차(리튬이온전지 사용) 등 친환경 자동차가 개발되고 있으며 궁극적으로는 수소연료전지 자동차로 진화될 전망이다. 이에 따라 수소연료전지 자동차가 상용화되기까지는 다소 시일이 소요될 것으로 예상된다. 산업용 연료전지 발전은 1세대인 PAFC를 거쳐 2세대 MCFC가 대부분을 시장을 장악하고 있다. 이는 MCFC의 낮은 가격, 높은 효율성 등 기존 연료전지 발전 대비 우수한 경쟁력을 확보한 것에 기인하고 있다. 가정용의 경우는 주택 분야 환경 대책 중 하나로 연료전지가 주목받으며 주거지의 급탕, 난방에 대해 연료전지를 이용한 열, 전기 공급을 추진함에 따라 시장이 확대될 전망이다.

2) 기업 현황

미국은 에너지부(DOE) 주관으로 대용량 발전용 SOFC 시스템의 상용화를 목표로 SECA 프로그램을 운영 중이다. SECA에서는 GE, Delphi 등 산업체와 퍼시픽노스웨스트국립연구소(PNNL), 핵물리학연구소(ANL), 오크리지국립연구소(ORNL) 등 국립연구소들이 컨소시엄을 구성하여 연구를 진행하고 있고, 참여기업으로는 Siemens Westinghouse, Honey well, Delphi, McDermott, UTC power, GE, CPG, FCE, Acumentrics 등이 있다. Delphi는 대형 트럭의 보조 전원, 군용 APU 시스템을 개발 중이다. Versa Power System(VPS)는 평판형 구조의 16kW 스택을 활용하여 60kW 스택 모듈을 개발 중이며 시스템 개발은 FCE에서 진행하고 있다. Bloom Energy는 100kW급 시스템 개발을 완료하여 상용품 bloom box를 출시하였으며 40기 이상을 판매하였으며, 향후 1kW 수준의 가정용 SOFC를 상용화하여 건물용 보안전원 시장을 공략할 계획이다. Siemens Westinghouse는 원통형 단전지를 연결해 100kW급 SOFC 스택을 개발해 11,000시간 이상 운전경험을 가지고 있다. 그러나 고가 제조공정에 따른 생산원가 상승과 구조적 요인에 따른 발전효율 저하, 대량생산의 어려움 및 엄청난 생산설비 투자 등이 단점으로 지적된 바 있다. 이후 마이크로가스터빈과 하이브리드 방식의 220kW급 SOFC- GT(Micro) 발전시스템 개발을 진행 중이다.

일본은 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)와 AIST(Agency of Industrial Science and Technology) New Sunshine Program을 시작으로 TOTO사, 규슈 전력(Kyushu Electric Power), 닛폰 스틸(Nippon Steel) 등이 원통형 SOFC를 연구·개발 중이며, 평판형 SOFC는 추부 전력(Chubu Electric Power), 도쿄가스 등이 개발 중이다. 또한, 일본은 2007년부터 NEDO 지원 하에 가정용 SOFC 시스템(1kW 이하) 개발을 위해 실증 연구를 수행 중이다. 도시바, 파나소닉, ENEOS셀텍 등의 연료전지 제조업체들과 신일본석유, 동경가스, 오사카가스, 동방가스 등의 석유 및 가스 기업들이 제휴하여 에너팜이라는 공동 브랜드를 만들어 본격적인 시판에 돌입한 상태이다. 발전을 위한 셀은 교세라가 공급하며 평관형을 채택하였다. 교세라는 연료극 지지체 평관형 SOFC셀을 개발하여 효율 56.1%를 달성하였다. 교세라의 평관형 셀은 제조 시 적층하는 공정이 간소하고 재료비용이 저렴한 것이 장점이다. 신일본석유사는 2007년부터 NEDO Project의 지원하에 SOFC 실증 48기를 설치하였으며, 진도 5 이상의 지진이 발생하는 경우에도 Safe stop, Emergency stop 정상 작동, 부품 이상 없음을 확인하였다. 미쓰비시 중공업은 SOFC와 마이크로가스터빈(MGT)을 조합한 200kW급 시스템을 개발하고 제작·운전을 실행했다.

유럽에서는 정부의 지원 프로그램 보다는 기업체 주도로 시스템 제작 업체와 스택 모듈 제작업체 간의 활발한 컨소시엄 형성을 통해 다양한 규모의 시스템 실증 및 상용화를 추진하는 형태로 SOFC 개발을 진행 중이다. 독일은 율리히 연구소(Forschungszentrum Juelich)를 중심으로 연료극 지지체형 SOFC 단전지 제조와 10kW급 중저온형 평판스택의 제작에 집중하고, 대학과 연구소들은 SOFC 구성소재 및 반응 메커니즘에 대한 연구를 추진 중이다. 드레스덴에 위치한 스탁세라(Staxera GmbH)는 전해질 지지형 소형셀 기반 기술을 보유하고 있다. 0.5~5 kW급을 중심으로 스택모듈 개발에 집중함으로써 일부 시스템을 상용화하여 연구수요 대상으로 시스템을 판매하고 있다. 덴마크는 리소 연구소(Risø DTU National Laboratory for Sustainable Energy), 대학 및 기업과 공동으로 중저온 평판형 SOFC를 개발, 수 kW의 스택을 제작 중이다. 이를 기반으로 Topsoe사에서 평판형 1kW 단위스택을 모듈화하여 시스템 업체인 Wartsila, Dantherm Power 등에 공급하고 있다. 영국의 Rolls-Royce는 SECA프로젝트에 참여하여 250kW급 가스터빈/연료전지 발전시스템의 시제품 개발을 완료하고, 상용화를 목표로 실증테스트 중이다. 스위스의 Sulzer-Hexis는 평판 원반형 SOFC를 기본 구조로 하는 3kW급 스택으로 난방과 발전을 겸하는 소형 주거용 시스템을 개발하여 실증 중이다.

■ 미래의 연구방향

현재 국내 기술 수준은 10kW급 건물용 발전 시스템과 1kW급 가정용 시스템이 기술 개발 완성단계에 있으며 2020년경에는 국산 제품의 국내 시장 진입이 가능할 것으로 전망된다. 그러나 선진국 대비 국내 고체산화물 연료전지 기술 개발은 여전히 미진한 상태이며 시스템 기술과 핵심 소재 부품 기술에 있어 특히 격차를 나타내고 있다. 다만, 선진국에서도 차세대 연료전지인 고체산화물 연료전지의 기술 개발이 상대적으로 늦어 다른 에너지기술에 비해 기술 격차가 좁은 것은 다행스럽다. 따라서 우리의 기술 개발 역량과 국가적인 지원이 충분히 이루어진다면 빠른 시일 내 선진 기술을 추월 가능할 것으로 전망된다. 우리나라의 고체산화물 연료전지 산업화를 위해 개발해야 할 중요한 기술은 스택과 시스템 기술로 스택을 구성하는 저가 고내구성 소재 기술의 개발이 핵심이다. 시스템의 경우 부품의 공용화 및 저가화 기술 개발이 중요한 이슈로 대두되고 있다.

한편으로는 중국의 고체산화물 연료전지 기술 개발 속도도 주목해야 할 상황이다. 중국은 국가적인 대규모 프로그램을 꾸준히 운영하여 고체산화물 연료전지 기술을 국가 전략 산업으로 집중적으로 육성하여 왔다. 이러한 성과로 수 kW급의 스택과 셀, 소재 들을 상용화에 성공해 판매하고 있다. 또한, 최근 중국은 미국 등 세계적인 전문가를 영입하여 국가 기술개발에 활용하고 있으며 이들은 중국의 고체산화물 연료전지 산업 정책 수립 및 발전 방향 설정에 적극적으로 이바지하고 있다.

■ 정책 제언

연료전지 시장은 현재 태동 단계로 국가의 정책적 지원으로 선제적인 수요 창출이 요구되고 있다. 이에 각 국가마다 연료전지 수요를 확대하기 위한 법, 제도적 지원책을 마련하고 있으며 기업들과 상호 협력하여 연구개발 또한 지속적으로 추진하고 있다. 국내의 경우 발전차액지원제도에서 신재생에너지 의무할당제로의 전환, 그린홈 100만 호 보급 사업 등 정부 주도하에 수요 확대를 위한 여러 지원책 추진되고 있다. 신재생에너지는 Grid Parity(화석연료 수준의 발전단가 수준에 도달)가 달성되기 전까지 화석연료 대비 높은 비용이 상용화의 장애요소로 작용하고 있다. 연료전지 기술 자체의 관점에서도 높은 가격으로 인해 상용화가 지연되고 있어 혁신적인 소재 및 공정개발 등을 통한 비용절감이 요구되고 있다.

향후 전개될 에너지 기술의 중심적인 산업이 확실시되는 차세대 연료전지인 고체산화물 연료전지 기술의 산업화를 위해서는 기업과 정부가 상호 협력해 지혜를 모으는 전략이 절실해 보인다. 또한, 소재, 부품 산업 등 후방 산업 효과가 뛰어나고 고용창출 효과가 매우 높은 고체산화물 연료전지 기술의 산업화는 국가의 경제 활성화에도 크게 기여할 것으로 보인다. 국내 가정용 연료전지는 지난해 말 기준 약 1,500대 보급에 그치고 있지만 반면 일본은 대략 100배 많은 보급 수치를 보인다. 업계 관계자들에 따르면 국내시장에서 1만 대를 보급할 기회만 갖게 된다면 시스템 가격은 현재의 절반 수준으로 떨어질 것이며 이에 따른 가격 경쟁력도 크게 강화될 수 있을 것이라 한다. 현재는 가정용의 PEMFC 위주 사업이 주류를 이루고 있지만, 향후 건물용, 발전용 등 대용량에서 발전원가에 우위를 점할 수 있는 SOFC 위주의 사업이 더 경쟁력을 가질 것으로 보인다. 따라서 이에 대한 대비가 필요하다고 판단되며 이를 위한 꾸준한 정책적 뒷받침이 필요한 시점이다.

▲ <그림 3-3-1-15>SOFC 산업화 포럼 참여 기업들.

▲ <표 3-3-1-6>전 세계 연료전지 시장규모 및 전망.

▲ <표 3-3-1-7>전 세계 응용분야별 연료전지 시장 전망(단위 : 억엔, 자료 : 후지 경제).

▲ <그림 3-3-1-16>고체산화물 연료전지 상용화를 진행 중인 회사들((a)미국 Bloom Energy, (b)일본 AISIN, (c)한국 MiCo, (d)호주 CFCL).

▲ <표 3-3-1-8>고체산화물 연료전지 스택 제조 기술-국내 선도기업.

▲ <표 3-3-1-9>고체산화물 연료전지 스택 제조 기술-해외 선도기업.