| @정부, 2차전지·의료기기 등 ′수출효자′로 키운다--내달 ′수출활성화 대책′…車전장부품·농기계·환경제품도 지원 2015-05-29 06:00
--[편집자] 이 기사는 5월28일 오후 3시55분 뉴스핌의 프리미엄 뉴스 안다(ANDA)에서 표출한 기사입니다.
[세종=뉴스핌 최영수 기자] # ′제2의 솔리드스테이트드라이브(SSD)를 찾아라.′
수출 주무부처인 산업통상자원부에 특명이 떨어졌다.
SSD는 하드디스크(HDD)와 같은 컴퓨터의 보조기억장치로 반도체를 이용해 HDD보다 속도가 빠르고 소형화·경량화가 가능하다. 플래시메모리 기반의 SSD를 장착한 PC는 하드디스크를 장착한 동급 사양의 PC에 비해 최소 2배 이상 빠른 속도를 자랑한다.
산업부 공무원들에게 SSD가 특별한 이유는 ′돌아온 수출 효자′ 품목이기 때문이다. 실제로 올 들어 전년동기대비 50% 내외의 증가율을 보이고 있다. 이에 힘입어 지난해 0.6% 감소했던 컴퓨터(부품 포함) 수출도 올해 가파른 증가세로 돌아섰다(그래프 참조).
컴퓨터는 한때 연간 170억달러 이상을 기록하는 우리나라의 대표적인 수출 품목이었다. 하지만 노트북·태블릿PC·모니터 등이 저가 중국산 등에 밀려 수출규모가 70억달러대로 급감했다.
그러다 지난해부터 되살아났다. 삼성전자 SK하이닉스 등 국내 기업들은 기술력을 바탕으로 시장을 점유, 수출 증가세를 이끌고 있다. 컴퓨터와 반도체의 올해 수출액은 700억달러를 훌쩍 넘어설 것으로 예상된다.
◆ 수출효자 ′제2의 SSD′ 발굴에 총력
--이미 컴퓨터 수출은 2015년 3월부터 급속히 증가 추세(자료:산업통상자원부)---
정부가 2차전지와 의료기기, 자동차 전장부품 등을 ′제2의 SSD′ 수출 효자품목으로 적극 육성할 방침이다.
또 공기청정기와 같은 환경제품과 농기계 등도 중국시장을 겨냥한 수출증대 전략품목으로 선정해 적극 지원할 계획이다.
28일 산업통상자원부와 관련업계에 따르면, 정부는 이 같은 내용이 담긴 ′수출 활성화 대책′을 내달 발표할 계획이다. 이번 대책은 지난 4월 발표한 ′단기수출 활성화 대책′에 이은 중장기 수출 대책으로서 ▲수출효자 육성 방안 ▲주요 업종별 경쟁력 제고 방안 ▲무역금융 및 마케팅 지원 방안 등이 담길 예정이다.
특히 이번 대책에는 2~3년 내에 SSD처럼 ′수출효자′로 성장할 수 있는 주요 품목을 적극 발굴해 집중 지원하겠다는 계획이다.
정부는 ′제2의 SSD′를 찾기 위해 전 산업에 걸쳐 다각적인 발굴 작업을 벌이고 있다. 아직 구체적인 품목이 확정되지는 않았지만 대체적인 윤곽이 나온 상태다.
산업부 고위관계자는 "향후 2~3년 내에 SSD와 같이 수출효자로 성장할 수 있는 품목을 발굴하기 위해 노력하고 있다"면서 "우리기업이 해외시장에서 경쟁력을 발휘할 수 있는 요인(품목)을 찾아서 적극 지원하겠다는 취지"라고 설명했다.
◆ 중국·인도 수출시장 정조준
현재 정부가 집중 지원 대상으로 유력하게 검토하고 있는 품목은 ▲2차전지 ▲의료기기 ▲자동차 전장부품 ▲농기계 ▲환경상품(공기청정기 등) 등이 포함된 것으로 확인됐다.
산업부는 소관 실국별로 수년 내 수출 잠재력을 검토해 전략품목으로 키우겠다는 계산이다. 특히 중국과 인도 등 잠재력이 큰 시장에서의 성장 가능성을 면밀하게 검토하고 있다.
다만 장기적으로 성장 가능성은 있지만 중단기적으로 시장 수요가 따라주기 어려운 품목은 이번 대책에서 제외된다. 그만큼 중단기적인 수출 증대가 시급하기 때문이다.
선정된 전략품목에 대해서는 향후 정부가 단기대책보다 높은 수준의 무역금융 및 수출 마케팅을 적극 지원할 예정이다.
산업부 관계자는 "인도가 최근 제조업을 적극 육성하고 있는데, 이처럼 새로운 기회를 우리기업이도 잘 활용하도록 돕기 위한 것"이라며 "시장 수요와 글로벌 공급체인이 바뀌고 있는 상황을 반영해서 선정할 계획"이라고 밝혔다.
@@리튬2차전지 특허, 삼성SDI 2,416건으로 세계1위, LG화학 1,936건 2위 Interbattery / 에너지 관련 소식 2015/05/15 10:48 복사 http://blog.naver.com/interbattery/220360120316
리튬이차전지 특허, 삼성SDI가 2,416건으로 세계1위,이어 LG화학 1,936건 2위 랭크
전기자동차와 대용량 저장장치(ESS)시장의 급격한 확대로 리튬이차전지 시장이 크게 확대되는 상황에서 수혜가 예상되는 전세계 4대 리딩리튬이차전지 제조사들의 특허보유현황을 조사한 결과삼성SDI가 2,416건으로 1위에 랭크 되었다.
,LG화학이 1,936건으로 2위,일본의 PANASONIC이 1,467건으로 3위,뒤이어 SONY가 890건으로 4위로 집계되었다.
SNE리서치는 1995년부터 2015년4월까지 특허분석 모집단의 15,130건의 특허를 검색하였고 이 중 6,709건을 리튬이차전지에 관한 유효특허로 추출하여 특허를 분석한 결과다.이번 분석은 미국특허 과 국제 특허(PCT)에, 회사는 4대 리딩제조사로 한정하였다.
특히 전기자동차와 ESS등 중,대형 배터리시장을목표로 한 배터리 PACK과 BMS(battery management system)분야의 특허 출원의 최근 활발한 것으로 나타났다.
배터리 4대 부재의 경우는 음극재, 양극재, 전해액, 분리막의 순서로 특허수가 많은 것으로 집계되었고, 특히 전해액의 경우 LG화학이 유의한 수준으로 특허가 수가 많은 것으로 나타났다.제조사별, 연도별 특허출원을 살펴보면,한국 배터리 제조사는 2010년 이후 일본을 제치고,특허 출원의 주도권을 가져간 것으로 분석되었다
또한,제조사별 주요 발명자 동향을 살펴보면 TOP20위 발명자에서 LG 화학은 무려 13명이 랭크되어 압도적인 차이로 특허를 다수 출원한 우수한 발명자를 가장 많이 보유한 것으로 나타났다.
SNE리서치의 김병주이사는 리튬이차전지 특허동향을 분석한 결과, 한국의 삼성SDI와 LG화학이 향후 성장이 기대되는 대형전지의 시장의 주도권을 가져갈 것으로 예상하였다. 또한 향후에는 배터리 팩과 BMS등의 분야에서 특허 경쟁이 치열해질 것으로 예상되는데 이는 전기자동차와 ESS시장의성장에 대한 기대를 반영한 결과로 평가하였다. http://www.greened.kr/news/articleView.htmlidxno=16780
대한민국 산업의 미래, 2차전지에 달려있다 http://blog.naver.com/mashnufi/220304195912
2015년 전 세계 리튬 2차 전지 시장 205억 달러로 전년대비 13 % 성장 예상 자동화 시장 전망 http://blog.naver.com/ia5433/220322203662
인류의 삶을 충전하다(2차전지소재)삼성정밀화학 Profile 2015/04/10 11:37 http://www.finesfc.com/294
혁신적인 플렉시블 알루미늄이온 2차전지 배터리/무선송전 / 혁신기술 2015/04/08 12:50 http://blog.naver.com/esjpark/220324242899
>>2014.09.06<머니투데이>연료전지, 차세대 에너지 대안 될까 -포스코에너지 상암동<연료전지발전소>설치
한국의 연료전지 시장이 뜨겁다. 두산이 미래 성장 동력으로 삼으면서 시장을 선점하고 있던 포스코에너지의 발걸음도 분주해졌다. LG도 LG퓨어셀시스템즈코리아를 통해 연료전지 사업에 속도를 낼 전망이다. 지난해 연료전지 세계 시장 규모는 1조 7000억원으로 아직은 크지 않다. 그러나 2018년 5조원, 2023년 40조원에 이를 것이란 전망이 나올 만큼 가파른 성장이 예고되고 있다. 신재생 의무할당제(RPS) 시행과 정부가 추진하고 있는 분산전원 정책에 적합한 발전 설비라는 점, 국내 기업들의 기술 수준이 향상된 것도 연료전지 시장의 기대감을 높이고 있다.
&&&물의 전기분해 원리 역이용한 발전기
연료전지(Fuel Cell)는 일종의 발전기라 할 수 있다. 그러나 연료를 태운 열로 증기를 만들고 그 힘으로 터빈을 돌리는 발전 방식과는 전혀 다르다. 물의 전기분해 원리를 역이용하는 것이라고 생각하면 쉽다. 물에 두 개의 전극을 담그고 전기를 통하게 하면 수소와 산소로 분해돼 양쪽 전극에 모인다. 반대로 연료전지에서는 천연가스 등 수소를 포함한 연료를 가공해 만든 수소가스를 한쪽 전극에 넣고 다른 전극에 산소가 주성분인 공기를 불어넣으면 물과 함께 전기가 생긴다. 천연가스나 석탄 등 화석연료를 쓰지만 연료를 태우지 않아 공해를 일으키지 않는다.
터빈이 없으니 소음도 적다. 전기화학 반응을 거쳐 직접 발전하기 때문에 에너지 효율이 뛰어나다. 화력발전의 효율이 35~40%이고 신재생에너지 분야에서 경쟁하고 있는 태양광 및 풍력의 효율이 25~30%인데 비해 연료전지는 50~60%에 이른다. 반응 과정에서 나오는 배출 열을 이용하면 에너지효율을 전체 연료의 70% 이상까지 끌어올릴 수 있다.
연료전지의 상용화 노력은 1960년대부터 시작됐다. 알칼리를 전해질로 쓴 AFC(Alkaline Fuel Cell)로 우주선 등 군사 목적으로 쓰기 위해 개발됐다. 1970년대 들어와 민간 차원에서 처음으로 인산형 연료전지(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell)가 개발돼 병원, 호텔, 건물 등의 분산형 전원으로 이용됐다. 기술 축적이 많이 이뤄진 상황이며, 미국과 일본에서 실용화 단계에 있다.
1980년대 개발된 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)는 2세대 연료전지로 불린다. ㎿급 대형 발전소, 아파트 단지, 대형 건물의 분산형 전원으로 이용된다. 그러나 섭씨 650도까지 올라가는 작동 온도 때문에 장시간 사용 시 반고체 전해질인 탄산염이 휘발돼 수명이 저하되는 문제가 있다. 미국과 일본에서는 기술 개발을 완료하고 250㎾를 상용화했으며, 2㎿급의 성능 평가를 진행하고 있다. 국내에서는 포스코에너지가 미국 FCE(Fuel Cell Energy)에서 관련 기술을 도입한 후 단계별로 국산화하고 있다.
MCFC의 수명 문제를 해결하기 위해 개발된 것이 3세대 고체산화물형 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)다. 고체 전해질인 세라믹을 사용해 800도까지 견디지만 균열 등 파손의 위험을 줄이는 연구가 필요하다. 선진국에서는 가정용, 자동차용으로도 연구하고 있다. 미국의 블룸 에너지(Bloom Energy)가 상용화에 가장 앞서 있다. 국내에서는 미코와 경동나비엔이 1㎾급 연료전지 시스템을 함께 개발하고 있다.
1990년대에 개발된 4세대 고분자전해질막형 연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 가장 활발히 연구되는 분야인 만큼 기술 완성도가 높다. 상용화 및 실용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있다. 교육용과 가전제품에 사용되는 W급 제품부터 발전소에서 사용되는 ㎿급 제품까지 종류가 다양하며, 자동차에도 사용된다.
국내에서는 현대차, 퓨얼셀파워 등 업체에서 생산하고 있다. 해외에서는 밸러드 파워(Ballard Power) 등이 대표 기업이다. PEMFC는 백금전극의 사용량을 줄여 원가를 낮추는 것이 관건이다. 최근 국내 연구진이 연료전지에 들어가는 촉매를 고효율 나노 구조로 만들어서 백금 사용량을 40% 가까이 줄이는 데 성공했다. 1990년대 말 개발된 직접메탄올연료전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell)는 휴대전화, 노트북, 트레일러 등 이동용 전원으로 쓰이고 있다. PEMFC와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야다.
현대자동차는 울산공장 내 수소연류전지차 전용 생산라인을 구축하고 '투싼iX35'를 양산할 계획이다.
@&&&세계 연료전지 시장 전년 대비 46% 성장
2012년 세계 연료전지 출하량은 4만 5700개를 기록하며 전년 대비 2배 이상 성장했다. 2013년 출하량은 6만 7000개로 전년 대비 46% 성장했다. 2012년의 급성장은 이동전원용(Portable)과 고정형(Stationary)의 시장 확대에 있다. 이동전원용 연료전지는 가전제품 탑재 증가에 따른 것이고, 고정형은 가정용·건물용·대형발전소 등 다양한 응용 분야를 통해 시장이 확대되고 있다.
국내 연료전지 시장의 기대감도 높아지고 있다. 높은 인구 밀도, 좁은 국토 면적, 님비 현상 등 우리나라 여건에 적합한 에너지원을 찾기란 어렵다. 연료전지는 송전탑이 필요 없는 발전시설로 대도시에도 설치할 수 있고, 소음도 적어 현실에 적합한 대안이 되고 있다.
지난해 국내 연료전지 설치 용량은 109㎿로 2012년 3㎿에 비하면 크게 성장했다. 경기도 화성 발안산업단지에 세계 최대 규모인 60㎿ 규모 연료전지 발전소가 들어서면서 설치량이 급증했다. 연간 464GWh의 전력과 1950억 ㎉의 열이 생산되는데 이는 화성시 가정용 전력소모량의 약 70%로, 9만 가구에 해당하는 전력을 공급할 수 있는 양이다.
최근에는 경기도 평택시가 세계 최대 규모 360㎿급 연료전지발전소 건설을 발표했다. 1단계로 2016년까지 100㎿급 발전소 건설, 2018년 완공이 목표다. 총 투자비만 2조원이다. 우리나라에 보급되는 연료전지 대부분이 액화천연가스(LNG)에서 수소를 얻는데 평택은 LNG 인수기지가 인접해 있어 연료 수급에 유리하다. 서울시도 장기 계획으로 총 330㎿ 규모 연료전지 발전소를 신설할 계획이다.
연료전지 분야의 성장이 기대되면서 기업들의 상용화 기술에 관심이 모아지고 있다. 연료전지 발전사업을 영위하는 포스코에너지는 미국 퓨얼셀에너지로부터 MCFC 기반 수소연료전지 완제품을 수입·판매하면서 사업을 시작했다. 2009년 이후 연료전지 시스템 국산화를 꾸준히 진행해 2011년 BOP((Balance Of Plant, 연료전지에 연료를 공급하고 생산된 전력을 변환하는 장치=에너지-전력변환장치) 국산화, 2012년 스택(Stack, 수소와 산소를 결합시켜 에너지를 생성하는 장치=수소에너지생성장치) 국산화를 거쳐 올해 셀(Cell) 국산화에 나섰다. 지난해 말 연산 100㎿ 규모 셀 공장 건설에 들어갔으며, 올해 완공이 목표다. 셀 생산이 본격화되면 포스코에너지는 국내 최초로 연료전지 전 공정 국산화를 달성하게 된다.
자동차 부문에서는 현대자동차의 수소연료전지차가 앞서 있다. 올해 2월 울산공장 내 수소연료전지차 전용 생산 라인을 구축하고 ‘투싼ix35’ 양산 준비를 끝냈다. 이미 해외 시범 보급 사업에 참여했고, 덴마크·스웨덴 등 유럽 국가에서 판매도 시작했다. 2015년 미국 캘리포니아주 남부 지역을 대상으로 리스 판매를 시작한다는 계획도 수립했다.
수소연료전지차 보급을 위해서는 수소스테이션이 빠질 수없다. 지난 10월 대구에 국내 최대 규모의 수소스테이션이 들어섰다. 올해 에너지기술개발 중장기 과제로 ‘300N㎥/h급 천연가스 개질 수소스테이션 개발’(제이엔케이히터 주관)이 선정됨에 따라 2016년엔 세계 최대 규모의 수소스테이션이 세종시에 들어설 예정이다. 스테이션이 준공되면 하루 150대의 연료전지 차량을 충전시킬 수 있다.
주택용 분야에서는 경동나비엔이 연료전지 제품 개발을 추진하고 있다. 2011년 7월 정부의 신재생에너지 융합원천 기술개발 사업인 ‘그린홈 연계형 건물용 SOFC 시스템 개발 및 실증’ 연구 과제를 총괄 주관하는 기업으로 선정됐다. 경동네트웍, 미코, H&Power, K-세라셀, LTC 등 기업이 부품 개발 등 세부 과제에 참여하고 있다. 총 사업비는 147억원이며, 5년간 진행된다.
건물용 SOFC 시스템은 가정용 보일러 대신 발전효율이 높은 고온형 SOFC와 열효율이 높은 콘덴싱 보일러를 통합, 가정 내 전기·온수·난방 에너지를 동시에 공급할 수 있다. 발전효율 40%, 열 생산 효율까지 합하면 80% 이상 효율을 낼 수 있다. 기존의 연료전지 시스템보다 작고 가정용 보일러와 설치 방법, 장소가 유사해 손쉽게 대체할 수 있어 기존의 보일러 사업과 시너지 창출이 가능하다. 도시가스 기업 삼천리는 핵심 연료인 LNG공급사로 발안산업단지 연료전지 사업에 참여하고 있다.
경제성 확보가 관건>>
연료전지는 수십 년 전부터 미래의 에너지 기술이라는 이야기를 들으며 자동차, 가정, 발전소 등 다양한 분야에서 많은 연구개발비가 투입됐다. 그러나 전기를 만들어 내는 비용은 아직도 비싸다. 연료전지 발전 설치비는 ㎾당 2010년 1000만원 수준에서 최근 400만원까지 하락했지만 여전히 부담스럽다. 연료전지 시스템의 핵심 부품인 ‘스택’의 가격도 관건이다. 원가 비중의 40%를 차지하는 스택은 10년 사용 시 한 번 교체가 필요하기 때문에 원가가 2배 반영된다.
최근 스택 가격은 연간 평균 20% 이상 하락하고 있지만 원가 절감을 위해서는 전극 재료의 저가 소재 개발이 시급하다. 연료인 LNG 가격도 민감한 부분이다. 가격경쟁력이 있는 셰일가스가 국내에 도입되면 LNG 요금에도 변화가 있을 것이란 분석이다. 국내에는 2017년 북미 셰일가스 도입을 계획하고 있다. 연료전지가 상용화되기 위해서는 앞으로도 더 많은 시간과 노력이 필요하다. 분명한 건 시장이 성장하는 만큼 기술 개발 속도도 빠르다는 사실이다.
>>2012.09.13<월간에너지>[분산형 발전의 리더, 연료전지] 원천 기술 확보를 통한 초기 시장 선점, 이젠 추격자에서 선도자로 자리해야
화석연료 고갈과 지구 온난화 문제로 세계 각국은 원전과 대체에너지에서 해결책을 찾으려 하지만, 원전은 위험성으로 사회적 저항이 심하고 태양광과 풍력 등 재생에너지는 효율이 떨어지는 데다 계통 병입도 만만치 않다. 최선책은 친환경적이고 경제적이며 실현 가능성이 높은 연료전지이다.
연료전지는 연료가 가진 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치로, 효율이 우수하고 소음과 진동이 적으며 친환경적이다. 기존 화석연료 발전에 비해 온실가스 주범인 CO2는 약 40%, 에너지 사용량은 약 26% 줄이는 신에너지 기술이다.
전문가들은 "연료전지를 통한 새로운 에너지원 개발은 현재 화석연료 의존도가 높은 우리나라 에너지공급 구조에서 무한한 에너지원인 수소를 활용할 수 있는 전환점으로 작용하고, 완전한 공기업 분할과 민영화와 관련해 전력의 가격과 안정적인 공급 문제를 해결하는 일종의 안전장치 기능을 수행하며, 날로 급증하는 전력 수요에 대한 부담을 완화할 것이다"고 전망한다.
연료전지는 연료의 화학에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발전 장치로 연료전지 스택Stack, 주변 보조 기기(BOP : Balance of Plant), 연료 변환 장치와 제어기술을 통합하는 융 · 복합 기술이다.
1839년에 영국의 물리학자 윌리엄 로버트 그로브가 연료전지를 개발했으나, 당시 상용화에 성공한 증기 기관 등에 가려 실용화를 위한 연구 개발로 이어지지 못했다. 1959년 프란시스 베이컨박사가 알칼리 전해질 연료전지를 발명했으며, 1965년 미국 나사 유인 우주선 제미니 5호에 연료전지를 탑재했다. 우주선에 먼저 적용한 까닭은 로켓 연료가 수소와 산소고, 반응물인 물을 승무원의 식수로 사용하며, 장기간 고출력을 내기 때문이다. 연료전지 발전을 촉발한 것은 1990년 미국 다우케미컬에서 현대 연료전지의 시초인 고체 고분자형 연료전지 기술을 개발하면서다. 1997년 교토의정서 발효로 온실가스 절감 방안의 하나로 연료전지 기술 개발이 늘어났다. 2000년 대 들어 수송용, 휴대용, 가정용 등 다양한 분야에 연료전지를 응용하면서 기술 개발에 탄력을 받았다.
연료전지는 에너지를 저장하는 이차전지와 달리 수소와 산소의 화학적 반응을 통해 발생하는 에너지를 전기로 변환하는 에너지 변환 장치다.
다음은 임태훈 한국과학기술연구원 에너지본부장이《신재생에너지 백서-수소 · 연료전지》에서 밝힌 연료전지 원리다.
"물을 전기 분해하면 수소와 산소가 발생한다. 연료전지는 이와 반대로 수소와 산소로부터 전기를 생산하는 전기 화학적 발전 장치다. 연료전지에서는 전기와 동시에 열이 발생한다. 연료전지의 기본 구성은 연료극, 전해질층, 공기극 접합의 셀Cell이며, 다수의 셀을 적층해 스택을 구성함으로써 원하는 전압과 전류를 얻는다. 일반적으로 연료전지 기본셀에서 전기를 발생시키기 위해 연료인 수소 가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 산화하며, 공기극에선 공급한 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합해 물을 생성하는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성해 전기를 발생시킨다."
연료전지 시스템은 ▲개질기(Reformer) - 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환하는 장치 ▲단위 전지(Unit Cell) - 기본적으로 전해질을 함유한 전해질 판, 연료극, 공기극. ※ 전해질이란 극성 용매에서 이온화해 전기를 전도하는 물질로 양이온은 음극, 음이온은 양극으로 이동하며 전류를 흘림. ▲분리판(Separator) - 단위 전지의 분리막으로 단위 전지에서 전류를 인출할 때 통상 0.6∼0.8V 저전압 생성 ▲스택 - 원하는 출력을 얻고자 단위 전지를 수십에서 수백 장 쌓아올린 본체 ▲전력 변환기(Invertor) - 전지에서 나오는 직류를 교류로 변화하는 장치 등으로 이뤄진다.
##양극-본체(전해질판)-음극으로 구성된 단위전지(이갓을 수십-수백층 쌓아올려 적층시킨 것이 연료전지)의 양극에 수소<천연가스,나프타,에탄올 등의 연료로부터 개질기 처리를 거쳐 얻은 수소>를 저장합금에 결합된 형태로 저장, 한편 연료전지의 음극에 공기를 넣어주면 물과 열이 발생하면서 동시에 용액내에 전해질이온의 이동이 발생하는데 이 이동되는 전해질을 <분리막>을 거치도록 해서 채집한 저전압의 직류전기(0.6-0.8V)를 전력변환기<인버터 : 나증에 BOP 개념으로 확장됨>를 거쳐서 교류로 바꾸는 것이 <연료전지시스템>##.
이처럼 연료전지는 연료로부터 전기에너지를 얻는 과정에서 연소 과정을 거치지 않는다. 임태훈 본부장은 발전 원리상 연료전지는 발전 효율이 높고 친환경적이며, 설치 장소 제약이 적고 발전 규모 조절이 용이하다고 설명한다.
^^발전 효율 | 연료를 연소해 열에너지를 발생시키고, 이를 기계적 에너지로 전환한 후 다시 전기에너지로 변환하는 가스 터빈이나 엔진에 비해 연료전지는 열역학적으로 전기 효율이 50% 이상 높다(기존 발전 35% 수준). 또한, 배열을 회수해 열병합발전이나 온수, 냉난방용으로 이용할 수 있다. 연료전지의 전기 발전 효율은 운전 장치 사용 전력, 열 손실 등을 감안하더라도 30~60%며, 열병합발전까지 고려하면 전체 시스템 효율은 80% 이상이다. 그뿐만 아니라 디젤 엔진, 가솔린 엔진, 가스 터빈 등은 출력 규모가 클수록 발전 효율이 높지만, 연료전지는 출력 크기에 상관없이 높은 효율을 일정하게 낸다. ▲기존 화력발전 방식 : 화학에너지(버너) ⇒ 열에너지(보일러) ⇒ 기계에너지(터빈) ⇒ 전기에너지(발전기) ▲연료전지 발전 방식 : 화학에너지 ⇒ 전기에너지.
^^친환경성 | 발전 과정에서 화력 발전이나 디젤 발전기와 같은 연소 과정이 없으며, 전기와 물, 열만 발생할 뿐이다. 현재 천연가스, 석탄 등의 화석연료로 부터 수소를 얻지만, 향후 풍력, 태양광, 태양열 등 대체에너지를 이용한 물의 전기 분해로 수소를 얻으면 연료전지는 이산화탄소와 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등의 배출이 전혀 없는 무공해 발전시스템으로 자리할 것이다.
^^용이성 | 연료전지는 발전 규모를 조절하기 쉬우며, 설치 장소에 제약을 덜 받는다. 일반적으로 연료전지는 규모에 따른 에너지 전환 효율의 변화가 크지 않기에 소형급에서도 높은 에너지 전환 효율을 기대할 수 있다. 이 때문에 연료전지는 수W급에서 수십㎿급까지 다양한 용도로 사용할 수 있다. 또한, 연료전지는 소음과 진동이 작기에 도심지 어디에나 설치할 수 있다.
&&연료전지 종류와 응용
연료전지는 연료에 따라 수소, 메탄, 천연가스 등을 사용하는 기체 연료전지와 메탄올 및 히드라진Hydrazine(질소와 수소 화합물)을 사용하는 액체연료전지로 구분한다. 전해질에 따라 인산염 연료전지(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염 연료전지(MCFC : Moltan Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC : Solid OxideFuel Cell), 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell), 알칼리 연료전지(AFC : Alkaline Fuel Cell)로 구분한다.
^^인산염 연료전지 | 여타 연료전지에 비해 저효율이며, 촉매로 고가인 백금을 사용하기에 보급이 활발하지않다.
^^용융 탄산염 연료전지 | 고온에서 작동하고, 발전 효율은 45% 이상이며, 폐열을 사용한 열병합발전이 용이해 대형 발전용으로 적합하다.
^^고체 산화물 연료전지 | 세라믹을 전해질로 사용하고, 500∼1000℃ 고온에서 작동하며, 효율이 높아 열병합발전이 용이하다.
^^고분자 전해질막 연료전지 | 효율이 높지만, 낮은 온도에서 작동해 폐열을 활용하기 어렵고 고온에서 사용하는 개질기와 연계도 어렵다.
^^직접 메탄올 연료전지 | 연료로 수소 대신 메탄올을 사용하고, 연료 공급 체계가 단순해 소형화할 수 있으며, 연료 보충이 쉬워 휴대용으로 적합하다.
^^알칼리 연료전지 | 저온에서 작동하고 효율이 높아 우주선용으로 적용했으나, 제조 단가가 높다.
또한, 작동 온도에 따라 300℃ 이하인 저온형 연료전지와 그 이상인 고온형 연료전지로 구분한다. 고온형 연료전지는 650℃ 이상에서 작동하는 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지다. 전극 촉매로 니켈을 비롯한 일반 금속을 사용하며 발전 효율과 출력이 높지만, 시동 시간이 오래 걸려 발전소나 대형 건물 등에 적합하다. 저온형 연료전지는 200℃ 이하에서 작동하는 인산염 연료전지, 고분자 전해질막 연료전지, 직접 메탄올 연료전지다. 전극촉매로 고가의 백금을 사용하며, 시동 시간이 짧고 부하 변동성이 뛰어나다. 우리나라에서 주로 개발 · 보급하는 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지, 용융 탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지 등이다.
연료전지는 적용 대상에 따라 수백㎾∼수십㎿급의 발전용, 수십㎾∼수십㎿급의 수송용, 1∼10㎾급의 건물용, 수W∼수㎾급의 이동 전원용 등으로 구분한다.
&&연료전지, 초기 시장 선점 경쟁
유동헌 에너지경제연구원 연구위원은《World Energy Market Insight》, <연료전지 시장 분석과 시사점>에서 고정형 연료전지 시장은 현재 주거용과 상업용 열병합발전을 중심으로 이뤄졌으나, 향후 산업용, 군사용 및 농업 응용 분야와 같은 다양한 제품이 산업 성장을 주도할 것으로 전망한다.
"고정형 연료전지는 전 세계적으로 2011년에 2010년 대비 66% 성장한 54.6㎿ 보급됐으며, 유닛 기준으로 2011년에 2010년 대비 2600대가 늘어난 1만 대로 추정한다. 고정형 연료전지는 무정전 전원 장치(UPS), 열병합발전(CHP), 보조 전원 장치(APU) 등 다양하게 운용하며, 2015년에 무정전 전원 장치, 열병합발전 등의 수요 증가로 보급 대수가 약 26만 대에 이를 것으로 보인다."
임태훈 본부장은 일반 화력발전은 건설 단가와 발전 효율 측면에서 중앙 집중식이 유리하지만, 연료전지는 분산형 발전에 더 적합하다고 한다.
"분산형 발전은 발전소 건설에 따른 님비NIMBY현상을 피할 수 있고, 원거리 송전에 따른 송전 손실을 5∼8% 줄이며, 복잡한 현대 사회에서 수요 특성에 맞춘 발전 방식을 제공할 수 있다. 분산형 발전용으로 1980년대 이후 인산염 연료전지, 용융 탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지 시스템을 중점적으로 개발해 왔으나, 본격적으로 시장을 형성하려면 무엇보다 가격은 낮추고 내구성은 높여야 한다. 우리나라는 2008년 포항에 용융 탄산염 연료전지 조립 공장이 들어섰고, 정부에서 발전 차액 제도를 시행함에 따라 용융 탄산염 연료전지를 중심으로 300㎾에서 5.6㎿에 이르는 분산 발전 시스템이 빠른 속도로 퍼져, 2010년 기준으로 약 35㎿ 시스템을 운영 중이다."
연료전지는 현존하는 발전 기술 중 효율이 높고 친환경적이며 저렴하게 전기를 생산하는 기술로, 전 세계적으로 국가 차원에서 육성하는 중이다. 발전 설비 제조 기업인 GE, 지멘스 등도 연료전지를 기존 발전 설비를 대체할 수 있는 차세대 에너지 설비로 인식하고 기술 개발에 한창이다.
연료전지 주요 시장인 일본, 독일, 미국 그리고 유럽은 현재 초기 단계인 시장을 선점하고자 다양한 노력을 기울인다.
▲일본 - 에네팜Ene Farm 브랜드를 통해 가정용 고분자 전해질막 연료전지를 상업화하고, 내수는 물론 수출을 목표로 고체 산화물 연료전지 실증 작업을 진행 중이다.
▲독일 - Callux 프로젝트를 통해 가정용 고분자 전해질막 연료전지를 상업화해 2012년 800대를 보급할 계획이다.
▲EU - 저탄소 에너지 기술 로드맵을 보면, 건물용 보일러를 대체할 연료전지 시스템을 연구 · 개발해 2015년 연간 20만 대 보급할 계획이다.
▲미국 - 주로 고분자 전해질막 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 기술을 이용한 보조 전원용, 지게차용, 휴대형 전원용초기 시장을 형성했으며, 가정과 상업용 연료전지는 향후 5년 내 개발할 계획이다.
▲영국 - 2016년 까지 14개 타운에 연료전지를 활용해 400만 동의 탄소 중립형 건물을 도입할 계획이다.
▲덴마크 - 연료전지 기반 소형 열병합발전소 실증 프로젝트를 통해 100대의 고분자 전해질막 연료전지, 고체 산화물 연료전지 시스템을 운용 중이다.
&&핵심 원천 기술 개발 시급해
연료전지 시스템은 촉매, 전극, 전해질, 밀봉재, 분리판 등의 소재로부터 최종 발전 시스템까지 다단계 서플라이 체인Supply Chain으로 이뤄진 기술집약적 산업으로 고용 창출이 크다. 또한, 기술 집적도가 높기에 초기 투자비와 연구 개발에 많은 비용과 노력이 필요하다. 이에 반해 높은 기술 장벽이 존재하므로 초기 시장 진입 시 시장을 지배할 수 있다. 전 세계 연료전지 핵심 소재 시장의 대부분은 미국, 일본, 독일 등 몇몇 선진 업체가 독점하는 상황이다. 우리나라는 지금까지 연료전지 시스템 위주로 기술 개발을 진행했기에 핵심 소재에 대한 수입 의존도가 매우 높은 실정이다.
세계적인 발전 시장 흐름은 미국, 일본 등을 중심으로 한 선진국에서 대규모 중앙 집중식 발전 방식에서 탈피해 소규모 분산 발전 형태로 옮겨가는 추세다. 분산 발전 방식엔 가스 터빈, 마이크로 터빈, 디젤 엔진, 연료전지, 태양광, 풍력 발전 등이 있다. 분산 발전 방식을 비교하면 연료전지는 터빈과 엔진류의 발전 방식에 비해 가격 측면에서 불리하지만, 효율성과 친환경성 측면에서 우수하다. 특히, 용융 탄산염 연료전지와 고체 산화물 연료전지는 전기뿐만 아니라 고온의 배열을 생산하기에 화력발전 플랜트와 융 · 복합할 수 있다.
^^연료전지 스택 부품 2025년 세계 시장은
일본 후지경제는 최근 2011년 4월부터 9월까지 고분자 전해질막 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 시장 동향을 조사해 발표했다. 세 가지 타입의 연료전지 시스템과 주요 스택 부품을 수요 5개 분야(자동차, 주택, 업무 · 산업, 마이크로 연료전지, 기타), 세계 4개 시장(일본, 아시아, 유럽, 북미) 11개국에서 조사 분석해 2025년 시장을 예측한 것이다. 그중 고분자 전해질막 연료전지, 고체 산화물 연료전지는 우리나라에서 주로 개발 · 보급하는 연료전지이기에 주목할 만하다.
전원電源을 다양화해 사회 인프라 구축에 대응하는 것은 매우 중요하며, 연료전지 도입으로 말미암은 리스크 분산은 종합적으로 사회 비용을 낮출 것이다. 연료 전지 스택 부품 시장에서 이미 일본의 몇몇 제조사가 해외 시장 개척에 적극적이다. 시장이 넓어지면, 그에 비례해 부품 가격 하락 압력도 강해지기에 제조사는 저가화에 관해 고민할 수밖에 없다. 그러한 이유로 2015년까지 공급력을 확보했지만, 그 이후 설비 투자를 결정한 제조사는 찾기 어렵다.
현재 다양한 용도로 고분자 전해질막 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 직접 메탄올 연료전지를 개발하는 중이다. 2025년 이 세 가지 타입이 연료전지 전체 시장의 85% 정도를 점하며, 연료전지 시장 확대에 중요한 역할을 할 것이다. 그중 매력적인 것이 연료전지 시장에 비례해 증가하는 추세를 보이며, 현재 세계적으로 시장을 형성한 고분자 전해질막 연료전지다. 향후 기술력을 바탕으로 산업 경쟁력을 높이려면 정책적 뒷받침이 필요하다. 고체 산화물 연료전지는 산업과 업무 분야에서 앞섰는데, 일본의 경우 주택 분야에서도 기대할 만하다. 직접 메탄올 연료전지는 차세대 모바일 전원용으로 시장이 급증할 것이다. 한편, 용융 탄산염 연료전지와 인산염 연료전지는 산업과 업무 분야에서 존재감은 크지만, 그밖에 용도로는 거의 사용하지 않는다.
일본은 고체 산화물 연료전지 시스템을 중심으로 시장을 개척하는 중이며, 특히 가정용 연료전지 시장이 급증하는 추세다. 현재 가정용에서 나아가 연료전지차를 개발하는 중이므로 고체 산화물 연료전지 시스템과 스택 시장은 향후 큰 비중을 차지할 것이다.
아시아에선 당분간 한국을 중심으로 시장을 형성하고, 중국 시장은 2020년 이후 서서히 늘어날 것이다. 한국은 일본과 유사하게 가정용 연료전지와 연료전지차의 기술 개발과 시장 확대를 목표로 고체 산화물 연료전지 개발에 주력한다. 한편, 업무용, 산업용 연료전지 시장에도 관심을 기울이기에 용융 탄산염 연료전지, 인산염 연료전지 시장도 2025년에 850억 엔으로 성장할 것으로 예측한다.
북미에선 업무용, 산업용 분야 연료전지 시스템을 도입한 가운데 2대 제조사가 용융 탄산염 연료전지와 인산염 연료전지 시장을 개척하는 중이다. 고체 산화물 연료전지도 다른 지역보다 먼저 출하했다. 고체 산화물 연료전지는 발전 효율과 저비용 면에서 잠재력이 높으며, 인산염 연료전지와 용융 탄산염 연료전지 시장에도 영향을 줄 것이다.
유럽에선 EU, 각국, 각주가 다양한 환경 시책을 검토하며, 각 시스템의 시책을 병행해 추진한다. 독일이 연료전지 시장을 이끌며, 현재 직접 메 탄올 연료전지 수요가 중심을 이루는 가운데 주택용 고체 산화물 연료전지 양산을 진행할 계획이다. 유럽의 고체 산화물 연료전지 시장은 다임슬러의 연료전지차 도입 등으로 2025년에 8,213억 엔 규모로 성장할 것이다.
^^우리나라는 2010년 12월 제5차 전력 수급 기본계획에서 2024년까지 연료전지 발전 설비를 660㎿ 도입하기로 했다. 또한, 서울시는 2009년 수립한 저탄소 · 녹색 성장 마스터플랜에서 2030년까지 서울시 신재생에너지의 47.6%(700㎿ 규모)를 수소 연료전지로 보급하고, 그중 600㎿를 도심형 및 분산 발전용 연료전지로 설치하기로 했다. 분산 발전용 용융 탄산염 연료전지는 2006년 남동발전이 미국 퓨얼셀에너지(FCE) 제품을 보급하기 시작해 2010년 기준으로 전국 16개소에서 약 40㎿가 안정적으로 가동 중이다.
^^우리나라 연료전지 소재 · 부품 개발은 선진 기술 추격형으로 이뤄져 왔다. 이를 통해 기반 기술을 확보했으나, 선진 기술을 추월할 수 있는 핵심 원천기술은 확보하지 못한 실정이다. 전문가들은 "연료전지가 시장 경쟁력을 갖추려면 고성능화, 장수명화, 저가화 등을 이룰 수 있는 핵심 원천 기술을 확보해야한다"면서, "이를 위해 소재, 구성요소, 스택의 고성능과 장수명을 이룰 수 있는 미래 원천 기술 개발이 절실하며, 이에 대한 투자를 강화해야 한다"고 강조한다. 또한, "소재, 원재료, 부품을 대량 생산에 맞춰 적기에 공급할 수 있는 서플라이 체인도 필요하다"면서, " 이를위해소재 · 부품표준화, 원천 기술 확보, 대체 물질과 원자재 국산화 등 관련 산업을 시급히 육성해야 한다"고 덧붙인다. "특히, 소재 분야는 기술과 제품 개발에 비교적 오랜 기간이 걸리기에 장기적 안목으로 접근해야 하며, 당장 성과위주의 연구보다 정부 차원의 지원하에 산 · 학 · 연 · 관 연계 프로젝트 등을 통해 요소 기술을 개발하고, 기술 특허를 확보하며, 이를 유기적으로 연관시켜 원천 기술을 완성할 수 있는 장기적인 산업화 전략이 필요하다"고 말한다.
서울시가 포스코파워와 함께 2012년 2월 국내 최초로 개발한 100㎾급 건물용 연료전지를 서울 서북병원과 어린이대공원에 설치하고, 도심형 친환경 에너지 생산 · 공급에 나섰다.
건물용 연료전지의 첫 설치 장소는 서북병원과 어린이 대공원으로 병원과 공원에서 필요한 전력의 약 10%를 생산 · 공급하며, 전기와 함께 생산하는 열은 병원의 급탕 시설과 공원의 난방 열풍기를 가동하는 데 사용한다. 건물용 연료전지 가동은 연간 1억 원 이상 에너지 비용 절감, CO2 배출 저감 등 친환경 효과를 가져왔다.
연료전지 개발 프로젝트는 도심지 내 친환경 건물 확산을 위한 서울시 추진 사업의 일환으로 제품 사이즈가 5평(가로 2.6m X 세로 6.4m) 이내로 여타 신재생에너지 대비 공간 집약적이며, 갑작스러운 도심 정전 사태에도 효과적으로 대처하도록 24시간 365일 상시 발전한다. 서울시는 건물용 연료전지 공급이 일반 건물은 물론 안정적인 전력 공급이 필요한 인터넷 데이터센터, 방송국, 공항 등 특수 건물과 전력 사용량이 많은 초고층 상업 건물까지 늘어날 것으로 전망했다.
서울시는 저탄소 · 녹색 성장 정책의 일환으로 도심지 친환경 건물 확산을 위해 대형 건물과 초고층 건물 에너지 사용량의 각각 4%, 6%를 신재생에너지를 통해 이용하도록 친환경 제도를 강화했다. 발전용 연료전지는 서울 상암동 월드컵공원을 비롯해 18개 지역에서 가동 중이다.
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