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[인터뷰] 박구곤 에너지硏 연료전지연구실장

“효율·내구성 등 기술향상…미래 에너지원 부상할 것”
고효율화·가격저감·그린수소 등 선결과제

한국에너지기술연구원은 지속가능한 미래를 위해 기후변화 위기를 극복할 수 있는 에너지기술을 개발하고 정책수립에 기여하는 정부출연연으로 연료전지연구실은 1980년부터 연료전지에 대한 연구를 지속하고 있다. 특히 국내 유일 연료전지분야 국가연구실로 소부장 전주기 기술분야에 대응가능한 연구그룹이다.

전극촉매, 전해질막 소재분야 국내 최고기술을 확보하고 있으며 연료전지 평가 및 인증기술은 물론 인프라를 바탕으로 원천기술을 개발하고 소재활용형 기술개발을 통해 소재현안 이슈해결에 집중하고 있다.

국내 연료전지 기술개발을 선도하고 있는 박구곤 에너지기술연구원 연료전지연구실장을 만나 탄소중립사회 실현을 위한 연료전지의 중요성과 전망에 대해 들었다.

■ 탄소중립을 위한 연료전지의 역할·중요성은
최근까지 연료전지연구의 필요성을 강조할 경우 친환경, 에너지효율, 수소사회 등 키워드를 사용해 설명해왔다.

현재는 과도기로 화석연료로 생산된 수소를 연료로 사용하지만 궁극적으로는 수소를 사용하는 시스템이 운영될 것이라는 비전을 제시하고 있다.

2050년 탄소중립이 세계적 화두가 되면서 연료전지에 대한 당위성 설명방식에 변화가 발생했다. 국내에서는 2050년 이후 약 500GW 규모 태양광, 풍력 등 신재생에너지 발전설비가 운영될 것으로 전망하고 있다. 이러한 예측이 현실화되면 생산된 전기를 전력망에서 감당하지 못하는 상황이 발생하는 것은 불가피하다.

태양광, 풍력 등 신재생에너지 발전설비 구축이 가장 활발한 제주도에서는 지난해 77회, 올해 약 240회의 풍력발전 출력제한이 발생될 것으로 예상된다.

출력제한은 사용부하가 적은 상황에서 전력이 전력망으로 지속 공급됨에 따라 전력망의 손망실을 방지하기 위해 실시한다. 독일의 경우 전력망 손실을 방지하기 위해 신재생에너지를 통해 생산된 전력을 비용을 지불하고 수출하고 있는 실정이다.

신재생에너지가 원천적으로 가지는 변동성, 간헐성 문제를 해결하기 위해서는 에너지저장, 활용기술이 필요하며 이 과정에서 수소-연료전지기술 활용은 필연적이다.

2050년경 수소기반 에너지는 전체의 약 20%를 감당할 수 있을 것으로 예상된다. 수송과 발전부문에서 주로 역할을 하며 전체 에너지믹스를 원활히 유지하기 위한 중간매개체 역할을 수행할 것이다.

2050년 이후 세계적으로 그린수소가 저렴하게 생산되고 수소형태 에너지운송이 활성화된다면 수소를 이용해 직접 전기를 생산하는 연료전지가 에너지효율 측면에서 강점을 가질 것이다.

■ 현재 추진 중인 연구분야는
현재 연료전지연구실은 PEMFC, SOFC 등에 대한 연구를 진행하고 있다. 소재, 부품, 스택, 시스템 등에 대한 국산화부터 평가 및 인증까지 전주기 기술에 대응하고 있다.



PEMFC에 대한 소부장분야로는 백금저감형 전극촉매, 저가형 전해질막, 고성능 막전극접합체 등에 초점을 맞추고 있다.

또한 모바일용, 발전용 연료전지 스택 및 시스템기술을 개발하고 있으며 가정, 건물용을 비롯한 데이터센터 등 대형시스템에 적용할 수 있는 PEMFC를 개발하고 있다.

연료전지시스템 고장진단과 운전최적화 기술, 소부장 공급망 활성화를 위한 성능평가 및 인증을 마련하고 있다.

SOFC에 관한 연구로는 △원통형·평관형·평판형 셀 △스택 △금속분리판 △시스템 기술 등을 개발하고 있다.

■ 국내 연료전지 종류별 기술수준은
국내 모빌리티용 연료전지분야는 연구개발과 시장개척 측면에서 세계시장을 선도하고 있다. 반면 발전용, 건물용 등 다른 분야에서는 해외기술을 도입해 초기시장을 확장하고 있으며 이 과정에서 기술개발 및 공급망 측면에서의 역할을 하고 있다.

PEMFC의 경우 자동차 등 모빌리티분야 상용화기술은 세계 최선두에 위치해 있으며 핵심소재 및 부품에 대해서는 추격수준인 분야가 많은 상황이다.

PEMFC는 승용차, 상용차, 선박, 열차, 항공 등 다양한 모빌리티와 건물용, 가정용, 휴대용 등 다양한 분야에서 적합성이 높은 연료전지로 향후 수소생산능력 발달에 따라 대형시스템에서 역할이 커질 전망이다.

SOFC는 상용화 및 기반기술 측면에서 해외 선도국을 추격하고 있는 수준이다. 국내 기업은 해외기술을 직접 도입해서 기술적 급성장을 시도하고 있지만 소재와 부품개발에 집중돼 온 측면이 있다.

최근 연구개발이 가장 활발하며 특히 모빌리티 중 대양선박, 열차 등에 적용하기 적합하다. 수MW부터 수십MW 이상 대형 발전시스템과 건물용 연료전지로 알맞다.

수MW 발전시스템과 건물용 연료전지로 적합한 PAFC는 해외기술을 도입해 시장을 개척한 예로 국내 공급망 구축 및 해외 GVC확대까지 노력하고 있다.

MCFC는 대용량 연료전지발전시스템으로 국내에 본격 도입한 최초의 연료전지 종류로 현재는 기술 외적인 문제로 인해 보급 및 연구개발이 정체된 상황이다.

■ 보급확대를 위한 선결과제는
연료전지 보급확산을 위한 과제로 중단기 측면에서 도시가스를 활용하는 연료전지시스템의 고효율화와 가격 저감이 연료전지기술 확산을 위한 선결과제로 꼽힌다.

다만 비교대상이 타 신재생에너지가 아닌 화석연료기반 엔진, 발전터빈 등으로 선정돼 경제성에 대한 강한 비판이 발생하고 있다. 화석연료기반 에너지기기는 100년 가까이 되는 역사를 가지고 있지만 연료전지는 짧은 역사를 가지고 있다.

바꿔 말하면 화석연료기반 에너지기기에 대한 효율향상은 한계점에 근접했지만 연료전지는 향후 성장가능성이 크기 때문에 탄소중립시대를 지탱하는 한 축으로써 역할을 다할 것으로 기대된다.

산업측면에서는 화석연료 기반 발전을 대체할 수 있는 대규모 연료전지발전소, 건물용 외 산업단지 등에서 필요로 하는 현장에 특화된 전기, 온열 및 냉열을 공급할 수 있는 기술마련이 필요하다.

2050년 이후까지 연료전지가 국내 주요 신재생에너지원으로 발돋움하기 위해서는 신재생에너지원과 연계해 생산된 순수수소를 연료로 사용하는 수준으로 연료전지기술이 향상돼야 한다.

특히 수전해기술과 파이프라인 등을 통한 수소공급기술 등 인프라 기술을 확보하는 것이 중요하며 수소경제사회 전반의 안정성 및 안전성을 보장해야 한다.

또한 수소연료전지 기술은 다른 에너지전환기술들과 공존하는 과정에 전력망안정, 에너지원 다변화 등 역할이 커질 전망이다.

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