미래의 에너지 패러다임을 바꿀 수 있는 독립형 에너지 자립시스템
“연료전지-태양광 하이브리드 시스템의 잠재력”
-에스퓨얼셀 전희권 상무/연구소장

최근 몇 년간 연료전지사업에 진출하는 기업이 늘고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 화학적 반응을 통해 전기에너지와 열에너지를 생산하는 청정에너지원으로 널리 알려져 있다. 

또한 연료전지시스템은 휴대전원용, 자동차용, 가정용, 발전용 등 다양한 분야에 응용이 가능하며, 1차 에너지 감소효과와 이산화탄소 저감효과로 저탄소 녹색성장산업의 대표적인 제품으로 꼽힌다. 그 동안 발전용 연료전지시장에서 꾸준히 가능성을 타진해 왔던 포스코에너지에 이어 두산그룹, LG그룹이 몇 년전부터 본격적으로 그룹차원에서 연료전지사업을 추진하면서 연료전지시장에 대한 기대감은 더욱 커지고 있다. 에스에너지는 작년 GS칼텍스의 연구인력을 인수하여 에스퓨얼셀을 설립하고 건물용 연료전지시장에 뛰어 들면서 태양광 전문기업에서 신재생에너지 전문 기업으로 변화했다. 에스퓨얼셀의 연구소장을 맡고 있는 전희권 상무에게서 연료전지시장의 현황과 전망, 그리고 에스퓨얼셀의 경쟁력을 들어 보았다. 

분산 전원 시장의 도래와 분산 전원 시스템의 첨병, 연료전지
자연 상태의 자원은 영구적이지 않다. 석유 유전 매장량은 한정적이고, 저렴하게 전기를 생산 할 수 있는 원자력 발전 역시 일본 후쿠시마 원전사고로 인해 안심할 수 없는 상황이다. 그래서 화력, 원자력 대신 수력, 풍력, 지열, 태양광을 매개로 한 에너지원 개발에 전 세계가 사활을 걸고 있다. 신재생에너지 발전은 날씨변화, 위치 등의 자연환경에 민감하고, 아직은 시장규모가 작아 상용화에 제한적이라는 단점을 가지고 있다. 

기존의 화석연료 고갈 문제 이외에도 대형발전소와 송전망 건설이 어려운 도서지역과 전력부하가 심한 수도권 지역에서는 안정적으로 전기를 공급할 수 있는 마이크로 그리드 (분산 전원 공급 시스템) 시스템의 필요성이 대두되고 있다. 특히 건물 내 설치면적이 작고 자연환경 제약에 자유로운 연료전지는 분산전원 에너지원으로서 좋은 대안으로 떠오르고 있고, 일찌감치 1kW및 5kW급 고효율 연료전지시스템을 구동할 핵심부품과 시스템 설계, 제어기술을 보유한 에스퓨얼셀은 창립 전부터 업계에서 주목 받아 왔다. 지난 해 11월 경북도청 신청사에 LPG와 LNG를 연료로 하는 건물용 연료전지 60kW를 납품한 저력도 여기에서 나온다. 작년 스마트 에너지 솔루션 기업으로 변화를 선포한 에스에너지(대표 홍성민)는 GS칼텍스 출신 고분자전해질 연료전지팀과 함께 연료전지 전문기업인 에스퓨얼셀(대표 문기억)을 설립했다. 현재 에스퓨얼셀은 에스에너지의 자회사로서 투자를 받고 있다. 에스퓨얼셀의 전희권 상무는 “에스에너지와의 시너지로 태양광과 연료전지와의 융.복합을 통해 새로운 에너지 패러다임을 만들고자 한다. 이는 곧 작년부터 이슈가 된 융복합 신재생에너지 사업과도 일맥상통한다”고 전한다. 전희권 상무에 따르면 에스퓨얼셀은 태양광 모듈에서 에너지를 공급받아 수전해 시스템을 거쳐 수소를 저장 (HESS: 수소에너지저장시스템)한 후 저장된 수소로 연료전지를 구동하는 독립형 연료전지-태양광 하이브리드 시스템 상용화를 목표로 연구개발 하고 있다고 한다. 특히 이번 마이크로그리드 시스템 컨셉은 수소를 필요로 하는 연료전지에서 더욱 빛을 발할 것으로 보이며 유독물질을 방출하지 않는 차세대 청정 분산 에너지원으로 기대된다.

연료전지-태양광 하이브리드 시스템의 시장성
전희권 상무에 따르면 “배터리 ESS(BESS)는 전기저장 효율과 적용이 용이한 반면 배터리 수명이 제한 되어 있고 용량 증설 시 비용이 높은 단점이 있다. 하지만 수소는 고압 상태를 유지하며 탱크 사이즈만 늘리면 되기 때문에 대용량 저장이 가능하다. 또한 수소 ESS(HESS)가 처음 등장한 20년 전에 비해 수소를 얻어내는 기술이 좋아져 비용 부분에서도 경쟁력이 있다”고 한다.

수소ESS와 결합한 연료전지-태양광 하이브리드 시스템은 태양광 에너지의 단점인 날씨 변화에 따른 전력생산 감소로부터 자유로울 뿐만 아니라 연료전지에서 수소와 산소의 화학반응으로 생성되는 전기 외에 열원으로 온수 및 난방으로 활용할 수 있는 장점도 있다. 특히 계통연계가 힘든 산악 및 섬과 같은 도서 지역에서 친환경 에너지 자립시스템으로 주목 받고 있다. 국내 도서지역에서도 가능성이 있지만 해외에서 더 활용 가치가 크다고 전한다. 우리보다 섬이 더 많은 동남아지역, 사막이 많은 중국, 인도 등에 더 큰 시장성이 있다고 점쳐진다. 에스퓨얼셀은 이러한 시장성의 이유로 ‘독립형 연료전지-태양광 하이브리드 발전시스템’을 정부 에너지 국책 과제로 제출을 했고, 현재 국책 과제 리스트에 선정되었다. 개발 당시의 예상과는 달리, 빠른 기술 발전으로 2020년경에는 상용화가 가능 할 것으로 전희권 상무는 내다봤다.

해외에 진출할 청사진 갖고 있어 
신재생에너지 발전단가는 아직 화석연료 발전단가보다 높아 상용화 되려면 정부지원과 민간 시간 창출이 필수 적이다. 미국에서는 자가발전 인센티브제도를 도입했고, 유럽에서는 전력매칭 시스템으로 잔여 전력을 판매할 수 있는 체계를 만들어 민간 시장을 창출하고 있다. 우리나라의 경우 신축, 증축, 개축하는 공공기관(연면적 1,000㎡ 이상)은 에너지사용량 일부를 신.재생에너지로 공급해야 하는 ‘신.재생에너지 보급 의무화 제도’와 총 사업비의 일부를 정부에서 지원해 주는 ‘신.재생에너지 보급 지원사업’이 큰 골자로 아직까지 민간시장 창출은 걸음마 단계이다. 따라서 국내보다는 해외 시장규모가 큰 것이 현실이며 해외 시장 공략을 위한 정부의 정책 마련도 수반되어야 한다.

전희권 상무에 따르면 “연료전지 시장이 커지려면 정부가 일정 규모의 건물용 연료전지 시장을 열어 줌으로써 연료전지 단가를 낮추고 자가 소비형 발전 건물에도 인센티브를 부여하여 운영 경제성을 확보할 수 있는 방향으로 진행되어야 한다. 에스퓨얼셀은 시장이 커질 때를 대비해 10~20kW급 시스템을 개발하고 내구성 향상과 시스템 모듈화, 단가저감과 양산화 기술을 집중적으로 연구하는 중”이라고 한다. 또한 연료전지-태양광 하이브리드 시스템 실증과정을 거쳐 향후 해외시장에 진출 해 도서지역에서의 에너지 자립을 선도하겠다는 포부를 밝혔다. 에스퓨얼셀의 향후 연구 성과와 앞으로의 상용화 과정을 기대해 본다.

Energy independent system that can change the paradigm of future energy
Potential of fuel cell-solar energy hybrid system
Heekwon Jeon, the head of research institute and director of S-Fuelcell 

Fuel cell, the spearhead of dispersion power system and the creator of the market
Natural state resource is not permanent. Oil deposits are limited and nuclear power generation is also not safe as it was proved in Fukushima. The world is now turning their eyes on water, wind, geothermal and solar powers for alternatives. The development of new energy responds sensitively to change of weather and location and is limited for commercialization due to a rather small scale of market. There also is a need to build Microgrid (dispersion power system) around the capital areas where large power plants and transmission network are difficult to be installed. Meanwhile, fuel cell, which is free from those difficulties, is rising as a good alternative and S-Fuelcell, which drew a great attraction even before its establishment, obtains various technologies to run 1kW or 5kW high efficient fuel cell system such as core parts, system plan and control. This enabled them to provide 60kW fuel cell (LPF and LNG for its fuel) to the new office building of North Gyeongsang Province. S-Energy (CEO Sungmin Hong), which declared to turn into a smart energy solution enterprise, established S-Fuelcell (CEO Kiok Moon) in cooperation with a high molecular electrolyte team last year. The latter currently is being invested by S-Energy as an affiliate. Jeon says "we plan to create a paradigm of new energy through combining solar energy and fuel cell which is closely linked with 'fusion new energy project' initiated last year." Their goal is to commercialize independent fuel cell-solar energy hybrid system through the process of receiving energy from solar energy module - saving hydrogen (HESS) - running fuel cell by hydrogen. The concept of Microgrid system is much needed for fuel cell field and is expected as next generation energy source that does not produce harmful substances. 

Marketability of fuel cell-solar energy hybrid system
Jeon says "battery ESS (BESS) is easy to apply electric storage efficiency but has limited lifespan with high cost of expanding its capacity. Hydrogen, on the other hand, keeps in the high pressure state and only need to extend size of tank. Also, hydrogen ESS (BESS) has competitiveness as its technology has been much improved compared to 20 years ago." Fuel cell-solar energy system combined with hydrogen ESS is free from change of weather and decreasing power production and it can also be used for hot water or heating by using the heat source produced when oxygen responds to hydrogen. It especially can be used as 'eco friendly energy independent system' in the mountain areas or islands both home and abroad including East Asia (a lot of islands), China and India (many deserts). For this marketability, S-Fuelcell has submitted the government the 'Independent Fuelcell-Solar Energy Hybrid Development System' as subject of national policy and is chosen as such at the moment. Unlike the negative prediction when it was first developed, Jeon is expecting that it will be commercialized by 2020 thanks to its rapid development of technology. 

Blue print to enter overseas market
As the development unit price of new energy is higher than fossil fuel, government support and private sector's effort is much needed. The US introduced 'independent development incentive system' and Europe made a system to sell leftover electric power through electric power matching which is creating private market. Korea has 'compulsory new and recycled energy supplying system' which public organizations sized more than 1,000㎡ have to follow, and 'new and recycled energy supplying support project' which the government supports a part of business expenses but it is over all still in its infancy. Therefore, there is a need for government to make policies to attack foreign markets as they are bigger than domestic market at the moment. Jeon says "the government need to make a building fuel cell market to reduce its unit price and to provide incentives to independent power generation building to secure economic feasibility. In preparation of the market being bigger, S-Fuelcell is currently developing 10 to 20kW scale system and carrying out a research on durability, system module, low unit price and mass production." Jeon also mentioned that he will enter overseas market to lead energy independence in the island areas after a verification test of fuel cell-solar energy hybrid system.