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• [에너지논단] 연료전지가 여는 수소 경제의 미래

  송고일 : 2026-05-27
  
  ▲ 김홍철 가스안전공사 수소안전기술원장

  [에너지신문] 오늘날 전 세계는 지구온난화 문제로 인해 지구적 환경 위기에 직면하고 있으며 이를 해결하기 위해 전 세계는 온실가스 배출을 획기적으로 줄이는 탄소중립 목표를 설정해 에너지전환과 기술혁신을 중심으로 한 다양한 노력을 전개하고 있다.

  특히 우리나라는 그동안 원전, 석탄, 천연가스의 연료체계를 기반으로 성장해 온 제조업 강국으로 세계적으로 온실가스 배출량이 많은 국가 중 하나로 2025년 주요 국가별 온실가스 배출량(추정치)을 살펴보면 약 6억 7000만톤CO2eq~6억 9000만톤CO2eq으로 13위에 해당이 된다.

  이 중 발전 부분이 2025년 국내 온실가스 배출량(추정치) 중 약 30%~32%에 해당하는 약 2억만톤CO2eq~ 2억 1000만톤CO2eq, 수송 부분이 약 14%~15%에 해당하는 약 9500만톤CO2eq~9700만톤CO2eq이다.

  온실가스 배출을 저감하기 위한 핵심 기술인 연료전지는 기본적으로 수소, 산소의 전기화학 반응으로 전력을 생산함에 따라 기존 화력발전 및 모빌리티의 내연기관과 달리 별도의 연소과정이 없어 높은 효율성을 갖고 있으며 생성물이 전력, 물 및 열뿐이므로 환경오염에 미치는 영향은 적은 높은 친환경성의 장점이 있다.

  또한 현재 연료전지의 원료인 수소는 석유화학공정에서 생산되는 부생수소와 천연가스를 고온·고압에서 분해하는 개질수소가 주로 사용되고 있으나 향후 재생에너지를 사용해 물을 전기분해해 수소를 확보하는 경우 이산화탄소, 질소산화물, 황산화물 등의 배출이 없는 청정수소를 사용해 발전부분 및 수소부분 등에 대해 효과적으로 탄소중립 추진이 가능하다.

  
  ▲ 롯데SK에너루트의 수소 연료전지 발전소인 ‘울산하이드로젠파워1호 전경.

  발전용 연료전지는 지난 2021년 세계 시장의 45%를 점유해 세계 1위를 기록하는 등 우리나라가 기술적 우위를 가지고 있고 송배전 등의 문제가 대두되고 있는 대규모 중앙집중형 발전에 의존하고 있는 현재의 전력망 구조를 분산형 에너지 시스템으로 전환할 수는 있어 전력망이 부족한 지역이나 자연재해 등으로 인해 전력을 공급하기 어려운 지역에서도 안정적으로 전력을 공급할 수 있다.

  소음 수준도 가스터빈발전 233dB(A), 디젤발전 100dB(A)~110dB(A)과 대비해 연료전지발전은 65dB(A) 수준으로 화력발전에 비해 강점이 있고 모듈화가 가능해 소규모 가정용에너지 생산부터 대규모 발전소까지 다양한 규모로 적용이 가능해 대규모 발전, 건물용 전력 공급, 백업 전원 등에 사용된다.

  특히 고온에서 작동하는 유형(MCFC, SOFC)이 사용돼 더 높은 효율을 통해 대규모 전력 생산에 최적화한 형태로 볼 수 있다.

  연료전지 산업은 세계 주요 국가의 녹색성장을 바탕으로 하는 국가 차원의 신재생에너지 장려정책 및 AI 테이터센터 수요가 급증하자 데이터센터를 안정적으로 운영하면서 탄소중립을 실현할 수 있는 대안으로 주목을 받고 있어 급속하게 성장할 것으로 예상된다.

  EU 전역의 정부 및 기타 민간 조직에서는 탄소 배출량을 줄이고 기타 유해한 배출을 억제하는데 중점을 두고 있으며 유럽의 민관 협력 R&D 이니셔티브인 FCH JU(연료전지 및 수소 공동 사업)에서는 2050년까지 수소 연료가 지역 전체 에너지 소비의 24%를 차지할 것으로 추정했다.

  미국 에너지부(DoE)는 미국의 청정 에너지 경제를 형성하기 위해 미국 전역에 청정수소 허브를 설계 및 구축하려는 목표로 70억달러 규모의 프로그램을 발표했다.

  이는 2050년까지 탄소중립 경제 목표를 달성하면서 청정에너지, 고임금 일자리 등 지역 사회는 여러 혜택을 얻을 수 있을 것으로 보인다.

  
  ▲ 연료전지 발전 원리(출처: 춘천그린에너지(주)).

  또한 AI 데이터센터는 ‘전기 먹는 하마’로 불리는 대표적인 전력 소비시설로 단 1초라도 전력 공급이 중단되면 수치화할 수 없을 만큼의 막대한 피해가 발생함으로 이를 막기 위해 24시간 365일 연중무휴로 계속 가동될 수 있도록 2개 이상의 발전소 또는 변전소로부터 전기공급이 끊임없이 이뤄줘야 한다.

  빅테크 기업들은 데이터센터에 안정적으로 전력을 공급하면서 탄소배출량을 저감할 수 있는 대안으로 연료전지를 주목하고 있다.

  이는 자연재해 또는 계통 문제로 정전 발생 시 즉시 운전모드로 전환돼 안정적으로 전력과 열을 공급할 수 있어 이러한 장점 덕분에 지진, 태풍 등 자연재해가 많은 미국이나 일본에서 연료전지를 비상전원으로 많이 활용하는 이유다.

  2024년1월 마이크로소프트(MS)는 발라드파워, 카터필라와 미국 와아오밍주 샤이엔에 있는 데이터센터에서 1.5MW급 연료전지와 2개의 에너지저장장치(ESS)를 구축해 48시간 연속 가동하는 실증을 성공적으로 완수했다고 밝혔다.

  MS는 이전에도 미국 뉴욕주 라팜 클라우드 전용 데이터센터에서 진행된 3MW급 비상전원용 연료전지 실증과 유타주 솔크레이크시티 연구소에서 진행된 250kW급 비상전원용 연료전지 실증을 성공적으로 완수했다.

  아울러 일본의 혼다와 미쓰비시, 화학기업인 도구야마가 2024년 8월부터 공동으로 야마구치현 슈난시에서 차량용 연료전지 재활용을 통해 데이터센터 전력공급용으로 활용하는 실증을 진행하고 있다.

  이를 통해 폐기되는 차량용 연료전지를 재사용하는 방법과 연료전지가 데이터센터의 탄소배출 저감에 효과가 있는지를 연구 목적으로 하고 있다.

  이같은 사례처럼 해외에서도 발전용 연료전지의 시장성을 높이 평가해 투자와 R&D가 활발하게 진행되고 있다.

  다만 국내는 연료전지 시스템 개발에 집중하고 있어 연료전지의 핵심소재 시장은 미국, 독일, 일본 등의 소수 기업들이 독점하고 있기 때문에 핵심소재에 대한 수입의존도가 매우 높은 점은 우리가 해결해야할 숙제이기도 하다.

  아울러 모빌리티용 연료전지는 승용차용 연료전지 위주에서 벗어나 전 세계적으로 육상 및 해상, 항공용 등 대형모빌리티에 적용하기 위한 기술개발 등이 진행되고 있다.

  이런 기술적 흐름의 선제적 대응을 위해 한국가스안전공사에서도 건설기계용(KGS AH374), 노면전차용(KGS AH375), 항공기용(AH376) 및 선박용(KGS AH377)의 연료전지 제조의 시설·기술·검사기준을 제정했다.

  국내의 경우 현대자동차가 전세계 시장의 보급을 주도하고 있으며 해외의 대표적인 연료전지시스템 기업으로는 Ballard, Toyota, Nuvera, Hydrogenics, PowerCell 등이 있다.

  최근에 중국 수소연료전지시스템 기술개발 업체들이 급격하게 증가하고 있으며 기술력 또한 상당히 높은 수준으로 보인다.

  중국 수소차 제조사는 24개사, 연료전지시스템 납품업체는 33개사로 매우 많은 업체가 경쟁중에 있으며 연료전지시스템 대표기업으로는 SinoHytec, RE-FIRE, Sinosynergy, Weichai로 중국 내 전체 점유율이 42%를 육박하고 있다.

  또한 각 국에서도 개발된 대형상용차 연료전치시스템을 바탕으로 다양한 모빌리티에 적용을 하기 위한 노력 등이 진행 중에 있다.

  철도차량의 경우 프랑스의 Alstom사 Coradia iLNT 수소철도를 개발해 실증 중에 있으며, 2개 차량 편성 300명 탑승이 가능하고 최고속도 140km/h로 1000km 주행이 가능한 94kg 탱크모듈 2개가 탑재돼 있다.

  독일의 경우 지멘스사 Miero 차량을 기반으로 해 200kW급 연료전지를 탑재해(160km/h) 실증을 하고 있으며 대형수소트럭의 경우 현대자동차는 이미 상용된 더 뉴 엑시언트를 판매하고 있으나 기타 국가에서도 Hyzon Motors, Kenworth(PACCAR), Toyota/HINO, Ballard/UPS, Dongfeng 등이 실증을 진행하고 있다.

  수소연료전지 분야는 우리나라가 해외 국가보다 상용화 및 제품화에 앞서고 있으나 산업적 중요성이 큰 발전용 연료전지의 경우 정책적으로 국가적 관심이 필요하고 기술적인 부분으로는 고효율 전극 촉매 기술을 고도화하고 내구성 향상을 위해 고성능 스택설계 및 양산 기술을 개발할 필요성이 있다.

  아울러 대형모빌리티용 연료전지도 정부의 정책처 지원과 함께 철도 및 트램, 건설기계, 선박에서 사용될 수 있도록 각각의 모빌리티 사용 환경에 맞는 제품을 만들 수 있는 기술개발이 필요하다.

  현재 수소연료전지 산업은 승용차 연료전지 및 건물용 연료전지의 시장을 넘어 대형모빌리티용 연료전지, AI 특화형 테이터센터 및 발전용 연료전지의 시장으로 소비처가 확대되고 있는 지금이 연료전지 산업의 골든타임이다.

  이에 따라 기업의 기술 혁신과 정부의 전략적 지원, 한국가스안전공사의 안전 기술이 상호 결합을 통해 탄소중립의 미래를 선점해야 한다.

  출처 : 에너지신문(https://www.energy-news.co.kr/)