포항블루밸리 산단에 세계적 연료전지 메카 꿈 영근다
‘경북 수소연료전지 발전 클러스터’는 포항테크노파크가 총괄 주관하고 포스텍, 에너지산업진흥원, 도화엔지니어링이 참여해 정부 예비타당성 조사 준비에 만전을 기하고 있다.
수소경제는 수소를 중요한 에너지원으로 사용하고, 수소가 국가경제, 사회전반, 국민생활 등에 근본적 변화를 초래해 경제성장과 친환경 에너지의 원천이 되는 경제를 말하며, 정부는 수소경제 실현을 위해 지난해 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 수립하고 수소차와 연료전지를 양대 축으로 수소 생산·저장·이송·활용 전 분야의 수소 산업 생태계 구축을 추진하고 있다.
정부는 이산화탄소 배출이 전혀 없고 도심지에 소규모로도 설치가 가능해 진정한 의미의 친환경 분산전원으로 부상하고 있는 발전용 연료전지를 재생에너지 활용 수소 생산과 연계해 2040년까지 15GW(수출 7GW 포함) 이상으로 확대하고 수출산업화 추진하며, 가정·건물용 연료전지도 2040년까지 2.1GW(약 94만 가구) 보급할 계획이다.
또한 수소산업 생태계 경쟁력 강화를 위해 2030년까지 500개, 2040년까지 1000개의 수소 전문기업 육성을 위해 수소 활용 이동수단(모빌리티), 연료전지, 액화수소, 수소충전소, 수전해 등 5대 분야에 ‘수소 소재·부품·장비 프로젝트’를 추진하고, 수소분야 우수 기술·제품에 대해서는 지자체·공공기관이 적극 구매할 수 있도록 혁신조달을 대폭 확대 및 340억원 규모의 수소경제펀드 등을 통해 신규 기업의 수소시장 진입을 촉진함으로써 수소 생태계에 활력을 제고한다는 방침이다.
연료전지는 신에너지의 하나로서 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 생산하는 설비이며 별도의 연소과정이 없어 발전효율이 높고 이산화탄소 등 온실가스를 배출하지 않는 청정에너지원으로서 다른 신재생에너지원(태양광, 풍력)에 비해 환경영향 없이 지속적인 에너지 생산이 가능하고, 다양한 규모로 제작해 소형 연료전지는 주로 자동차나 이동형 전원으로, 대형 연료전지는 건물의 분산형 전원이나 발전용 전원으로 활용된다.
연료전지 시스템은 화석연료로부터 수소를 발생시키는 ‘개질기(Reformer)’와 연료극/전해질/공기극으로 구성되며 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기, 열, 물 발생시키는 핵심 파트인 ‘스택(Stack)’, Stack에서 발생된 직류전기를 교류전기로 변환해서 수요자에게 전기를 공급하는 역할을 하는 ‘전력변환기(Inverter)’, 이외에도 연료, 공기, 열회수 등을 위한 폄프류, Blower, 센서 등의 ‘주변보조기기(BOP)’로 이뤄져 있으며 부품수는 발전용 1만개, 가정·건물용은 4000개다.
△개질기(Reformer)
연료개질기는 물과 탄화수소(천연가스, LPG 등)를 원료로 촉매반응을 통해 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 생산하는 장치로, 도시가스의 황 성분을 제거하기 위한 흡착탈황부와 수증기개질/수성가스전이/선택적산화의 3단계의 촉매반응부로 구성된 미니 수소생산 플랜트이다. 개질기는 연료전지 시스템의 핵심 구성요소로서 천연가스와 물을 원료로 수소를 생산하고 이를 연료전지 스택에 공급하는 역할을 수행한다.
△스택(Stack)
연료전지 본체는 ‘셀 스택’ 이라고도 한다. 스택은 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체로, 단위전지 제조, 단위전지 적층 및 밀봉, 수소공급과 열회수를 위한 분리판 설계·제작 등이 핵심기술이다. 스택(Stack)은 연료전지의 핵심으로 연료전지 시스템의 원가 비중도 40% 이상으로 상당히 높다. 현재 시스템 가격 상승의 핵심 요인은 스택(Stack)의 수명이다. 현재 연료전지의 경우 평균 5년 정도의 수명을 확보하고 있다. 10년 사용 시 한 번의 교체가 필요하기 때문에 시스템 가격에는 스택 원가의 2배 정도 반영이 된다. 스택의 원가절감을 위해서는 전극재료의 저가소재 대체 및 작동 온도에 대한 관리가 중요하다.
△전력변환기(Inverter)
전력변환기(Inverter)는 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치이다. 연료전지 발전 시스템의 계통 연계 운전을 위해서는 연료전지의 저전압 출력을 승압하고 운전점 변화에 따른 직류 전압 변동을 일정 직류 전압으로 변환해 주는 직류-교류 변환기(DC-DC 컨버터)와 그 적정 크기로 승압된 직류를 기존 전력 계통의 공칭 전압 크기의 주파수, 적정 전력품질을 갖는 교류 형태로 변환해 주는 직류-교류 변환기(DC-AC 인버터)를 통한 전력 변환(Power Conditioning) 과정이 필요하다.
△주변보조기기(BOP·Balance of Plant)
연료전지의 BOP는 연료전지의 구동에 필요한 스택 이외의 모든 구성장치들을 말한다. 크게는 공기 공급계, 열 및 물 관리계, 수소 공급계, 각종 밸브 등 기계적인 구성장치로 MOP(Mechanical BOP)와 MOP를 통제하는 센서, 중앙처리장치 등의 전기적 구성장치인 EBOP(Electrical BOP)로 분류된다.
포항 블루밸리 국가산업단지에 들어설 경북 수소연료전지 발전 클러스터는 ‘세계 TOP3 수소연료전지 ‘세계 TOP3 수소연료전지 산업 육성’을 비전으로 산·학·연·관 협력 산업생태계 조성을 통한 산업 경쟁력 강화, 연료전지 산업 Supply Chain 구축을 위한 혁신산업 육성, 클러스터 내 기업 유치를 통한 신규 일자리 창출을 목표로 추진전략은 ①기업 집적화 코어, ② 부품소재 성능 평가 코어 ③국산화 실증 시범 코어를 추진한다.
기업 집적화 코어는 국내 유일의 발전용 연료전지 기업 집적화 공간을 조성해 세계적인 연료전지산업 거점국가로의 도약 추진을 위해 연료전지 부품소재, 제품 생산 등을 위한 산업단지 조성해 연료전지 전후방 기업 유치를 통한 앵커기업 및 유관 협력 중소기업 집적화해 연료전지 산업 생태계 구축하고 핵심 부품과 시스템의 세계적인 경쟁력을 확보해 국가와 포항의 미래 성장 동력 산업 육성과 국가 수소경제 활성화 기여하게 된다.
부품소재 성능 평가 코어는 수소연료전지 인증센터 구축 지원 사업과 연계 부품 성능 평가를 통한 국산화 지원, 연료전지 표준화를 지원하는 연료전지 부품 시험 평가동과 기업 실험동이 들어선다.
국산화 실증 시범 코어는 가정용, 건물용, 발전용 연료전지 시스템 실증을 통한 핵심 부품 국산화 추진, 연료전지 시스템의 장기 운영, 유지 및 보수를 통한 제품의 안정성 및 신뢰성 성능 평가, 연료전지 전문 인력 양성 네트워크 확립, 연료전지 O&M 기술 고도화를 추진한다.
경북 수소연료전지 발전 클러스터는 연료전지 부품 표준화, 공용화, 실증을 통한 핵심 부품 국산화 및 기술 경쟁력을 확보하고 연료전지를 차세대 수출 주력산업으로 집중 육성, 전문 인력 육성을 통한 신규 일자리 창출, 분산전원으로서의 연료전지 보급 확산으로 탄소중립(Net-Zero)을 지향하고 경제기반을 저탄소ㆍ친환경로 전환하는 그린 뉴딜을 실현할 것이다.
행정사회부 데스크