연료전지 시장 현황
1. 개요
1.1. 사회배경
최근 주요 선진국을 중심으로 탄소중립 선언과 함께 수소경제로의 전환기조가 이어지고 있어 이를 대응하기 위한 기술로써 수소와 연료전지에 대한 관심도가 증가하였다.
탄소중립 실현을 위해서는 재생에너지의 확대가 필수적이며, 재생에너지의 간헐성과 부하에 대응하기 어렵다는 내생적 한계를 보완하기 위해서는 수소를 이용하는 ‘수소경제사회’로써의 전환이 필수적이다. ‘수소경제사회’란 수소를 에너지원으로하는 경제체제로 수소생산, 저장, 운송, 이용을 포괄하여 현재 우리가 사용하는 화석연료에서 수소로 대체되는 사회를 의미한다.
연료전지는 수소의 생산, 저장 및 이송, 활용 단계로 구분되는 수소경제의 활용단계에서 핵심적인 역할을 하는 기술로 수송, 발전 등 다양한 용도로 적용할 수 있다. 연료전지를 통해 재생에너지로 생산된 수소를 운반하여 이용 가능한 열 또는 전기로 변환하여 사용할 수 있다.
[첨부 1]
수소경제 개념도 및 연료전지의 역할
(출처 : 연료전지 기술동향브리프 2021.06호, 한국과학기술기획평가원)
1.2. 연료전지의 원리
연료전지는 수소, 메탄올 등 연료의 화학에너지를 전기화학반응을 통해 전기에너지로 변환시키는 장치를 통칭한다. 연료전지는 주로 수전해의 역반응을 이용하여 수소와 산소로부터 전기를 생산하는 전기화학적 발전장치이다.
연료전지에서 전기를 발생시키기 위하여 연료인 수소가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극 촉매측에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되며, 공기극에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킨다.
[첨부2]. 연료전지 개념도 (출처 : 연료전지 기술동향브리프 2021.06호, 한국과학기술기획평가원)
연료전지 발전효율은, 여러 가지 손실을 감안하더라도 35~60%이며, 열이용 시 종합효율은 80~95%이다. 연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 직접 발전 방식으로 에너지 전환 과정에서 발생하는 손실이 적어, 발전 효율이 높다.
물과 열 이외의 부산물이 없어 오염 물질 발생이 미미하고 친환경적이다. 미래에는 풍력, 태양광 등 재생에너지를 사용하여 물을 전기분해하여 생산된 그린수소를 사용하게 되면 연료전지는 무공해 에너지 시스템으로 자리매김할 것으로 예측하고 있다.
[첨부3] . 연료전지,석탄화력,LNG 복합화력 발전소 효율 및 환경성 비교 (출처 : 한국에너지공단 신재생에너지백서)
물과 열 이외의 부산물이 없어 오염 물질 발생이 미미하고 친환경적이다. 미래에는 풍력, 태양광 등 재생에너지를 사용하여 물을 전기분해하여 생산된 그린수소를 사용하게 되면 연료전지는 무공해 에너지 시스템으로 자리매김할 것으로 예측하고 있다.
1.3. 연료전지의 종류
연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 알칼리 연료전지(AFC)로 구분된다. 이들은 작동온도에 따라 다시 고온형과 저온형으로 구분된다.
[첨부4]. 연료전지의 종류 (출처 : 한국에너지공단 신재생에너지백서)
650℃ 이상의 작동하는 고온형 연료전지 MCFC, SOFC는 반응성이 우수하기 때문에 전극촉매로 니켈을 비롯한 일반 비귀금속계 촉매를 사용할 수 있고, 높은 발전효율이 장점이다. 그러나 기동 및 정지 시간이 길며 열충격에 취약한 단점이 있어 장기운전에 적합한 발전소, 산업단지, 대형건물에 사용되고 있다.
상온에서 200℃ 이하에서 구동되는 저온형 연료전지인 PAFC와 PEMFC, AFC 는 시동시간이 짧고 부하변동성이 뛰어난 장점이 있으나, 고가의 백금 촉매의 사용이 필요하며 비교적 낮은 효율이 단점이다. 기동/정지가 잦고 시동이 빠른 수송용 전원, 이동전원, 백업전원, 가정⋅건물용 열병합발전 시스템으로 사용되고 있다.
[첨부5] . 연료전지 종류별 적용분야 (출처 : 한국에너지공단 신재생에너지백서)
연료전지는 스택, 연료변환장치, 주변기기 (BOP: Balance of plant) 및 제어장치로 구성된다. 기존 화력발전 대비 연료전지는 CO2를 배출을 40% 감소하고 에너지 사용량은 26% 절감하는 에너지 신기술로 미국, 일본, EU에서 미래 성장동력 산업으로 육성하고 있다.
2. 산업동향
2.1. 시장전망
전 세계 연료전지 시장은 최근 5년간 연평균 약 30%의 빠른 성장세를 보이며, 용도별로는 수송용과 고정형(stationary, 가정·건물용 및 발전용)이, 종류별로는 수소모빌리티용으로는 PEMFC, 가정·건물용으로는 PEMFC, SOFC, 발전용으로는 PAFC, SOFC, MCFC가 시장확대를 주도하고 있다.
연료전지 시스템의 출하량은 지속적으로 성장하여 2019년 1GW 이상의 연료전지가 판매되었으며 수소 모빌리티는 12,300대(2019년), 5,800대(2018년) 판매되어 시장이 급격하게 성장하고 있다.
[첨부6] . 연료전지 용도별, 종류별 출하량(MW)
(출처 : E4Tech for DOE analysis project (2019))
향후 10여년간 연료전지 시장의 확장은 주로 수소전기차를 중심으로 한 모빌리티 산업이 견인할 것으로 예상된다.
2.2. 국외 시장 동향
정부 주도의 보급지원 정책을 추진하는 한국, 미국, 일본을 중심으로 발전용 가정· 건물용, 수송용 연료전지 초기 시장이 형성되고 있다. 연료전지 시스템 가격 저감, 수명 및 효율 향상에 관한 연구 개발은 꾸준히 진행되고 있으며 양산 규모를 확보한 기업이 출현하기 까지는 시간이 걸릴 것으로 예측된다.
후지경제 (2019년) 분석에 의하면 2019년 연료전지 시장은 매출액 규모 2.5조원, 설비 출력 규모는 약 1,310MW 이며 2030년 44.7조원으로 약 17.9배 증가할 것으로 예측하고 있다. 용도별로는 수소전기차 시장이 2019년 4,670억원 규모에서 2030년 19.0조원 규모로 약 41배 증가하여 최대 성장부문으로 예상된다. 발전용 시장은 2019년 9,430억원에서 2030년 5.1조원으로 5.4배, 가정·건물용 연료전지 시장은 5,070 억원에서 3.9 조원 규모로 약 7.7배 성장을 전망하고 있다. 지게차, 트럭, 선박 등 수소 모빌리티 시장은 5,330 억원에서 15.4 조원 규모로 약 28.9 배 성장을 전망하고 있다.
[첨부7] . 2019년 연료전지 기술 시장 장래전망(후지경제)
2019년 전체 매출액 중 발전용 시장은 37.5%, 가정·건물용 20.2%, 수소 전기차 18.2%, 수소 모빌리티 23.0% 를 차지하고 있다. 2030년 이후 연료전지 시장은 수소전기차 42.6% , 수소 모빌리티 34.4% 로 발전용 11.4%, 가정·건물용 8.6% 로 재편될 것으로 예측하고 있다.
2.3. 국내 시장 동향
국내 발전용 연료전지는 신재생에너지 설치의무화 제도(RPS; renewable portpolio standard)에 힘입어 2019년 누적 보급용량은 469MW에 도달하였고, 매년 신규 보급용량이 획기적으로 늘어가는 추세이다. 국내의 연료전지 누적 보급용량을 분석해 보면 대부분 발전사업을 위해 설치되는 발전용 연료전지이며, 건물용 연료전지는 전체 용량의 1% 수준이다.
가정 ․ 건물용 연료전지의 경우 주택지원사업(그린홈 100만호 사업)을 중심으로 1kW급 가정용 연료전지 열병합 시스템의 보급이 이루어지고 있으며 공공건물 신재생에너지 의무설치 및 서울시 신규건물 신재생에너지 의무설치 규정으로 5-10kW 급 건물용 연료전지 보급이 확대되고 있으며 설치용량 기준 가정용 보급량을 추월한 상태이며 총 7MW가 설치되었다.
수소전기차는 친환경자동차 보급정책과 수소경제활성화 정책을 통하여 급격히 성장하였으며 2020년 내수 1만대 판매를 달성하였으며 2천대 이상을 수출하였다.
연료전지 산업은 연료전지 설비 도입과 연료조달을 통한 연료 투입 단계와 전기 및 열을 생산하는 운영단계, 그리고 자가소비 또는 외부로 판매하는 소비/판매 단계로 이뤄진다. 연료전지 설비도입은 한국퓨얼셀(전 포스코에너지), 두산퓨얼셀, 에스퓨얼셀 시스템 제조회사 주도로 이루어지고 있다.
2.4. 발전용 연료전지
높은 발전단가로 인하여 발전용 연료전지 시장은 미국 CA 주 자가발전 인센티브 프로그램(SGIP)과 한국 RPS와 같은 정부 지원정책 의존성이 매우 높다. 세계 최대 시장은 한국과 미국으로 Bloom Energy(SOFC, 250kW), 두산퓨얼셀(PAFC, 400kW), FuelCell Energy/한국퓨얼셀(MCFC, 2,5 MW) 이 시장을 선도하고 있다. 2019년 세계 발전용 연료전지 시장 점유율은 Bloom Energy(50.1%), 두산퓨얼셀(33.6%), FuelCell Energy(13.8%) 순이다.
[첨부8]. 2019년 발전용 연료전지 시장 점유현황(kW)
(출처 : 2019년 연료전지 기술 시장 장래전망(후지경제))
발전용 연료전지 시장의 확대는 미국, 한국 주도로 이루어지고 있다. 가장 큰 이유는 연료전지 제조사인 Bloom Energy, FuelCell Energy, 두산퓨얼셀, 한국퓨얼셀(Fuel Cell Energy 제휴) 보유하고 있고 산업 육성을 위한 중앙정부 및 지방정부의 적극적인 인센티브 정책과 기후 위기 대응을 위한 온실가스 저감 정책 때문이다. 미국은 저렴 한 셰일 가스를 사용하기 때문에 연료전지 발전이 경제성이 높고, 노화된 전력망으로 인한 계통 전력의 불안정성을 해결하기 위하여 발전용 연료전지 도입을 추진하고 있다. 우리나라는 수소경제활성화 로드맵에서 발표한 바와 같이 미세먼지, 대기오염과 같은 환경문제 해결, 에너지 안보 강화를 위한 에너지 믹스의 다양화, 미래 성장동력 산업 육성을 위하여 발전용 연료전지 지원을 늘리고 있다.
2.5. 가정·건물용 연료전지
가정 ․ 건물용 연료전지 시스템은 도시가스(천연가스)나 LPG를 이용하여 전기와 열에너지를 생산하는 수백W-수kW급 열병합 발전장치이다. PEMFC와 SOFC 가 주로 사용되고 있으며 발전효율 35-45%, 열병합 종합효율은 90% 이상의 제품이 일본과 한국에서 출시되고 있다.
가정·건물용 시장은 일본 Panasonic(43%), Aisin Seiki(43%), Viessmann(4%), Kyocera(4%)로 일본 기업이 시장을 주도하고 있다. 일본 내수시장이 4-5만대/년 수준의 안정적인 시장을 구축하고 있는 반면 국내 시장은 시장 진입 초기 단계이다.
2.6. 수송용 연료전지
수송용 연료전지는 탈화석에너지의 유력한 대안이 되고 있으며, 에너지 사용량 및 탄소 배출량을 줄여 도심 환경 개선에 크게 기여할 수 있다. 수송 분야의 연료전지 이용이 시작된 것은 이미 오래전부터이다. 최근 북미에서는 보조금 없이도 연료전지의 이용이 두드러지고 있으며 상당한 숫자의 수소 버스가 세 계 여러 도시에 걸쳐 운행 중인 실정이다.
수소 전기차 시장점유율은 현대차(61%), 도요타(34%), 혼다(5%) 순이며 최근 Daimler가 시장진출을 발표한 상대이다. 수소 모빌리티 시장 중 급격히 확대되고 있는 연료전지 지게차 시장은 미국의 Plug Power가 최대 시장 점유율(91%)을 유지하고 있으며 캐나다 Hydrogenics, Ballard Power Systems, 일본의 Toyota가 추격하고 있다.
3. 국내외 보급현황
국내에서는 현대차 주도로 수소전기차 (승용) 1만대, 수소전기버스 15대가 판매되어 전국에서 운행중이다. 가온셀에서 개발한 수소지게차 5대는 국내실증운전 중이다. 가정 ․ 건물용 연료전지는 두산퓨얼셀, 에스퓨얼셀 주도로 약 7MW 가 보급되었으며 SOFC는 보급을 준비하고 있다. 발전용 연료전지는 한국퓨얼셀이 주춤하고 있는 사이 두산퓨얼셀이 보급을 주도하고 있으며 미국의 Bloom Energy, FuelCell energy 제품이 국내 설치되며 총 469MW(2019년기준)가 운전중이다. 수소경제활성화 로드맵 발표이후 발전용 연료전지 허가 신청이 급증하고 있으나 주로 Bloom Energy의 SOFC에 집중되고 있어 정부의 국내 연료전지 산업육성과 엇박자를 보이고 있다.
미국은 발전용 연료전지, 백업전원, 수소모빌리티 시장 확대에 주력하고 있다. 캘리포니아주를 중심으로 수소전기차, 수소버스 8,500대가 운전중에 있다. 현대차, Toyota 2 개사 주도로 판매가 이루어지고 있고 미국 기업의 참여는 이루어지고 있지 않다. 발전용 연료전지 기술 강국인 미국은 Bloom Energy, FuelCell Energy를 중심으로 약 500MW 이상이 보급된 상태이다. 수소 지게차, 백업전원과 같은 고부가가치 BM로 틈새 시장을 발굴하고 있다. 특히 수소지게차 미국내에서 각각 35천대 이상 판매되었으며 여러 산업분야에서 주문이 증가하며 자생적 시장으로 성장하고 있다.
일본은 수송용, 가정용 시스템 상용화에 우선 집중하고 있다. 수소 연료전지 산업을 차세대 성장동력산업으로 인식하여 정부에서 R&D 및 보급 확대를 위한 지원을 강화하고 있다. 2009년 5월부터 일반 소비자를 대상으로 가정용 연료전지에네팜 (Ene-Farm)을 판매하기 시작하여 2009년 3천대에서 2020년까지 약 37만대를 보급 하였다. 이를 기반으로 유럽의 건물용 열병합발전 시장에 현지 기업과 협력하여 시장을 확대하고 있다. 수소 모빌리티 분야는 Toyota, Honda가 일본 시장을 선도하고 있다. 수소전기차 3,757대, 수소전기버스 22대, 수소 지게차 250대를 보급하였다.
유럽에서는 H2 mobility UK, Germany, France 를 결성하여 수소전기차 및 수소인프라 확대를 지원하고 있다. 특히 교통 수단으로 인한 환경오염 문제를 해결하기 위하여 CO2 배출량을 규제하고 있어 수소 모빌리티 보급에 집중하고 있다. 독일, 프랑스, 영국에서 약 1천대의 수소전기차와 70대의 수소전기버스가 운행중이다. 대중교통인 버스, 열차에 수소연료전지를 도입하여 수소전기버스를 세계최초로 유럽전역에서 실증하였으며 수소 열차도 독일에서 상용 운전을 시작하였다. 가정·건물용 연료전지 산업 육성을 위해 EU 연료전지 실증 프로그램 PACE를 지원, 약 2,800대가 실증중이다. 독일에서는 KfW 지원 프로그램으로 약 5,500대가 보급되고 있다.
중국에서는 전기차에 대한 보조금을 줄이면서 수소차에 대한 보조금 지원을 확대하고 있다. 특히 대도시 공해문제를 유발하는 디젤 버스, 트럭을 수소차로 교체하는 것을 장려하고 있어 수소버스 2,800대, 수소트럭 1,200대가 판매되었다.
3.1. 국내 발전용 연료전지 보급현황
국내 발전용 연료전지는 2009년-2011년 사이에 시행되었던 발전차액제에 의해 8MW 시스템이 설치되었으며 2012년부터 시행된 RPS 정책과 2019년 발표된 수소경제활성화 로드맵에 힘입어 534MW 연료전지 발전소가 운영 중이다. 2022년까지 1GW, 2040년까지 국내에 8GW 보급을 계획하고 있다. RPS 정책, 수소경제 활성화 정책으로 우리나라는 전 세계가 주목하는 연료전지 시장으로 FuelCell Energy, Bloom Energy, Fuji Electric, MHPS 등이 한국 시장 진출계획을 수립하고 있다.
2019.5월부터 연료전지 전용 가스요금제를 실시하여 발전용, 가정·건물용 연료전지 가스요금이 현행 13.16원/MJ에서 12.30원/MJ로 종전보다 6.5% 인하되었다. 도매요금 중 가장 싼 수송용 요금(12.6원/MJ) 수준으로 연료전지 1MW에 월 543만원 절감된다.
2020년 정부는 2022년부터 수소연료전지로 생산한 전력의 일정량을 구매하도록 의무를 부여하는 ‘수소 발전 의무화 제도’(HPS)를 도입한다고 발표하였다. 도입 배경은 수소연료전지의 높은 이용률 과 높은 REC 가중치로 RPS 시장에서 수소연료전지 비중은 지난해 13%에서 2030년 26%로 확대될 전망으로 다른 재생에너지와의 균형적인 보급 확대가 어렵기 때문이다. 그리고 LNG 가격 상승, REC 가격 불안정성으로 인한 연료전지 산업의 불확실성을 해결하고자 하였다. 2040년 연료전지 보급량 8 GW를 달성하고 향후 20년간 25조원의 투자를 창출될 것으로 전망하고 있다.
3.2. 국내 건물용 연료전지 보급현황
국내에서는 1kW급 가정용 연료전지의 보급은 정체되고 있으나 공공건물 및 신축 건물 신재생에너지 설치 의무화 정책으로 건물용 시장이 확대되고 있어 5~10kW급 제품이 적극적으로 적용되고 있다.
건물용 연료전지의 경우 공공기관의 신재생에너지 설치의무화 제도와 서울시의 환경영향평가 조례에 의해 적용되며, 매년 적용 비율이 높아짐에 따라 공공건축물의 경우 21년 대비 최대 10%이상의 의무율이 증가하며, 연료전지 시장도 매년 증가세를 이룰 것으로 예상된다.
4. 결론
산업통상부에서 발표한 2019년 연료전지 보급통계 자료에 따르면 19년도까지 누적 보급된 연료전지 용량은 총 469.148MW이다. 이중 발전용 연료전지가 464.356MW로 전체 보급용량의 약 98.9%이며, 건물용 연료전지의 누적 보급용량은 4.792MW로 전체 보급용량의 약 1.1%로 나타났다.
2017~19년까지 신규 보급용량을 검토해보면 2017년은 32.715MW, 18년 97.779MW, 19년 121.803MW로 2017년 대비 2018년의 보급률은 약 199% 성장하였으며, 2018년 대비 2019년의 보급률은 약 25% 증가하였다.
총 누적 보급용량 중 건물용 연료전지 비율을 근거로 2019년의 연간 건물용 연료전지 규모는 1,340kW (2019년 누적 보급용량 중 건물용 연료전지 1.1%기준)로 추정할 수 있으며, 예상 시장규모는 약 308.2억원(1kW당 사업예산 23백만원기준)으로 추산된다.
연간성장율을 25%로 가정하면 2021년 당해연도 건물용 연료전지 시장규모는 2.1MW로, 약 481억으로 예상되며, 2025년에는 건물용 연료전지 시장규모는 5.11MW로 약 1,176억의 시장이 형성될 것으로 예상된다.
발전용 연료전지는 2019년 기준 약 120MW(MW당 사업예산 40억 기준)로 예상 시장규모는 약 4,800억원이며 건물용 연료전지 시장 대비 약 16배 이상의 규모를 가지고 있다. 연료전지 시장이 꾸준히 성장한다고 가정할 때, 2025년 기준 예상 시장 규모는 464.5MW(MW당 사업예산 40억 기준)로 예상 시장규모는 약 1.85조원 규모이다. 2022년 수소 발전 의무화제도(HPS) 도입 시 발전용 연료전지 별도의 의무 공급시장 형성이 예상되며, 낙관적인 발전용 연료전지 시장이 예상된다. 낙관적인 정책기조와 시장 환경에 발맞춰 연료전지 사업에 대한 대비가 필요하다.
상기는 연료전지 시장 현황에 대한 정리를 하였고 이 시장에서의 방향성을 잡고 진행해 보려고 공유합니다.
좋은 의견 부탁드립니다.
[너무 긴 글이라 지루하시겠네요...]