범한퓨얼셀, ‘SOFC’로 건물 발전 패러다임 바꾸다

[K-에너지 초격차] ⑧ 고온·고효율 3세대 연료전지 스택 국산화
종합 효율 90% 돌파... 도심형 고밀도 분산 전원 솔루션 확보
화석연료 의존 끊고 전력 자립률 높이는 24시간 청정 엔진

중동 전쟁의 포화 속에서 확인된 호르무즈 해협의 위기는 대한민국에 '에너지 자립'이라는 준엄한 생존 명령을 내렸다. 특정 지역의 지정학적 리스크가 국가 경제의 명운을 결정짓는 시대는 기술 주권 확보를 통해 마침표를 찍어야 한다. 본지는 에너지 안보의 핵심 보루로 거듭나고 있는 K-에너지 초격차 기업들을 찾아 그들이 보유한 원천 기술의 본질과 미래 가치를 심층 진단한다. [편집자주]

SOFC 세라믹 스택의 나노 계면 레이저 검사 공정./AI 생성 이미지

| 서울=한스경제 김종효 기자 | 글로벌 지정학적 리스크로 에너지 공급망의 취약성이 고스란히 노출된 지금, 외부 충격에 흔들리지 않는 가장 확실한 방어선은 소비처 인근에서 전력을 직접 생산하고 소비하는 '분산형 전력망'의 확충이다. 

특히 국토의 대부분이 산지고 인구와 산업 인프라가 도심에 밀집된 대한민국 환경에서는 대규모 송전선로 건설 없이 건물 자체적으로 에너지 자립을 달성하는 기술이 필수적이다. 

대한민국 수소연료전지 원천 기술의 명가 범한퓨얼셀은 차세대 3세대 연료전지인 '고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)' 기술을 통해 도심형 분산 에너지 주권을 탄탄히 다지고 있다.

기존 도심 건물이나 공공기관에 보급되던 1~2세대 연료전지(PAFC, PEMFC)는 저온 작동 특성상 가동 효율이 비교적 낮고 발열을 활용한 종합 에너지 효율을 극대화하는 데 한계가 있었다. 범한퓨얼셀은 섭씨 600도(℃) 이상의 고온에서 작동해 발전 효율을 극적으로 끌어올리는 세라믹 기반의 SOFC 스택 공정을 현실화하며 국산화 장비 시장의 판도를 뒤흔들고 있다.

고온 작동 중인 고체 산화물 전해질 내부 단면./AI 생성 이미지

▲세라믹 공학의 정점, '고온 고체전해질 스택' 제어 기술

SOFC 기술의 본질은 액체나 고분자 막 대신 단단한 세라믹 소재(산화지르코늄 등)를 전해질로 사용해 산소 이온을 투과시키는 화학적 통제력에 있다. 섭씨 600도에서 800도에 이르는 극한의 고온 환경을 견뎌야 하므로 열팽창에 의한 스택 균열을 방지하고 균일한 전류 밀도를 유지하는 재료공학적 내구성이 요구되는 고난도 분야다. 

이 고온 작동 특성은 연료전지 내부에서 자체적인 개질(Reforming) 반응을 유도할 수 있어 별도의 복잡한 외부 개질기 없이도 높은 에너지 변환 효율을 낸다는 결정적 무기를 지닌다.

범한퓨얼셀이 고도화한 SOFC 스택 설계 기술은 세라믹 전해질과 전극(양극·음극) 사이의 계면 저항을 나노 단위로 제어하는 박막 제조 공법이 집약돼 있다. 고온 가동 시 발생하는 이종 재료 간의 변형률 차이를 완벽히 계산해 스택 내부의 열적 스트레스를 원천 차단했다.

동시에 연료가 흐르는 내부 유로 가이드에 특수 촉매 코팅을 균일하게 적용, 탄소 침착(Coking) 현상에 의한 성능 저하를 방지했다. 발전 과정에서 발생하는 고온의 배기열을 지역난방이나 온수 공급용 열원으로 재활용하는 고효율 열교환 시스템을 통합 적용한 결과 순수 발전 효율 50%를 넘어 종합 에너지 효율 90% 돌파라는 경이로운 에너지 효율을 달성했다.

세대별 연료전지 기술 및 운영 사양 비교

▲도심 빌딩과 스마트 산단을 지키는 분산 안보 기지

범한퓨얼셀의 SOFC 시스템은 비상 발전기의 역할에 그치지 않고 도심의 기저부하를 24시간 책임지는 안정적인 '분산형 소형 발전소'로 안착하고 있다. 

기후 조건에 따라 발전량이 널뛰는 태양광이나 풍력과 달리, 연료전지는 사계절 내내 기상 변화와 관계없이 전력을 일정하게 뿜어내는 높은 신뢰성을 자랑한다. 대규모 송전망 건설 지연으로 전력 공급 둔화를 겪는 대도시 중심부나 데이터센터 밀접 지역에 설치돼 전력 계통의 부하를 덜어주는 핵심 솔루션이다.

이 과정에서 범한퓨얼셀은 국내 친환경 건축물 인증 제도 및 제로에너지빌딩(ZEB) 의무화 규제에 최적화된 상업용 고밀도 SOFC 패키징 기술을 수립했다. 소음과 진동을 차단하는 정밀 차음 설계와 더불어 가스 누출을 실시간으로 감지하고 자동으로 차단하는 다중 안전 제어 로직을 탑재했다.

도심형 빌딩 지하 기계실이나 옥상 유휴 공간에 협소한 면적으로도 즉각 설치할 수 있도록 모듈형 슬림 설계를 완성한 것도 강점이다. 분산형 스마트 산단이나 대형 병원 거점에 상시 가동돼 상시 전력을 공급하고 동시에 확보한 온수를 건물 전체에 공급하는 에너지 완전 자립 생태계를 구현했다.

범한퓨얼셀 SOFC 핵심 기술 포인트

▲핵심 스택 주권이 이끄는 상업용 에너지 안보의 최종 기지

범한퓨얼셀이 완성한 SOFC 스택 및 시스템 국산화 기술 주권은 국가 에너지 자립의 체질을 바꾸는 최종 기지다. 연료전지 시스템의 심장부인 스택 설계 기술을 보유하지 못한 채 외산 장비 조립에만 의존할 경우 글로벌 부품 공급망 교란이나 원자재 가격 폭등 상황에서 국가 핵심 시설의 전력 인프라 유지가 흔들릴 수 있기 때문이다. 

범한퓨얼셀은 주변 장치(BOP)부터 핵심 부품인 스택까지 엔지니어링 전 공정을 내재화함으로써 외산 기술에 휘둘리지 않는 단단한 장비 자립을 완수했다.

글로벌 장비 공룡들이 내수 시장 선점을 위해 거센 물량 공세를 펼치더라도 국내 건축 환경과 까다로운 한국가스안전공사(KGS) 인증 기준을 만족하며 고부가가치 분산 전원 시장을 주도할 수 있는 기업은 범한퓨얼셀이 독보적이다. 독자적인 기술력과 인프라가 결합돼 대혼돈 속에서도 흔들리지 않는 절대적인 국산 연료전지 생태계를 완성한 셈이다.

도심 빌딩 옥상에 설치된 친환경 SOFC 모듈형 발전소./AI 생성 이미지

에너지업계 관계자는 "독립된 분산 전원으로서 24시간 흔들림 없이 전기와 열을 동시에 뿜어내는 고체산화물 연료전지 기술은 도심 인프라 자립의 핵심"이라며 "글로벌 공급망 위기 국면 속에서도 화석연료 발전 의존도를 낮추고 도심의 에너지 대동맥을 촘촘히 채워나가는 범한퓨얼셀의 SOFC 기술이야말로 국가 산업의 백년대계를 지탱하는 진정한 초격차 소프트 파워"라고 평가했다.