조선업계가 연료전지를 활용한 차세대 선박 개발에 박차를 가하고 있다. 연료전지는 발전효율이 매우 높고 환경 오염물질 감축 효과가 큰 에너지원이다. 현재 기존 내연기관용 선박 추진기 및 발전기를 대체할 수 있는 미래 친환경 연료로 각광받고 있다.
26일 업계에 따르면 현대중공업그룹의 조선 지주사인 한국조선해양이 연료전지를 추진시스템에 이어 발전시스템까지 확대 적용하며, 차세대 친환경 선박 개발을 가속화하고 있다.
한국조선해양은 최근 노르웨이‧독일 선급인 DNV-GL로부터 ‘연료전지(SOFC) 발전시스템’ 설계에 대한 기본인증(AIP)을 획득했다고 밝혔다.
이 발전시스템은 중대형 원유운반선(아프라막스급)에 탑재되는 3메가와트(MW)급 발전엔진 일부를 고체산화물 연료전지(SOFC)로 대체한 것이다. 추후 연료전지를 발전원 전체로 확대 적용하면 기존 내연기관 엔진보다 발전효율을 43% 높일 수 있다.
특히 온실가스(CO2)를 40% 이상 저감시키고, 황산화물(SOx)‧질소산화물(NOx) 등 환경오염물질 배출도 줄일 수 있어 미래 친환경 에너지 기술로 평가받는다.
또 한국조선해양은 연료전지 발전시스템에 대한 통합 설계 및 선내 배치를 직접 수행해 공간 활용도를 약 12% 높였다.
국제해사기구(IMO)는 2050년까지 선박 온실가스 배출량을 2008년 대비 50% 이하로 줄일 것을 규정하고 있다.
한국조선해양 관계자는 “강화되는 환경규제 추세에 대응하기 위해 해운사 및 기자재 업체들과 다방면에서 협력하고 있다”며 “연료전지 등 다양한 친환경 선박 기술을 선제적으로 확보해 기술 초격차를 유지해 나갈 것”이라고 말했다.
한편 현대중공업그룹은 지난해 3월 DNV-GL로부터 원유운반선을 대상으로 고체산화물 연료전지를 연계한 하이브리드 전기추진시스템의 기본인증(AIP)을 획득한 바 있다. 올해 초는 현대중공업 울산본사에 200KW규모의 연료전지 복합동력시스템 실증센터도 구축했다.
▲삼성중공업이인도한 세계 최초 LNG 이중연료 셔틀탱커. (사진=삼성중공업 제공)
업계 2위 삼성중공업도 미래 친환경 선박 시장을 선점하기 위해 연료전지 적용 선박 개발에 가속페달을 밟고 있다.
삼성중공업은 최근 세계적 연료전지 제조사인 미국 블룸에너지(Bloom Energy)와 선박용 연료전지(Fuel cell) 공동개발을 위한 업무협약(JDA, Joint development agreement)을 체결했다.
삼성중공업은 이번 업무협약을 통해 세계 최초로 고체산화물연료전지(SOFC, Solid oxide fuel cell) 상용화에 성공한 블룸에너지와 주력 제품인 LNG선, 셔틀탱커 등에 적용할 수 있는 연료전지 핵심기술을 2022년까지 추가 확보함으로써 미래 친환경 선박에 대한 기술 선점을 확고히 한다는 계획이다.
업무협약 체결에 앞서 양사는 지난해 9월 노르웨이 독일 선급인 DNV GL로부터 연료전지 적용 원유운반선에 대한 기본설계 승인(Approval in Principle)을 세계 최초로 획득한 바 있다.
연료전지는 발전효율이 매우 높고 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 및 온실가스(CO2)와 같은 오염물질 감축 효과가 크다. 기존 내연기관용 발전기를 대체할 친환경 에너지원으로 평가받고 있다.
국제해사기구는 선박 온실가스 배출을 2025년까지 2008년 대비 30% 이상 감축하도록 강제하고 있다. 2018년 해양환경보호위원회인 MEPC 제 72차 회의에서는 ‘선박의 온실가스 배출량 저감을 강력히, 그리고 조속히 시행한다’는 비전을 제시하고 2030년 40%, 2050년 70%까지 규제 강화를 검토 중이다.
장해기 삼성중공업 기술영업팀장(상무)은 “환경규제가 강화될수록 전통 선박연료유(油) 탈피 경향은 더욱 빨라질 전망”이라며 “삼성중공업의 연료전지 선박 기술이 향후 해운업계에서 가장 안전하고 경제적인 친환경 솔루션이 될 것”이라고 강조했다.
이상헌 하이투자증권 연구원은 “연료전지 시장은 한국과 미국, 일본 등을 중심으로 초기 시장이 형성되는 단계다”라며 “후지경제에 따르면 2016년 글로벌 연료전지 시장은 매출액 1조3000억원, 설치용량 약 480MW의 규모였지만 2030년에는 41조원으로 약 32배 증가할 것으로 예측된다”고 설명했다.
이어 “국내 연료전지 시장 규모는 2013년 1억9000만 달러(2107억1000만원)에서 2015년 4억1350만 달러(4585억7150만원)로 약 117%의 큰 폭의 성장률을 기록했다”며 “이러한 성장세는 당분간 이어질 것이다. 지난해의 경우 12억5400만 달러(1조3906억8600만원) 규모가 추정되며, 2030년에는 약 2조5718억원 규모로 성장할 것”이라고 덧붙였다.
Tesla Inc. Chief Executive Officer Elon Musk has spent years mocking the idea of using hydrogen fuel cells rather than electric batteries to power next-generation green vehicles. “Fuel cells = fool sells,” the boss of the world’s top electric-car maker tweeted in June.
China, the world’s biggest market for electric vehicles, isn’t so quick to dismiss the alternative to batteries. Officials are promoting the development of hydrogen-powered cars, trucks and buses, with Beijing offering to reward cities that achieve adoption targets.
In a 15-year plan for new-energy vehicles released on Nov. 2, China’s State Council said the country will focus on building the fuel-cell supply chain and developing hydrogen-powered trucks and buses. President Xi Jinping in September set a 2030 deadline for China to begin reducing carbon emissions.
“Hydrogen is expected to play a much more important role to drastically decrease the country’s greenhouse gas emissions,” Kevin Jianjun Tu, a non-resident fellow at the French think tank Ifri, wrote in a report published in October.
China is targeting to have 1 million fuel-cell vehicles in operation by 2030, according to an energy savings vehicle development plan drafted by authorities, despite only 2,700 such cars selling in the country last year.
The nation’s renewed interest in hydrogen could put it further ahead of the U.S. in next-generation autos even as President-elect Joe Biden tries to promote clean-car development.
In theory, fuel cells are an ideal alternative to the internal combustion engine, since their chemical reactions of hydrogen and oxygen emit no carbon. Powering vehicles with hydrogen can be expensive, though, and most of China’s supply comes from burning fossil fuels. The difficulties of storing and transporting hydrogen add to the cost.
Trucks, Buses
As the supply of hydrogen generated by solar and wind power grows, the economics may improve. One utility is spending more than $3 billion on a wind and solar farm in Inner Mongolia that would produce as much as 500,000 tons of hydrogen a year, with operations expected to begin in 2021.
State-owned oil refiner Sinopec said Oct. 29 it’s investing in hydrogen production, transportation and fuel cells and is building hydrogen vehicle refueling stations.
The new infrastructure will likely support hydrogen-powered trucks and buses, with lithium-ion batteries remaining dominant for cars. Hydrogen makes sense for commercial vehicles since a fuel-cell automobile can go for longer on a single tank of hydrogen versus a battery-powered one on a single charge of electricity, according to Wang Chaoyun, the chairman of Anhui Mingtian Hydrogen Energy Technology Co., a startup that develops fuel-cell stacks and other inner workings for hydrogen vehicles.
Filling up the hydrogen tank also is much faster than recharging an EV battery.
China’s annual sales of fuel-cell vehicles will rise 10-fold over the next five years to 50,000 units before hitting half a million by 2035, says Wang, who predicts China will become the No. 1 market within three years.
Shanghai-based SAIC Motor Corp. said in September that it plans to launch 10 hydrogen vehicles by 2025.
Beijing SinoHytec Co., which develops hydrogen-fuel-cell engines, raised about 1.4 billion yuan ($213 million) in an initial public offering in August and is one of five Chinese companies that in June teamed up with Toyota Motor Corp. to develop fuel-cell systems for commercial vehicles.
The Japanese automaker sees the market dominated by hydrogen-powered trucks and buses rather than cars, said Chisato Yoshifuji, a project manager at Toyota. “China is concentrating on commercial vehicles and that aligns with Toyota’s thinking,” she said. “It’s a huge trend supported by the government.”
Beer Delivery
Other foreign-backed companies see opportunities in hydrogen trucks, too. Hyundai Motor Co. on Nov. 5 announced agreements with five Chinese partners to promote the development of hydrogen fuel-cell commercial vehicles.
“Hyundai believes China has a massive potential for hydrogen powered commercial vehicles,” said In Cheol Lee, Hyundai’s executive vice president and head of commercial vehicle division. Hyundai and its regional partners aim to supply some 4,000 fuel cell electric commercial vehicles in China by 2025.
The Asian subsidiary of beverage giant Anheuser-Busch InBev SA/NV, meanwhile, added four hydrogen fuel-cell trucks to its fleet, the company announced Sept. 28. It plans to deliver beer using the trucks, making China the first nation where the company has deployed such vehicles for beer shipments.
“Pure electric vehicles and fuel cell-powered automobiles are equally important in our new energy vehicle development strategy and will coexist in the long run,” Wan Gang, who is a vice chairman of China’s national advisory body for policy making and often called the father of the country’s electric-car movement, said in January.
Many skeptics do share Musk’s misgivings. Fuel cells are less efficient than batteries and the cost of building supporting infrastructure like refueling stations is much higher, according to a report published this month by IDTechEx, a research firm from Cambridge, England. Fuel-cell vehicles will “continue to be a commercial failure for the next two decades,” it said.
And for now, Chinese leaders may be keeping their options open as they wait to see how the technology develops.
“The limited details in this plan suggest, at the national level, policy makers are still deliberating over the role of hydrogen in China’s energy economy and the country’s goal of carbon neutrality by 2060,” BloombergNEF analysts Siyi Mi and Jinghong Lyu wrote in a report published Nov. 13, with reference to China’s 15-year plan for new-energy vehicles.
ReFire, a Shanghai startup that manufactures fuel-cell engines, is one company that’s nonetheless preparing for a surge in demand. It makes about 1,000 engines a year for Chinese producers of trucks and buses and expects annual capacity to soar to 20,000 as early as 2024. The competitiveness gap with EVs will shrink as hydrogen gains acceptance, Chief Executive Officer Robin Lin said.
“There’s a great chance for a dramatic drop in hydrogen prices,” he said. “As long as hydrogen power is cheap enough, it’ll be a natural choice.”
부산 조선기자재업체 파나시아가 액화천연가스(LNG)에서 수소를 추출하는 기술 개발에 성공했다. 이를 바탕으로 수소에너지 분야로 사업을 본격적으로 확장할 예정이다.
부산시의회 신상해 의장이 19일 부산 강서구 한국생산기술연구원의 파나시아 수소 추출기 개발 현장을 둘러보고 있다. 김성효 전문기자 kimsh@kookje.co.kr
파나시아는 LNG에서 수소(개질수소)를 추출하는 ‘파나젠’을 개발하고 부산 강서구 미음산단 내 한국생산기술연구원 연구센터에서 시운전 중이라고 19일 밝혔다. 시간당 수소 250㎥ 를 생산하는 파나젠 1호 제품은 2022년 대전 수소충전소에 설치될 예정이다. 현재 수소 추출 기능은 원활하게 작동하고 있지만, 수소에너지 시설 인근 주민의 불안을 해소하기 위해 앞으로 작동 상황 실시간 감시와 사고 예방 기능 등을 탑재한 원격·인공지능 관제 시스템을 적용할 예정이다.
개질수소는 현재 국내 수소충전소에서 주로 사용되는 부생수소에 비해 여러 장점을 지녔다. 부생수소는 석유화학 제품을 만드는 과정에서 발생하는 수소를 저장한 것이다. 수소 생산을 위한 설비 투자 비용이 없다는 게 장점이지만, 생산량에 한계가 있고 저장한 수소를 운송해야 하는 단점이 있다. 반면 개질수소는 추출기에 도시가스만 공급하면 충전소 현장에서 곧바로 생산할 수 있어 운송비용 없이 저렴하게 생산할 수 있다. 수소튜브트레일러로 1회 운송하는 수소로는 버스 20대를 충전할 수 있는데, 파나젠은 시간당 버스 40대 충전 분량의 수소를 생산할 수 있다.
이런 장점 때문에 앞으로 개질수소를 이용한 온사이트(현지 생산) 방식 수소충전소가 늘어날 전망이다. 정부는 수소충전소를 2022년 310곳, 2040년 1200곳으로 대폭 늘릴 예정이어서 개질수소 추출기 수요가 급증할 전망이다. 파나시아 관계자는 “개질수소 추출기는 경량·소형화 할 수 있다는 게 장점”이라며 “이 기술을 이용해 가정·선박용 수소 연료전지 발전 시스템도 개발하고 있다”고 말했다
