탄소중립은 선택적 과제가 아닌 필수적 과제가 됐다. 이에 세계 각국들은 탄소중립을 실현하기 위해 다양한 정책을 내놓고 있다. 다양한 정책 중 ‘수소’는 항상 포함돼 탄소중립 실현에 주요 에너지원으로 자리매김하고 있다. 특히 태양광, 풍력 등 재생에너지를 활용해 생산하는 ‘그린수소’는 탄소중립 실현에 가장 적합한 에너지원으로 평가받고 있다. 최근 국내에서 P2G(Power to Gas) 에너지 저장 기술을 활용해 버려지는 잉여에너지를 청정 그린수소로 만드는 기술을 확보한 ㈜지필로스(대표 박가우)가 주목받고 있다.

2009년 설립 … 전력변환장치 개발 및 전문 제조기업
전력변환기 국산화 … 국내 연료전지 시장 보급 · 확대
끊임없는 연구개발 … NET 신기술 인증 등 기술력 인정 받아

경기 용인에 위치한 지필로스는 재생에너지 분야에 특화된 전력변환장치(PCS) 개발 및 전문 제조기업으로 2009년에 설립됐다. 전력변환장치란 에너지 저장시스템 내에 발전원에서 전력을 받아 배터리 등에 저장하거나 방출시키기 위해 전압, 주파수, 전류 등의 전기 특성을 변환하는 장치다.

회사 관계자는 “회사가 설립된 당시 국내 기술로 만들어진 전력변환기는 전무했고 시장 상황도 매우 열악했다”며 “대부분 가격이 비싼 일본 제품을 사용했다”고 설명했다.

이에 박가우 대표는 전력변환기 국산화를 통해 저렴한 가격으로 국내 연료전지 시장에 보급 및 확대를 목표로 사업을 펼쳤다. 우수한 기술력을 바탕으로 고효율의 안정적인 전력에너지 공급을 위해 쉼 없이 연구개발에 매진했다. 그 결과 NET(New Excellent Technology) 신기술 인증서, 연료전지용 전력변화장치 특허증, 녹색기술인증서, 기술혁신형 중소기업 이노비즈 확인서 등을 획득했다.

이런 기술력을 바탕으로 연료전지 전력변환장치의 인버터(600w~500kW)제조사 중 가장 많은 제품을 보유하고 있다. 특히 2016년 말 실리콘(Si)계열 전력반도체가 아닌 차세대 반도체라 불리는 질화갈륨(GaN)소자를 이용한 연료전지 인버터를 세계 최초로 상용화에 성공했다. 이를 통해 국내 연료전지 전력변환장치 크기가 60% 축소됐고 효율은 더욱 향상됐다. 이와 함께 원가도 절감시켜 국내 시장점유율 70%
를 차지하고 있다.

P2G 에너지 저장기술 주목 … 수소 생산 및 저장
태양광 · 풍력, 잉여전력 발생 … 수전해 시스템으로 그린수소 생산
미활용 에너지 문제 부각 … 재생에너지원 친환경성 유지

연료전지시스템용 전력변환장치 분야에서 독보적인 위치에 오른 지필로스는 현실에 안주하지 않고 수소에너지의 역할과 중요성을 알리면서 관련 분야 연구를 활발하게 진행했다.

회사 관계자는 “전력변환기를 공급해 오면서 자연스레 연료전지 시장 확대에 대해 고민하다 수소에너지로 방향을 설정했다”며 “재생에너지 보급이 20%까지 늘어나면 전력계통의 불안정이 갈수록 심화되고 이를 해결하기 위해서는 에너지를 저장한 후 다시 사용해야 되는데 전기를 저장하기 위해 배터리를 사용하는 것도 비용의 한계가 있다”고 설명했다.

이에 지필로스가 주목한 것이 바로 P2G 에너지 저장기술이다. P2G 에너지 저장 기술이란 태양광이나 풍력 발전을 이용해 대량 생산된 전기로 ‘수소’를 생산 및 저장하는 것이다. 수소의 생산은 P2G ‘수전해 시스템’을 이용한다. 수전해 시스템이란 전기화학반응으로 물을 분해해 수소를 생산하는 기술이다.

회사 관계자는 “수전해 기술을 통해 물을 분해하면 수소와 산소만 생산되고 오염물질이 전혀 발생하지 않는다”며 “이렇게 생산되는 수소를 완전한 친환경 수소라는 의미로 ‘그린수소’라고 부른다”고 강조했다.

여기서 사용되는 전력은 태양광 · 풍력 발전에서 버려지는 잉여전력이다. 태양광 · 풍력 발전에서 사용되는 에너지원인 태양의 일조량과 바람세기는 일정하지 않다. 이에 발전량이 너무 많아 버려지는 잉여전력이 발생하거나 전력이 부족한 사태가 발생할 수 있다. 잉여전력을 수전해 시스템을 통해 수소로 생산한 후 태양광 · 풍력 발전량이 적을 때 수소로 수소연료전지를 가동해 전력을 생산하는 것이다.

불규칙적인 발전 문제, 전력변환장치로 해결 … “안정적이고 높은 효율 수소 생산 가능”
500kW급 전력변환기 국산화 성공 … 하이브리드 수소 변환 · 발전 시스템 NET 인증 획득
연료전지, 종합기술 … “에너지 패러다임 전환 시대, 가교역할 할 것”

특히 최근에는 재생에너지 보급이 확산됨에 따라 계통 수용량을 초과한 미활용 에너지 역시 문제로 부각되고 있다. 미국, 유럽 등 재생에너지 발전량이 많은 국가들의 경우 계통 수용량을 초과한 전기에너지 문제를 해결하기 위해 감발운전 또는 설비정지로 발전소의 출력을 제한하고 있다.

국내 역시 똑같은 문제를 갖고 있다. 한국중부발전이 운영 중인 상명 풍력발전소는 2016년부터 전력거래소의 급전 지시요청이 있을 때마다 발전소의 출력을 제한하고 있다. 제주지역 풍력발전소의 출력제한 횟수도 2015년 3회에서 매년 증가해 2018년 17회, 2019년 46회, 지난해에는 50회를 상회하고 있다.

회사 관계자는 “P2G 에너지 저장기술로 이러한 불규칙한 발전문제를 해결하는 동시에 재생에너지원의 친환경성을 유지할 수 있다”고 전했다.

실례로 중부발전 풍력발전소에 설치된 P2G 그린수소화 시스템은 계통 수용량을 초과한 전기에너지를 장기간 저장이 가능한 수소에너지로 변환해 저장하거나 발전이 부족할 때는 수소연료전지시스템을 가동해 전력을 생산할 수 도 있다.

하지만 잉여전력을 수소로 전환한 후 사용하더라도 P2G 시스템에 이용되는 태양광, 풍력의 불규칙적인 발전 문제는 여전히 존재한다. 발전의 변동성에 따른 전력계통의 불안정은 수전해 시스템의 ‘전해조(수전해 시스템에서 전기분해를 통해 수소를 생산하는 핵심장치)’에 무리를 줄 수 있다. 이는 전해조 고장을 유발할 수 있으며 수소 생산효율도 감소될 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 지필로스는 자신들의 주무기인 전력변환장치를 활용했다.

회사 관계자는 “전력변환장치를 활용하면 태양광 · 풍력 발전으로 생산된 전력을 일정하게 수전해 시스템 전해조에 전달할 수 있어 안정적이고 높은 효율의 수소 생산이 가능해진다”며 “비상전원기능이 장착된 전력변환장치는 정전상황이 발생할 경우 주요 부하에 안정적인 전력을 공급해줄 수 있다”고 설명했다.

이에 지필로스는 ‘도시철도 역사에너지 절감을 위한 기술 개발’ 사업에 참여해 차세대 500kW급 전력변환기 국산화에 성공했다. 또한 지난해 ‘풍력에너지 미활용 전력을 이용하는 500kW급 하이브리드 수소 변환 · 발전 시스템’으로 산업통상자원부 국가기술표준원의 신기술(NET)인증을 획득했다.

회사 관계자는 “이 시스템의 핵심 경쟁력은 태양광이나 풍력 발전으로 만들고 남은 잉여전력을 수소로 변환해 저장 · 활용하고 이를 다시 전기에너지로 바꿔 사용하는 시스템 설계 기술”이라고 말했다.

이를 위해 변동성이 큰 재생에너지원인 태양광, 풍력발전의 감발운전 및 계통전원의 불안전성을 해소해 안정된 전력을 공급할 수 있는 에너지저장시스템(ESS)을 사용한다. 또한 재생에너지가 생산되지 않는 시간대에 수전해 장치를 최소 전력으로 운전시켜 기동 · 정지 반복에 의한 전극손상을 최소화한다. 이와 함께 햇빛이나 바람 등 발전원의 상태를 모니터링하고 발전원의 변화와 생산전력 사이의 시차를 사전에 대응할 수 있도록 했다.

현재 이 시스템은 제주도 상명 풍력단지에 설치돼 시운전 중이다. 하루 10시간씩 수소를 생산할 경우 수소전기차 9대(한 대당 5kg)를 충전할 수 있다. 현재 제주도에서 한 대도 달릴 수 없는 수소전기차와 수소전기버스가 달릴 수 있는 기반이 마련되는 것이다.

회사 관계자는 “연료전지는 전체를 아우를 수 있는 종합기술”이라며 “에너지 패러다임의 전환 시대에 우리 지필로스가 가교 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

이훈 기자 hoon@kea.kr

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