SOFC가 열어가는 발전용 연료전지의 새 지평

SOFC가 열어가는 발전용 연료전지의 새 지평

대학생신재생에너지기자단 27기 권준혁

 

발전용 연료전지의 시대가 온다

연료전지란 천연가스, 수소, 암모니아 등의 연료를 투입하면 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 신에너지의 일종이다. 연료전지는 터빈을 돌리는 기존 방식의 발전에 비해 효율이 높고 소음이 적어 분산형 전원에 적합하다는 장점이 있다. 특히 연료로 그린수소나 그린 암모니아를 활용하면 무탄소 전원으로 활용될 수도 있다.

이러한 연료전지 시장은 성장 잠재력이 매우 높은 것으로 평가되고 있다. Vantage Market Research에 따르면, 글로벌 수소연료전지 시장은 2024년 57억 달러에서 2035년까지 423억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 연평균 성장률(CAGR)은 20%에 이를 것으로 보인다. 이러한 연료전지 시장의 성장세를 견인하는 부문 중 하나가 바로 발전 부문이다. 일반 대중들에게는 수소차에 들어가는 모빌리티용 연료전지가 더 익숙할지도 모르지만, 연료전지는 자동차뿐만 아니라 건물, 데이터센터, 그리고 산업단지에 이르기까지 다양한 수요처에 전력을 공급할 수 있다. 특히 AI와 전기차로 인해 급증하는 전력 수요를 송배전 설비의 확충 속도가 따라가지 못하는 상황에서 수요지 인근에 비교적 짧은 시간 내에 건설할 수 있는 연료전지 발전소가 특히 주목받고 있다. 우리나라 또한 2040년까지 발전용 연료전지 보급 목표를 15GW(내수용 8GW)로 설정한 만큼 발전용 연료전지가 산업의 다양한 부분에서 중요한 역할을 하게 될 것임을 알 수 있다.

 

고체산화물 연료전지(SOFC)란?

발전용 연료전지에는 많은 종류가 있지만, 그중 가장 주목받는 형태의 연료전지 중 하나가 바로 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)이다. SOFC는 전해질 역할을 하는 세라믹 소재의 결함 구조 사이로 산소 이온이 이동하여 전하를 전달하고 전기화학 반응을 일으켜 전기를 생산한다. 참고로 세라믹은 금속 원소와 비금속 원소가 결합해 만들어진 무기 재료를 의미하며, 우리에게 친숙한 대표적 세라믹으로는 도자기가 있다.

SOFC는 다른 발전용 연료 전지에 비해 몇 가지 장점을 가진다. 다양한 방식의 연료전지들의 특성을 비교해보자면, SOFC는 500~1000도에 이르는 고온 조건에서 동작하여 에너지 효율이 다른 방식에 비해 높으며, 열병합발전을 결합할 경우 효율이 최대 90%까지 상승할 수 있다. 또한 단위 부피당 출력이 최대 19.25kW/m^3으로 가장 높고 최대 2000kW에 달하는 대규모의 출력을 달성할 수 있어 발전용 연료전지에 특히 더 적합하다.

SOFC의 가장 큰 장점은 바로 다양한 연료를 활용할 수 있다는 것이다. 비록 그린수소가 궁극적으로는 탄소 배출이 없는 가장 친환경적인 에너지원이긴 하나, 아직 공급량이 충분하지 않고 가격 경쟁력도 달성하지 못해 보급 확대에 어려움을 겪고 있다. 이는 수소를 연료로 사용해야 하는 다른 연료전지의 보급 속도가 더딘 이유이기도 하다. 하지만 SOFC는 수소뿐만 아니라 LNG를 비롯한 탄화수소계 연료로도 운전이 가능하다. 따라서 수소 경제로의 이행 속도가 더디더라도 투자의 불확실성을 줄여 시장에서 경쟁력 있는 대안으로 자리 잡을 수 있다.

게다가 SOFC는 암모니아도 연료로 활용할 수 있어 우리나라의 사정에 특히 더 적합할 수 있다. 우리나라의 경우 대부분의 그린수소 수요를 해외 수입에 의존할 계획이며, 이때 주로 암모니아 형태로 수소를 들여올 구상을 가지고 있다. 아래 자료는 수소를 암모니아 형태를 수입할 때 수입해오는 국가와 운송 방식 등을 달리한 시나리오별로 비용 구조를 나타낸 것이다. 아래 자료에서 초록색 부분이 암모니아 크래킹 과정에서 발생하는 비용이다. 파란색 부분이 수소의 유통 방식과는 무관한 수소 생산 비용이라는 것을 고려할 때, 수소를 암모니아 형태로 수입할 때 암모니아를 다시 수소로 크래킹하는 비용이 전체 유통 비용에서 큰 비중을 차지함을 확인할 수 있다. 따라서 암모니아를 연료로 투입하여 크래킹 과정을 간소화할 수 있는 SOFC는 추후 무탄소 연료 중심으로 패러다임이 변화하더라도 전력 생산의 경제성 측면에서 순수한 수소 기체만 연료로 투입이 가능한 다른 방식보다 상당히 우위를 가질 것으로 기대할 수 있다.

 

SOFC가 만들어가는 그린 데이터센터

발전용 SOFC의 주요 수요처 중 하나가 바로 데이터센터이다. 데이터센터는 소비하는 전력의 양도 많을뿐더러 매우 짧은 순간의 정전도 사업자 입장에서 극도로 치명적이다. 가정집이 정전될 경우 잠깐 불편한 것에 그치지만 데이터센터가 정전될 경우 단순히 불편한 정도를 넘어 귀중한 데이터가 손실되거나 핵심 서비스가 중단되는 등 엄청난 경제적 손실을 낳을 수 있기 문이다. 실제로 외부 전력망을 통해 데이터센터에 공급되는 전력이 불안정하여 데이터센터가 자체 발전기를 가동하는 경우는 종종 발생한다. 24년 7월는 미국 버지니아주에서 60개에 달하는 데이터센터가 전력 공급 불안정성으로부터 컴퓨터 칩 등 전자 장비를 보호하기 위해 한꺼번에 전력망에서 이탈한 후 자체 발전기로 전환하는 일이 있었다.

하지만 데이터센터가 자체 발전기로 전환할 경우 중앙 전력망 입장에서는 갑작스러운 대규모 전력 수요 이탈에 따른 순간적인 전력 공급 과잉으로 계통 불안정성이 심화된다. 따라서 일부 전력 운영사들은 데이터센터들이 일정 수준의 전력 변동은 그냥 감수하도록 의무화하는 규정을 도입하기 위한 움직임을 보이고 있다. 그러나 데이터센터들은 데이터센터의 전자장비들은 매우 작은 전력 변동에도 민감하기 때문에 받아들일 수 없다는 입장이다.

이처럼 데이터센터가 외부 전력망의 전력 변동을 용납할 수 없고, 전력 운영사들 또한 전력 불안정으로 데이터센터들이 갑자기 자체 발전으로 전환하며 이탈하는 것을 용납할 수 없는 상황에서 우리는 SOFC의 역할을 기대해 볼 수 있다. SOFC는 단순히 비상 발전용 백업 전원이 아닌 장기간 연속 운전에 최적화된 발전원이기 때문에 외부 전력망에 거의 의존하지 않고 데이터센터가 필요로 하는 전력을 안정적으로 공급할 수 있다. 물론 데이터센터에 공급되는 전력의 안정성을 확보하기 위한 방안으로 배터리도 많이 활용되고 있다. 하지만 2022년 SK C&C 판교 데이터센터 화재, 그리고 얼마 전 발생한 대전 국가정보관리원 데이터센터 화재 등의 사례에서 볼 수 있듯 배터리는 화재의 위험성을 안고 있다. SOFC는 화재 위험으로부터 자유롭다는 점에서 데이터센터의 안정적 전력 공급을 위한 대안으로서의 경쟁력을 충분히 갖추고 있다.

여기에 그린수소와 같은 청정 연료를 사용할 경우 ESG 이행 효과까지 있다. 데이터센터들은 막대한 전기를 소비하며, 만약 그 전기가 재생에너지가 아닌 화석 연료를 태워 발전한 전기일 경우 탄소 배출에 대한 책임으로부터 자유로울 수 없다. 이에 많은 데이터센터들이 재생에너지로 전력을 공급하겠다는 계획을 발표하고 있다. 구글은 2030년까지 전 세계 데이터센터를 100% 재생에너지로 운영하는 목표를 세우고, AI 기술로 냉각 시스템의 에너지 효율을 최적화하고 있다. 2024년 구글 데이터센터의 전력 소비량은 크게 증가했지만, 66%는 탄소 제로 전력으로 충당되고 있고, 태양광, 풍력 발전사업자들과 대규모의 전력 구매 계약도 체결하고 있다. 아마존 웹 서비스(AWS) 또한 2025년까지 데이터센터 전력의 100%를 재생에너지로 전환하겠다는 목표를 세웠고, 태양광과 풍력 발전 프로젝트를 대규모로 추진하고 있다. 게다가 EU를 비롯한 각국 정부들이 데이터센터의 탄소 배출을 규제하는 정책을 펼치고 있어 무탄소 전원에 대한 데이터센터들의 관심은 증가할 전망이며, 그린 수소를 활용한 SOFC는 이러한 요구를 충족시킬 수 있다.

SOFC는 이미 데이터센터에 배치되어 안정적인 전력을 공급하고 있다. 미국 CoreSite는 블룸에너지(Bloom Energy)의 SOFC를 활용해 밀피타스와 보스턴 데이터센터에 온사이트 전력을 공급하고 있다. 국내에서도 SK에코플랜트가 인천 부평 데이터센터에 국내 최초로 330kW 규모의 SOFC를 설치하여 보조전원으로 활용하는 친환경 데이터센터 구축 사례가 있다. 이처럼 SOFC는 AI에 의해 폭증한 전력 수요를 감당하는 핵심 발전원으로서 이미 자리를 잡고 있다.

 

마이크로그리드에서 SOFC의 역할

SOFC는 마이크로그리드에서도 큰 역할을 할 수 있다. 마이크로그리드란 전통적인 중앙 집중형 전력 공급 방식과 다르게 소규모 분산형 전원을 활용하여 하나의 지역 안에서 전력의 생산, 소비, 저장이 모두 이루어지는 전력망을 말한다. 계통과 연결할 수도 있고 독립적으로 가동할 수도 있기 때문에 중앙 전력계통에 문제가 생기더라도 정전되지 않고 정상적으로 전력을 공급 수 있다는 장점이 있다. 또한 중앙 집중 방식에 비해 변동성이 잦은 재생에너지를 통합하기에 유리하다는 특징도 있다. 반드시 계통과 독립적인 운영이 가능하지는 않더라도, 자체 발전 설비, ESS 등의 에너지 저장 설비를 보유하고 에너지 제어 기술이 결합되어 있다면 마이크로그리드로 분류할 수 있다.

연료전지는 아직 태양광과 풍력과 같은 다른 재생에너지 분산전원에 비해 초기 투자 비용이 크고 수명도 짧다. 하지만 연료전지는 날씨의 영향을 받는 재생에너지와 다르게 발전량을 조절할 수 있어 필요할 때 원하는 만큼의 전력을 생산할 수 있고, 요구되는 부지가 더 작다는 장점이 있다. 깨끗한 전기를 날씨의 영향 없이 공급할 수 있고 지리적 조건에도 거의 영행을 받지 않는 발전원은 연료전지가 거의 유일하다. 특히 전통적으로 마이크로그리드에서 백업 전력으로 쓰여왔던 디젤 발전기와 비교해서는 친환경성, 낮은 유지비용, 그리고 소음이 거의 발생하지 않는다는 점 등의 장점이 있다. 이러한 특성으로 인해 연료전지는 일사량이 충분하지 않고 넓은 부지를 확보하기 어려워 태양광 발전에 제약이 있고 소음에 민감하여 디젤 발전도 한계가 있는 도심 지역의 분산 전원으로 활용하기에 특히 유리하다.

연료전지, 재생에너지, ESS가 통합된 머이크로그리드에서는 재생에너지 생산량과 계통 전기요금의 변동에 따라 운영 전략을 최적화하면 전기요금을 절감할 수 있다. 기본적으로는 발전된 재생에너지를 우선적으로 사용하되, 만약 재생에너지가 남으면 전기요금 상황에 따라 외부 그리드를 통해 전력을 팔거나 ESS에 저장한다. 또한 피크타임에 전기요금이 비싸고 재생에너지 발전량이 충분하지 않을 경우 연료전지를 가동하여 전력을 충당하고, 그래도 부족한 전력은 ESS에 저장된 전기를 활용한다. 만약 연료전지 없었다면 재생에너지가 없을 때의 발전량을 충당하기 위해 ESS 설치 용량이 증가하거나 그리드를 통해 전력을 구매해야 하므로 비용이 상승한다. 실제로 중국의 서로 다른 네 지역의 SOFC를 포함한 마이크로그리드에서 위 같은 전략을 적용했을 때의 효과를 분석한 연구에 따르면 평균적으로 25~35%의 전기요금 절감 효과를 달성했으며, 연료전지를 통해 ESS의 과방전을 방지하여 시스템 전체의 운영 효율이 상승했다. 이처럼 연료전지는 미래의 에너지 트렌드인 분산에너지 패러다임에서 다른 발전원과 결합하여 핵심적인 역할을 할 수 있다. 다만 연료전지의 용량이 너무 과도할 경우 연료비로 인해 전체 바용이 상숭할 수 있으로 마이크로그리드에서는 비용 최소화를 위해 각 구성 요소의 규를 최적화하는 것이 중요하다.

마이크로그리드에 쓰일 수 있는 수소연료전지는 크게 PEMFC와 SOFC가 있다. PEMFC는 부하 추종 능력이 우수하여 마이크로그리드에서의 급격한 부하 변동에 대응하는 능력이 우수하다. 반면 SOFC는 열관성으로 인해 급격하게 부하가 변하는 환경보다는 안정적이고 일정한 부하의 운전 환경에 적합하다. 앞서 이야기했듯, 발전용 SOFC는 기본적으로 고정식, 대용량, 그리고 기저 발전원 역할에 적합하다. 그러나 이러한 SOFC의 운전 경직성은 마이크로그리드에 대부분 함께 구축되어 있는 ESS를 통해 어느 정도 완화할 수 있다. 또한 최근에는 슈퍼커패시터와 결합한 SOFC의 부하 추종 운전 기술도 많이 개발되었다.

외부 부하가 증가하면 SOFC의 부하도 함께 증가하며, SOFC가 미처 따라가지 못하는 부하 변동은 슈퍼커패시터로 대응한다. 그 이후 SOFC는 외부 부하 이상의 출력까지 상승해 방전된 슈퍼커패시터를 충전하고 외부 부하가 감소하면 출력도 같이 감소한다. 이처럼 SOFC는 점점 더 실시간 부하 추종에 적합하도록 운전의 유연성을 확보해나가고 있다.

SOFC를 분산 전원으로 사용했을 때의 가장 큰 장점이라고 할 수 있는 것은 바로 전기와 열을 함 공급할 수 있다는 것이다. SOFC에서 공급되는 열은 지역 난방에 활용하거나 열병합발전을 통해 추가로 전기를 생산하는 데 활용할 수 있다. 이렇게 전기 뿐만 아니라 열까지 활용할 경우 SOFC의 에너지 효율은 무려 90%에 달한다. 실제로 강원도 동해시의 SOFC 발전소애서는 SOFC를 통해 전기와 함께 생산된 열에너지를 북평레포츠 수영장에 공급한다. 이처럼 마이크로그리드에서 SOFC는 단순히 지역 사회에 전기만 공급하는 것이 아니라 난방을 위한 열도 함꼐 공급할 수 있다는 점에서 PEMFC에 비해 강점을 가진다.

SOFC는 주거용 또는 상업용 건물뿐만 아니라 산업단지에 전력을 공급하기 위해 설치할 수도 있다. 창원 RE100 실증센터는 대표적 예시이다. 아곳에 설치된 SOFC는 비록 재생에너지가 아닌 신에너지이기 때문에 기업들에게 직접 PPA로 전력을 공급하지는 못한다. 하지만 SOFC의 발전량만큼 REC를 판매하여 수익을 창출할 수는 있다. 따라서 발전사업자 입장에서는 태양광, ESS 뿐만 아니라 SOFC도 함께 설치하면 SOFC에서 추가로 발생하는 REC 수익 덕분에 수익성이 개선되어 직접 PPA 계약을 할 때 전기를 더 싼 값에 팔 수 있게 되고, 이는 산업단지 내 기업들의 전기요금 절감으로 이어진다. 또한 당진시의 석문국가산업단지에도 19.8MW급 SOFC 발전소가 준공되어 산업단지 내 기업들과 인근 주민들에게 전기를 공급한다. 이처럼 SOFC를 비롯한 수소연료전지는 분산 전원으로서 산업단지 내에 입지하여 산업단지의 전력 수요의 일부를 충당함으로서 중앙 계통 입장에서는 대규모 송전망 건설에 대한 부담이 줄고 피크 부하를 절감할 수 있다는 장점이 있다. 다만 연료전지의 연료로 투입되는 천연가스나 수소의 가격이 높을 경우 오히려 더 비싸게 전기를 공급해야 할 수 있어 산업단지용 연료전지의 배치는 부생수소를 싸게 활용할 수 있는 석유화학단지 인근 등의 장소로 한정되어 있다. 그러나 장기적으로 수소 유통 인프라가 갖춰지고 수소 가격이 하락하면 산업단지 내 싸고 깨끗한 전력을 공급하기 위한 방안으로 자리잡을 수 있다.

 

정부의 정책적 지원에 힘입어 도약하는 발전용 수소연료전지 산업, 그 중심의 SOFC

이렇듯 수소연료전지, 특히 SOFC는 다양한 분야에서의 적용 잠재력이 우수하나, 높은 초기 투자비와 비싼 수소 가격으로 인해 시장 확대 속도가 제한적이다. 이에 정부에서는 발전용 수소연료전지 산업을 육성하기 위해 청정수소발전의무화제도(CHPS)를 도입했다. CHPS는 매년 일정 규모 이상의 청정수소로 발전한 전기를 한국전력과 구역전기사업자에게 의무적으로 구매하도록 하는 제도이다. 수소연료전지 발전사업자들은 청정수소발전 입찰시장에 참여해 낙찰을 받으면 향후 15년간 청정수소로 발전한 전기를 안정적으로 판매할 수 있다. 해당 제도는 수소연료전지 발전에 대한 수요를 창출함과 동시에 연료전지 발전소의 사업성에 대한 불확실성을 줄여 투자를 촉진하고 있다. 이에 힘입어 발전용 수소연료전지 설치용량도 빠르게 증가할 전망이다. 한국수소연료전지산업협회 및 전력거래소 등에 따르면 2023년 기준 국내 발전용 연료전지 설치량은 총 1036㎿를 기록했으며, 제11차 전력수급기본계획에 따르면 2027년부터 2030년까지 연간 200MW, 이후 2036년까지 매년 150MW, 이후에는 100MW씩 설비 용량을 늘리는 것이 목표이다.

우리나라는 수소연료전지 분야에서 세계적으로 우수한 기술력을 보유하고 있으며, 정부 또한 적극적인 정책적 지원을 통해 국내 수소연료전지 산업 생태계를 조성하여 한국의 수소연료전지 산업이 전 세계를 선도하는 위치에 오르도록 지원하고 있다. 이러한 수소연료전지 산업의 성장세 속에서 SOFC는 높은 효율성과 대규모의 출력, 그리고 사용 가능한 연료의 유연성 등 장점으로 인해 특히 주목받는 기술이다. 비록 현재는 SOFC 기술이 높은 초기 투자 비용과 고온에서의 내구성 문제 등의 한계점을 지니고 있지만, 기술이 발전함에 따라 기존 재생에너지의 간헐성 문제를 보완할 수 있는 청정에너지 공급의 대안으로 자리매김할 것이다.

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9월의 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "붕괴하는 한전 중심 전력시장", 28기 김서진, https://iksung.tistory.com/132

2. "SMR로 그려가는 대한민국의 탄소 중립", 28기 민예슬, https://iksung.tistory.com/139

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참고문헌 

[발전용 연료전지의 시대가 온다] 

1) 산업통상자원부, 수소 경제 활성화 로드맵, 2019

2) 혐인선, “수소 연료 전지, 향후 10년간 423억 달러 시장으로 폭발 성장”, cbc 뉴스, 2025.09,23, https://www.cbci.co.kr/news/articleView.html?idxno=527885

[고체산화물 연료전지(SOFC)란?] 

1) 황해중, "해외 그린수소 공급망 경제성 분석", 한국수소및신에너지학회, Vol 36, No.4, 2022 

2) Naef A. A. Qasem, "A Recent Comprehensive Review of Fuel Cells: History, Types, and Applications", International Journal of Energy Research, Vo1 2024, 2024

[SOFC가 만들어가는 그린 데이터센터] 

1) 김현철, “[초점] 美 데이터센터, 전력망 위협…전력 불균형으로 대규모 정전 우려”, 글로벌이코노믹, 2025.03.20., https://www.g-enews.com/article/Global-Biz/2025/03/2025031923183199899a1f309431_1

2) “데이터센터에 친환경을 심다, 그린데이터센터”, SK 에코플랜트 뉴스룸, 2024.01.05., https://news.skecoplant.com/plant-tomorrow/14516/

3) “4년 연속 100% 재생 에너지 사용 목표 달성 및 향후 목표”, 구글 클라우드 블로그, 2021.05.25., https://cloud.google.com/blog/ko/topics/inside-google-cloud/google-achieves-four-consecutive-years-of-100-percent-renewable-energy

4) “AWS 지속 가능성”, AWS 홈페이지, https://aws.amazon.com/ko/sustainability/

5) “Fuel Cells: Onsite Power Generation Solution for Data Centers”, Coresite, https://www.coresite.com/blog/fuel-cells-onsite-power-generation-solution-for-data-centers

[마이크로그리드에서 SOFC의 역할]

1) “중소기업 수출 장벽된 RE100 완벽 해결!” 대한민국 최초의 산업단지 RE100 플랫폼, 창원 RE100 실증센터, SK 에코플랜트 뉴스룸, 2023.11.06., https://news.skecoplant.com/for-earth/13694/

2) Abdul Haseeb Tariq, “Analysis of fuel cell integration with hybrid microgrid systems for clean energy: A comparative review", International Journal of Hydrogen Energy, Vol 52, 2024

3) Bloom energy, “Load Following Solid Oxide Fuel Cell”, Bloomenergy whitepaper, p6~12, 2024, https://www.djtimes.co.kr/news/articleView.html?idxno=102947

4) EPJ, “동서발전, 국내 최초 열공급형 연료전지 준공··· 지역사회와 이익공유”, Electric Power Journal, 2022.06.08., https://www.epj.co.kr/news/articleView.html?idxno=30611

5) Jiang et al, “Optimal sizing, operation strategy and case study of a grid-connected solid oxide fuel cell microgrid”, Applied Energy, vol 307, 2022

[ 정부의 정책적 지원에 힘입어 도약하는 발전용 수소연료전지 산업, 그 중심의 SOFC ] 

1) 데이코산업연구소, “데이코산업연구소 ‘2025 고정형 수소연료전지 발전 산업 동향과 주요국·기업별 대응 전략’ 보고서 발간”, 뉴스와이어, 2025.05.12., https://www.newswire.co.kr/newsRead.php?no=1010883

2) “수소 상용화 앞당길 ‘청정수소발전의무화제도’ A to Z”, SK 에코플랜트 뉴스룸, 2024.03.29., https://news.skecoplant.com/plant-tomorrow/15746/