04 - 수소경제 시대의 발전용 연료전지 역할 및 현황
글. 임희천 기술 부회장, 소장
수소산업협회, (주)수소지식 그룹 컨설팅 Lab.
수소경제 시대의 연료전지는 현재의 분산형 발전형태로부터 전력 안정성 확보를 위한 전력에너지저장장치로도 활용될 것으로 예상된다.
또한 미래 수소경제 시대에서는 전력, 가스, 열망이 통합된 에너지 통합망의 핵심적인 역할을 수행할 것으로 예상한다.
수소경제와 전력
전기는 현대의 문명을 유지시켜주는 가장 중요한 에너지원이다.
수소경제의 핵심은 재생에너지원에서 출발하고, 재생에너지 중심의 에너지 시스템에서 수소는 에너지 캐리어로서 재생에너지와 전력을 연계시켜주는 역할을 한다.
수소에너지의 변환 과정과 타 에너지와의 연계를 그림 1에서 보여주고 있다.
그림 1에서 보는 바와 같이 수소에너지 시스템에서 수소는 연료전지와 수전해 장치를 통하여 전기에너지로 전환할 수 있다.
또한, 생산된 수소는 가스나 액체로 만들어 쉽게 수송할 수 있고 다양한 형태로 저장할 수 있다.
수소는 열 및 동력으로 활용될 수 있으며, 운반 시에도 전기에너지 형태보다도 손실을 10분의1 정도로 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다.
즉, 수소는 에너지원뿐만 아니라 저장·수송 매체로도 활용할 수 있기 때문에 우리는 수소를 에너지 매체(Energy Carrier)라고도 부르고 있다.
수소에너지 시스템 내에서 연료전지는 전기에너지 공급 방안뿐 아니라 잉여전력 저장 방안으로 활용될 수 있다.
이 경우 연료전지 발전은 수소를 중심으로 하는 시스템 내에서 가정 및 공장에 수소를 공급하는 수송용 가스망 그리고 열 배관과 함께 전력망을 구성하여 열, 전기, 가스가 통합되어 운용되는 통합 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
이와 같이 수소 관련 기술 수전해, 연료전지, 수소 전력저장을 활용하여 열, 전기, 가스망을 통합하여 에너지 시스템을 구축하게 되면, 기존 화석연료 기반 에너지 시스템을 친환경 지속가능한 에너지 시스템으로 전환하는 중요한 수단으로 활용할 수 있다.
연료전지 발전 기술 개요
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지(수소)를 공기 중의 산소와 전기화학적인 방법으로 결합하여 물과 전기 그리고 열을 생산하는 직접 발전 방식이다.
직접발전 방식이기 때문에 에너지 변환효율이 높고, 연소과정이 없어 오염물질 발생이나 소음, 진동 등 공해요인도 적다.
연료전지는 발전 시 나오는 고온증기를 발전에 이용하여 더욱 높은 효율을 얻을 수 있는 장점도 있다.
발전용 연료전지는 도심에 위치하는 분산전원에서 대규모 전원으로도 활용이 가능하기 때문에 연료전지 발전은 환경을 중시하는 미래 수소에너지 사회에서 저공해, 고효율을 갖는 가장 새로운 발전 방식으로 제시되고 있다.
발전용 연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생산하는 연료전지 본체(Fuel Cell Power Section: Stack), 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환시키는 연료처리계(Fuel Processor), 발전된 직류 전기를 교류 전기로 변환시키는 전력 변환장치(Power Conditioner)로 구성된다.
그 외에 이들 시스템을 제어하고 생산된 고온의 물을 이용하여 전기를 생산하는 배열이용 시스템(Heat Recovery System)이 있다.
연료전지에서 전기를 생산하는 가장 기본적인 요소는 단위전지(Unit Cell)이다.
단위전지는 전극(Anode, Cathode), 전해질(Electrolyte) 및 분리판(Separator) 등의 구성요소로 이루어져 있고 이들이 유기적으로 반응에 관여하여 발전이 이루어지게 된다.
단위전지에서 전류를 인출하는 경우 낮은 전압을 갖게 되는데, 우리가 원하는 출력을 얻기 위하여 단위 전지들을 여러 장 쌓아올려 전압을 상승시켜 전기를 인출하게 된다. 이를 연료전지 본체, 즉 스택이라고 한다.
일반적으로 발전용 연료전지는 저온 연료전지인 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell) 등이 있다.
고온 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 등이 있다.
분산 및 발전용으로는 PAFC, MCFC, SOFC 등이 사용되며, PEMFC는 소규모 가정용과 건물용 수송용 연료전지로 사용되고 있다. 그림 2에서 연료전지 종류와 특징을 보여주고 있다.
연료전지의 활용
발전용 연료전지는 전력수요 증가, 환경 문제 등의 전력공급 제약 요인 및 전기를 필요로 하는 수요처에서 요구되는 에너지 패턴 등에 따라 화력발전 대체용, 분산형 전원 그리고 가정용 전원 등으로 구분하여 운용되고 있다.
현재 전력 생산에 있어서 가장 큰 제약조건은 지구온난화 문제로 CO2 발생을 억제하는 것이다.
연료전지는 수소를 바로 공급한다면 CO2 생산이 없고, 천연가스를 개질하여 사용하더라도 고효율 발전방식이기 때문에 기존 화력발전을 대체할 수 있는 유일한 발전 방식이 된다.
연료전지의 CO2 배출량은 천연가스 연료를 사용하는 화력발전 방식에 비교하여도 20~30% 정도를 줄일 수 있다.
연료전지는 기존 화력발전소보다 건설 기간이 짧고, 급격한 전력 수요에도 빨리 대응할 수 있다.
아울러 소규모 열병합 연료전지 발전방식에서는 열과 전기를 필요로 하는 수요자 요구에 직접 대응할 수 있으며, 송배전 설비 사용을 줄여 전력 사용 비용을 줄일 수 있다.
이는 열 및 전기를 필요로 하는 일정 수요지 근처에서는 수백㎾에서 수천㎾ 정도가 되는 연료전지를 설치하여 열과 전기를 동시 공급하는 분산형 전원(Distributed type)으로 활용이 가능하다.
가정은 열과 전기를 동시에 생산 소비 할 수 있는 가장 좋은 장소이다.
파이프로 공급되는 도시가스를 이용 배기가스가 작고 소음이 없는 현지 설치 소형 연료전지 발전시스템을 이용 열과 전기를 생산하여 사용할 수 있다.
연료전지 보급 및 보급 정책
전 세계 연료전지 보급 현황을 살펴보면 아시아 지역의 연료전지 보급이 크게 두드러지고 있다.
특히 일본, 한국 등에서는 백업전원, 마이크로 열병합 발전(m-CHP), 그리고 발전용 연료전지 활용을 위해 적극적으로 도입하고 있다.
한국은 대규모 발전용 연료전지 시스템이 중심이지만 국가별 정책에 따라 도입량 및 도입형태가 다르다.
연료전지 보급은 국내에서는 RPS(Renewable Energy Portfolio Standard) 정책, 일본은 ENEFARM(프로젝트명으로 Energy + Farm의 합성어)등의 정부지원에 크게 의존하여 증가하고 있다.
북미지역에서도 발전용 및 하역기계용 연료전지의 보급이 증가하고 있는데, 역시 미국의 SGIP(Self Generation Incentive Policy) 정책에 기인하고 있다.
종류별로는 자동차 가정용 연료전지인 PEMFC이 주를 이루고 있으나, 미국, 한국 등은 발전용 연료전지로 MCFC, PAFC가, 일본은 PEMFC 미국은 분산전원 수요에 따라 SOFC 보급이 많이 증가하고 있다.
2017년 말 기준으로 발전용 연료전지의 보급은 약 1,000㎿정도이고, 국내 보급은 2018년 기준 약 360㎿ 정도가 보급 운용되고 있다(그림 3).
수소 시대 연료전지 활용
향후 에너지 시스템으로서 전기는 재생에너지원으로부터 얻어지겠지만 재생에너지 간헐성에 따른 전력의 불안정성을 해결하는 방안이 필요하다.
수소는 연료전지를 통하여 전기에너지로 변환 가능하므로 태양광, 풍력과 같은 재생에너지에서 생산된 수소를 저장하였다가 필요한 경우 연료전지로 발전하여 계통에 공급하게 되면 전력에너지저장장치로 활용될 수 있다.
수소에너지 시대가 되면 재생에너지에서 생산되는 잉여전력을 수전해를 통해 수소로 전환하여 저장하고 필요하게 되는 경우 다시 연료전지를 통해 수요지에 전력, 열 및 수소자동차용 연료로 공급하게 된다(그림 4).
이외에도 저장된 수소는 단거리, 장거리 파이프망을 통하여 지역에 공급되어 같은 방법으로 활용되고, 전력망에서는 수전해 수소저장 및 연료전지와 연결된 수소전력저장 시스템이 송전, 배전망과 연계되어 계통안정을 도모할 수 있다.
이외에도, 분산전원을 기반으로 하는 연료전지발전은 수소전기차 충전 인프라 연계 , 태양광+연료전지, 연료전지+ORC, 연료전지+전통에너지 등 여러 형태의 발전원간 기술의 융복합 모델을 구축할 수 있을 것으로 예상된다.
맺음말
수소에너지를 중심으로 하는 친환경 에너지 시스템은 정보 IoT 등과 결합하여 새로운 에너지 신산업을 창조해 낼 수 있을 것이다.
에너지 변화가 곧 산업의 변화를 이끌어 왔고, 이는 수소에너지 시대가 연료전지, 수전해, 수소저장과 같은 새로운 핵심기술 개발과 연계되어 에너지, 환경, 전력, 발전, 수송 및 화학공정 분야에서 새로운 산업을 형성하게 될 것이다.
수소사회 실현은 수소 연료전지의 산업화와 함께 시작될 것이고 이는 수소 연료전지라는 기술이 일상의 생활 패턴으로 자리 잡을 수 있는 사회에서 가능하게 될 것이다.
다시 말해 수소 연료전지발전 기술과 이것을 지원하는 모든 시스템이 활성화되어 있는 사회, 수소 연료전지 인프라가 확실히 구성된 사회가 구성된다면 실현이 가능하다.
이러한 면에서 수소로드맵상의 두 개의 주요 산업인 수소자동차 역시 수소 인프라와 연료전지 보급이 잘 이루어지는 상태에서 실현이 가능할 것이다.
2040년 수소경제 사회의 선도국이 되어 수소연료전지의 산업화가 이루어질 수 있기를 기대한다.