[스크랩] 03. 발전용 연료전지 04. 수소에너지시대 도래

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special featuresⅠ발전용 연료전지

03 발전용 연료전지

 

기존 발전기 대체할 미래 핵심 발전설비

 

일본 대지진으로 후쿠시마 원전 사고가 난 지 1년이 되었지만, 사고 원전은 지금도 엄청난 양의 방사능을 내뿜고 있다. 현재 일본 국민의 적극적인 전기 절약과 순번제 공장 운영을 통하여 가동 중단된 원전으로 인한 전력 부족사태를 이겨내고 있으나 안전점검을 통과한 상당수 원전도 주민들의 반대로 가동을 재기하지 못하고 있는 실정으로 전력 수급 불안은 장기화될 것으로 전망된다.

일본뿐만 아니라 주요 원자력발전국의 전력공급 안정성 및 이산화탄소 배출저감 등의 정책적 목적으로 추진한 원전 확대 정책이 이번 사고로 인해 타격이 불가피해 보인다. 독일이나 이탈리아 등 유럽 국가들은 탈원전을 선언하였으며, 이를 계기로 에너지안보와 지속가능한 녹색성장에 대한 관심이 높아졌고, 원전의 핵심 대안으로 신재생에너지의 필요성이 부각되고 있다.

 

고효율ㆍ친환경 발전설비

 

일본과 미국, 캐나다 등 주요 선진국은 수소에너지를 차세대 신재생에너지원으로 주목하며 개발과 보급을 위해 지속적으로 투자하고 있다. 수소는 공기 중에서 연소 시 극소량의 질소산화물(NOx)의 발생을 제외하고는 공해물질이 생성되지 않으며, 가스나 액체로서 수송할 수 있다. 궁극적으로 무한정한 물을 연료로 하여 제조할 수 있고, 사용 후에는 다시 물로 재순환이 이루어져 가장 이상적인 에너지원으로 기대된다.

 

이러한 수소를 이용하는 핵심기술이 바로 연료전지이다. 수소가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기 및 열에너지로 전환하는 연료전지는 수소를 연료로 사용할 경우 물이 유일한 생성물이기 때문에 청정에너지 설비이다. 연료전지는 고효율, 친환경 발전설비로서 기존 발전기를 효과적으로 대체할 수 있는 미래 핵심 발전설비의 역할을 할 것으로 기대된다.

 

연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응시켜 전기 및 열에너지를 생산한다. 연료전지의 궁극적 목표는 수소의 직접 사용이지만, 현재의 에너지 수급 및 수소 제조기술 미흡 문제로 수소를 바로 연료화하지 못하고, 천연가스, 바이오가스에 포함돼 있는 수소를 추출하여 사용한다.

하지만, 천연가스를 사용한다 하더라도 발전효율 47% 수준으로 현존하는 발전설비 중 효율이 가장 높기 때문에 기존 화력발전 대비 적은 연료를 사용하여 보다 많은 에너지를 생산할 수 있다. 또한 대기오염물질을 배출하지 않으며, 탄소 배출이 39% 감축되어 친환경적이란 장점이 있다. 하수처리장, 쓰레기매립지, 맥주공장 등에서 나오는 바이오가스를 연료로 사용할 때에는 경제성과 탄소저감효과는 배가된다.

 

에너지가 필요한 곳 어디에나 손쉽게 설치

 

연료전지는 어디나 설치하여 손쉽게 전기와 열을 공급할 수 있는 분산형 전원의 대표주자이기도 하다. 2011년 9월 15일 국내 정전대란은 경제성 위주의 대규모 생산 및 수송 전력체계의 리스크를 반증하였으며, 전문가들은 분산전원 및 소규모 발전의 확대가 필요하다는데 입을 모았다. 연료전지발전 시스템은 소음과 환경유해물질의 배출 때문에 도심지에서 동떨어진 지역에 대규모 발전소를 건설하여 전기를 공급했던 기존 중앙발전방식과 달리, 에너지가 필요한 곳에 바로 설치하여 에너지를 공급할 수 있기 때문에 별도의 송배전망이 필요하지 않다.

 

또한 태양광, 풍력 등 주요 재생에너지 대비, 이용률(전기를 생산하는 시간)이 높고(연료전지 90%, 태양광 15%, 풍력 25%), 설치면적이 작아(연료전지 179㎡/㎿, 태양광 19,800㎡/㎿, 풍력 39,600㎡/㎿) 안정적인 전력공급 및 효율적인 설치가 가능하다는 것도 연료전지의 큰 장점이다. 수백㎾부터 수십㎿까지 용량구성이 자유로워, 대규모 발전소, 공장은 물론 아파트단지, 병원, 호텔 등 도심지 및 하수처리장, 쓰레기 매립장, 데이터센터 등 다양한 장소에 설치할 수 있다.

 

▶▶ 연료전지 발전시스템의 친환경성

 

 

안정적 전력공급 가능해 비상발전기로 적합

 

포스코에너지는 기술적으로나 가격면에서 가장 상업화에 근접한 MCFC를 이용해 양산기술개발 및 성능 업그레이드와 병행하여 건물용, 비상발전용 및 선박용 등 여러 가지 응용제품 개발로 새로운 시장 개발을 추진과 동시에 차세대 기술인 SOFC의 자체개발을 통하여 2014년 10㎾급, 2016년 50㎾급 건물용 SOFC 제품 출시를 위해 기술개발을 진행 중이다.

 

부하추종 백업용 연료전지는 최근 정전으로 인한 대규모 경제적 손실이 발생하고 있는 국내 산업체에 대해 손실을 최소화하기 위하여 대구광역경제권 개발프로젝트로 개발 중에 있다.

연료전지는 높은 설비가동률, 실시간 모니터링, 상시 유지관리 등의 장점을 두루 갖추고 있어 안정적인 전력공급이 가능하여 비상발전기로 활용하기 적합하다. 연료전지 스택과 EBOP에 부하추종 기술을 보완하면, 정전시 중요부하를 담당하는 백업용으로 사용하고 평상시에는 생산한 전기를 상시부하에 공급하는 비상전원, UPS 기능과 상시발전기능을 융합한 신개념의 무정전 발전시스템으로 활용할 수 있다.

 

당장 2011년부터 현재 대비 20% 대기오염 감축 의무(국제 해양환경 규제)와 2013년 대기오염 및 EEDI(선박제조연비지수) 불충족 선박 운항금지(IMO, EEDI 제정)와 같은 IMO 등의 해상환경규제 강화 규정을 이행해야 하는 조선사 및 선급도 선박용 연료전지 개발을 적극 추진하고 있다. 최근 EUㆍ미국ㆍ일본 등은 정부주도 하에 연료전지 발전시스템을 선박에 적용하기 위해 연구개발 및 실증사업을 대규모로 진행하고 있으며, 포스코에너지도 대용량, 고효율 선박해양용 연료전지 시스템 개발을 추진 중이다.

우선 현재 기술로 적용 가능하고, 파급효과가 큰 보조전원시스템부터 시작하여 디젤 등 연료 기술, 추진동력원까지 범위를 확대할 계획으로 선박해양용 연료전지 개발뿐 아니라 선박설계 및 적용, 표준 및 인증을 동시에 수행함으로써 즉시 시장적용 및 기술선점을 목표로 하고, 이를 위해 조선사 및 선급과 연계하여 공동개발을 수행하고 있다.

 

 

▶▶ 100㎾급 건물용 연료전지(서북병원)

 

▶▶ 100㎾급 건물용 연료전지(어린이대공원)

 

 

현재 전국적으로 16개소에서 안정적으로 가동 중

 

발전용 연료전지는 상용화 초기 단계에 진입하였으며, 2006년 전 세계 시장규모는 3억8천700만 달러로 전년도에 비해 10% 정도 성장하였다. 전후방 산업까지 고려한 연료전지 관련 기업들의 총수익은 2006년 4억1천500만 달러로 2005년에 비해 2배 정도 증가하였다. 아직까지 본격적인 상용화가 이루어지지 않은 상황임을 고려할 때 매우 빠른 속도로 시장이 성장하고 있다. 본격적으로 시장이 형성되는 2015년을 전후로 연료전지 시장이 폭발적으로 성장할 것으로 전망되며, 2020년 발전용 연료전지의 시장은 800억 달러로 예측하고 있다.

 

국내에서도 포스코에너지가 2007년 포항에 연산 50㎿ 규모의 BOP 제조공장과 2011년 100㎿ 규모의 스택제조공장을 준공하였다. 발전차액지원제도를 통하여 2006년 남동발전을 시작으로 현재까지 전국적으로 총 16개소, 50㎿를 보급하여 안정적으로 가동 중이며, 올해부터 신재생에너지 의무할당(RPS)제도의 시행으로 한수원(총 60㎿, 경기 화성시 발안산업단지內)을 비롯한 여러 발전사들이 대규모 연료전지의 도입 및 검토를 추진하고 있다. 연료전지는 태양광, 풍력에 비해 소요부지와 이용률 면에서 경쟁우위에 있으며, 전력과 함께 열생산도 가능한 장점으로 RPS 시장에서 널리 적용될 것으로 예상된다.

 

향후 연료전지는 기술진전 및 경제성 확보를 통해 국내 발전설비 시장의 수입대체 효과뿐만 아니라 해외수출로 세계시장을 주도할 것으로 기대된다. 인도네시아, 중동, 말레이시아 등 연료비가 낮고 전력요금이 높은 개발도상국 시장에 전력인프라 구축과 연계하여 우선 진출 후 호주, 일본 등 세계시장 진출이 확대될 것이다.

 

 

▶▶ 포스코에너지 연료전지 보급현황

 

▶▶ 부산 연료전지발전소 전경

 

 

경제적 부가가치 높아 파급효과 막대

 

연료전지 발전시스템은 산업화 달성 시, 금속, 전기, 전자, 기계 및 제어 산업과 부수적인 장치를 공급하는 새로운 시장을 창출할 수 있는 방대한 경제적 부가가치 파급효과를 지니고 있다. 전 세계적으로도 극히 일부 업체만이 핵심기술을 보유하고 있으므로 국내 기술개발 추이에 따라서 대부분 해외기술에 의존하고 있는 국내 신재생에너지산업의 획기적인 전기를 마련함과 동시에 막대한 해외시장을 조기 확보하여 국가 경제에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

 

연료전지 발전시스템이 주축이 된 에너지혁신은 전 세계적으로 이미 급물살을 탔으며, 우리의 당면과제는 기술과 시장을 선점하고, 연료전지 산업화를 주도함으로써 새로운 에너지패러다임을 재편하고, 에너지안보를 실현하는 것이다. 현재 진행 중인 연료전지 산업화를 가속화하여 글로벌 시장을 석권하기 위해서는 기업들의 국산화, 기술개발 노력 외에도 정부 차원에서의 시장 확대를 위한 연료전지전용 LNG 요금 신설 등의 법, 제도 개선과 중장기적 관점에서의 응용제품개발 및 실증에 지속적인 지원이 함께 수행돼야 할 것이다.

 

 

글_ 황정태

포스코에너지 연료전지연구소장

글쓴이는 서울대학교 화학공학과 졸업 후 포항공과대학교에서 석사・박사학위를 받았으며, GS퓨얼셀 부사장 등을 지냈다.

 

 

 

 

 

04 수소에너지시대 도래

 

수소인프라 없는 기술개발은 무의미

 

연일 기름 값이 최고가 기록을 경신하고 있다. 일찍이 없었던 에너지가의 고공 행진이다. 이에 따라 세계 각국이 석유의 대안으로 태양광, 풍력 등 다양한 재생에너지의 기술선점을 위해 치열한 경쟁을 하고 있다. 에너지의 96% 이상을 해외에서 수입하고 있는 우리나라의 경우는 에너지가의 변동이 국가 경제에 미치는 영향이 커서 더욱 그러하다.

 

온실가스 50% 줄이는 수소연료전지 자동차

 

수소는 지구 상에 풍부한 천연자원에서부터 동물의 분뇨에 이르기까지 다양한 원료로부터 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 지구의 ⅔를 덮고 있는 물로부터 얻을 수 있어서 지구 상에서 가장 풍부한 원료를 갖고 있는 에너지원이다. 더욱이 공기 중에서 연소하면 물과 열만을 생산하기 때문에 무엇보다도 지속가능한 청정에너지로서 많은 관심을 끌고 있다.

 

현재 전 세계적으로 생산되는 수소는 대략 연간 450억㎏이며, 대부분 산업용으로 사용되고 있다. 국내 생산량은 약 8억㎏으로 전 세계 수소생산의 약 2% 내외를 차지하고 있다. 오늘날 생산되는 수소의 대부분은 화석연료(주로 천연가스)를 이용하여 생산되는데, 그 이유는 이 기술이 가장 잘 성숙되어 있으며, 생산가격 면에서도 경쟁력이 있기 때문이다. 그러나 아직까지도 에너지원으로서의 사용 가능성에 대해 다양한 층으로부터 끊임없이 의심받고 있고, 정부에서도 수소연료전지 기술 개발에 대한 국가 R&D 투자를 꺼리고 있는 실정이다.

 

그럼에도 불구하고 최근 유가 상승이 서민생활에 직접적으로 영향을 미치면서 탈석유에 대한 요구가 더욱 증대되었고, 수소를 연료로 사용하는 수소연료전지 자동차 개발의 필요성이 다시 부각되기 시작하였다. 그 이유는 화석연료나 바이오연료를 사용하는 내연기관 자동차에 비교하여 전기를 이용하는 자동차의 경우는 에너지저장 시스템이 중요한데, 전기보다는 수소연료전지가 무게나 부피면에서 훨씬 유리하기 때문이다.

이에 따라 전 세계적으로 정부간 국제협력기구인 수소경제 국제파트너십(IPHE)과 국제에너지기구(IEA)의 수소프로그램인 수소시행협정(HIA)을 중심으로 온실가스(GHG)의 배출 없이 수소를 제조하는 기술을 개발하려는 노력이 곳곳에서 이루어지기 시작하였다.

 

현재 생산되는 대부분의 수소는 화석연료를 이용하여 생산한다. 그러나 이 과정에서 상당량의 이산화탄소가 배출되다 보니 생산한 수소가 진정한 친환경에너지인지 여부가 언제나 논란의 대상이 되어 왔다. 그러나 IPHE의 신재생 수소 보고서(2011)의 발표에 따르면 자동차 연료를 화석연료대신 수소로 대체하여 연료전지 자동차에 사용할 경우, 2020년을 기준으로 미국, 일본, 독일이 분석한 결과를 보면, 천연가스로부터 생성된 수소를 이용한 연료전지 자동차의 경우 천연가스를 연료로 직접 사용한 기존의 내연기관 자동차에 비해 GHG 배출을 40~50% 줄일 수 있다고 보고하고 있다. 이는 연료전지의 효율이 기존의 내연기관보다 훨씬 우수하기 때문에 GHG의 배출량이 감소하는 것이다.

 

 

▶▶ 수소에너지 변환 및 응용

 

▶▶ 에너지 저장 시스템의 무게와 크기

 

 

고밀도 수소 저장기술 개발이 관건

 

과학자들은 종국적으로 물에서 수소를 생성하는 경제적인 방법을 개발하기 위해 다양한 기술을 연구하고 있다. 이 중에서도 재생에너지를 이용한 물의 전기분해에 의한 수소 제조와 빛에너지를 이용한 물의 광분해에 의한 수소 생산기술에 집중하고 있다. 이들 수소 제조공정은 아직은 경제성이 낮지만 GHG의 배출 없이 수소를 제조할 수 있는 가장 유망한 수소 제조 기술이다.

특히 풍력, 태양광, 수력 및 지열발전 등과 같은 재생에너지원으로부터 얻어지는 전기를 사용하여 물을 전기분해해 수소를 생산하는 공정은 가장 유망한 수소 제조공정으로 전해조의 효율을 증대시켜 경제성을 확보하려는 노력이 세계 곳곳에서 이루어지고 있으며, 현재 모로코에서 진행되고 있는 사하라 윈드-하이드로젠 데모 프로젝트가 대표적인 예이다. 당분간은 경제성 있는 수소 제조를 위하여 화학공장이나 제철소 등에서 부산물로 생성되는 부생수소를 에너지원으로 사용하여 연료전지 자동차를 운행하겠지만, 종국적으로는 물을 직접 분해하여 생성된 수소를 사용하여 수송용 연료를 해결하겠다는 시나리오이다.

 

고밀도 수소 저장기술의 개발은 수소 연료전지 자동차 시대를 위해 시급히 해결돼야 할 기술이다.

통상 1㎏의 수소는 1갤런(3.75ℓ)의 휘발유와 비슷한 에너지를 갖기 때문에 기존 자동차 주행거리를 유지하려면 차량 크기에 따라 5~13㎏의 수소를 탑재해야 한다. 연료전지 자동차의 경우 수소 형태로 차량에 저장 탑재하였다가 공급하는 방식, 특히 고압으로 압축해 저장하는 방식을 대부분 사용하고 있다.

고압저장방식은 경량, 고강도 복합 소재의 압력용기 개발에 힘입어 가장 실용화에 근접한 기술로서, 1회 충전으로 500㎞ 이상 주행하기 위해서는 600기압 이상의 고압용기가 상용화되어야 한다. 압축저장기술이 주목받는 이유는 액화 저장을 제외했을 때 저장효율 면에서 월등하고, 액화저장용기의 복잡성 및 단열 등을 고려할 때 시스템 구성이 단순하고 경제적이기 때문이다.

 

궁극적인 저장기술로서는 낮은 압력에서도 효율적으로 수소를 저장하는 기술, 즉 고체 및 액체 상태의 저장기술이 필요하다. 어떤 형태로 수소를 저장하든 연료전지 자동차 입장에서는 안전성, 충분한 수소 저장 능력, 가격경쟁력, 소형 경량화, 내구성, 빠른 충전 및 안정적인 수소 공급 등은 필수조건이다.

고체 저장 재료로 수소저장합금, 금속붕소수소화물, 나노재료 등에 수소를 저장하는 기술이 개발되고 있지만 아직은 연료전지 자동차에 적용할 수 있는 고체 저장 방법은 알려져 있지 않다.

 

그 밖에도 수소에너지가 범용화되기 위해서는 수소에 대한 안전교육 및 홍보와 수소의 수송 및 충전소와 같은 인프라 구축이 선결되어야 한다. 일반인들의 경우 수소의 위험성이 실제보다는 과장돼 수소에너지에 대한 부정적인 인상을 갖고 있어, 수소를 안전하게 이용할 때 인류 문명에 미치는 장점에 대해 일반인들을 대상으로 충분한 교육과 홍보가 필요하다. 무엇보다도 이러한 일반인들의 인식 부족은 수소충전소의 설치와 수소의 장거리 수송을 위한 파이프라인 매설 시 민원 발생을 초래하고 궁극적으로 수소충전소 및 수송 인프라 부족으로 수소연료전지 자동차의 보급을 막는 장애요인이 될 수도 있다.

 

수소충전소는 수소연료전지 자동차의 보급을 위해 정부가 가장 적극적으로 지원해야 할 정책이다. 우리나라와는 달리 유럽이나 미국의 경우는 수소연료전지 자동차개발에 선행해 인프라 구축을 먼저 하는 정책을 펴왔다. 인프라 구축은 민간기업이 할 수 있는 것이 아니기 때문이다.

 

 

▶▶ 사하라 윈드 하이드로젠 데모 프로젝트

 

 

수소에너지 시대 도래는 단지 시간상의 문제

 

우리 정부가 수소에너지 개발에 관심을 갖기 시작한 것은 1차 석유위기를 겪은 1970년대 말부터였으나 그 투자규모는 미미하였다. 수소연료전지분야 기술개발에 정부가 본격적으로 관심을 갖고 투자를 시작한 것은 2003년부터이다. 교육과학기술부를 중심으로 한 ‘21세기 프론티어사업’ 프로그램으로 수소에너지사업단을 설립하여 수소제조와 저장기술을 중심으로 원천기술을 확보하고자 2003년 10월부터 10년간 연 100억 원 규모로 총 1천억 원을 투자하였으며, 원자력수소사업도 2004년 3월부터 시작하였다.

지식경제부에서도 단위과제 중심에서 보다 집중적인 연구개발을 위해 2004년 1월에 수소연료전지사업단을 출범시켜 연료전지의 산업화를 목표로 5년간 1천500억 원을 투자하였으며, 사업단 종료 후에는 에너지기술기획평가원에서 연 320억 원 규모의 예산으로 과제를 이어받아 관리하고 있다.

 

이러한 투자를 통해 우리나라에서도 수소에너지 시대를 꿈꾸어 왔으나, 궁극적인 수소경제를 이루려면 아직은 더 많은 시간이 필요하다. 왜냐하면 태양광과 풍력과는 달리 수소에너지는 전기와 같은 2차에너지라서 기술적ㆍ경제적 관점에서 쉽지 않은 경로이기 때문이다. 원유의 38%를 수송에너지에 사용하고 있는 우리나라로서는 수송용 연료를 수소로 대체한다는 것은 궁극적으로는 원유 소비를 대폭적으로 줄이고 대도시 지역의 대기 질을 획기적으로 개선할 수 있다는 것을 의미한다.

 

하지만, 자발적으로 소비자가 선택하기 위한 필수 요건이 가격과 성능이다. 즉, 연료전지 가격을 지금의 1/10 수준으로 낮추고, 내구성도 몇 배로 늘려야 소비자의 요구를 맞출 수 있다. 그러나 무엇보다도 소비자가 수소연료전지 자동차를 이용할 수 있는 수소인프라가 구축되지 않고는 이들 기술개발은 의미가 없다.

 

 

▶▶ 수소 경제의 비전

 

 

수소에너지 이용이 가능한 시대가 언제 올 것인가의 문제는 다른 재생에너지와의 우월성만을 비교하는 것보다 수소가 갖고 있는 내재적인 기술적, 경제적 특성을 잘 이해하고 지원을 하는 정부의 정책적인 의지와도 일맥상통한다. 그리고 정부가 올바른 정책을 설정하도록 방향을 제시해주는 실무를 담당하는 전문가의 편협하지 않은 혜안은 수소경제시대를 결정짓는데 무엇보다도 중요하다.

전문가와 정부, 민간이 한 마음을 갖고 수소시대를 갈망하면 현재의 기술적인 난관을 극복하는 것은 다만 그 시간 상의 문제가 될 뿐 충분히 넘어설 수 있는 장벽이며, 기적이 필요한 것은 아닐 것이다.

 

 

글_ 남기석

전북대학교 화학공학부 교수
글쓴이는 서울대학교에서 박사학위를 받았다. 서울산업대학교 교수, 미국 퍼듀대학교 방문교수, 국가나노기술집적센터 소장, IPHE/IEA-HIA 국제협력 전문가대표 등을 지냈으며, 현재 호남광역경제권 선도산업지원단장 등을 겸임하고 있다.

 

 

THE SCIENCE & TECHNOLOGY

과학과 기술 2012.04 _

 

 

 

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이차전지가 핵심이다.

수소는 아직...

 

 

 

 

 

 

 

출처 : 마음의 정원

글쓴이 : 마음의 정원 원글보기

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