■ 가정용 연료전지 개발현황 및 전망 ...<대구도시가스 부설 대성청정에너지 연구소 황정훈 팀장> ...ㅇ 수소에너지時代 앞당겨…경제성 확보가 관건 ...ㅇ 2005년 단계적 시범거쳐 2010년경 상용화 예상 ...ㅇ 표준모델 보급위한 정부·사업자 공동노력 필요 1970년대의 석유위기는 실험실의 실험 수준이었다. 지금 시작되는 어떠한 시도도 생산량이 정점에 도달하는 시기를 크게 앞당기거나 늦출 수는 없으며, 궁극적으로 석유 확보 전쟁은 피할 수 없다. 그나마 핵탄두가 아니라 현금으로 하는 전쟁이기를 바랄 뿐이다.” - 케니스 S. 데피이에스(프린스턴대 석유지질학 명예교수, 「파국적인 석유위기가 닥쳐오고 있다」의 저자) 지난 1월에는 펜타곤에서 발간한 극비문서의 공개된 내용에서 2007년부터 기후 변환 등 환경재앙이 시작된다는 내용과 미국의 이라크 공격은 미래 에너지전쟁의 시작이라는 전문가들의 지적은 신·재생에너지의 중요성을 대변하고 있다. 미국의 부시대통령은 2003년 연두교서에서 ‘수소 경제를 위한 국제 파트너십’을 제안하면서 17억불의 투자 계획을 발표하였다. 미래의 에너지는 수소로 움직이고 있다. 수소는 거의 무한정으로 사용할 수 있는 에너지 자원이다. 수소를 추출하기 위해서는 또 다른 에너지원이 필요한데 그동안 경제성 확보가 관건이었다. 최근의 급속한 기술발전과 기존 에너지원의 한계는 수소에너지 활용의 가능성과 가치를 높여 주고 있다. 장기적으로는 태양에너지를 에너지원으로 활용하여 물에서 수소를 추출하는 방법이 가장 유용할 것이다. 에너지원의 변천과정에서 에너지변환장치의 역할을 보면 나무에서 석탄으로 전환될 때 증기기관이 맡았으며, 석탄에서 석유로 전환될 때 내연기관이 그 역할을 담당하였다. 석유에서 수소에너지로의 변환은 연료전지가 담당하게 되며, 최근의 연료전지 관련 기술발전은 수소에너지 시대를 앞당기고 있다. ☞ 연료전지의 활용 연료전지는 그 활용 영역이 매우 다양하며, 중소형 발전 시스템의 경우 전반적으로 기술 성숙도가 매우 높은 상태이다. 세계적 추세는 크게 가정용, 차량용, 발전소용 및 모바일용으로 구분되어 개발이 진행 중이며, 2005년부터 단계적 시범적용을 거쳐 2010년에서 2015년 사이에 대부분 대중화 단계에 접어들 것으로 판단하고 있다. <그림 1>은 도쿄가스에서 Ballard社의 스택을 도입하여 개발 중인 1 kW급 가정용 연료전지의 개략도이다. 그림에서처럼 가정용연료전지는 도시가스사로부터 LNG를 공급받아 개질기에서 수소를 생산하고, 공기 중의 산소를 이용하여 스택에서 전기와 온수를 생산한다. 일본은 샤워문화의 발달로 그림과 같은 구조가 매우 유리하나, 한국은 온돌문화의 특성상 온수보다는 난방이 가능한 보일러 겸용 연료전지가 필요하다.(그림 1 : 첨부파일) 신제품에 있어서 경제성 확보는 개발의 첫째 목표이다. 아무리 우수한 제품일지라도 경제성이 확보되지 않으면 상품화가 불가능하기 때문이다. 가정용연료전지의 경제성은 연료비인 가스가격과 전기요금의 차이에서 확보해야 하며, 그 차액은 제품의 구입비에 대한 감가상각비 보다 커야만 가능하다. 즉 가정용연료전지는 24시간 연속 가동이 가능한 기저부하에 가까운 용량으로 하고 나머지 전력은 한전 그리드를 통해서 받는 것이 가장 유리하다. 미국과 유럽은 분산전원 개념으로 4.5~7kW를 모델로 제품을 선보이고 있다. 일본은 가스협회 주도하에 1kW 제품을 표준으로 개발하였으며, 2005년부터는 5kW 제품을 개발할 예정이다. 일본은 정부의 지원으로 표준 모델(1kW)에 집중하여 개발하였으며, 부품 표준화와 보급을 위한 제도적 환경을 정비하고 있다. 한국은 산업자원부 자금으로 CETI가 주관기업으로 참여하는 컨소시엄에서 3kW를 개발하고 있으며 2004년에 완료될 예정이다. 대구도시가스부설 대성청정에너지연구소(DICE)는 3년간의 연구개발을 통하여 고급빌라 또는 24시간 전기를 사용하는 상점에 공급 가능한 2kW 연료전지<그림 2>를 국내 최초로 개발 완료하여, 한국가스신문사가 주관한 GAS KOREA 2004전시회에 최초로 출품하였다.(그림 2 : 첨부파일) 또한 한국가스공사는 산업자원부 자금을 이용하여 5kW급 해외 연료전지를 수입하여 실증시험을 준비하고 있다. 우리나라도 일본처럼 정부와 사업자들이 함께 노력하여 표준모델 선정과 보급을 위한 법적, 제도적 환경을 동시에 진행하여야 연료전지 시장이 조기에 정착될 것이다. 정부 자금지원에 의한 개발과 보조금에 의한 보급은 한계가 있다. 시장경제 원리에 의한 경제성 확보만이 가장 빠른 상용화로 갈수 있다. ☞ 가스인의 역할 세계 각국은 연료전지가 향후 국가경제를 좌우할 것으로 믿고 있다. 도시가스 보급률은 이미 대부분의 도시가스사에서 정점에 도달했다. 이미 수년전부터 도시가스사들은 보급률 보다는 사용량 확대에 노력하고 있는 상황이다. 그 결과 GHP의 보급이 확대되었고 Co-gen과 CES(구역형집단에너지사업)가 최근에는 주목 받고 있다. 장기적 관점에서는 연료전지의 준비가 필요하다. 전기와 가스의 경계가 허물어지는 수소에너지 시대는 위기이자 기회로 우리에게 올 것이다. 아직까지 연료전지는 기술적, 경제적 한계로 대중화에 문제점을 갖고 있다. 그러나 미국과 일본의 국가 로드맵에서 나타나듯 연료전지는 2010년에서 2015년 사이에 가정용, 차량용, 모바일용에서 상용화가 이루어질 것이다. 일본 도시가스사 들이 전기회사와 치열한 경쟁을 하듯 한국에서도 이미 경쟁시대로 접어들었다. 이제 가스인 들도 좀더 적극적으로 수소시대를 준비해야할 것이다. *) 연료전지란? 연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 인해 전기, 열, 물이 발생하는 장치이다. 전지는 크게 1차전지와 2차전지로 구분되는데 1차전지는 충전이 불가능한 전지로 건전지 등이 있으며, 2차전지는 충전이 가능한 납축전지, 리튬이온전지 등이 있다. 연료전지는 연료를 주입하면 연속 사용이 가능하여 3차전지라고도 하며, 발전이기 때문에 전지가 아니라는 주장도 있다. ㅇ 연료전지 발전 프로세스 연료전지는 수소를 생산하는 Fuel Processor, 수소와 산소가 화학반응하여 전기를 발생시키는 Fuel Cell Stack, 마지막으로 Stack에서 발생된 DC를 AC로 변환시키고 적정전원을 공급하는 Power Conditioner로 구성된다. 수소를 생산하기 위한 연료는 아주 다양하다. 물의 전기분해, 정유공장의 나프타분해 과정에서 발생하는 수소 및 도시가스를 비롯한 탄화수소에서 개질을 통해 수소를 얻는 방법 등 아주 많다. 최근에는 원자력 발전에서 발생하는 열을 이용하여 수소를 생산하는 프로젝트가 국가적 차원에서 진행되고 있다. 하지만, 수소의 가장 취약한 면은 수송에 있다. 수소를 수송하기위한 인프라가 구축되어 있지 않다. 수소 제조비보다 수소 수송비가 더 비싼 이유도 여기에 있다. 도시가스의 주 성분은 메탄이며 메탄은 탄화수소 중 동일 열량비 수소 함량이 가장 많다. 따라서 가정용연료전지는 이미 인프라 구축이 완료되어 있고, 타 에너지에 비해 저렴한 동시에 환경친화적인 도시가스가 수소를 공급하기 위한연료로 가장 적합하다. 모바일용에는 에탄올이 유용하며, 차량용에는 CNG충전소에서 수소를 개질하여 차량에 직접 수소를 공급하는 방식이 가장 유용할 것이다. ㅇ 연료전지 종류 연료전지는 전해질의 종류에 따라 구분하며, 운전온도의 차이로 인해 제각기 뚜렷한 특성을 가지고 있다. ① PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, 고분자(이온교환) 전해질형 연료전지) ·작동 온도 : 70 ~ 100℃ ·특징 : 작동온도가 낮고 단위 면적당 전류밀도가 높다 ·응용 분야 : 이동용, 가정용, 자동차용 등 ② PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell, 인산형 연료전지) ·작동 온도 : 180 ~ 210℃ ·특징 : 가장 연구가 오래된 분야, 유일한 상용 제품(200 kW급, 미국 UTC Fuel Cells), 최근 PEMFC에 경쟁력 상실로 대부분 기술개발 중단 ·응용 분야 : 고정용 발전기 ③ MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell, 용융 탄산형 연료전지) ·작동 온도 : 600 ~ 700℃ ·특징 : CO 및 CO2 에 대한 내성이 강하고 초기 설계가 간단하지만 전해질의 증발이 많음 ·응용 분야 : 고정용 발전기 (200 kW 이상) ④ SOFC (Solid Oxide Fuel Cell, 고체 산화형 연료전지) ·작동 온도 : 650 ~ 1,000℃ ·특징 : 효율이 높고 전극 촉매가 필요 없지만, 고온에서 견딜 수 있는 재료 및 씰링이 어렵다. ⑤ DMFC (Direct Methanol Fuel Cell, 직접 메탄올 연료전지) ·작동 온도 : 약 150℃ ·특징 : 개질기가 필요 없어 시스템이 간소하고 부하 응답성이 빠르지만, 반응속도가 낮아 출력이 낮고 다량의 백금 촉매를 필요로 하며 산화제가 막을 통과하는 Cross Over 등의 단점이 있다.