청소년 에너지 입문서[수소에너지 백과사전_9]
South Korea's energy independence and the development of fuel cell technology are closely intertwined. In the past, South Korea faced challenges due to its lack of oil resources, but it is now focusing on renewable energy sources like hydrogen. Hydrogen fuel cells represent an innovative technology that can simultaneously generate electricity and heat, playing a crucial role in improving energy efficiency and reducing environmental pollution. The country is rapidly growing in the fuel cell market, with domestic companies like Doosan Fuel Cell working hard to secure leadership in the global technological competition.
전 세계 발전용 연료전지의 격돌!
1976년 1월 6일 새마를 맞이한 지 얼마 지나지 않아 경향신문 1면에 다음과 같은 기사가 실렸다.
“대륙붕 유전의 꿈은 가능한가 정초 뉴스를 흥분시킨 7광구 유징설의 안팎
유징이란 ‘지하에 석유가 매장되어 있음을 나타내는 징후'를 뜻하는 단어다. 확인된 것이 아닌 '유징’만으로도 언론과 국민은 기뻐했다. 1차 석유파동을 겪으며 석유가 나지 않는 나라의 설움을 뼈저리게 느낀 당시 대한민국 정부는 대륙붕 에서 석유를 얻기 위한 시도를 꾸준히 했다. 그러기를 20여년 수많은 시도는 수포로 돌아갔다. 울산 앞바다에서 한국 석유 공사가 1998년 7월 당사에 성공하여 LNG 기준 500만 톤을 발견하고 하루에 1,000톤 생산하는 '동해가스 돈이 있을 뿐이다
비록 산유국의 꿈은 멀어져갔지만 현재 우리나 라는 에너지를 수출하고 있는 어엿한 에너지 수 중국이다. 수입한 원유를 다양한 형태로 가공해 다시 수출하고 있기 때문이다. 하지만 그렇다 산유국이 아니기 때문에 한국 에너지산업과 경제 는 원유가격의 변동에 따라 휘청거릴 수밖에 없다 경계가 경색되거나 산유국과 미국 간 대립이 극단으로 치닫으면 유가는 고공 상승하게 된다. 이를 피할 수 있는 방법은 오직 하나 에너지자립 국이 되는 길밖에 없다
그 일을 가능케하는 새로운 같이 찾아오고 있 다 길을 열고 있는 주인공은 바로 '신재생에너지 수소다. 지금까지의 전통적 에너지인 석유, 석 단, 천연가스 등은 자원을 자기 나라 영토에 직접 소유하고 있는 나라가 에너지 강국이 될 수 있었다. 하지만 수소 는 기술이 첫째 간간이다. 가슴을 소유하고 강국이 될 수 있는 길이 열린 것이다.
수소를 이용해서 전기와 열을 동시에 얻을 수 있는 발전기술 이 수소를 연료로 공급해 대기 중 산소와 전기화학반응을 통해 직접 전기를 만드는 발상이다. 크게 본 연구에 공급된 수소가 수소이온과 전자로 분리되고 분리된 수소이온은 전해질막을 통과하여 공기극으로 이동해 산소와 만나 물이 된다. 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동하여 전기와 열이 발생된다.
수소전기차는 소형 연료전지가 사용된다. 연료전지 소를 만들거나 가정과 건물에서 사용하는 전기와 열을 얻는다 가장 큰 장점은 전기를 생산하고 난방으로도 이용할 수 있다는 점이다. 또 전기와 열을 대량 이용하는 도심에서 소규 모로 분산이 가능하다 멀리 해안가에 위치한 대규모 발전소로부터 전기를 끌어오고 가정까지 전달하기 위한 송전선로가 요없어 송전비용도 낮아진다
연료전지 방식에는 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC)등이 있다
연료전지는 에너지 저장장치(ESS)와는 다르다. ESS는 발전소에서 만들어진 전기를 화학물질에 저장해 두었다가 전기를 공급한다. 연료전지는 화학물질을 저장하는 것이 아니라 저장된 수소와 외부로부터 공급받은 산소가 결합해서 전기를 발생시킨다. 그 자체가 발전인 셈이다. 아쉬운 점이 있다면 아직 연료전지에 화석연료인 갈탄이나 LNG를 개질하여 얻은 수소를 이용하 고 있다는 것이다. 조만간 태양광 · 풍력 등 재생에너지를 이용해 물을 분해하는 수전방식으로 수소를 생산해 사용하게 될 것이다
연료전지시장은 빠르게 성장하고 있다. 2017년 기준 50억 3,400만 달러, 즉 우리 돈으로 약 380억 원에 달했다. 발전용 연료전지와 수소전기차 시장이 연료전지시장을 견인하고 있다. 특히 세계 발전용 연료전지시장은 2015년에 비해 2009년 현 제 8% 상장했다. 그 중 우리나라의 성장 역시 주목할 만하다 20년에 비해 2019년 연평균 성장률이 34.2%에 달한다. 우리 정부는 8차 전력수급기본계획에서 2018년~2020년 신규 연료전지 설비용량을 연간 80MW로 계획하고 있다. 2021년 -202년에는 연간 40MW 설치할 계획이다.
국내 발전용 연료전지는 주로 MCFC방식과 PAFC방식으로, 포스코에너지와 두산퓨얼셀이 담당했다. 두산퓨얼셀은 발전을 연료전지사업을 중심으로 가정과 건물용 시장에서도 활약하고 있다. 발전용에 PAFC 방식을 채택한 것과 달리 수소전기차와 같은 방식인 PEMFC 방식을 채택했다. 최근에는 SK건설이 미국기업인 블룸에너지(Bloom energy)와 기술제휴계약을 체결해 SOFC 기술을 도입했다. 국내에서도 미코에서 국내에 1MW 규모의 셀→ 스텍→시 스템 국산화공정을 구축하고 있다. 우리나라의 연료전지 기업은 두산퓨얼셀이 대표적이다. 설비 수주액이 2015년 5,500억원에서 2018년 1조 2,000억원으로 크게 늘어났다. 충청북도 진천에는 세계 최대 규모인 80MW의 수소연료전지발 전소 건립이 추진되고 있다. 한국동서발전은 곧 100MW 발전소 를 건립할 계획이다. 세계 최대 규모를 넘어선 연료전지발전소가 건립되는 것이다.
문제는 기술력이다. 수소경제활성화 로드맵이 발 표된 이후 연료전지 보급 확대가 전망되면서 국내 발전용 시장을 선점하기 위해 각국의 기업들은 공 격적인 투자를 펼치고 있다. 우리 기업과 주도권을 확보하기 위한 경쟁이 치열하게 벌어지고 있다. 두산퓨얼셀, STX중공업 등 우리 기업과 미국의 블룸에너지 등이 국내 다른 기업과의 계약 체결에 뛰어들고 있다.
우리 기업들은 원천기술을 보유하고, 기술력이 우리보다 높은 미국·일본 등과 경쟁해야 한다. 보급을 확대하면서 동시에 각종 연구개발을 통해 국내 기업들이 기술력을 확보할 수 있도록 하 는 섬세한 계획이 필요하다.
너무도 중요한 때다. 핵심 기술을 적극적으로 국산화하고 해외 기술에 대한 의존도를 낮춰야 한다. '조' 단위로 커지는 국내 발 전용 연료전지 내수시장이 외국 자본에 의해 잠식되지 않도록 대 응해야 한다.
우리집과 건물에도 연료전지가
독일 브란덴부르크주 Brandenburg의 트로이옌브리첸시에 있는 작 온 마을 펜트하임. 이곳은 외부에서 전기나 가스 등의 에너지를 들여오지 않고, 마을에서 에너지를 생산해 살아가고 있는 에너지 자립마을이다. 이 마을은 어떻게 에너지자립마을이 되었을까. 마을은 재생에너지 사업을 받아들인 덕분에 에너지자립마을이 라는 가치 있는 이름을 얻게 되었다. 바람을 이용한 풍력발전, 마 을에서 키우는 소와 돼지의 배설물을 이용한 바이오가스발전 그 리오 태양광발전을 이용해 전기와 열을 얻고 있다.
펠트하임과 같은 에너지자립마을은 이상적인 에 |너지 공동체의 형태다. 그러나 지역적인 특성을 고 려해야 하고, 초기에 자본이 많이 들어가기 때문 주에 사업을 시작하기가 어렵다. 우리나라를 비롯해 서 전 세계 대부분의 마을들은 멀리 떨어져 있는 대형 발전소로부터 전기를 공급받고, 지하에 깔려 있는 가스배관 을 통해 가스업체로부터 가스를 공급받는다. 내가 쓰는 전기가 어디서 어떻게 만들어지는지 알 도리가 없다.
우리나라는 석탄, LNG 등 화석연료와 원자력발전 중심의 중앙 집중식 대형발전소에서 만들어진 전력을 대부분 공급하고 있다. 이런 전력을 사용자들에게 전달하기 위해서는 고압의 송전답을 동해 먼 곳으로 보내야 하는데 이 역시 비효율적이다. 고압 송전탑의 건설과 이로 인한 토지이용제한, 그리고 먼 곳으로 이동할 때 소모되는 전기의 양도 상당하다. 특히 석탄발전소는 미세먼지를 일으키는 주범이기도 하다. 하지만 소음과 온실기 체 배출, 환경오염 등의 문제로 대형 발전소의 입지 선정이 매우 어려워서 건설할 때 많은 용량의 전기를 생산하는 대형 발전소 짓는다. 그게 지금까지 우리가 전기를 생산하고 얻는 방법이었다.
에너지 효율을 고려하여 전송하기 위해서는 각 마을 단위별로 중소형 발전을 하는 것이 효율적이다. 가정용 연료전지는 중소형 발전에서 더 나아가 각 건물이나 주택별로 별도의 소형 발전을 할 수 있는 시스템이다. 가정용 연료전지가 보급되면 수소를 이용 해 가정이나 건물에서 직접 전기와 열을 만들 수 있다. 전선으로 전기를, 열병합발전소에서 온수를 별도로 공급받는 것보다 훨씬 효율적이다. 이때 생산된 전기 중 사용하고 남은 것은 전기회사에 다시 팔 수 있다. 여기에 지붕 위 태양광 패널, 마당에 자그마한 풍력발전기를 두어 수소를 얻고 이를 통해 연료전지발전을 할 수 있다. 아직은 수소를 만드는 비용 때문에 좀 더 기술개발이 필요 하다.
우리나라에서는 한국에너지공단이 가정용 연료 전지 보급을 위해 지원사업을 벌이고 있다. 사업은 더 확대될 전망이다. 그렇다면 현재 상용화된 연료전지 기술 중 어떤 기술이 가정용 연료전지에 적합할까? 가정·건물용 연료전지로는 주로 SOFC방식이 쓰인다. 우리가 가정이나 건물에서 많이 사용하는 가스보일러를 설치하는 공간과 방법이 비슷해서 설치할 때 제약 이 없다. 공해물질이나 소음도 발생되지 않아 도시 가스 인프라를 활용하여 열병합 발전이 가능하다. 학교·대형마트·공장. 상가 등 다목적 건물에 활 용할 수도 있다. 병원과 소방서·통신서버 등 국민 들의 안전을 위해 24시간 안정적으로 가동되어야 할 시설에서 비상전력장치로도 활용이 가능하다.
인천공항에서도 연료전지발전소를 짓고 있는데 2020년 완공된 다. 공항지역 열병합발전소에 인접한 부지에 60MW급 연료전지 발전시설이 건설된다. 인천공항은 영종대교를 통해 한국전력공사 로부터 전력을 공급받고 있지만 연료전지발전소가 완공되면 이 발 전소를 통해 비상용 전력을 공급받을 수 있다. 만약 한국전력공사로부터 오는 개통 전력망에 문제가 생겨도 자체 연료전지발전소를 통해 비상시 전원으로 얻겠다는 것이다.
앞으로 점차 영역을 넓혀 동네마다 연료전지발전소를 두어 일상 적인 전력망으로 사용할 수 있게 된다면, 환경오염 등의 문제에서 벗어날 수 있다. 대형 송전탑의 전파안전성 문제가 불거지면서 민 원이 발생하고 있는데, 이러한 문제도 일으키지 않는다.
연료전지발전소는 동네 친화적인 발전소이자 비상시에 전력을 주는 좋은 발전소로, 미래에너지원으로서 그 역할을 충분히 할 수 있을 것이다.
일본 가정에는 에네팜이 있다
오사카에 사는 M씨의 집. 5인 가족인 M씨의 집은 다른 집들처 럼 집안에 필요한 도시가스와 물, 그리고 전기를 사용한다. 이것 만 본다면 보통 우리나라 가정과 별 다를 것이 없다. 하지만 이 곳에서 에너지 활용방법은 일반적인 우리나라 가정과 다르다. 보 통 도시가스를 연소해 물을 데워 온수를 사용하고 난방을 하며, 전력망을 통해 받은 전기는 조명과 그 밖의 가전제품을 사용하는 데 쓴다. 하지만 M씨의 집은 다르다. 집 안에 연료전지시스템이 설치되어 있는데 이를 ‘에네팜 ENE-FARM'이라고 부른다. 에네팜은 M씨 가 족이 사용하는 모든 에너지 생산을 담당한다. 도시가스를 공급 받아 연료전지시스템으로 전기를 만들고 온수를 사용한다. 남는 전기는 전기회사에 되팔수 있는 시스템이다. 어떻게 이런 일이 가능 한 것일까?
에네팜은 일본에서 2009년부터 일반소비자에게 판매된 가정용 연료전지의 열병합발전 시스템이며 이에 대한 인지도를 높일 목적으로 일본의 '연료 전자실용화추진협회가 붙인 이름이다. 연료전지를 통해 에너지를 스스로 만들어 사용하는 것을 농작물을 경작하 는 것에 비유해 이름 붙인 것이다.
에네팜은 일본에 10년간 25만여 대 공급되었으며 2030년까지 530만대 보급할 계획을 갖고 있다. 이를 위해 일본정부는 2020 년까지 PEMFC방식을 80만 엔, SOFC방식을 100만 엔으로 가격인하를 위한 지원을 강화하고 있다. 2020년부터는 실제적으로 보조금 지원 없이도 보급될 수 있는 것이다.
에네팜은 LNG나 LPG를 공급받아 전기를 생산한다. 하지만 기존 발전기처럼 가스를 내연기관에서 연소시켜 터빈을 돌리거나 물을 끓여 수증기로 터빈을 돌리는 물리적인 발전이 아니다. 공급받은 가스에서 먼저 수소를 분리하고, 이 수소와 산소를 화학 적으로 결합시켜 전기와 열을 동시에 생산한다. 이처럼 에네 이용한 발전은 전기뿐만 아니라 함께 발생하는 열을 이용해 온수를 공급해 난방과 급탕을 모두 해결할 수 있다. 이때 만들어진 전기는 SOV 미만의 직류이기 때문에 인버터블 통해 200V 이상의 교류로 변화시킨다. 온수와 전기는 필요량에 따라 생산을 조절할 필요가 있다. 대부분 온수에 맞게 작동하고 전기가 더 필요한 경우 외부에서 전력을 공급받는다. 반대로 전기 가 남으면 전기회사를 통해 팔게 된다. 이런 애너팜의 상용화가 중요한 이유는 탄소에서 수소경제로 넘어가는 디딤돌 역할을 하기 때문이다. 수소생산이 대중화되어 가스회사로부터 가정까지 직접 공급된다면 LNG LPG로부 터 수소를 뽑아내는 장치가 필요 없어 훨씬 단순한 장치로 전기 와 온수를 만들어 낼 수 있다. 수소 하나로 가정의 모든 에너지 몸 해결할 수 있다는 것이다.
일본은 재배가 잦은 지역이라 중앙계통도 중요하지만 각 가 이 스스로 자율적으로 에너지를 사용할 수 있는 시스템을 갖춰야 한다. 가정용 연료전지 '에' 대중적으로 보급되고 있는 이유이다.
에네팜은 일본 가정에는 반드시 갖춰야 할 필수품이 되고 있다. 우리의 경우 건물용 연료전지, 빌라나 단독주택에 사용할 수 있는 가정용 연료전지를 보급하고 있는데, 아들 연료전지는 자신이 에너지를 얼마나 사용하는지 그 연료에서 전기량이 어느 정도 나 오는지 눈으로 금세 확인할 수 있다. 탄소에서 수소경제로 넘어가는데 있어 가장 중요한 것은 사람이다. 사람이 자발적으로 선택할 수 있도록 돕는 정책은 꽃 파우기가 쉽다. 가정용 연료전지 애네팜이 바로 그러하다.
디젤발전기에서 수소연료전지로!
2008년 8월 8일 경기도 포천시 신북면에 조성중인 장자산업단 지에 있는 석탄화력발전소에서 폭발사고가 일어났다. 상업운전을 앞두고 발생한 사고로 근로자 1명이 숨지고 4명이 다쳤다
포천 석탄화력발전소 폭발사고 현장
이 발전소는 2015년 12월 공사를 시작한 이후 환경 피해와 도시미관 저해 땅값 하락을 이유로 지역주민과 갈등을 빚어왔다. 그러던 차에 이런 사 고까지 발생한 것이다. 발전소는 원래 지역에너지를 공급하는 분산형이 었지만 산업이 급속히 발달하면서 전기사용량이 늘어났고, 대량 공급을 위해 화석연료 중심의 중앙집중식 대형발전으로 바뀌었다. 대형 송진답이 바로 그 상징이다. 그러나 이런 중앙집중식 대형발 전소는 전기생산의 효율문제 송전망을 통해 전기가 아동해오면서 전력이 부하되는 문제, 고압 전력을 멀리 보내는 도중에 발생하는 전력손실, 대형송전담 주변에서 살고 있는 주민들의 민원 등 여 러 문제를 안고 있다. 또 송전탑을 건설할 때 산림도 훼손하고 많 은 전력을 생산할 때 발생하는 온실기체 등 환경피해도 문제이다. 대형 발전소에서 발생하는 문제가 제기되면서 소형 분산발전이 주목받고 있다. 전기를 사용하는 주거지역이나 공장지대 부근에 작은 발전소를 세워 전기를 공급하는 방식이다. 전력의 이송거리 가 짧아 고압으로 송진할 필요가 없어 고가의 송전 장비가 필요 없고 사고위험도 줄어든다. 전략이 닿기 힘든 산간도서 지역에 도 소형 발전소가 이미 사용되고 있다.
소형 발전기에서 가장 많이 사용되는 연료는 공급이 쉬운 다 이다. 재생에너지가 들어오기 전 울퉁도에서도 100% 디젤발전기를 이용해 전기를 생산했다. 대개 모든 섬들이 에너지자립성이 되 기 전에는 디젤섬으로 불릴 정도로 디젤을 100% 사용했다. 디젤 이어 내는 이산화탄소는 인체에 유해하며, 환경도 오염시키 는 법이다. 소음도 문제였다. 가정·회사 등 전기를 사용하는 소 비자와 가까운 거리에서 디젤 엔진이 내는 소음과 진동으로 인해 많은 피해가 발생하고 있다.
최근 소형 디젤발전기가 유발하는 문제들을 해결하기 위해 신 재생에너지를 이용한 분산발전이 각광받고 있다. 연료전지를 이용 한 발전은 다른 신재생에너지와 비교해도 여러가지 장점을 갖고 있다. 태양광발전이나 풍력발전은 발전소를 아무 곳에나 세울 수 가 있다. 빛과 바람을 고려해야 한다. 반면 연료전지발전소는 입지선정이 자유롭다. 소음이나 진동, 그리고 온실기체 배출에 대한 민원발생의 우려가 없으며 설치 공간도 자유롭다. 심지어 도심 재 개발지역이나 태양광발전소를 설치한 자투리 땅 등에도 설치가 가능하다. 땅을 활용하는 데도 큰 강점이 있는 것이다.
2017년 5월 기준으로 우리나라에는 서른 개가 넘는 연료전지발 전소가 240MW의 전기를 생산하고 있다. 가장 대표적인 연료전 지발전소는 경기도 화성시 발안공단에 위치한 경기그린에너지다. 2013년 11월에 준공한 이래 연료전지발전으로 14만 가구에 전기를 공급할 수 있는 설비를 갖추고 있다. 또 우리나라 연료전지발전소 중 잘 알려진 곳으로는 노을연료 전지발전소가 있다. 상암동에 위치한 이 발전소는 난지도 쓰레 기 매립장에 지어진 발전소로 쓰레기가 품고 있는 바이오에너지와 MCFC방식의 연료전지로 발전하고 있다.
이제 우리는 이 곳을 노을공원이라고 부른다. 연료전지를 사용해 친 환경 신재생에너지를 생산하고 있는데 서울에 있는 연료전지발전설비 중에서는 최대규모다. 마포구에 살고 있는 17만 가구가 쓰는 전력량의 28%가 이 곳에서 만들어지고 있다. 전기만 사용하는 것이 아니다. 여 가서 만들어진 열도 보급되어 약 9천 세대가 사용하고 있다. 전기와 열 을 합한 효율이 국내 최고수준인 82%로 경제성도 높은 편이다.
노을연료전지발전소가 자리한 노을공원은 서울의 자랑이다. 전 기차를 타고 공원 전역을 오갈 수도 있으며, 연료전지발전이 무엇 인지 교육도 받을 수 있다. 불과 30여 년 전 쓰레기장이었던 이 곳, 자금은 연료전지발전소 와 사람이 공존하고 있는 아름다운 장소로 변신했다. 노을이 내 라면 서서히 밝혀지는 가로등 불빛도 바로 연료전지발전이 뿜어내 는 불빛이다. 노을공원이 빚어내는 풍경 그 중심에 수소가 있다.
