한국에너지기술연구원 김민진 책임연구원

국가 수소경제 활성화를 위한 시장 맞춤형 대체 기술 필요

국내 수소 및 연료전지 기술은 2019년 정부가 수소경제 활성화 로드맵을 발표하면서 본격 산업화가 시작되었다. 수소경제 활성화 로드맵은 연료전지 보급 분야를 수소차, 가정용을 포함한 건물용, 발전용으로 구분하고 각 분야별 대대적인 보급 계획을 발표하였다. 그 중 건물용 연료전지 분야는 발표 당시 해외 선진국들에 비해 그 보급 수준이 현저히 낮은 수준이었기 때문에 2022년까지 50MW, 2040년까지 2.1GW의 보급을 목표로 적극 지원하겠다는 정부의 발표에, 기업과 시장의 기대치가 매우 높아졌던 것도 사실이다. 실제 2021년 11월 발표된 제 1차 수소경제 이행 기본계획에 따르면 수소경제 활성화 로드맵 발표 이후 약 3년간 건물용 연료전지 보급량이 약 2배쯤 증가하여 과거 어느 기간 보다도 시장의 빠른 성장을 보여주고 있다. 해당 계획에는 그간 보급 물량이 수소차와 연료전지 발전에 집중되어 다양한 시장으로의 확대에 한계가 있음을 지적하면서 발전/산업부문 수소 활용 확대 및 열/전기 동시 활용, 도심 중심 신설 확대를 위한 기술개발 로드맵을 추가하였다. 다시 말해 수소를 연료로 활용하면서 송전선 설치가 필요 없는 도심 내 건물용 연료전지의 보급 확대가 정부의 수소경제 활성화를 위한 개선방향과 잘 부합한다는 것을 알 수 있다.

(그림 1) 국가 수소경제 활성화를 위한 연료전지 보급 목표 및 달성 현황

하지만 건물용 연료전지의 보급 확대 및 원활한 산업화를 이루기 위해서 먼저 해결되어야할 문제들이 있다. 그간 수 차례의 국정감사를 통해 지적되어온 연료전지 발전의 문제점들은 낮은 가동률, 온실가스 배출, 경제성 부족 등으로 정리할 수 있다.

순수소를 사용하는 차세대 PEMFC 분산발전 기술

PEMFC(polymer electrolyte membrane fuel cell) 분산발전이 시장 경쟁력 확보를 위해 개선해야 할 전략은 크게 두 가지 방향으로 논의할 수 있다. 첫째는 경제성 개선이고 둘째는 시스템 안정성 및 수명 개선이다. 각각의 개선 방향에는 다시 제도적 대책과 기술적 대책의 서로 다른 접근법이 존재한다. 이중 제도적 대책은 지속적으로 논의되어 오고 있으며 또한 일부는 이미 반영되어 있고 타 산업 분야와의 형평성 문제 등 그 도입과 개선에 장기적 노력이 필요한 부분이라 간단히 현황만 언급하고, 본 기고문에서는 기술적 대책에 대해 주된 논의를 이어가고자 한다. 경제성 개선을 위한 제도적 대책은 1) 연료전지 도시가스 할인요금제, 2) 전력 판매 인센티브(REC) 등이 있으며 안정성/수명 개선을 위한 제도적 대책은 1) 연료전지 운영 현황 실시간 모니터링, 2) 연료전지 신뢰성 평가센터 운영 등이 있다.

(그림 2) 연료전지 분산발전 시장 경쟁력 개선 대책

경제성 개선을 위한 기술적 대책은 먼저 순수소를 연료로 사용하는 고분자연료전지 분산전원 기술의 상용화이다. 순수소를 사용하면 기존 도시가스를 연료로 사용하는 연료전지에서 CO2가 발생하여 탄소 중립을 저해한다는 근본적인 문제를 해소할 수 있다. 또한 도시가스를 수소로 개질하는 연료변환장치를 사용하지 않기 때문에 연료전지 시스템 전기변환 효율을 높이고 이에 따라 운영 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 이미 수소차는 순수소를 연료로 발전을 하고 있지만 연료전지 자동차와 달리 분산전원은 정격운전에서의 고효율/고출력 확보가 필요하고 자동차보다 훨씬 오랜 시간 운전을 해야 한다는 점 등에서 기술 개발의 차별점이 발생한다. 둘째, 현재 구현된 기술보다 약 10% 이상의 효율 개선을 목표로 하는 초고효율 스택 개발이다. 초고효율 스택은 효율뿐만 아니라 단가도 함께 낮추기 위해 높은 전류 밀도에서도 높은 전압에 도달할 수 있는 MEA(membrane electrode assembly)의 개발이 필수적이다. 기존 MEA의 전압은 유지하며 출력을 2배로 늘리면 스택 적층수를 절반 수준으로 줄일 수 있어 스택 단가 절감에 크게 기여할 수 있다. 또한 MEA를 최적의 운전 조건으로 맞춰주기 위해서는 GDL(gas diffusion layer)과 BP(bipolar plate)의 설계 기술은 물론 운전최적화 기술 또한 필요하다.

국내 순수소를 연료로 사용하는 연료전지 분산발전 시스템은 1kW, 5kW, 10kW 용량으로 판매되고 있으며 전기 변환 효율은 약 50% 수준이다(두산퓨얼셀파워, 에스퓨얼셀). 또한 울산 수소타운 프로젝트를 통해서 25kW, 50kW, 100kW 순수소 연료전지 실증을 성공적으로 수행한 경험도 있다. 최근 2021년 10월 일본의 파나소닉은 5kW급 순수소 연료전지 시스템을 출시하면서 일본 또한 순수소를 연료로 사용하는 고분자연료전지 분산발전 시장에 주목하고 있다. 파나소닉은 그간 주택용 연료전지를 수십만대 판매해본 이력을 바탕으로 순수소 연료전지 시스템의 전기 발전 효율은 56%로 세계 최고 수준을 보고하고 있다. 현재 순수소 사용 고분자연료전지 기술에 언급한 초고효율 스택 기술이 결합하면 최고 65%까지 전기 변환 효율을 획득할 수 있으며 이것은 고온형 연료전지 SOFC의 발전효율을 능가하는 수치로 차세대 PEMFC 분산발전 시스템이 발전용에도 쓸 수 있다는 뜻이다.

(그림 3) 연료전지 종류별 전기 변환 효율 비교

그렇다면 연료전지 분산발전 안정성 및 수명 개선을 위한 기술적 대책은 무엇일까. 연료전지 안정성 및 수명 개선을 위한 기술은 소재/부품/시스템 측면의 다양한 분야의 종합적 접근이 필요하다. 그 중에서도 가장 핵심적인 기술을 선택한다면 연료전지 고장 진단 기술을 들 수 있다. 고장 진단 기술은 연료전지 시스템의 거동을 모사할 수 있는 시스템 규모의 모델링을 기반으로, 모델링 예측값으로 대변되는 정상 운전 값과 실세 시스템의 운전 값을 비교하는 ‘잔차(Residual)’ 개념을 도입하여 잔차의 변화를 실시간으로 모니터링 하는 방식으로 시스템의 이상 및 고장을 빠르게 검출하고 고장이 발생 했다면 그 원인을 정확히 진단하는 운전 기술이다. 고장 진단 기술은 전체 시스템을 공기공급계, 연료공급계, 열 및 물 관리계, 전력변환계의 네 부위로 구분하고 각각의 부위에서도 개별 부품 수준으로 세분화하여 구체적인 고장 부위와 원인 진단이 가능하도록 계층화되어 구성한다. 고장진단 기술은 고장에 대한 빠른 대처와 예지 진단을 통한 고장 발생 방지 등 연료전지 시스템의 안정성을 확보하고 내구성을 개선하는데 효과적이다.

차세대 PEMFC 분산발전 기술의 파급 효과

PEMFC 분산발전 기술의 파급효과는 크게 세 가지로 나눠지며, 연료전지 시스템의 경제성 확보, 친환경 수소기반 탄소중립 기여, 재생에너지 연계 전력 계통 안정화로 설명할 수 있다.

(그림 4) 차세대 PEMFC 분산발전 기술의 파급 효과

먼저 경제적 기대효과는 1MW 설치 운영 시 전력 구입 가격 대비 연료전지 전력 생산 단가(수소경제 활성화 로드맵 2040년 목표 수소 가스 요금 3,000원/H2kg 기준 계산)를 비교하여 산출하였다. 1MW급 연료전지를 설치하고 1년간 가동하면 연간 발전량이 7,974MWh/yr이고, 이에 대한 전력구입가격은 14.4억원/yr, 수소 가스 요금은 11억원/yr이므로 연간 3.4억원의 운영 이익을 창출할 수 있다.

(그림 5) 차세대 PEMFC 분산발전의 경제적 기대효과

다음으로 탄소중립 기여도는 해당 기술을 수소경제 활성화 로드맵의 2040년 건물용 연료전지 목표 보급량인 2.1GW만큼 설치했다고 가정하고 이 때 연간 발전량 대비 연간 온실가스 저감량을 추산하였다. 2.1GW 설치 시 연간 발전량은 16,745GWh/yr이고 온실가스 전력배출계수(출처: 온실가스 운영지침)는 0.46(tCO2/MWh)를 사용하여 계산하면 연간 온실가스 저감량은 741만tCO2/yr가 된다. 이 값은 2030년 온실가스 감축량 전환부문 목표의 6.19%를 기여하는 것이다.

(그림 6) 차세대 PEMFC 분산발전의 탄소중립 기여도

마지막으로 해당 기술은 재생에너지 연계 전력 계통 안정화에도 기여할 수 있다. 순수소를 연료로 사용하는 연료전지 분산전원은 시동과 정지가 빠르고 부하 변동성이 용이하여 태양광, 풍력 등의 재생에너지가 생산하는 전력의 간헐성을 보완하기 용이할 뿐만 아니라 시간별, 계절별 에너지 수요 편차에 따른 수급 불균형 해소에도 효과적이다. 또한 현존하는 연료전지 종류 중 PEMFC는 여러 번의 시동과 정지, 다양한 부하 변동에도 내구성을 확보하는데 가장 탁월한 연료전지로 알려져 있다.

(그림 7) 재생에너지 연계 전력 계통 안정화 기대효과

상기 파급효과가 달성되기 위해서는 차세대 PEMFC 분산발전 기술 개발 및 상용화는 물론이고 수소 생산 단가 및 인프라 확대, 그리고 정부 보급 목표에 준하는 시장의 활성화 등 다양한 여건이 함께 마련되어야 한다. 국가 수소경제 활성화를 위하여 국가의 지속적인 정책적 지원과 산학연의 기술개발 및 시장 개척을 위한 각고의 노력이 절실히 요구된다.

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