수소 연소시 열·물 생산, 재생형 연료전지로도 이용
화력발전 대체·분산형 전원 등 사용 용도 폭 넓어
고유가 상황이 지속되면서 에너지절약의 중요성이 더욱 강조되고 있다.
정부도 고유가 상황 타개를 위한 여러 방안들을 내놓는 한편 국민들의 한층 더 강화된 에너지절약을 당부하고 있다.
이러한 상황에서 주목받고 있는 것은 신·재생에너지.
더욱이 자원빈국인 우리나라로서 신·재생에너지 개발은 향후 화석연료의 고갈과 기후변화협약에 대응하기 위한 대응책으로 더욱 주력해야 할 의무로 평가되고 있다.
정부는 수소에너지 시대의 도래에 맞춰 수소경제로의 전환을 계획하고 있는 한편 태양광, 소수력, 연료전지 등에 대한 지원책을 마련해 신·재생에너지 기술개발 및 보급에 힘을 쏟고 있다.
다양한 신·재생에너지 중 현재 국내에서 활발하게 연구가 진행 중인 연료전지는 타 에너지원보다 주목을 받고 있다.
연료전지는 현재 우리나라의 기술 개발정도가 다른 나라와의 격차가 적을 뿐만 아니라 다양한 수요처가 있다는 데서 더욱 눈길을 끌고 있다.
특히 연료전지 발전방식은 급격한 전력수요 증가에 따른 전원확보, 지구 환경문제에 따른 이산화탄소 규제 등을 해결하기 위해 공해요인이 적으며 에너지 변환효율이 높은 새로운 발전방식으로 수요지 근처에 설치하는 분산형 전원으로 각광받고 있다.
수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 직접 발전하는 연료전지 발전방식은 기존 발전방식에 비해 에너지 변환효율이 높고 공해 요인이 적다는 특징이 있어 차세대 새로운 발전방식으로 가장 큰 주목을 받고 있다.
최근 한전전력연구원이 100kW급 용융탄산염형(MCFC) 연료전지시스템을 개발, 한국중부발전(사장 김영철) 보령화력본부에 시험 부지를 마련하고 시운전에 돌입했다.
전력연구원의 주관으로 지난 2001년 4월부터 추진된 100kW 용융탄산염형(MCFC) 연료전지시스템은 이번 시운전으로 본격적인 신·재생에너지 신기술 개발 및 실용화에 새로운 전기를 마련한 것으로 평가받고 있다.
한편 한전전력연구원은 발전 5개 회사와 함께 향후 250kW 분산전원용 연료전지시스템 개발과제를 공동 개발 중에 있다.
▲연료전지 발전소
연료전지 발전소는 기본적으로 전기를 생산하는 연료전지 본체(Stack, Fuel cell power section)와 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환시키는 연료처리계, 발전된 직류 전기를 교류로 변환시키는 전력변환장치로 구성된다.
이외 이들 시스템을 종합적으로 제어하고 나오는 부산물인 고온의 물을 이용해 냉·난방을 하거나 다시 전기를 만들어 내는 배열이용 장치 등이 부가된다.
연료전지 본체는 단위전지 수백 장을 쌓아 직렬로 연결, 그 크기를 보통 100에서 500kW 규모로 만들어 이용한다.
이를 스택이라 부르며 이 스택을 병렬로 연결해 수만에서 수십만kW를 생산하는 대규모 발전용 플랜트로 구성할 수 있다.
수소와 산소를 결합시켜 물과 전기를 만들어 내는 연료전지는 수소를 천연가스, 석탄, 메탄올 등과 같은 화석연료로부터 얻어낸다.
연료전지 본체에서 필요로 하는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등을 만들어내는 장치를 연료처리 장치라하고 연료처리 장치는 사용되는 화석연료 종류에 따라 다르며 천연가스 메탄올 등을 연료로 사용할 경우 수증기를 공급해서 일산화탄소, 이산화탄소를 얻는 수증기첨가 개질 방법을 이용해 수소를 생산한다.
연료전지에서 나오는 전기는 직류전기이므로 전력 변환장치를 통해 교류로 변환시키는 인버터가 포함된다.
연료전지 발전소가 이들 부분 시스템이 유기적으로 동작해 발전이 이뤄지며 제어 계통을 통해 발전출력, 공급되는 수소 및 공기의 양, 회수되는 배열 양을 종합적으로 조절하게 된다.
화력발전 대체·분산형 전원 등으로 이용
■화력발전 대체용 연료전지 발전설비
발전용 연료전지는 저온 연료전지인 인산형(Phosphoric Acid Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell) 등이 소규모 발전용으로, 고온 연료전지인 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Feul Cell), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell) 등이 대형 발전용으로 이용될 것으로 예측되고 있지만 크게 구분되지 않고 있다.
화력발전을 대체하는 경우 사용될 수 있는 연료전지 발전방식은 연료 종류에 따라 구분할 수 있다. 주로 천연가스를 이용하는 경우 용융탄산염 및 고체 전해질형 연료전지 복합발전방식으로 활용이 가능하고 전체 발전효율은 55~65% 정도가 기대되고 있다.
반면 석탄 가스를 이용하는 경우에는 발전효율은 50~60% 정도로 풍부한 자원인 석탄을 깨끗하고 효율 좋게 사용한다는 점에서 중요하다.
화력발전 대체용 연료전지 발전소는 그 규모가 수천kW에서 수십만kW 규모로 보급될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
■분산전원용 연료전지 발전설비
열과 전기를 동시에 공급할 수 있는 소규모 연료전지 발전 방식은 열과 전기를 필요로 하는 수요자 요구에 직접 연결되며 송·배전 설비 사용을 줄여 비용을 저감할 수 있다.
분산형 전원은 설치비가 적어 화력발전 대체용 연료전지보다 빠르게 상용화될 것으로 예측되고 있다.
가장 상용화에 근접한 연료전지는 인산형 연료전지 발전시스템이며 현재 미국 IFA社에서 제작한 100~200kW급 인산형 연료전지가 전 세계에 약 200기 이상 보급, 운전되고 있다.
용융탄산염 및 고체 전해질형 연료전지도 기술개발 진도에 따라 보급이 예상되고 있다.
국내에서는 GS칼텍스가 인산형 50kW급을, 한전전력연구원에서는 250kW급 용융탄산염 연료전지가 2006년까지 개발 예정으로 연구가 진행되고 있다.
■가정용 연료전지 발전설비
가정용 연료전지 발전 시스템은 발전효율이 높고 저온에서 동작하면서 전체 시스템이 고체로 돼 있는 고체 고분자형 연료전지 및 고체 전해질 연료전지가 대상이 되며 통상 수kW 규모에서 수십kW급 용량의 발전설비가 개발되고 있다.
소규모 연료전지 발전시스템은 전원계통과 떨어져있는 낙도 전원으로 또한 호텔, 병원, 음식점 등에서도 광범위하게 적용될 수 있다.
가정은 열과 전기를 동시에 생산, 소비할 수 있는 가장 좋은 장소로, 파이프로 공급되는 도시가스를 이용해 배기가스가 적고 소음이 없는 현지 설치형 소형 연료전지 발전시스템을 이용해 열과 전기를 생산, 사용한다면 가장 이상적인 가정용 에너지 시스템이 될 수 있다.
수소, 가장 안정된 에너지원
지구상에서 가장 많은 자원인 물로부터 얻을 수 있는 수소는 연소해 열에너지를 생산하고 이때 물을 생산하기 때문에 환경 면에서 가장 안정된 에너지원이다.
수소는 내연 기관을 통해 기계에너지로도 이용이 가능하고 기존 천연가스 파이프를 통한 운송 및 액체, 고체 저장이 가능하기 때문에 현재 에너지 체계 변화 없이도 충분한 에너지 체계를 유지시킬 수 있다는 장점이 있다.
그러나 현대 대량의 수소를 값싸게 제조하는 방법이 확립돼 있지 않기 때문에 에너지원으로의 이용은 아주 낮은 수준이다.
발전용 연료전지 기술은 화석연료를 사용하는 발전소가 가지고 있는 문제점을 해결할 수 있는 신 발전 방식이지만 아직 많은 연구 개발이 필요한 새로운 기술이다.
이미 인산형 연료전지를 시초로 실용시스템들이 이미 보급되기 시작했으며 실용화를 눈앞에 두고 있다.
임희천 한전전력연구원 부장은 “현재 100kW급 스택을 만들 수 있는 정도 수준으로 이를 기반으로 한 상업화 전 단계에 와있으며 2009년까지 250kW 열병합기를 개발해 2010년~2012년까지 상업화를 목표로 연구를 진행 중에 있다”고 밝혔다.
연료전지 발전 시스템은 연료의 공급이라는 면에서 미래 가능성이 가장 큰 발전방식으로 이후 사회의 변화에 있어서도 폭넓은 방향으로 이용방법이 도모될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
