연료전지란 수소연료의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발전장치로서 연료전지 스택, 연료변환장치, 주변기기 및 제어기술을 포함하는 통합기술로 이용방법에 따라 건물용, 수송용(차량, 선박), 발전용, 휴대용 등으로 구분된다.
용도별로 △수송용 △정치형(Stationary, 발전·건물용)이, 종류별로 △PEMFC(고분자전해질막 연료전지) △PAFC(인산염 연료전지) △SOFC(고체산화물 연료전지) △MCFC(용융탄산염 연료전지) 등이 있다. PEMFC는 수송용과 주택용으로, PAFC·SOFC·MCFC는 발전용으로 시장확대를 주도하고 있다.
최근 정부가 탄소중립, 그린뉴딜, 수소경제 활성화를 추진하는 가운데 LH도 연료전지 기술개발 및 적용확대를 위한 다양한 활동을 수행하고 있다. 안한근 LH 도시기반처장을 만나 연료전지 동향과 계획에 대해 들었다.
■ 연료전지 기술동향은연료전지발전은 온실가스의 주범인 이산화탄소를 저감하고 에너지사용량 절감효과가 있는 신에너지기술로 미국, 일본, EU 등에서 녹색산업 중 하나로 경쟁적으로 개발이 이뤄지고 있다. 전 세계 연료전지시장은 연평균 약 30%의 빠른 성장세를 보이고 있다.
미국과 일본의 기술수준은 연료전지 상업화와 기반기술을 활용한 실증운전을 통해 신뢰성이 확보돼 있으며 기술개선 및 대량생산을 통한 비용절감에 초점을 맞추고 있다.
소형 연료전지시스템은 일본이 가장 앞서가고 있다. 일본의 Panasonic(전기효율 40%) 및 Toshiba(전기효율 38.5%)의 ‘Ene-farm’이라는 제품이 소형 연료전지 중 세계 최고수준으로 평가받고 있으며 2019년까지 30만대 이상을 보급한 것으로 알려지고 있다.
유럽에서는 ‘H2 mobility UK, Germany, France’를 결성해 수소전기차 및 수소인프라 확대를 지원하고 있다. 특히 독일에서는 고효율 열병합 연료전지에 대해 설치보조금을 지원해 연료전지시장 확대를 유도하고 있다.
우리나라의 경우 현재 상용화된 연료전지 중 발전용이 높은 비율을 차지하고 있으며 가정용 및 상업용을 목적으로 다양한 연료전지 개발이 이뤄지고 있다. 연료전지 관련 국내기업 중에서는 포스코에너지, 에스퓨얼셀, 두산퓨얼셀이 연료전지 기술을 주도하고 있으며 범한산업은 상용화 시작단계에 위치하고 있다.
국내 연료전지시스템 기술은 전기효율 37%, 시스템 종합효율 90% 수준이며 정부의 수소경제 활성화 로드맵에 따라 kW당 가격저감을 위해 스택(stack), 수소추출기, 인버터 등 시스템의 국산화와 촉매로 사용되는 백금의 대체 또는 사용량 최소화 등 기술개발이 활발히 이뤄지고 있다.
■ 건물용 연료전지 주요이슈는
정부는 2010년부터 건물용 연료전지 보급사업을 시행해오고 있지만 연료전지의 높은 설치비와 낮은 경제성 및 복잡한 시스템으로 인한 높은 유지관리비용으로 연료전지 보급확산이 녹록지 않은 상황이다.
정부의 2020년 연료전지 지원예산은 주택용 19억7,000만원, 건물용은 49억5,000만원이다. 연료전지 설치가격이 kW당 2,200만원이고 보조금 지원단가는 kW당 주택용 1,558만원, 건물용은 1,538만원으로 연료전지 단가가 낮아지기는 했지만 정부지원금도 줄어 설치자 입장에서는 여전히 부담스러운 수준이다.
연료전지는 주로 LNG를 개질해 얻어지는 수소를 연료로 작동한다. 1kWh의 전기를 생산하는 데 드는 LNG요금이 전기요금보다 높을 경우 경제성 미흡으로 연료전지 가동률이 낮아지는 상황이 발생할 수 있다.
이러한 연료전지의 낮은 가동률 및 경제성 개선을 위한 정부의 정책제도 마련과 여름철 연료전지발전 시 남는 열을 활용해 효율을 극대화할 수 있는 최적화시스템 개발이 필요한 상황이다.
연료전지는 신재생에너지 보급과 분산전원 확대측면에서 전력수요 편중을 완화하고 건물단위의 에너지자립률 향상과 안정적인 에너지공급원으로써의 역할을 기대할 수 있다. 이러한 연료전지 보급확대 및 수소경제 활성화를 위해 추가 보조금 지급과 운영자가 체감할 수 있는 연료전지용 LNG 요금체계 개선 등이 필요할 것으로 보인다.
■ 그린뉴딜에 건물연료전지 역할은
2030 온실가스 감축목표 및 재생에너지 2030 이행계획 등을 차질 없이 이행하고 탄소중립을 목표로 경제‧사회의 과감한 녹색전환을 추진하고자 정부는 2020년 7월 선도국가로 도약하는 대한민국으로의 대전환을 위한 한국판뉴딜 종합계획을 발표했다.
한국판뉴딜의 10대 대표과제 중 공공건물에 신재생에너지설비를 사용해 친환경 에너지고효율건물의 신축 또는 리모델링 과제가 주목해야 할 부분이다.
특히 공공임대주택(22만5,000호), 국‧공립 어린이집(440개소), 문화시설(1,148개소) 등 생활인프라분야의 녹색전환 계획은 2019년 1월 정부에서 발표한 수소경제활성화 로드맵(2040년까지 가정‧건물용 연료전지 2.1GW 보급)에 힘을 실어주는 정책이자 세부계획으로 건물용 연료전지의 역할이 두드러질 것으로 기대된다.
특히 신재생에너지 중 건물용 연료전지를 보급‧확산함으로써 분산전원으로 활용하고 전력수요를 절감하는 동시에 국가 온실가스 감축에 기여할 것으로 예상된다.
■ 최근 에스퓨얼셀과 MOU를 체결했는데
정부는 그린뉴딜 정책의 일환으로 수소경제 활성화 로드맵을 강력히 추진 중이며 안정적인 발전용 연료전지 보급체계를 마련하기 위해 수소발전 의무화제도(HPS)를 도입할 계획이다. 또한 연료전지 관련산업의 동반성장을 유도하고 건물용 연료전지 보급목표(2040년 2.1GW) 달성을 위해 25kW 연료전지시스템 연구개발사업을 추진 중이다.
에스퓨얼셀은 25kW 건물용 연료전지시스템 개발에 주관기관으로 선정돼 LH와 제로에너지건축물(ZEB)을 대상으로 실증을 진행할 예정이다. 에스퓨얼셀은 1989년부터 국내 연료전지 연구개발을 선도했으며 2001년 11월 국내 최초로 연료전지 전문기업을 설립했다.
연료전지 스택, 수소추출기, 시스템 통합설계 등 연료전지 핵심분야에 대한 독자적인 기술을 확보하고 있으며 연료전지 관련 국책과제 및 실증과제를 다수 수행했다. LH는 에스퓨얼셀과 적극적인 연료전지 기술실증 협업을 2023년 1월부터 2024년 4월까지 진행하고 보급해 25kW급 건물용 연료전지 신뢰성 향상과 완성도를 확보할 계획이다.
최근 에너지 패러다임이 대규모 중앙집중식에서 분산전원과 에너지자립으로 변화하면서 기존 전력생산방식대비 에너지이용효율이 높고 유해물질 배출이 없는 세계 최고수준의 연료전지 시스템 개발을 목표(시스템 전기효율 40%, 종합효율 92%, 수소추출기 변환효율 80% 달성)로 하는 이번 실증을 통해 KS 표준화체계 수립과 CE인증을 획득하고 안전성을 확보함으로써 공인된 국제규격 적용과 인증으로 개발 즉시 사업화가 가능할 것으로 기대된다.
■ 추후 LH의 연료전지 적용계획은
정부는 2019년 1월 수소경제로드맵 발표, 2020년 2월 수소법 제정, 2020년 7월 수소경제위원회 발족 등 탄소경제에서 수소경제 전환을 위한 제도적 기틀을 마련 중이다.
신재생에너지법상 신재생에너지공급 의무화제도, 주택‧건물용 보급사업 및 공공기관 의무설치 제도 등에 연료전지가 포함돼 있으나 연료전지의 보급확산을 위해서는 추가적인 지원제도 개선이 필요한 상황이다.
LH는 수소경제 활성화와 ZEB확산정책을 선도적으로 수행하기 위해 공동주택에 최적화된 연료전지 적용모델 개발·실증을 위한 한국에너지공단과 업무협약을 체결했으며 한국지역난방공사와 분산형 연료전지 설치‧운영사업 모델 개발, 에스퓨얼셀과 국가 R&D 과제인 25kW급 건물용 연료전지 기술실증 업무협약을 체결했다.
또한 LH에서 추진 중인 제로에너지(ZE) 특화도시의 공동주택에 연료전지 적용을 계획하고 있으며 데이터센터(IDC) 파크 집적단지사업의 안정적인 대규모 전력 직공급과 3기 신도시 등 택지개발지구를 ZE도시로 조성하기 위한 연료전지 적용계획을 검토 중이다.
■ 연료전지 기술동향은
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