국내 연료전지 전문가들이 ZEB달성을 위한 연료전지 운용 활성화 방안을 함께 고민했다. 

 

대한설비공학회는 10월30일 한국과학기술회관에서 연료전지를 주제로 제27회 설비포럼을 성황리에 개최했다고 밝혔다. 이번 설비포럼은 설비공학회 ZEB시스템 전문위원회와 한국에너지공단이 공동 주관했으며 포럼을 통해 ZEB 달성에 있어 연료전지의 중요성을 논의하며 활성화방안을 공유하는 자리로 마련됐다.

 

최준영 대한설비공학회 회장은 축사를 통해 “이번 포럼은 연료전지에 대한 운영 현실화·효율확대 방안을 고민하는 자리”라며 “이번 포럼에서 나온 의견들을 반영해 정부·관련기관에 제언할 것”이라고 말했다.
 
연료전지 활용방안·실증사례 공유

이상민 한국기계연구원 책임연구원은 녹색건축의 필요성을 바탕으로 연료전지시스템 활용방안을 발표했다. 일반에너지는 연소과정에서 에너지가 발생하는 구조이지만 연료전지는 저온조건에서 전기화학반응이 일어나 변동부하에 대응할 에너지원으로 부상했다. 

 

연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기에너지로 바꾸는 에너지변환장치다. 연소에서 발생하는 분출물·소음·진동이 없으며 한 모듈을 증식해 용량을 키우는 방식으로 고용량에서도 높은 효율을 가진다는 특징이 있다. 

 

건물용 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)를 중심으로 보급되고 있다. 

 

이상민 책임연구원은 “연료전지는 도시가스를 연료로 사용해 건축물에너지효율등급 인증평가 프로그램(ECO2)에서 손해를 보고 있다”라며 “연료전지만으로는 ZEB인증을 달성하기에 어려움이 있어 태양광, 지열 등과 함께 활용 중”이라고 말했다.

 

연구진들은 수소 시범도시사업을 통해 1kW·10kW PEMFC시스템을 설치했으며 '다중 분산발전기반 옥상온실형 스마트그린빌딩 융복합시스템개발' 과제를 통해 태양광과 SOFC를 설치했다.

 

또한 농촌진흥청과 수소연료전지 삼중 열병합시스템 농업모델을 개발해 30kW급 연료전지, 흡착식 냉방기, 공기열원 히트펌프 등과 연계한 온실냉난방을 구축했다. SOFC·엔진하이브리드시스템 엔지니어링 기술개발도 진행하고 있으며 차세대 암모니아 연료전지 스택 및 시스템개발 등 연료전지 시스템실증을 실시했다.

 

건물용 연료전지는 공간활용도가 높으며 PEMFC이용 시에는 24시간 발전이 가능하지만 내구성 문제와 설치한 뒤 사용하지 않은 사례 등을 개선할 수 있는 정책적 아이디어가 필요한 상황이다.

 

이상민 책임연구원은 “분산발전에 대한 인센티브가 필요한 상황”이라며 “에너지자립률 계산기준을 개선하거나 △의무가동제 △잉여전력 공급·판매방안 △수소연료전지 지원방안 등 지원과 관심이 필요하다”고 강조했다.

 

ZEB달성을 위한 연료전지 적용방안 분석

이승우 SK에코플랜트 박사는 ZEB 정책현황과 가이드라인을 발표했다. 건물에서 필요한 에너지요구량을 최소화하며 고효율에너지설비를 신재생에너지로 대체하는 것이 ZEB의 핵심이다. 

 

이승우 박사는 “초고층건물은 동간 일조간섭으로 인해 저층형대비 태양광 설치공간 확보에 제약이 있다”라며 “도시에 건물을 짓는 경우 태양광 이외 대안이 필요한 상황”이라고 지적했다.

 

대체기술로는 지열, 태양열, 풍력 등이 있으나 도심지에서 공간확보가 쉽지않을 가능성 있으며 지열은 소음문제나 절대공기 지연 등 문제가 있어 연료전지가 대안이 될 수 있다.

 

연료전지의 가장 큰 장점은 태양광 설치면적 1/10 수준으로 자립률 확보가 가능하며 날씨변화와 관계없이 안정적으로 전기를 생산할 수 있다. 그러나 경제성측면에서 전기요금보다 경쟁력 확보에 어려움 있는 것이 지적되고 있다.

 

이승우 박사는 “연료전지 활용방안에 대한 고민을 이어가고 있다”라며 “아파트 부속시설처럼 열을 최적화해 사용할 수 있는 공간으로 열을 공급하면 나머지 전기는 아파트 내에서 활용하는 방식이 평가에 반영되면 활성화에 도움될 것”이라고 말했다.

 

연료전지 활용 실증사례를 살펴보면 4만5,000평 현장에 연료전지 66kW를 적용해 에너지자립률 24.9%를 달성한 바 있으며 경기도 화성현장에 실증을 진행해 연료전지에서 나오는 열에너지 계통을 연결해 난방, 급탕으로 활용해 9,000원 가량 비용감소효과를 얻었다.

 

이승우 박사는 “향후 개발이 필요한 시스템은 액체식 제습냉방”이라며 “열을 최적화해서 사용할 방안으로 액체식 제습제를 이용해 전열부하를 처리하면서도 증발식 냉각으로 컨트롤하면 현업활용도가 상승할 것으로 예측한다”고 말했다.

 

한편 연료전지 안정운영을 위한 장기 유지보수계약 도입과 인센티브 지원 등도 필요하다. 연료전지용 가격이 변화되며 스택과 같은 장비교체에 대한 부담이 있기 때문이다.

 

이승우 박사는 “비용지원이 이뤄지면 소비자입장에서도 무리가 없을 것으로 예측한다”라며 “청정수소발전입찰(CHPS) 등을 통해 대규모 발전사업자가 참여해 건물 적용 연료전지 낙찰가능성을 높이는 방안도 있을 것”이라고 말했다.

 

건물용 연료전지 현황·개선방안 제안

가스업계에서는 수소시장 초기진입을 위한 방안을 고민하고 있다. 수소 직수입 방식 혹은 정압기기에 수소혼합을 진행하거나 전용수소배관을 통해 연료를 공급하는 방식이 있다. 현재는 발생된 수소를 정압기기에 혼입하는 방안을 중심으로 실증사업이 진행 중이다. 

 

한국가스공사 자문위원으로 활동하며 수요관리사업을 진행 중인 안종욱 인천도시가스 본부장은 건물용 연료전지 현황·개선방안을 발표했다.

 

안종욱 본부장은 “연료전지는 현재 전용 요금제도가 있지만 도시가스 미수금이 많으며 도시가스발전용 요금제와 수소연료전지 요금제 차이가 10원 내외로 적다”라며 “이 상황은 향후 지속될 전망으로 업계 관계자들도 건물용 연료전지 경제성에 대한 우려를 인지해야 할 것”이라고 말했다.

 

가스공사의 수요관리사업은 효율향상과 부하관리사업으로 구분해 추진되고 있다. 부하관리사업의 경우 여름·겨울철 전력피크 시 부하삭감을 목표로 하고 있으며 연료전지는 LNG를 활용해 전력과 열을 사용하기 때문에 부하삭감이 가능할 것으로 예측된다.

 

안종욱 본부장은 “연료전지 부하관리사업 사업성 분석을 위해 캘리포니아 테스트를 진행했다”라며 “건물용 연료전지 설치용량을 50MW라고 가정했을 때 지원단가 240원 할인 시 가스공사기준 총자원비용 테스트(TRC)결과 1 이하로 나타나 경제성이 좋지 않다고 판단됐다”고 말했다.

 

전기부문도 TRC가 3.25로 낮은 수준이었지만 전국 연료전지 설치현황과 이용현황에 따라 취약부문을 개선하면 한전 전기 부하관리사업 추진이 가능할 것으로 예측했다.

 

안종욱 본부장은 “부하관리사업은 운동시간이 빨라야한다”라며 “중앙모니터링, 제어 등을 통해 문제점을 보완한 뒤 한전에 정식의뢰해 부하관리사업으로 추진할 방침”이라고 말했다.

 

소형연료전지는 가스나 열 모두 배관이용료를 받아 투자비가 많이 소요된다. 이에 따라 건물용 연료전지에서 발생되는 탄소활용모델을 검토해 경제성 개선방법을 고려해야 한다. 

 

안종욱 본부장은 “도시가스업계는 신재생에너지의 잉여전력을 활용한 실증사업도 실시하고 있다”라며 “클러스터를 통해 수직정원, 스마트팜 등 흡수원을 활용을 통한 R&D사업 등도 진행 중”이라고 말했다.

 

정책·제도개선으로 연료전지시장 ‘선순환’ 이뤄야

 

다음으로는 패널토론이 진행됐다. 정재원 한양대학교 교수가 좌장을 맡은 가운데 △송두삼 대한설비공학회 차기회장 △이상민 한국기계연구원 책임연구원 △이승우 SK에코플랜트 박사 △안종욱 인천도시가스 본부장 △최성우 한국에너지공단 실장 △박정건 두산퓨어셀파워 연구소장 등이 토론자로 참여했다.

 

송두삼 차기회장은 “건물부문은 점진적으로 수소, 전기방식으로의 전환이 이뤄져야할 것”이라며 “발전사업으로서 연료전지, 가스사업의 발전을 위한 방안을 고민해야한다”고 말했다. 이어 “해외는 소형열병합을 주로 진행하고 있으며 에너지자립수단으로 연료전지를 활용하고 있다”라며 “국내도 소형열병합 활성화를 위해 연료전지 법·제도적으로 지원이 있어야 한다"고 제안했다.

 

최성우 에너지공단 실장은 “ZEB에서 발생한 전력, 에너지의 일정 부분을 거래할 수 있도록 하는 제도가 필요하다”라며 “단순히 경제성뿐만 아니라 제도를 활용해 시스템경제성을 높일 수 있는 제도개선이 시급하다”고 말했다.

 

 

박정건 두산퓨얼셀 연구소장은 “연료전지 제조사 입장에서 건물용 연료전지가 발전용에 비해 부각되지 않아 아쉬움이 있었다”라며 “ZEB라는 제도에 의해 건물형 연료전지가 부각돼 향후 좋은 방향으로 발전할 것이라고 생각한다”고 말했다. 이어 “현재 ECO2에 연료전지가 제대로 반영되지 않고 있으며 연료전지의 장점이 부각되지 않고 있어 ZEB 적용이 쉽지 않은 상황”이라며 “제도개선 등을 통해 건물용 연료전지 시장진입으로 선순환할 수 있도록 해결해야 한다”고 말했다.

 

이상민 박사는 “연료전지는 난방뿐만 아니라 냉방과 연계돼야 활용도가 높아질 것”이라며 “현재 연구진들이 연료전지 배열을 활용한 흡착·흡수식시스템 과제를 진행하고 있어 향후 좋은 결과가 있을 것”이라고 전망했다. 이어 “스마트팜의 경우 작물들이 민감해 탄산음료에 넣는 CO₂를 사용 중”이라며 “이때 가격이 비싼 CO₂를 배가스로 대신할 수 있으면 경제성을 더욱 높일 수 있을 것”이라고 강조했다.

 

이승우 박사는 "연료전지는 폐열의 경우 건물부문 열에너지 요구량과 차이가 많아 현실적인 최적화 방안에 대한 고민을 했다"라며 “결국 kW당 단가가 중요한데 연료전지발전소 단가정도 선으로 인정한다면 연료전지시장이 더욱 활성화될 것”이라고 말했다. 이어 “발전소 단가와 건물형 단가를 동일시할 필요는 없다”라며 “kW당 단가를 현실화할 방안에 초점을 맞춰 제도를 개편하면 더욱 실효성있는 결과가 나올 것”이라고 제안했다.

 

안종욱 본부장은 “건물용 연료전지 활성화를 위해서는 이용률 향상이 동반돼야한다”라며 “신규 비즈니스모델로 스마트팜이나 건물에 적용 시 실증사업을 진행하는 것도 좋은 방안이 될 것”이라고 말했다. 이어 “연료전지는 향후 에너지시장에서 필요한 자원”이라며 “건물부문에서 연료전지 활용할 때 수소를 어떻게 안전하게 활용하며 네트워킹할 것인가를 고민해야 하며 중장기 비즈니스모델도 구상해야 한다”고 강조했다.