대용량 고체산화물 연료전지 기술 개발 동향

최 문 호_ 포스코에너지 Sr. Researcher

박 상 현_ 포스코에너지 Principal Researcher

1. 신재생에너지 개발 필요성

일본 후쿠시마 원전 사고 이후 전세계적으로 안전하고 깨끗한 에너지원인 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 일본은 원전사고가 발생한 2011년 이후 실질적으로 탈원전 상태가 계속 유지되고 있는데, 원전사고가 발생한 2011년부터 가정용 연료전지 ENE-FARM(가정용 연료전지의 일본명)의 판매가 급격하게 증가하여 2014년에는 50,000대를 넘을 것으로 전망된다. 한국은 2012년 5월부터 서울시에서 원전하나 줄이기(One Less Nuclear Power Plant) 정책을 펴고 있다. 2014년까지 원전 1기(1GW)에서 생산되는 전력량을 절감하고 장기적으로 2020년까지 전력자급률 20%를 달성하겠다는 목표 아래 다양한 정책들을 시행하고 있다. 유럽에서는 신재생에너지 강국인 독일을 중심으로 탈원전화가 진행되고 있는데, 2022년까지 17개 원전 전체를 폐기하고 신재생에너지 발전 비중을 35%로 늘린다는 계획이다. 이를 위하여 태양광, 풍력, 연료전지 등의 연구개발 및 보급이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 노력으로 독일 에너지수도사업연맹 발표에 따르면 2013년 독일의 총 발전량에서 신재생에너지에 의한 발전량이 23.4%를 기록했다.
최근 밀양 송전탑 사태는 전력수급에서 발전보다 송전이 더 큰 문제가 될 수 있다는 점을 시사한다. 원자력발전소, 화력발전소 등 대부분의 발전소는 해안가에 위치하고 있고 전력을 소비하는 대도시는 주로 내륙에 위치하고 있다.
이로 인하여 발생하는 송배전 손실률은 2013년 6월을 기준으로 3.5%에 달한다. 송전 시 전력 손실을 최소화하기 위해서는 고압 송전을 피할 수 없고, 고압송전의 인체 유해성 이슈는 밀양 송전탑 사태와 같은 분쟁을 초래했다. 결국 전력이 생산되는 장소와 소비되는 장소의 일원화가 큰 화두가 되고 있다. 2014년 1월 정부가 발표한 제2차 국가 에너지 기본 계획에서도 분산전원의 확대를 중점과제로 추진하고 있다. 분산전원은 대규모 발전소와 초고압송전선로가 필요한 기존 전원체계와 달리 전기의 최종소비지 인근에 위치하는 전력배전시스템의 독립형 발전시설을 의미한다. 즉, 전력소비가 집중되어 있는 수도권 등 대도시와 대규모 공단 인근에 전력과 냉・난방을 공급하는 분산형 전원을 의미한다. 현재 5% 수준인 분산형 전원을 15% 이상으로 확대하여 대규모 집중식 발전설비 비중을 줄인다는 계획이다. 기존 발전원들은 소규모 분산형으로 전력 생산 시 낮은 효율과 환경오염이 문제가 되기 때문에 연료전지와 같은 고효율 친환경 에너지원들이 각광 받고 있다.
비상전원에 대한 수요도 폭발적으로 증가하고 있다. 한국은 여름철 냉방수요 및 겨울철 난방수요의 집중으로 전력 수요의 예측에 어려움이 있다. 특히나 최근에는 이상기후로 인하여 늦은 무더위와 한파가 빈번하게 일어나 전력수요의 예측이 더욱 어려워지고 있다. 이런 문제로 결국 2011년에 9・15 대규모 정전사태가 발생하여 사전 통보 없이 지역별로 순환정전에 들어갔고, 이를 계기로 비상전원에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다.
앞서 살펴본 바와 같이 최근 시장에서는 깨끗하고 소비 장소에 근접하여 안정적으로 공급 가능한 에너지원을 요구하고 있다. 신재생에너지원 중 태양광과 풍력은 안정적인 공급이 어렵고 설치면적이 커 도심지의 분산전원으로 적합하지 않다. 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)의 경우 기존 발전원 또는 신재생에너지원과 연계하여 주파수조정, 피크감소, 신재생출력안정 등 보조적인 목적으로 다양하게 활용될 수 있으나 저장장치라는 특성상 시장의 요구를 모두 만족시키는 한계가 있다. 연료전지(FC, Fuel Cell)는 수소를 연료로 전기와 열을 생산하는 친환경 고효율 발전 시스템이다. 수소와 산소가 만나 물을 생성하는 화학반응으로 전기를 만든다. 계절이나 날씨에 영향을 받지 않아 안정적으로 전기 및 열을 공급할 수 있고 설치면적이 작아 도심 지역 또는 건물 내에 설치가 가능하여, 정부가 지향하는 분산형 전원 보급 정책에 부합하는 에너지원이다.

그림1. 신재생에너지 개발 배경

그림2. 신재생에너지 설치면적 비교

2. 국내 에너지 시장 현황
현재 국내 건물용 시장은 분산전원으로 전기가 필요한 수요처에서 전기와 열을 직접 생산 및 공급하여 사용가능한 장점이 있으며 스마트그리드 사업과 연계한 도시형 중소규모 발전설비 시장으로 확대되고 있다. 주로 정부주도로 안정적인 분산발전 보급을 위해 여러 제도를 추진하고 있는데, 공공건물에 대한 지원 제도로는 연면적 1,000m2 이상의 신・증・개축 공공건물에 대해 2012년 10%, 2020년 30%의 신재생에너지 설치의무화 제도를 시행하고 있다. 민간건물에 대해서는 최근 연면적 10,000m2 이상의 신축 건축물에서 열에너지의 일정 사용량을 신재생으로 공급하도록 하는 신재생에너지 열공급 의무화 제도를 시행 예정인데, 2016년부터 2019년까지 4년간은 신재생 비율을 10%로 하고 2030년까지 20%로 확대해 나가겠다는 게 목표이다. 또한 서울시의 경우는 에너지 이용 효율을 높이고 온실가스 배출을 최소화하는 건축물을 확대하고자 ‘녹색건축물 설계기준’에 대해 2013년 4월 시행공고를 발표했으며, 이에 따라 주거용 1%, 비-주거용 5% 신재생에너지설치를 의무화하고 있다.

이와 같이 한국은 정부의 지원 정책에 의해 다양한 신재생에너지원의 이용 보급 활성화를 진행하고 있다. 강력한 정책 시행으로 초기시장을 형성하고 이후 산업이 성장하면서 기술발전과 보급이 확산되는 선순환구조를 목표로 하고 있다. 연료전지에 대한 정책을 살펴보면 미국은 자가발전 비용을 지원하는 SGIP(Self Generated Incentive Program)을 통해 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 기술이, 일본에서는 가정용 연료전지 시스템 브랜드인 ‘ENE-FARM’지원정책으로 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가, 국내에서는 강력한 신재생에너지 공급의무화 제도(RPS, Renewable Portfolio Standard)로 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell) 기술이 보급을 이끌고 있다. 그러나 한국은 연료전지 시스템의 연료로 사용되는 액화천연가스(LNG, Liquified Natural Gas)의 가격이 높은 반면에 전기요금이 낮은 문제를 지니고 있어서 연료전지의 보급 활성화가 어려운 형편이다.
한국은 천연가스 도입 물량으로는 일본과 함께 세계 최고 수준이다. 그럼에도 불구하고 천연가스 가격은 미국 내 가격과 비교하면 5.6배가 높으며, 유럽의 소국인 벨기에와 비해서도 60% 높다. 국내 생산량은 거의 없고 가장 가까운 천연가스 생산국은 러시아인데, 러시아는 과거 정치적으로 교류를 할 수 없는 적대국이었다. 그래서 1970년대부터 천연가스를 –163℃로 액화시킨 액화천연가스를 선박으로 운송한 후 기화공정을 거쳐 도입해 왔기 때문에 천연가스 생산지 인근 지역보다 운송 및 가공비가 더 들 수밖에 없었다. 또한 동북아시아로 도입되는 천연가스 가격은 유가에 연동되어, 생산지 업체와 계약기간 10년 이상의 중・장기 계약을 맺어 액화천연가스를 확보하고 있다. 2005년 유가가 폭등하기 전에는 유가가 워낙 낮아 미국의 천연가스 가격보다 저렴한 때도 있었지만, 유가 폭등 후 아시아로 공급되는 천연가스 가격도 덩달아 뛰었다.
영국, 미국 등 선진국은 전력 관리를 정부가 주도하여 전력에 대한 수요를 파악하고 이를 적재적소에 사용하는 기술을 발달시켜 왔다. 하지만 한국에서는 전력 사용량에 따라 가격이 오르고 내리는 시장 조절 기능이 존재하지 않고 정부가 가격을 통제하기 때문에 선진국에 비해 전기요금이 저렴하다. 2013년 기준으로 30년간 지하철 요금은 5.8배(200원→1150원), 자장면 가격은 12.1배(350원→4240원)가 된 반면 전기요금은 1.8배(67원→121원)밖에 오르지 않았다. 국제에너지기구(IEA, International Energy Agency) 등에 따르면 2013년 기준 한국의 가정용 전기요금은 ㎿h당 101달러인데 비해 독일 388달러, 일본 242달러, 이탈리아 306달러, 미국 121달러에 달한다.

이와 같이 한국은 높은 액화천연가스 가격 대비 전기요금이 저렴하기 때문에 고효율 에너지의 필요성이 대두되고 있다. 연료전지는 발전효율에 있어서 다른 신재생에너지에 비해 경쟁 우위에 있다. 풍력 5~10%, 태양광 15~20%인데 반해 고분자 전해질막 연료전지는 36%, 용융탄산염 연료전지는 47%의 발전효율을 낼 수 있다. 하지만 이미 천연가스복합발전(NGCC, Natural Gas Combined Cycle)이 50%에 달하는 발전효율을 가지고 있기 때문에 기존의 연료전지로는 경쟁력 확보가 어렵다. 고체산화물 연료전지는 50~60%의 발전효율을 낼 수 있고 터빈 열병합 발전 연계시 70% 이상의 높은 발전효율을 낼 수 있다. 또한 도심지 내 다양한 연료(매립·쓰레기가스 등)를 적용할 수 있어 고체산화물 연료전지 기술이 주목 받고 있다.

그림3. 세계 각 지역의 천연가스 도입가격(US$/MMBTU, 2012년 9월 기준)

그림4. 전기요금 국제 비교(2013년 가정용 전기료 기준)

그림5. 신재생에너지 발전효율 비교

3. 고체산화물 연료전지 개발동향
연료전지는 재료, 화학, 전기, 기계 등 다양한 분야의 전문성이 필요한 분야로 초기 고체산화물 연료전지 개발은 주로 여러 업체, 연구기관, 대학교 등의 컨소시엄 형태로 진행되어 왔다. 일본의 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization) 프로그램, 유럽의 ECS(European Commission Subsidies of SOFC research and technology) 프로그램, 미국의 SECA(Solid Energy Conversion Alliance)가 대표적이다. 일본은 1kW급, 유럽은 3kW급 내외의 가정용 micro-CHP(Combined Heat and Power) 제품을 목표로 개발이 진행되고 있고 연료전지 스택 개발업체와 보일러 업체, 가스업체 등이 공동으로 개발 및 실증사업을 진행하는 형태로 고체산화물 연료전지 시스템 개발이 진행되어 왔다.
미국의 경우 아직 개발 및 실증 단계에 머물러 있는 경쟁사와 달리 Bloom Energy는 고체산화물 연료전지 제품을 개발하여 2008년도부터 상업용 제품 판매를 시작하였다. 초기에는 연료전지 보조금이 있는 캘리포니아 주에서 월마트, AT&T, eBay 등의 업체를 대상으로 초기 보급을 시작하여 2013년 기준 미국 내 130MW 이상을 보급하였다.
최근 sub-MW급 이상의 대용량 고체산화물 연료전지의 핵심 기술은 연료재순환과 하이브리드이다. 고효율 시스템 구현을 위해서는 연료 이용률 극대화가 필요하나 셀・스택 디자인 개선만으로는 한계가 존재한다. 이 때문에 선진사에서는 고체산화물 연료전지 시스템에 연료재순환 기술을 적용하여 연료 이용률을 극대화시키는 연구를 추진하고 있다. 연료재순환 기술이란 연료전지에서 배출되는 미반응 가스의 일부를 다시 연료극으로 재순환시켜 시스템의 연료 이용률을 80% 이상의 수준으로 높여 주는 기술이다. 미반응 가스는 수소를 포함하는 가연성 가스이기 때문에 이러한 가스를 재순환시 기존 시스템 효율을 획기적으로 올릴 수 있게 된다. 스택에서 생성된 물의 일부가 재순환하기 때문에 외부에서 별도로 물을 공급할 필요가 없는 장점도 가지고 있다.
또한 고체산화물 연료전지 시스템과 전자, 통신, 터빈 등 다양한 형태의 협업을 통한 하이브리드 시스템을 구현하여 특정 시장을 공략하고 있다. 미국 Bloom Energy는 2013년에 일본 통신업체인 소프트뱅크의 자회사인 SB에너지와 합작법인(Bloom Energy Japan)을 설립하여 연료전지와 통신 기술 융합을 추진 중이다.
LG전자는 2012년에 롤스로이스 퓨어셀시스템즈(Rolls-Royce Fuel Cell Systems)를 인수한 후 연료전지 기술과 건물에너지 관리시스템(BEMS, Building Energy Management System) 기술을 융합하여 MW급 분산발전용 고체산화물 연료전지 시스템 개발을 진행 중이다. 한편, 일본 미쓰비시중공업(MHI, Mitsubishi Heavy Industries)은 2014년에 히타치(Hitachi)와의 합작법인(MHPS, Mitsubishi Hitachi Power Systems) 설립을 통하여 연료전지 시스템과 가스터빈, 스팀터빈을 연계한 GW급 고효율 시스템 개발을 추진 중이다.

그림6. Bloom Energy 고체산화물 연료전지 시스템 주요 설치 현황
<월마트> <AT&T> <eBay>

그림7. 연료재순환 기술 적용 고체산화물 연료전지 시스템(AVL)

(이하 생략)............더 자세한 내용은 세라믹코리아 9월호 본문에서

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