소형 SOFC 열병합발전(Micro CHP)시스템 기술과 시장동향

최 성 호_ ㈜미코 SOFC본부 이사

1. 머리말
세계 경제가 발전함에 따라 전기에너지의 수요는 지속적으로 증가하고 있어, 전기에너지의 안정적 확보는 국가 경쟁력의 핵심적인 요소로 인식되고 있다. 하지만, 최근 일본의 원자력 발전소 사고, 여름철 피크 부하에 대한 대응 부족 현상, 송전탑 설치에 대한 사회적 이슈는 보다 안전하고 사회적 동의를 기반으로 하는 분산발전의 도입에 대한 필요성을 더욱 크게 하고 있다. 또한 석유화학연료를 기반으로 전기를 생산할 때 발생되는 각종 오염원은 환경문제로 돌아옴으로써, 이전보다 효율적이고 친환경적인 전기발전에 대한 개발 요구가 많아지고 있는 것이 사실이다.
새로운 분산발전의 대안으로 관심이 집중되고 있는 연료전지는 태양광, 풍력 등 여타 신재생에너지와 다르게 시스템의 크기가 작으면서 발전효율이 높고, 상시 발전이 가능하다. 이런 면에서 현재의 화석연료기반 전기발전 방식의 대안으로써 전망이 높아 경쟁적으로 연구개발이 진행되고 있다. 연료전지 종류 중에서도 주요 소재가 세라믹으로 구성되는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체산화물 연료전지)는 발전효율이 현존하는 발전장치 중 가장 높고, 기존의 석유화학 인프라를 사용하며, 시스템이 간단하여 경제성 확보에 보다 유리하다는 점에 주목하여 선진국 위주인 미국, 유럽, 일본에서 집중 개발되고 있다.
SOFC 연료전지에 대해 미국은 대규모 발전소의 대안으로 인식하고 DOE(Department of Energy) 차원에서 개발 지원 프로그램을 통해 고출력 위주로 장기적인 연구개발을 진행하고 있다. 반면, 일본, 유럽 등은 시장의 접근성에서 유리한 SOFC 기반의 소형 열병합 발전(Micro CHP, Combined Heat and Power) 시스템의 상용화 위주로 개발을 집중해 왔으며, 각 정부의 전략적 지원을 기반으로 속속 관련 상용제품을 출시하고 있다. 본 글에서는 기술 및 시장창출에서 우리보다 앞서나가고 있는 일본 및 유럽의 SOFC 기반 Micro CHP(이하 mCHP) 시스템의 상용화를 위한 정부 지원책(대규모 필드테스트)과 각국의 선진업체들이 출시하고 있는 시스템 기술에 대한 현황 및 사업화 추진방향에 대해 소개하고자 한다.

2. Fuel Cell mCHP(연료전지 소형 열병합 발전) 시스템
mCHP 시스템은 가정용, 상업용, 공공건물 및 아파트 등에 공급할 수 있는 전기와 열을 함께 생산할 수 있는 작은 규모의 시스템(EU 규정은 50kW급 이하)을 말한다. 이러한 mCHP 시스템에는 높은 열/전기 비율을 가지는 스털링 엔진(Sterling Engine), 유기랭킹 싸이클(ORC, Organic Rankine Cycle) 혹은 내연기관(ICE, Internal Combustion Engine)등이 있다. [1]

그림1. 가정용 연료전지 mCHP 시스템의 이용방식 [2]

최근에 주목 받고 있는 연료전지 mCHP(이하 micro FC‐CHP)는 위의 시스템들과는 다르게 연료전지의 전기화학적 반응을 통해 높은 효율의 전기를 생산하고 부산물로 얻어지는 열을 이용하는 시스템을 말한다. 실제 가정에서 micro FC‐CHP의 이용은 그림 1에서 보듯이 연료전지에서 생산된 전기를 주로 사용하고 피크 부하의 필요시는 그리드 전력에서 보완하게 하고, 전력 수요보다 많이 생산된 전력은 그리드 전력에 다시 공급(판매)하는 형태로 이루어진다. 또한 시스템에서 생성되는 열을 이용하여 온수나 난방을 공급하고 추가적인 열이 필요할 때에는 보조 보일러를 이용에 보완하도록 구성된다. 그리드 전력의 대체나 보완이 가능하면서 난방과 온수 공급(장래에는 냉방까지 확대 가능)에 대한 요구를 만족하기 위해서는 시스템의 효율은 대략 종합효율 기준 85%이상이 구현되어야 하는 것으로 보고 있다. [1‐2]
mCHP를 이용한 분산발전 공급방식에서 얻을 수 있는 장점이 많이 있다. 첫째, 전력의 중앙공급 시 전력이송에 따른 에너지의 손실을 줄여주고, 한가지의 에너지원으로부터 전기와 열을 동시에 공급함으로써 그리드 전력의 피크 대응력을 높여 에너지 공급망의 안정성을 향상시킨다. 둘째, 잉여로 생산된 전력을 되팔거나, 그리드 전력의 사용량을 줄임으로써 궁극적으로 에너지 비용의 감소를 가능하게 한다. 셋째, mCHP 이용에 따른 이산화탄소 배출의 저감이 가능한데, 엔진기반의 mCHP의 경우 년간 약 1.7톤을 저감할 수 있는데 비해 SOFC를 기반으로 하는 mCHP의 경우에는 년간 4톤 이상을 저감할 수 있다는 조사가 있다. [1]
SOFC를 기반으로하는 mCHP 시스템은 출력 파워 가변성 및 열적 싸이클에 대한 유연성이 부족하지만, 경제성이 높은 간단한 시스템 구현이 가능하고 고효율의 지속적인 기저부하 운전은 연간 변동폭이 큰 열수요(난방, 온수등)를 보조 보일러를 통해 유연하게 대응 가능케 하여, 잉여의 열을 버리는 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다. [3]

그림2. SOFC mCHP 시스템의 연속운전에 따른 온수 공급추이 [4]

매일 시동과 정지를 반복하는 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 기반의 mCHP 시스템과는 다르게 그림 2에서 보듯이, SOFC의 경우는 지속적인 기저부하 운전을 진행하면서 열을 회수하여 온수를 공급한다. 이에 따라 온수의 수요가 많은 아침과 저녁에 온수의 대응이 원활하고, 배열의 온도가 높아 온수의 탱크도 작게 구성이 될 수 있다. 특히, 보조 보일러를 통해 추가적인 열수요 대응이 가능하도록 구성이 되므로 겨울철 많은 열 수요에 대응하고, 열의 수요가 크지 않은 여름의 경우는 SOFC mCHP 시스템의 높은 전기효율을 이용함으로써 보다 에너지 효율적인 운용이 가능하다. [4]

3. 일본의 SOFC mCHP 상용화 지원책과 기술발전
일본은 세계에서 가장 발 빠르게 일본 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO, New Energy and Industrial Technology Development Organiza-tion)지원 하에 2007년부터 2010년까지 4년간 신에너지 재단(NEF, New Energy Foundation)이 주관하는 SOFC 시스템의 필드테스트를 진행하였다. 이 필드 테스트의 목적은 정격출력 0.5~10kW급의 가정용, 소규모 업무용 시스템을 실제 사용환경에서 운전하여 데이터를 확보하고 파악된 기술의 수준과 관련 기술적 문제점을 토대로 실용화 촉진을 위한 추가적인 기술개발과제를 도출하는 것이었다.

그림3. 일본내의 Micro FC‐CHP(SOFC) 실증연구를 위한 시스템 설치현황 [4]

그림 3에서 보듯이, 이 프로젝트에는 9개의 설치운전사업자가 참여하고 제작사로 6개사 9기종의 제품이 실증되었으며, 도시가스, LPG, 등유 등의 연료를 적용하는 필드테스트가 일본 전국에서 진행되었다. 2007년부터 4년간 총 233대의 시스템의 설치 및 운전 테스트가 진행되었고 최장 누적운전 시간은 25,843시간을 기록한바 있다. 그림 4에 도시한 바와 같이, 이러한 필드 테스트의 결과로 시스템의 효율(45%이상), 운전기술, 수명(10년 보장)을 획기적으로 향상시켰고 각종 시스템 운전의 장애 요소에 대한 데이터 축적 및 해결 방안 마련으로 세계적인 수준의 시스템 기술을 보유하게 되었다. [4]

그림4. 4년간 필드테스트를 통해 향상된 시스템의 발전효율과 열회수 효율 [4]

2012년에는 필드테스트에 참여한 Osaka Gas사와 JX Eneos사가 700W급 시스템을 완성하여 판매개시를 하였고 SOFC 기반의 mCHP시스템은 통합 상품명 “ENEFARM type‐S”로 통일 확정하였다. Toshiba사와 Panasonic사가 시판하고 있는 PEMFC를 기반으로 한 시스템은 통합 상품명 “Enefarm”으로 통칭하고 있다. 현재 일본에서는 연료전지 시스템 설치 시 국가 보조금이 지원되며 시스템당 상한선은 PEMFC(Enefarm)의 경우는 38만엔, SOFC(Enefarm type‐s)의 경우에는 43만엔으로 책정되어 있다. [5]
전반적으로 일본은 연료전지에 대한 보조금을 줄여나감에도 불구하고 보급지속 및 시스템의 보강 등 경제성을 향상시켜 나가면서 본격적인 경쟁시장에 진출할 수 있는 단계까지 성장한 것으로 보인다. 최근엔 일부 유럽업체와의 제휴를 통해 빠르게 유럽시장 공략을 준비하고 있다. [6]

4. EU의 SOFC mCHP 상용화 지원책 기술발전
일본보다 다소 늦긴하나 완성도가 높은 시스템이 다양하게 포진하고 있는 EU의 경우, “Enefield”프로젝트를 통해 경제성의 향상, 공급망의 완성을 꾀함으로써 빠르게 상용화에 진입할 것으로 보인다. 2012년 EU는 micro FC‐CHP 시스템의 상용화를 위해 대규모 연료전지 시스템의 필드테스트인 Enefield 프로젝트를 “EU의 연료전지 및 수소 기술 개발을 위한 프로그램”을 통한 지원으로 출범시켰다. 이 프로젝트에는 그림 5와 6에 표시하였듯이 1000대의 가정용 micro FC‐CHP를 12개 참여국가에 설치할 예정이며, 9개의 유럽 micro FC‐CHP 제조사 및 유틸회사, 연구기관 및 각 지자체가 유기적인 관계로 참여하고 있다. 이 프로젝트의 목적은 주거의 형식, 기후, 각국의 열기기 관련 시장 상황이 반영된 현실적인 조건에서 시스템 성능에 대한 모니터링을 실시하여 유럽에서의 시스템 적용 가능성, 에너지 소비현황, CO2 저감 효과 및 거시 경제에 대한 영향 등에 대한 데이터를 끌어내어 상용화 촉진에 활용하기 위함이다. 

그림5. Enefield 프로젝트 참여 기관의 구성 [7]

그림 6. Enefield 프로젝트에 참여하고 있는 EU 12개 국가 [7]

그림 7과 8에 나타냈듯이 이 프로젝트는 시장의 양적인 성장이 안된 micro FC‐CHP 상용화 이전단계에서 프로젝트를 통한 양적인 시스템의 전개를 보조함으로써 양산제조에 대한 기술확보와 가격저감에 대한 대안을 마련하도록 유도하는 것이다. 이는 시스템의 제조, 유지, 보수 등 실질적인 경험을 통해 경제성을 확보하게 하고 사업적 위험성을 보다 줄여주어 상용화의 촉진제 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 이 프로젝트에는 30개 이상의 가스회사, 주택건설회사, 지자체가 참여하여 다양한 시스템 사업의 모델을 경험하게 함과 동시에 기술적 네트웍 구축, 최적화된 시스템 관련 규정과 표준 및 사양의 도출, 부품 공급망의 확립, 시장 전개를 위한 정책수립의 객관적인 경제성 및 환경성에 대한 정보를 제공함으로써 상용화에 있어 적절한 정책적 지원책을 이끌어 내려 하고 있다.

그림

7. 상용화를 위한 Enefield 프로젝트의 역할과 기대효과 [8]

그림 8. Enefield 프로젝트를 통한 부품 공급망의 완성 [8]

5. 세계 주요 SOFC mCHP 제품과 제작사에 관련 현황
일본과 유럽에서는 SOFC 기반의 mCHP 시스템의 완성도 있는 기술을 선보이고 있으며, 특히 일본의 시스템은 안정성, 응용성면에서 세계적으로 앞서가고 있는 것으로 평가되고 있으며, 일본내에서 판매 보급을 확대하면서 유럽의 회사와 연계하여 유럽시장에 진출을 꾀하고 있다. 이에 여기서는 유럽진출을 시도하고 있는 Aisin Seiki사(일본내 공급 : Osaka Gas)의 기술 현황과 mCHP 시스템에서 세계최대 효율을 보여주고 있는 Ceramic Fuel Cells사의 시스템 기술 및 사업전개를 중심으로 소개하고 기타 선진업체의 시스템 기술을 살펴보고자 한다.

5-1. AISIN SEIKI / OSAKA GAS(일본)
2012년 Osaka Gas사를 통해 출시된 700W급 SOFC 시스템은 Kyocera, Aisin Seiki사와 개발협력으로 제조되었으며 최근 시스템의 컴팩화 및 고효율화를 통해 전기변환효율을 46.5%까지 높인 바 있다. 2014년 4월 출시된 그림 9의 신제품 Enefarm type‐s는 Kyocera사에서 스택을 제작하고, Aisin Seiki사에서 연료전지 유닛을 담당하였으며, 배열이용 온수 유닛은 Chofu사가 담당 개발하여 Osaka Gas사가 판매를 개시한 제품이다.
신제품은 셀/스택의 생산성 향상으로 원가를 대폭 낮추었고, 저가격 부품을 채용하여 이전보다 63만엔을 낮춘 2,322,000엔에 판매를 실시하고 있다. 이뿐 아니라 스마트폰 원격 제어 시스템 탑재, 정전시에도 발전을 지속시킬 수 있는 시스템을 구현했고, LPG 가스의 적용도 가능케 하는 등 시스템의 편의성을 대폭 확대하였다.
Osaka Gas사는 2009년 PEMFC 기반의 Enefarm 판매를 개시하였고 2012년 SOFC 기반의 Enefarm type‐s를 추가 판매하여 2013년 10월에 두가지 시스템의 누적 판매 2만대를 달성하였고 올해만 총 12,200대를 판매할 목표를 가지고 있다. 이러한 시스템 기술을 기반으로 2013년 초 Aisin Seiki사는 독일의 Bosch사와 협력을 통해 유럽시장에 진출을 추진하고 있는데, Bosch The-rmotechnick사는 유럽의 Enefield 프로젝트에 참여하여 유럽 4개국에 70대를 설치하면서 시스템의 제조, 설치/보수, 모니터링, 인증 등을 추진할 예정이어서 일본 제품의 유럽진출 교두보가 될 것으로 보인다.
Osaka Gas사는 단순한 시스템의 제조 설치에서 나아가, “NEXT 21”라는 스마트맨션을 건설하고 태양광(열), 연료전지, 축전지등 다양한 신에너지원을 실제 주거지에 접목하여 이들의 상호 보완적인 연결시스템에 대한 실증테스트를 지속적으로 진행해 오고 있다. 이러한 에너지 시스템 실증의 목적은 에너지의 공용 가능성 확인, 잉여에너지를 저장과 재공급의 안정성 확보, 종래에너지와 신재생에너지의 접목 가능성을 확인함으로써, 개인주택의 시스템을 도시기반의 큰 커뮤니티 에너지 시스템으로 확대하기 위한 것이다. 그림 10에서 보면 SOFC의 경우에는 맨션의 6층에서는 SOFC시스템과 태양광, 축전지의 조합 테스트가 진행되고 있고, 5층에서는 겨울철 부족할 수 있는 열공급을 태양열을 통해 보충하는 시스템이 구축되어 있으며, 4층에서는 각 가정의 SOFC 시스템에서 발생되는 잉여전력을 축전지에 저장하여 사용하는 테스트가 진행되고 있다. 3층에서는 이미 차세대 SOFC 시스템을 테스트하면서 데이터를 축적하고 있는데, 이 시스템은 발전효율을 55%로 극대화 시키는 반면 온수용량은 10~30리터로 소형화하여 시스템에 내장하였으며 추가적으로 필요한 온수공급은 기존의 백업온수기를 이용하도록 구성되어 있다.

그림 9. Osaka Gas사(Aisin Seiki 공동개발)에서 판매중인 Enefarm type‐s 시스템 [9]

.............더 자세한 내용은 세라믹코리아 9월호에서 확인하실 수 있습니다

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