Special 에너지 절감 스마트 건물용 핵심소재 및 공정기술 개발 동향(2)

차세대 저탄소 고효율 고체산화물 연료전지 소재 개발 동향

박진수_(주)미코파워 부장/책임연구원
박진아_(주)미코파워 이사/수석연구원

1.서론

1-1. 환경과 에너지

현재 인류는 지난 수 세기 동안 화석연료 바탕으로 성장한 산업화에 기인하여 급격히 증가한 온실가스 배출과 이로 인한 심각한 기후 위기 문제에 직면해 있다. 2016년 미국 뉴욕에서 서명된 파리협정에서는 모든 협정 당사국들은 자율적으로 자국의 국가 온실가스 감축목표(NDC)를 설정하고 이를 주기적으로 기후변화협약 사무국에 제출해야 하며, 감축목표 이행 상황을 정기적으로 보고해야 한다고 규정하고 있다. 이에 우리 정부는 2030년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 40% 감축하고, 2050년에는 ´순배출량 0(Net Zero)´를 달성하겠다는 목표를 확정했다. 반면 21년도 기준 우리나라의 온실가스 잠정배출량은 6억 7,960만 톤으로, 전년보다는 3.5% 증가하였다[1].
  최근 들어 전 세계 온실가스 배출량이 오히려 증가하는 추세를 보이고 있는데, 이것은 코로나 19 팬데믹 상황 이후 전 세계 산업계의 생산 활동이 회복되고, 이동수요가 증가하였기 때문으로 분석된다. 이처럼 더 이상 에너지 사용과 환경문제는 거부할 수 없는 인과관계를 나타내고 있으므로 새로운 친환경 에너지원 즉 신재생에너지를 활용한 환경문제 해결에 집중하고 있고, 에너지원의 효율화 및 분산화를 위한 기술 개발이 주목받고 있다. 이미 선진국은 기후변화협약과 관련하여 온실가스 감축 의무를 준수하고 지속가능한 경제발전을 위해 신재생에너지 개발보급목표를 정하여 중점적으로 투자하고 있다.

1-2. 신재생에너지와 연료전지, 정책

신재생에너지에는 신에너지와 재생에너지의 합성어로서 연료전지, 수소에너지, 석탄 액화 및 가스화 에너지 등이 신에너지이고, 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열 등이 재생에너지이다. 신재생에너지 세계시장은 연평균 20~30% 급신장하고 있으며 국제에너지기구(IEA)는 전 세계 신재생에너지 비중이 2021년 17%에서, 2050년에는 77%가 될 것으로 전망하였다.
  우리나라의 신재생에너지 비중도 2016년 3.4%에서 2022년에 6.5% 수준으로 다소간 증가하였으나 주로 태양광과 풍력 등 간헐적 발전원인 재생에너지에 집중되어 있고, 그마저도 OECD 국가 중에서는 꼴찌 수준이다[2]. 기존 발전원을 신재생에너지로 전환하는 데 많은 난관이 있기 때문에 예상보다 확대가 지연되고 있는 것이 사실이다. 그중 가장 큰 문제점은 신재생에너지의 낮은 경제성에 있는데, 설비단가 기준으로 원자력 대비 태양광은 약 6배, 풍력은 약 4배 수준으로 현 기술 수준에서는 자생적 시장 창출이 곤란하다. 따라서 발전차액지원을 통해 일반전력보다 몇 배수의 높은 가격을 보장해 주고 있으나 일조량, 풍량 등 자연조건에 따른 가동율의 제한 등으로 경제성 확보에 어려움이 발생하고 있다. 아직은 시장규모가 작기 때문에 대량생산을 통한 원가절감에도 한계가 있으며 투자규모가 타 사업에 비해 작다. 뿐만 아니라 핵심기술에 대한 해외 의존도가 높고, 누적된 연구개발 투자에 비해 실제 상용화에 활용 가능한 유효한 기술 및 제품 확보도 부족한 현실이다. 자생 가능한 내수시장의 규모도 작고, 선진국대비 기저의 관련 산업기반 자체가 열악하다. 제도와 정책도 급변하는 시장의 속도를 맞추는 데 어려움이 있는 것 같다. 그러나 신재생에너지의 성장통을 비단 우리나라만 경험하고 있는 것은 아니기 때문에 지속적인 노력과 투자가 필요하다. 관련하여 특히 미국을 비롯한 국제에너지기구의 회원국가가 중심이 되어 화석연료 사용을 줄이면서 수소연료전지 등 신에너지 경제로의 이행을 강력히 추진하고 있으며 우리나라도 신재생에너지 의무화제도를 통해 수소연료전지 분야에 대한 보급 확대 정책을 적극적으로 추진 중이다.
  국내에서는 2012년부터 발전용 시장에 신재생에너지 공급의무화제도(RPS)를 시행하고 있다. RPS 제도는 일정규모 이상(50만kW)의 발전사업자(공급의무자)에게 총발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지로 공급토록 의무화하는 제도로서 초기 의무비율 2%를 시작으로 현재 10%까지 증가시켜 운용하고 있다. 또한 신재생에너지원별 공급인증서(REC) 가중치를 만들어 환경, 기술개발 및 산업 활성화에 미치는 영향, 신재생에너지원별 발전원가, 부존잠재량 등을 고려하여 부여하고 있는데, REC는 연료전지가 가장 높은 2를 부여받고 있다.
  그 외에도 건물용 시장에서는 신재생에너지원을 주택에 설치할 경우 설치비의 일부를 정부가 지원하는 신재생에너지 주택지원 사업(그린 주택 100만 호), 일반건물의 신재생에너지 보급 확대 및 신규개발 기술의 보급기반 조성을 위해 설치비의 일부를 보조하는 건물지원사업과 시범보급사업, 공공기관이 신축 또는 증·개축하는 연면적 1,000㎡ 이상의 건축물에 대하여 예상에너지사용량의 일정비율 이상을 신재생에너지로 의무적으로 공급하도록 하는 설치의무화사업이 시행되고 있다. 그 결과 현재 우리나라는 수소연료전지발전설비 보급현황 세계 1위라는 큰 성과를 이루며 빠르게 발전하고 있는데, 누적 설치용량 기준으로 발전용은 2021년까지 749MW, 건물용은 2020년까지 6.19MW가 보급되었다. 저탄소 분산발전을 지향하는 추세로 볼 때 향후로도 이러한 연료전지 시장의 확대는 지속될 것으로 예상된다.

그림 2. 연료전지 타입별 동작 원리[3]

그림 3. SOFC의 구동원리 모식도

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