[강원권_그린 매거진] 연료전지에 대해 알아보자!

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by 강원 그린리모델링 기자단 김성수 2021. 9. 30. 21:18

연료전지란?

연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 이용하여 전기를 생산하는 친환경 수소 발전 기술이다. 수소(Hydrogen)는 환경문제를 최소화하고 고갈되는 화석연료를 보완하거나 대체할 수 있는 차세대 청정에너지원으로 부상하고 있다. 이러한 환경하에서 핵심역할을 할 수 있는 연료전지(Fuel Cell)는 연료가 산화하며 생성되는 화학에너지를 공기 중의 산소와 전기화학적인 방법으로 결합하여 물과 전기 그리고 열을 생산하는 직접 발전 방식이다.

그림 1. 연료전지의 원리

연료전지의 장점 중 하나는 높은 발전효율이 있다. 화석연료는 전기에너지를 얻기까지 운동에너지 및 위치에너지 손실과 마찰손실이 발생한다. 반면 연료전지는 연료의 연소 과정과 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 과정이 없으므로 이러한 손실이 없다. 또한 일반적인 가솔린, 가스 엔진의 경우 출력 규모가 작으면 발전효율도 같이 낮아지지만, 연료전지의 경우 출력 크기와 관계없이 일정한 효율을 가진다.

그림 2. 화석연료와 연료전지의 비교

연료전지 시장규모 및 전망

연료전지 시장은 우리나라, 미국, 일본 등을 중심으로 초기 시장이 형성되는 단계이다. 후지경제에 따르면 2016년 시장은 매출액 1조 3,000억원, 설치용량 약 480MW의 규모이며, 2030년 41조 원으로 약 32배 증가할 것으로 예측하고 있다. 용도별로 살펴보면 연료전지자동차 시장이 2016년 1,537억 원에서 2030년 26조 3,000억 원 규모로 약 170배 성장해 성장폭이 큰 분야가 될 것으로 예상된다. 현재 발전용 연료전지가 시장을 주도하고 있다면 2025년에는 주택 및 건물용 연료전지가 부상할 것으로 예측되며, 또한 2030년 이후에는 수송용 시장이 주축으로 떠오를 것으로 예측된다.

한편, 국내 연료전지 시장의 규모는 2013년 1억 9,000만 달러에서 2015년 4억 1,350만 달러로 약 117%의 큰 폭의 성장률을 기록했다. 이러한 성장세는 당분간 지속되어 지난해에는 12억 5,400만 달러의 규모가 예상된다. 이러한 시장 성장세는 공공기관 신축 건물에 대한 신재생에너지 설치의무화 사업과 친환경 건축물 인증제도, 신재생에너지 이용 건축물 인증제도, 에너지 사용계획 협의 등 정책적 지원에 힘입은 것이다.

정부는 2019년 1월 ‘수소경제활성화로드맵‘을 발표했다. 특히 이번 로드맵에는 그간 관련 지원제도 미비 등으로 산업 성장에 제 속도를 내지 못하고 있는 발전용 연료전지와 가정?건물용 연료전지에 대한 야심 찬 계획도 포함되었다. 발전용 연료전지의 경우 2022년까지 누적 1.5GW 보급, 2040년 15GW를 보급을 목표로 하고 있고, 가정?건물용 연료전지는 2022년까지 누적 50MW 보급, 2040년 2.1GW를 보급하여 규모의 경제를 달성한다는 목표이다. 관련 업계는 그간 연료전지 산업이 더디게 성장해 온 상황에서 이 같은 정부의 중?장기 보급계획발표는 성장곡선을 그릴 수 있는 촉매제 역할을 할 것으로 기대하고 있는 시점이다.

그림 3. 국내 연료전지 시장 현황 및 전망

그림 4. 국내 연료전지 주요 보급 지원 정책

문제점

수소는 가연성이 있고 가스 상태에서는 밀도가 낮은 용도에 맞도록 저장하기 어렵다. 낮은 저장밀도는 경제적인 대용량 저장과 장거리 운송을 어렵게 한다. 또한 연료전지에 사용되는 촉매의 가격이 비싸다. 이러한 수소의 대용향 저장 및 경제적 장거리 운송을 위한 전략 중 하나가 액상 유기화합물 수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier) 기술이다. 액상 유기 화합물을 이용해 재생에너지로부터 생산된 수소를 저장, 액상 LH2 유기화합물을 만들고 이를 원하는 곳에 이송 후 필요 시 수소를 추출해 에너지 생산에 이용할 수 있다.

그림 5. 연료전지 문제점 관련 기사

(출처 : https://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=223469)

연료전지의 또 하나의 문제점은 높은 발전비용이다. ’혈세 쏟아부은 연료전지 고철로 버려진다‘(그림 5 출처) 기사에 따르면 2015년 당시 연료전지 보조금 kW당 3200만원으로 연료전지를 설치했으나 누진세 완화, 가스요금 증가, 잦은 고장 등으로 애물단지로 전락했다고 한다. 연료전지는 원래 수소를 연료로 하지만 현재는 수소의 가공이 어려워 천연가스를 연료로 사용하고 있다.

연료전지 공급사 측은 ’초기에 열수요가 적은 곳이라도 업계 전반이 보급을 늘리는데 급급했던 게 사실‘이라며 ’제조사만의 문제라기보다 우리나라 전기·가스 요금체계 전반의 문제다. 독일의 1/4수준인 전기료를 정상화하지 않는 한 연료전지 경제성 확보는 요원하다‘고 해명했다.

산업통상자원부와 에너지공단에 따르면, 2010년부터 정부가 주택용 연료전지 보급사업에 투입한 예산은 787억원이다. 별도의 건물지원사업에도 2018년 29억원, 지난해 50억원, 올해 49억5000만원을 투입한다. 정부는 2030년까지 3GW규모 가정용 및 상업용 연료전지를 보급한다는 계획이다. 최근 들어선 그린뉴딜 사업의 한 축으로 연료전지 확대보급을 검토하고 있다.

하지만 지난 십수년간 보급사업으로 전국에 설치된 주택용·상업용 연료전지의 약 90%는 고장이나 경제성 저하로 운휴 중이다. 이처럼 현재의 연료전지 보급정책에는 많은 문제점이 있다. 무엇보다 연료전지의 보급속도를 조정하고 실패를 반복하지 않도록 철저한 사후관리가 필요할 것으로 보인다.

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작성자 : 강원권 김성수 기자 (gw_gr_reporters@naver.com)