연료전지 발전
1. 연료전지 발전 개요
가. 시스템 구성
: 연료전지 발전 시스템은 기본적으로 전기를 생산하는 연료전지 본체(fuel cell pwer section : stack), 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환시키는 연료 처리계(fuel processor), 발전된 직류 전기를 교류전기로 변환시키는 전력 변환장치(power conditioner), 이 외 시스템을 종합적으로 제어하고 나오는 부산물인 고온의 물을 이용하여 냉난방을 하거나 다시 전기를 만들어 내는 배열이용장치(heat recovery system) 등 으로 구성된다.
직류(DC) 전기를 생산하는 가장 기본적인 요소는 단위전지(unit cell)이다. 단위전지는 전극(Anode, Cathode), 전해질(Electrolyte) 및 부리판(Separator)등으로 구성되어 있으며, 반응가스가 반응에 관여하여 발전이 이루어 질 때 가장 중요한 구성요소이다.
단위전지는 통상 0.6V 에서 0.8V 정도의 아주 낮은 전압으로 인출되기 때문에 이 단위전지들은 여러장 쌓아 올려 전압을 상승시켜 필요한 전압을 확보하는데 이를 위해 연료전지 본체는 단위전지 수백 장을 쌓아 직렬로 연결하여, 그 크기를 보통 100에서 500kW 규모의 스택으로 만들어 소규모 발전설비로 이용하거나 스택을 병렬로 연결하여 수만에서 수십만 kW를 생산하는 대규모 발전용 플랜트로 구성한다.
나. 발전원리
: 연료전지는 수소를 산소와 결합시켜 물과 전기를 만들어 내는 발전방식으로써 수소를 얻는 가장 보편적인 방법은 천연가스, 석탄, 메탄올 등과 같은 화석 연료를 통해서 얻어낸다.
연료전지 본체가 필요로 하는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등을 만들어 내는 장치를 연료처리(fuel processing) 장치라 하며 천연가스, 또는 메탄올 등 연료에 수증기를 집어넣어 수소와 일산화탄소, 이산화탄소 등을 얻는 수증기 첨가 개질방법(steam reforming)을 이용하여 수소를 생산한다.
석탄을 연료로 사용하는 경우에는 석탄을 가스화 하여 일산화탄소 및 수소를 발생시켜 사용하는 석탄가스화 장치(coal gasifier)를 이용한다. 석탄을 가스화할 경우 석탄가스 속에 존재하는 불순물들을 정제하기 위해 석탄가스 정제시스템이 설치된다.
우리가 일반적으로 사용하는 전기는 교류 전기이므로 연료전지에서 나오는 직류 전기는 전력 변환장치를 통해 교류로 변환되는데 이런 장치를 인버터(inverter)라고 부른다. 인버터는 IGBT(insulated gate bipolar transisitor), GTO(gate turn off thyristor)라고 부르는 반도체 스위칭 소자를 고속으로 개폐 동작시켜 전류를 변환시키는 방법을 사용한다.
연료전지 발전은 여러 시스템이 유기적으로 동작하여 발전이 이루어지기 때문에 시스템을 제어하는 계통이 필요한데 이 제어계통을 통하여 발전출력, 공급되는 수소 및 공기의 양, 회수되는 배열회수 양들을 종합적으로 조정하여 필요한 양만큼 발전이 이루어진다.
2. 발전용 연료전지 형태 및 종류
동서발전 연료전지 발전설비 운영현황
한국동서발전은 2009년 10월 28일 경기도 고양시 백석동 일산열병합발전소에서 2,400kW급 연료전지 발전을 시작했다.
일산 연료전지 발전설비는 2400kW 연료전지로서는 국내 7번째로 가동되는 설비로써 2009년 4월 1일 착공한 이래 6개월 만에 시운전을 마치고 전력을 생산하게 됐다. 기자재 납품은 포스코파워가 설치와 시공은 포스콘이 담당했으며 원제작사는 미국의 FCE로 총 공사비 139억원이 소요됐다.
연료전지는 액화천연가스로부터 개질(수소를 발생시키는 방법)해서 나오는 수소와 공기 중의 산소가 반응해서 전기에너지와 고온의 물을 발생시키는 친환경 발전시스템으로써 전기효율이 47%에 달하며 부가적으로 생산되는 열(약 371도)을 이용해 지역난방용 온수를 공급할 수 있어 전체 에너지효율은 최대 80%에 달해 다른 신재생에너지에 비해 효율이 높아 경제성이 뛰어난 특징을 가지고 있다.
2400kW 연료전지 설비를 통해 동서발전은 연간 1만 7000MWh 의 전력 및 연간 9800Gcal의 열을 생산해 일산신도시에 공급하게 된다. 1Gcal는 32평형 240가구가 1시간동안 사용 가능한 열량이다. 또한 전력생산시 연소과정을 거치지 않아 연간 1812t의 온실가스 저감효과를 얻게 되며 이는 승용창 248대의 CO2 배출량과 동일하다.
연료전지는 일반적으로 동작온도 및 전해질 종류에 따라 구분하며 발전용으로 사용될 수 있는 연료전지는 공급하는 규모 및 전기를 필요로 하는 수요에 따라 구분할 수 있다. 일반적으로 발전용 연료전지는 저온 연료전지인 인산형(phosphoric acid fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte fuel cell) 등이 소규모 발전용 및 분산형 전원으로, 그리고 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell) 등 고온 연료전지가 대형 발전용으로 이용될 것으로 예상된다.
발전용 연료전지 이용은 전력수요 증가, 환경문제 등의 전력공급 제약 요인 및 수요처의 에너지 이용형태에 따라 화력발전 대체용, 분산형 전원 그리고 가정용 전원 등으로 구분되어 운용된다.
가. 발전용 연료전지 형태
1) 화력발전 대체용 연료전지(centralized power plant)
: 현재 발전원 중 가장 발전비율이 높은 화력발전은 화석연료 사용으로 가장 많은 CO2를 배출하고 있어 지구 온난화 문제로 인한 CO2배출의 억제를 요구받고 있다. 연료전지 발전방식은 가장 현실적인 CO2 억제 방안으로써 화력발전을 대체할 수 있는 높은 효율을 가진 유일한 발전방식이다. 연료전지의 CO2 배출량은 같은 규모의 연료를 사용하는 화력발전 방식에 비하여 20에서 30% 정도를 줄일 수 있으며 이 외에도 연료전지는 발전 과정 중에 발생하는 고온의 스팀을 이용, 복합발전을 하는 경우 최대 65%(기존 40% 정도)까지 발전효율을 얻을 수 있어 발전비용을 낮출 수 있다.
화력발전 대체용 연료전지는 천연가스를 이용하는 경우 용융탄산염 및 고체산화물 연료전지가 복합 발전방식으로 활용이 가능하고 발전 효율은 55% ~ 65% 정도가 예상된다. 반면 석탄 가스를 이용할 경우 발전효율은 50~60% 정도로 천연가스보다는 낮으나 풍부한 자원인 석탄을 효율적으로 사용할 수 있어 연료 구입비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
화력 발전 대체용 연료전지 발전소 규모는 수천kW에서 MW 규모까지 보급될 수 있을 것으로 전망된다.
2) 분산형 연료전지(distributed fuel cell power plant)
: 그 동안 화력발전 설비는 대규모화 되면서 발전효율 상승에 따라 경제성을 향상시키는 방향으로 건설되어 왔으나 화력발전소 공해발생 요인으로 인해 장소 선정이 용이하지 않다는 문제점이 있었다.
이를 위하여 발전설비를 소형화하여 건설기간을 축소하고 급격한 전력 수요에도 빨리 대응할 수 있는 전원이 필요하게 되었는데, 소규모 열병합 연료전지 발전방식은 열과 전기를 필요로 하는 수요자 요구에 직접 연결되어 송배전 설비 사용을 줄여 전력사용 비용을 저감할 수 있다. 즉, 짧은 기간, 적은 투자비로 필요한 전원을 확보할 수 있게 된다.
일정한 지역 즉, 아파트 단지나 고층 빌딩 등 열 및 전기를 필요로 하는 일정 수요지 근처에 수백 kW에서 수천 kW 정도가 되는 연료전지를 설치하여 열과 전기를 동시 공급하는 발전소를 분산형 전원(distributed type)이라고 한다. 이와 같은 소규모 연료전지 발전소는 대규모 화력 발전설비를 보완할 수 있으며, 전력계통 운영의 신뢰성을 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다.
3) 가정용 연료전지 발전설비(residential fuel cell)
: 전기에너지 생산 시 전기와 함께 열을 같이 사용할 수 있는 열병합 발전은 에너지를 효율적 이용에서 가장 이상적인 형태이다. 한편 가정은 열과 전기를 동시에 생산 소비할 수 있는 가장 좋은 장소로, 배관으로 공급되는 도시가스 및 배기가스가 적고 소음이 없는 소형 연료전지 발전시스템을 이용하여 열과 전기를 생산, 사용한다면 가장 이상적인 에너지 시스템이 될 수 있다.
가정용 연료전지 발전 시스템은 발전효율이 높고 저온에서 동작하면서 전체 시스템이 고체로 되어 있는 고체 고분자형 연료전지 및 고체 전해질 연료전지를 사용하는데 현재 통상 수 kW 규모에서 수십 kW급 용량의 발전설비가 개발되고 있따. 가정용 연료전지 외에도 소규모 연료전지 발전시스템은 전원 계통과 떨어져 있거나 전기가 공급되지 못하고 있는 낙도의 전원으로, 또한 호텔, 병원, 음식점 등에서도 광범위하게 사용될 수가 있다.
나. 발전용 연료전지 종류 및 개발현황
1) 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell)
: 인산형 연료전지는 가장 실용화가 앞서있는 발전용 연료전지로써 미국 ONSI (IFC사와 일본 도시바 합작)사의 250kW 시스템은 전세계 수백대가 보급 운용되고 있다. 이용형태는 빌딩 및 건물에 열 및 전기를 공급하는 열병합 분산전원으로 보급되고 있으며 이 외 소화가스(disgestive gas), 폐가스 등 다양한 연료를 사용하는 시스템도 개발되고 있다.
미구 ONSI사의 250kW PC25C의 경우, 열효율 36%, 배열회수 167도 이상의 고온수 회수가 가능하여 종합 열효율은 80% 이상을 보인다. 앞으로의 전망은 시장 확대를 위하여 건설비용 저감 노력, 표준화 보급, 규제 완화책 등이 선행되어야 한다.
2) 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell)
: 용융탄산염 연료전지는 천연가스 또는 석탄가스를 연료로 사용하기 때문에 효율이 높고 배열이 고온이며 가스터빈을 채택할 경우 고효율 발전이 가능하여 장래 화력발전 대체용 전원으로 기대를 모으고 있다.
미국 FCE(fuel cell energy)의 경우, 내부 개질형(internal reforming) 250 kW급 시스템을 상용화하고 있는데 현재 약 35정도가 보급되어 운용되고 있으며 최장 22,000시간의 운전 기록 및 종합 효율 90%를 보여주고 있다.
일본의 경우에는 외부 개질형(external reforming) 시스템 개발이 진행되고 있는데 MW급 실증설비를 중부전력의 가와고에 발전소에서 건설 실증시험을 실시한 후 고효율 발전시스템 개발을 목적으로 300, 750kW급 열병합 시스템에 대한 기술개발을 진행하고 있다. 이 시스템의 발전효율은 52%, 종합효율은 70% 정도를 예상하고 있다.
유럽의 경우에는 이태리에서 스페인과 함께 미국 기술을 기반으로 100kW 규모의 실증시험을 실시하고 있으며 500kW급 시스템 건설이 진행되고 있따. 특히 독일 MTU(MTU CFC Solution)에서는 미국 FEC 스택을 이용하여 독자적인 설계 모델(HOT Module)인 280kW 규모의 열병합 발전시스템을 제작하여 12곳에서 실증시험을 진행하였는데 이용율 90%의 신뢰성을 보여주고 있다.
한국 경기그린에너지 용융탄산염 연료전지 발전소 운영현황
한편 국내에는 세계 최대 규모의 용융탄산염 연료전지 발전소가 있는데 경기 화성시 향남읍에 위치한 경기그린에너지의 연료전지 발전소(58.8MW)이다. 경기그린에너지는 국내에 설치된 연료전지 설비용량의 52%를 차지할 정도로 규모가 크다.
경기그린에너지는 발안산업단지 내 2만405m^2(약 6200평) 부지에 들어서있는데 총 사업비 3300억원이 투자됐으며 이전까지 국내에서는 대구에 설치된 4호기(11.2MW)가 최대 규모였지만, 경기그린에너지가 준공을 완료한 2013년 12월 이후 순서가 바뀌었다.
이곳에서는 연간 46만 4000MWh의 전력을 생산하고 있는데 화성시 전체 가구의 70%인 13만 가구가 사용할 수 있는 양이며 열생산량은 연간 19만 5000Gcal로 2만 가구에 공급이 가능하다.
경기그린에너지 연료전지 발전소는 1.7km 떨어져 있는 인근의 구문천 변전소와 154kV 지중 송전선으로 연결돼있다. 바람이 센 산지에 건설해야하는 풍력발전, 일사량이 좋은 부지를 골라야하는 태양광 발전처럼 기후조건에 따른 입지 제약이 없다. 적당한 변전소 인근에 건설하면 되니 논란이 많은 송전탑을 건설할 필요가 없다. 또 기후조건에 얽매이지 않다보니 24시간 발전이 가능하다.
이 곳에는 총 21호기의 용융탄산염 연료전지(MCFC)가 설치되어 있으며 연료전지 1호기에는 각각 2개의 굴뚝이 달려 있다. 난방수요가 없는 여름철엔 약 380도의 수증기가 왼쪽 굴뚝으로 배출된다. 반대로 겨울철엔 물을 데우느라 온도가 낮아진 80도의 수증기가 오른쪽 굴뚝으로 배출된다.
외부 공기와의 온도차이 때문에 겨울철엔 이 수증기가 하얗게 보인다. 이걸 백연현상이라고 하는데 언뜻보면 공장 굴뚝에서 배출되는 대기오염 물질처럼 보이지만 하얀 연기는 오염물질이 아니라 수증기이다.
3) 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell)
: 고체산화물 연료전지는 연료전지 중 가장 효율이 높고 시스템의 간소함 때문에 장래 분산형 및 가정용 전원으로 큰 기대를 모으고 있다. 고체 산화물 연료전지의 경우 원통형과 평판형으로 구분되는데 미국 SW(siemens-W.H)사에서 개발한 원통형 220kW급이 미국 캘리포니아대학의 National Fuel Cell Research Center에서 75kW급 MGT를 설치하여 운전시험을 시작하고 있으며 이 시스템 효율은 57%(LHV 기준)를 목표로 하고 있다.
아직 개발 단계에 있는 평판형의 경우 독일이 합병 전 지멘스에서 20kW급 시스템을 개발 실증시험을 진행하여 왔으나 현재 웨스팅하우스와의 합병으로 더 이상의 진행은 보이고 있지 않다.
일본은 NEDO 주관으로 평판형 스택을 개발하고 있으며 1kW급에서 5kW급을 개발하고 있으며 100kW급 개발을 진행 중이다. 반면 유럽에서는 독일 외에 네덜란드, 덴마크 등에서 수kW 규모의 스택을 제작 실증 시험을 실시하고 있으며, 특히 스위스 Sulzer-Hexis 에서는 가정용 소형 열병합 발전시스템을 개발하여 운전시험을 시작할 예정이다.
4) 고체고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte menbrane fuel cell)
: 고체고분자 전해질 연료전지는 1980년 전류밀도가 비약적으로 향상됨에 따라 Ballard 사를 중심으로 전기자동차로 응용으로 크게 각광 받기 시작하여 현재 연료전지 개발에서 가장 주목을 받고 있는 방식이다.
자동차용으로 개발되는 와중에 소형, 경량 그리고 저온 동작에 따라 저비용화가 가능하고 배열회수에 따라 60도 정도의 온수가 얻어지기 때문에 일반적으로 가정용 소형 열병합 발전시스템으로 기대된다.
주택용 연료전지 시스템은 미국 Plug Power, IFC, Nuvera와 일본의 Toshiba, Sanyo 등이 참여하고 있으며 2kW 정도의 전기출력과 같은 규모의 열출력을 목표로 하고 있다. 시스템 발전효율 목표는 35% 정도, 배열회수 이용 시 70% 정도가 예상된다.
한편 분산 전원으로 캐나다 Ballard 사에서는 250kW급 열병합 시스템을 스위스 EBM사 등에 설치 운전시험을 실시한 바 있다.
발전용 연료전지 미래
1. 발전용 연료전지의 시장전망
: 발전용 연료전지 이용은 전력 수요 증가, 환경 문제 등에 따라 화력발전 대체용, 분산형 전원 그리고 가정용 전원 등으로 운용된다.
현재 발전용 연료전지는 분산형태의 열병합 발전설비가 가장 먼저 시장에 도입될 것으로 예측되고 있으며 이어 가정용 그리고 궁극적으로는 대형 발전 방식으로 개발될 것으로 예상된다. 아래의 표는 이러한 연료전지의 다양한 용도를 보여주고 있다.
발전용 연료전지의 경우 미국 일본 등 선진국들은 이미 1990년대 후반부터 상용화를 시작하여 일부 제품은 이미 시장에 보급되고 있다. 현재 발전용 연료전지로 분산형 전원으로는 PAFC(미국 IFC, 일본 Fuji, Toshiba) 및 MCFC(미국 FCE, 독일 MTU) 그리고 가정용 연료전지로 PEMFC(미국 Plug, 캐나다 Ballard, 일본 Sanyo 외) 및 SOFC(스위스 Schulzer Hexis)가 보급되고 있다.
발전용 연료전지 기술발전 추세를 살펴보면 종류에 따라 약간의 차이는 있으나, 미국, 일분의 경우 상업화에 필요한 기반기술을 확보한 후 현재 실증운전을 통한 신뢰성 확보와 기술개선 및 대량생산에 따른 비용절감 차원의 기술개발에 초점이 맞춰져 있다. 특히 향후 자가발전 시장에서 가장 수요가 클 것으로 예측되는 250kW 내외의 소형 열병합 발전설비가 초기 시장진입의 교두보가 될 것으로 예측되고 있으며 이를 위하여 높은 발전 효율, 신뢰성 및 경제성 확보를 위한 연구가 진행되고 있다.
2. 국내 연료전지 시장동향
: 국내 연료전지 시장 역시 세계시장과 같이 우선은 열병합 발전설비, 또한 노후 화력 및 분산전원으로 보급된 후 중앙 집중형으로 보급될 것으로 예상된다. 2010년을 기준으로 보급 가능한 연료전지 발전설비는 자가 발전설비의 10% 정도, 노후화력의 10% 대체, 기력설비의 1%로 예상되며 이 경우 연료전지에 의한 총보급 가능량은 약 222만 kW 규모가 되고 시장가격을 kW당 $1200로 한다면 $26.6억 정도의 연료전지 시장이 형성될 수 있을 것으로 예측된다. 다음 표들은 2015년까지 발전설비 구성 및 연료전지 잠재 설비용량 및 보급목표를 나타내고 있다.
* 바이오에너지... 이어서...
1. 연료전지 발전 개요
가. 시스템 구성
: 연료전지 발전 시스템은 기본적으로 전기를 생산하는 연료전지 본체(fuel cell pwer section : stack), 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환시키는 연료 처리계(fuel processor), 발전된 직류 전기를 교류전기로 변환시키는 전력 변환장치(power conditioner), 이 외 시스템을 종합적으로 제어하고 나오는 부산물인 고온의 물을 이용하여 냉난방을 하거나 다시 전기를 만들어 내는 배열이용장치(heat recovery system) 등 으로 구성된다.
직류(DC) 전기를 생산하는 가장 기본적인 요소는 단위전지(unit cell)이다. 단위전지는 전극(Anode, Cathode), 전해질(Electrolyte) 및 부리판(Separator)등으로 구성되어 있으며, 반응가스가 반응에 관여하여 발전이 이루어 질 때 가장 중요한 구성요소이다.
단위전지는 통상 0.6V 에서 0.8V 정도의 아주 낮은 전압으로 인출되기 때문에 이 단위전지들은 여러장 쌓아 올려 전압을 상승시켜 필요한 전압을 확보하는데 이를 위해 연료전지 본체는 단위전지 수백 장을 쌓아 직렬로 연결하여, 그 크기를 보통 100에서 500kW 규모의 스택으로 만들어 소규모 발전설비로 이용하거나 스택을 병렬로 연결하여 수만에서 수십만 kW를 생산하는 대규모 발전용 플랜트로 구성한다.
나. 발전원리
: 연료전지는 수소를 산소와 결합시켜 물과 전기를 만들어 내는 발전방식으로써 수소를 얻는 가장 보편적인 방법은 천연가스, 석탄, 메탄올 등과 같은 화석 연료를 통해서 얻어낸다.
연료전지 본체가 필요로 하는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등을 만들어 내는 장치를 연료처리(fuel processing) 장치라 하며 천연가스, 또는 메탄올 등 연료에 수증기를 집어넣어 수소와 일산화탄소, 이산화탄소 등을 얻는 수증기 첨가 개질방법(steam reforming)을 이용하여 수소를 생산한다.
석탄을 연료로 사용하는 경우에는 석탄을 가스화 하여 일산화탄소 및 수소를 발생시켜 사용하는 석탄가스화 장치(coal gasifier)를 이용한다. 석탄을 가스화할 경우 석탄가스 속에 존재하는 불순물들을 정제하기 위해 석탄가스 정제시스템이 설치된다.
우리가 일반적으로 사용하는 전기는 교류 전기이므로 연료전지에서 나오는 직류 전기는 전력 변환장치를 통해 교류로 변환되는데 이런 장치를 인버터(inverter)라고 부른다. 인버터는 IGBT(insulated gate bipolar transisitor), GTO(gate turn off thyristor)라고 부르는 반도체 스위칭 소자를 고속으로 개폐 동작시켜 전류를 변환시키는 방법을 사용한다.
연료전지 발전은 여러 시스템이 유기적으로 동작하여 발전이 이루어지기 때문에 시스템을 제어하는 계통이 필요한데 이 제어계통을 통하여 발전출력, 공급되는 수소 및 공기의 양, 회수되는 배열회수 양들을 종합적으로 조정하여 필요한 양만큼 발전이 이루어진다.
2. 발전용 연료전지 형태 및 종류
동서발전 연료전지 발전설비 운영현황
한국동서발전은 2009년 10월 28일 경기도 고양시 백석동 일산열병합발전소에서 2,400kW급 연료전지 발전을 시작했다.
일산 연료전지 발전설비는 2400kW 연료전지로서는 국내 7번째로 가동되는 설비로써 2009년 4월 1일 착공한 이래 6개월 만에 시운전을 마치고 전력을 생산하게 됐다. 기자재 납품은 포스코파워가 설치와 시공은 포스콘이 담당했으며 원제작사는 미국의 FCE로 총 공사비 139억원이 소요됐다.
연료전지는 액화천연가스로부터 개질(수소를 발생시키는 방법)해서 나오는 수소와 공기 중의 산소가 반응해서 전기에너지와 고온의 물을 발생시키는 친환경 발전시스템으로써 전기효율이 47%에 달하며 부가적으로 생산되는 열(약 371도)을 이용해 지역난방용 온수를 공급할 수 있어 전체 에너지효율은 최대 80%에 달해 다른 신재생에너지에 비해 효율이 높아 경제성이 뛰어난 특징을 가지고 있다.
2400kW 연료전지 설비를 통해 동서발전은 연간 1만 7000MWh 의 전력 및 연간 9800Gcal의 열을 생산해 일산신도시에 공급하게 된다. 1Gcal는 32평형 240가구가 1시간동안 사용 가능한 열량이다. 또한 전력생산시 연소과정을 거치지 않아 연간 1812t의 온실가스 저감효과를 얻게 되며 이는 승용창 248대의 CO2 배출량과 동일하다.
연료전지는 일반적으로 동작온도 및 전해질 종류에 따라 구분하며 발전용으로 사용될 수 있는 연료전지는 공급하는 규모 및 전기를 필요로 하는 수요에 따라 구분할 수 있다. 일반적으로 발전용 연료전지는 저온 연료전지인 인산형(phosphoric acid fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte fuel cell) 등이 소규모 발전용 및 분산형 전원으로, 그리고 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell) 등 고온 연료전지가 대형 발전용으로 이용될 것으로 예상된다.
발전용 연료전지 이용은 전력수요 증가, 환경문제 등의 전력공급 제약 요인 및 수요처의 에너지 이용형태에 따라 화력발전 대체용, 분산형 전원 그리고 가정용 전원 등으로 구분되어 운용된다.
가. 발전용 연료전지 형태
1) 화력발전 대체용 연료전지(centralized power plant)
: 현재 발전원 중 가장 발전비율이 높은 화력발전은 화석연료 사용으로 가장 많은 CO2를 배출하고 있어 지구 온난화 문제로 인한 CO2배출의 억제를 요구받고 있다. 연료전지 발전방식은 가장 현실적인 CO2 억제 방안으로써 화력발전을 대체할 수 있는 높은 효율을 가진 유일한 발전방식이다. 연료전지의 CO2 배출량은 같은 규모의 연료를 사용하는 화력발전 방식에 비하여 20에서 30% 정도를 줄일 수 있으며 이 외에도 연료전지는 발전 과정 중에 발생하는 고온의 스팀을 이용, 복합발전을 하는 경우 최대 65%(기존 40% 정도)까지 발전효율을 얻을 수 있어 발전비용을 낮출 수 있다.
화력발전 대체용 연료전지는 천연가스를 이용하는 경우 용융탄산염 및 고체산화물 연료전지가 복합 발전방식으로 활용이 가능하고 발전 효율은 55% ~ 65% 정도가 예상된다. 반면 석탄 가스를 이용할 경우 발전효율은 50~60% 정도로 천연가스보다는 낮으나 풍부한 자원인 석탄을 효율적으로 사용할 수 있어 연료 구입비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
화력 발전 대체용 연료전지 발전소 규모는 수천kW에서 MW 규모까지 보급될 수 있을 것으로 전망된다.
2) 분산형 연료전지(distributed fuel cell power plant)
: 그 동안 화력발전 설비는 대규모화 되면서 발전효율 상승에 따라 경제성을 향상시키는 방향으로 건설되어 왔으나 화력발전소 공해발생 요인으로 인해 장소 선정이 용이하지 않다는 문제점이 있었다.
이를 위하여 발전설비를 소형화하여 건설기간을 축소하고 급격한 전력 수요에도 빨리 대응할 수 있는 전원이 필요하게 되었는데, 소규모 열병합 연료전지 발전방식은 열과 전기를 필요로 하는 수요자 요구에 직접 연결되어 송배전 설비 사용을 줄여 전력사용 비용을 저감할 수 있다. 즉, 짧은 기간, 적은 투자비로 필요한 전원을 확보할 수 있게 된다.
일정한 지역 즉, 아파트 단지나 고층 빌딩 등 열 및 전기를 필요로 하는 일정 수요지 근처에 수백 kW에서 수천 kW 정도가 되는 연료전지를 설치하여 열과 전기를 동시 공급하는 발전소를 분산형 전원(distributed type)이라고 한다. 이와 같은 소규모 연료전지 발전소는 대규모 화력 발전설비를 보완할 수 있으며, 전력계통 운영의 신뢰성을 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다.
3) 가정용 연료전지 발전설비(residential fuel cell)
: 전기에너지 생산 시 전기와 함께 열을 같이 사용할 수 있는 열병합 발전은 에너지를 효율적 이용에서 가장 이상적인 형태이다. 한편 가정은 열과 전기를 동시에 생산 소비할 수 있는 가장 좋은 장소로, 배관으로 공급되는 도시가스 및 배기가스가 적고 소음이 없는 소형 연료전지 발전시스템을 이용하여 열과 전기를 생산, 사용한다면 가장 이상적인 에너지 시스템이 될 수 있다.
가정용 연료전지 발전 시스템은 발전효율이 높고 저온에서 동작하면서 전체 시스템이 고체로 되어 있는 고체 고분자형 연료전지 및 고체 전해질 연료전지를 사용하는데 현재 통상 수 kW 규모에서 수십 kW급 용량의 발전설비가 개발되고 있따. 가정용 연료전지 외에도 소규모 연료전지 발전시스템은 전원 계통과 떨어져 있거나 전기가 공급되지 못하고 있는 낙도의 전원으로, 또한 호텔, 병원, 음식점 등에서도 광범위하게 사용될 수가 있다.
나. 발전용 연료전지 종류 및 개발현황
1) 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell)
: 인산형 연료전지는 가장 실용화가 앞서있는 발전용 연료전지로써 미국 ONSI (IFC사와 일본 도시바 합작)사의 250kW 시스템은 전세계 수백대가 보급 운용되고 있다. 이용형태는 빌딩 및 건물에 열 및 전기를 공급하는 열병합 분산전원으로 보급되고 있으며 이 외 소화가스(disgestive gas), 폐가스 등 다양한 연료를 사용하는 시스템도 개발되고 있다.
미구 ONSI사의 250kW PC25C의 경우, 열효율 36%, 배열회수 167도 이상의 고온수 회수가 가능하여 종합 열효율은 80% 이상을 보인다. 앞으로의 전망은 시장 확대를 위하여 건설비용 저감 노력, 표준화 보급, 규제 완화책 등이 선행되어야 한다.
2) 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell)
: 용융탄산염 연료전지는 천연가스 또는 석탄가스를 연료로 사용하기 때문에 효율이 높고 배열이 고온이며 가스터빈을 채택할 경우 고효율 발전이 가능하여 장래 화력발전 대체용 전원으로 기대를 모으고 있다.
미국 FCE(fuel cell energy)의 경우, 내부 개질형(internal reforming) 250 kW급 시스템을 상용화하고 있는데 현재 약 35정도가 보급되어 운용되고 있으며 최장 22,000시간의 운전 기록 및 종합 효율 90%를 보여주고 있다.
일본의 경우에는 외부 개질형(external reforming) 시스템 개발이 진행되고 있는데 MW급 실증설비를 중부전력의 가와고에 발전소에서 건설 실증시험을 실시한 후 고효율 발전시스템 개발을 목적으로 300, 750kW급 열병합 시스템에 대한 기술개발을 진행하고 있다. 이 시스템의 발전효율은 52%, 종합효율은 70% 정도를 예상하고 있다.
유럽의 경우에는 이태리에서 스페인과 함께 미국 기술을 기반으로 100kW 규모의 실증시험을 실시하고 있으며 500kW급 시스템 건설이 진행되고 있따. 특히 독일 MTU(MTU CFC Solution)에서는 미국 FEC 스택을 이용하여 독자적인 설계 모델(HOT Module)인 280kW 규모의 열병합 발전시스템을 제작하여 12곳에서 실증시험을 진행하였는데 이용율 90%의 신뢰성을 보여주고 있다.
한국 경기그린에너지 용융탄산염 연료전지 발전소 운영현황
한편 국내에는 세계 최대 규모의 용융탄산염 연료전지 발전소가 있는데 경기 화성시 향남읍에 위치한 경기그린에너지의 연료전지 발전소(58.8MW)이다. 경기그린에너지는 국내에 설치된 연료전지 설비용량의 52%를 차지할 정도로 규모가 크다.
경기그린에너지는 발안산업단지 내 2만405m^2(약 6200평) 부지에 들어서있는데 총 사업비 3300억원이 투자됐으며 이전까지 국내에서는 대구에 설치된 4호기(11.2MW)가 최대 규모였지만, 경기그린에너지가 준공을 완료한 2013년 12월 이후 순서가 바뀌었다.
이곳에서는 연간 46만 4000MWh의 전력을 생산하고 있는데 화성시 전체 가구의 70%인 13만 가구가 사용할 수 있는 양이며 열생산량은 연간 19만 5000Gcal로 2만 가구에 공급이 가능하다.
경기그린에너지 연료전지 발전소는 1.7km 떨어져 있는 인근의 구문천 변전소와 154kV 지중 송전선으로 연결돼있다. 바람이 센 산지에 건설해야하는 풍력발전, 일사량이 좋은 부지를 골라야하는 태양광 발전처럼 기후조건에 따른 입지 제약이 없다. 적당한 변전소 인근에 건설하면 되니 논란이 많은 송전탑을 건설할 필요가 없다. 또 기후조건에 얽매이지 않다보니 24시간 발전이 가능하다.
이 곳에는 총 21호기의 용융탄산염 연료전지(MCFC)가 설치되어 있으며 연료전지 1호기에는 각각 2개의 굴뚝이 달려 있다. 난방수요가 없는 여름철엔 약 380도의 수증기가 왼쪽 굴뚝으로 배출된다. 반대로 겨울철엔 물을 데우느라 온도가 낮아진 80도의 수증기가 오른쪽 굴뚝으로 배출된다.
외부 공기와의 온도차이 때문에 겨울철엔 이 수증기가 하얗게 보인다. 이걸 백연현상이라고 하는데 언뜻보면 공장 굴뚝에서 배출되는 대기오염 물질처럼 보이지만 하얀 연기는 오염물질이 아니라 수증기이다.
3) 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell)
: 고체산화물 연료전지는 연료전지 중 가장 효율이 높고 시스템의 간소함 때문에 장래 분산형 및 가정용 전원으로 큰 기대를 모으고 있다. 고체 산화물 연료전지의 경우 원통형과 평판형으로 구분되는데 미국 SW(siemens-W.H)사에서 개발한 원통형 220kW급이 미국 캘리포니아대학의 National Fuel Cell Research Center에서 75kW급 MGT를 설치하여 운전시험을 시작하고 있으며 이 시스템 효율은 57%(LHV 기준)를 목표로 하고 있다.
아직 개발 단계에 있는 평판형의 경우 독일이 합병 전 지멘스에서 20kW급 시스템을 개발 실증시험을 진행하여 왔으나 현재 웨스팅하우스와의 합병으로 더 이상의 진행은 보이고 있지 않다.
일본은 NEDO 주관으로 평판형 스택을 개발하고 있으며 1kW급에서 5kW급을 개발하고 있으며 100kW급 개발을 진행 중이다. 반면 유럽에서는 독일 외에 네덜란드, 덴마크 등에서 수kW 규모의 스택을 제작 실증 시험을 실시하고 있으며, 특히 스위스 Sulzer-Hexis 에서는 가정용 소형 열병합 발전시스템을 개발하여 운전시험을 시작할 예정이다.
4) 고체고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte menbrane fuel cell)
: 고체고분자 전해질 연료전지는 1980년 전류밀도가 비약적으로 향상됨에 따라 Ballard 사를 중심으로 전기자동차로 응용으로 크게 각광 받기 시작하여 현재 연료전지 개발에서 가장 주목을 받고 있는 방식이다.
자동차용으로 개발되는 와중에 소형, 경량 그리고 저온 동작에 따라 저비용화가 가능하고 배열회수에 따라 60도 정도의 온수가 얻어지기 때문에 일반적으로 가정용 소형 열병합 발전시스템으로 기대된다.
주택용 연료전지 시스템은 미국 Plug Power, IFC, Nuvera와 일본의 Toshiba, Sanyo 등이 참여하고 있으며 2kW 정도의 전기출력과 같은 규모의 열출력을 목표로 하고 있다. 시스템 발전효율 목표는 35% 정도, 배열회수 이용 시 70% 정도가 예상된다.
한편 분산 전원으로 캐나다 Ballard 사에서는 250kW급 열병합 시스템을 스위스 EBM사 등에 설치 운전시험을 실시한 바 있다.
발전용 연료전지 미래
1. 발전용 연료전지의 시장전망
: 발전용 연료전지 이용은 전력 수요 증가, 환경 문제 등에 따라 화력발전 대체용, 분산형 전원 그리고 가정용 전원 등으로 운용된다.
현재 발전용 연료전지는 분산형태의 열병합 발전설비가 가장 먼저 시장에 도입될 것으로 예측되고 있으며 이어 가정용 그리고 궁극적으로는 대형 발전 방식으로 개발될 것으로 예상된다. 아래의 표는 이러한 연료전지의 다양한 용도를 보여주고 있다.
발전용 연료전지의 경우 미국 일본 등 선진국들은 이미 1990년대 후반부터 상용화를 시작하여 일부 제품은 이미 시장에 보급되고 있다. 현재 발전용 연료전지로 분산형 전원으로는 PAFC(미국 IFC, 일본 Fuji, Toshiba) 및 MCFC(미국 FCE, 독일 MTU) 그리고 가정용 연료전지로 PEMFC(미국 Plug, 캐나다 Ballard, 일본 Sanyo 외) 및 SOFC(스위스 Schulzer Hexis)가 보급되고 있다.
발전용 연료전지 기술발전 추세를 살펴보면 종류에 따라 약간의 차이는 있으나, 미국, 일분의 경우 상업화에 필요한 기반기술을 확보한 후 현재 실증운전을 통한 신뢰성 확보와 기술개선 및 대량생산에 따른 비용절감 차원의 기술개발에 초점이 맞춰져 있다. 특히 향후 자가발전 시장에서 가장 수요가 클 것으로 예측되는 250kW 내외의 소형 열병합 발전설비가 초기 시장진입의 교두보가 될 것으로 예측되고 있으며 이를 위하여 높은 발전 효율, 신뢰성 및 경제성 확보를 위한 연구가 진행되고 있다.
2. 국내 연료전지 시장동향
: 국내 연료전지 시장 역시 세계시장과 같이 우선은 열병합 발전설비, 또한 노후 화력 및 분산전원으로 보급된 후 중앙 집중형으로 보급될 것으로 예상된다. 2010년을 기준으로 보급 가능한 연료전지 발전설비는 자가 발전설비의 10% 정도, 노후화력의 10% 대체, 기력설비의 1%로 예상되며 이 경우 연료전지에 의한 총보급 가능량은 약 222만 kW 규모가 되고 시장가격을 kW당 $1200로 한다면 $26.6억 정도의 연료전지 시장이 형성될 수 있을 것으로 예측된다. 다음 표들은 2015년까지 발전설비 구성 및 연료전지 잠재 설비용량 및 보급목표를 나타내고 있다.
* 바이오에너지... 이어서...