우리의 터전인 지구를 건강하게 유지해 미래세대에게 물려주기 위한 움직임은 과거 환경보호, 에너지절약 등 추상적인 메시지를 통해 이뤄졌다. 그러나 지금은 국가온실가스감축계획, 2050 탄소중립 등 구체적이고 정량적인 목표를 제시하며 보다 현실성있는 접근을 통해 기후위기에 대응하고 있다.
이러한 목표를 달성하기 위해 신재생에너지 보급, 에너지소비 효율화 등 다양한 방안이 제시되고 있으며 특히 탄소배출량이 많은 기존 화석연료 기반 에너지생산방식에서 탄소배출이 적거나 없는 신재생에너지로 전환하는 것이 가장 중요한 과제로 언급되고 있다.
이에 따라 정부는 ‘3020 재생에너지 보급계획’, ‘5차 신재생에너지 기술개발 및 이용·보급 기본계획’ 등을 발표하며 신재생에너지 확산을 적극 추진하고 있다. 계획에 따르면 2034년까지 국가 전체 발전량의 25.8%가 신재생에너지로 전환될 전망이다.
현재 우수한 발전효율과 가격경쟁력을 강점으로 태양광, 풍력 등이 주요 발전원으로 보급되고 있으나 보급이 확산됨에 따라 전력망(그리드) 등에 대한 문제점이 야기되고 있는 상황이다.
실제로 태양광, 풍력발전 보급이 활발한 제주도의 경우 지난해 77회 발생한 풍력발전 출력제한이 올해는 약 240회로 증가할 전망이다.
태양광, 풍력 등은 기상상황에 따라 발전량의 간헐성, 변동성의 특성을 가지고 있다. 생산량과 소비량이 일치하지 않을 경우 전력망에 부담을 줘 설비의 손망실을 유발하는 결과가 발생한다.
이에 따라 잉여전력을 효율적으로 저장하고 다시 활용할 수 있는 보완적 수단이 필요하다. 에너지저장 밀도가 ESS 등 전력저장기술대비 29배 높은 수소가 대안으로 제시되고 있으며 전 세계적으로 수소경제에 대한 관심이 높아지고 있다.
신재생E 보완방안 수소연료전지신재생에너지 전력을 통해 생산된 수소를 다시 산업, 생활 등에 활용할 수 있는 전력과 열로 편리하고 높은 효율로 전환할 수 있는 연료전지가 수소경제 에너지원의 핵심으로 부상하고 있다.
연료전지는 물에 전력을 가해 산소와 수소로 분리하는 원리를 역으로 이용한 기술로 수소와 산소가 산화·환원반응하는 과정에서 전력과 열을 생산할 수 있다. 이러한 특성을 바탕으로 발전수단을 넘어 전력과 열수요가 동시에 발생하는 주거 및 상업건물, 집단에너지, 스마트팜, ICT, 수송 등 다양한 분야로 적용이 시도되며 가치가 높아지고 있다.
수소 및 연료전지의 장점을 바탕으로 탄소중립 달성과 지역경제 활성화에 대한 지자체의 관심이 높아지고 있으며 지역특성을 반영한 사업을 구상, 발표하고 있다.
한국과학기술기획평가원에 따르면 세계 연료전지시장 규모는 2018년 789.79MW에서 2023년 2,494.58MW로 연평균 25% 이상 성장할 것으로 전망하고 있으며 금액기준 2030년까지 41조원으로 커질 것으로 보인다.
특히 연료전지는 수요처 인근에 설치해 자립형, 분산형 전원으로써 건물·지구단위 탄소중립, 에너지자립 등에 활용할 수 있으며 현재까지 원자력, 화석연료발전 등 대규모 발전설비가 가지고 있던 부지문제, 장거리 송전으로 인한 손실 등 단점을 해소해 효율적인 에너지소비를 가능케 한다.
연료전지의 종류는 △알칼리형(AFC) △인산형(PAFC) △용융탄산염형(MCFC) △고분자전해질형(PEMFC) △고체산화물형(SOFC) 등이 있다. 전해질에 따라 종류가 나뉘며 운전온도, 효율 등에서도 차이를 보인다. 이중 국내시장에 공급되고 있는 주요 연료전지종류는 PAFC, PEMFC, SOFC 등이다.
가장 보급이 활발한 연료전지는 PEMFC로 순수수소를 사용하며 운전온도가 50~100℃로 비교적 낮아 작동에 필요한 시간이 짧은 장점을 가지고 있다. 특히 우리나라는 자동차 등 모빌리티분야 상용화기술의 최선두를 달리고 있다. 또한 열생산량이 커 거주 및 상업건물 등 열수요가 곳에 적합하다. 현재 순수수소 공급인프라가 없어 개질기를 이용해 천연가스를 수소로 개질해 운용하고 있다.
기술개발이 가장 활발한 연료전지는 SOFC로 상용화 및 기반기술 측면에서 선도기술을 추격하고 있다. △LNG △LPG △메탄 △석탄가스 등 다양한 연료를 내부개질해 활용할 수 있어 청정수소 공급기반이 마련되지 않은 상황에서도 활용할 수 있다.
특히 발전효율이 우수해 대규모 발전시설로 활용될 수 있으며 열부하가 적은 활용처에 적용하는 것이 바람직하다. 또한 전력을 많이 필요로 하고 동시에 냉난방 및 이산화탄소 공급이 요구되는 스마트팜 등에 활용될 가능성이 높다.
다만 운전온도가 550~1,000℃로 연료전지 종류 중 가장 높으며 시스템 안정성 및 셀 내구성을 확보하는 것이 가장 중요하다.
PAFC는 SOFC와 마찬가지로 △LNG △LPG △메탄 △석탄가스 등을 활용할 수 있고 발전효율이 높으며 열병합발전으로도 활용할 수 있다. 지난 7월 두산퓨얼셀의 440kW급 PAFC 90기가 적용된 39.6MW규모 인천연료전지발전소가 개소했으며 연간 생산되는 전력과 열은 각각 약 8만7,000가구, 약 2만6,000가구가 사용할 수 있는 수준으로 인천 동구 등 주변지역에 공급하고 있다.
연료전지 확산 기틀마련
정부는 신재생에너지를 보완하고 탄소중립 달성에 기여할 수 있는 수소경제, 연료전지산업을 육성하기 위해 지난 2019년 ‘수소경제 활성화 로드맵(이하 로드맵)’을 발표했으며 세계 최초로 ‘수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률(이하 수소법)’을 제정했다.
로드맵에 따르면 정부는 연료전지와 수소차를 양대 축으로 수소경제 산업생태계를 구축한다. 또한 신재생에너지를 활용한 수소생산과 연계해 2040년까지 발전용 연료전지 내수 8GW, 수출 7GW를 보급하고 건물용 연료전지 2.1GW를 94만가구에 보급할 계획이다.
또한 설치장소, 사용유형별 특징을 고려해 다양한 건물용 연료전지 모델을 출시하고 공공 및 민간 신축건물에 의무화를 시행한다.
정부는 수소법 시행을 통해 △수소전문기업 육성 △연료전지 설치 요청 △수소경제 시범사업 △진흥·유통·안전전담기관지정 등 수소경제를 육성하기 위한 법적기반을 마련했다.
수소전문기업은 매출액에서 수소사업과 관련된 매출액이 차지하는 비중이 일정수준 이상인 기업을 대상으로 선정하며 기술개발, 장비사용, 사업화, 수소특화단지 우선입주 등에 대한 지원을 받을 수 있다.
수소법 시행으로 산업통상자원부장관은 지자체, 공공기관, 공기업 등에 연료전지 설치를 요청할 수 있게 됐으며 해당기관은 특별한 사유가 없으면 설치요청에 따라야 한다. 이를 통해 공공주도 연료전지 보급확산이 이뤄질 전망이다.
또한 △수소 생산·저장·운송·활용 수소시제품제작 △수소시범도시·시범지구 △수소제품 시범보급 실증사업 등을 추진할 수 있는 여건이 마련됐으며 보조금, 시범사업 기반 조성, 지식재산권 보호 등의 지원을 받을 수 있게 됐다.
정부는 수소법에 따라 진흥, 유통, 안전 등 세 분야에 대한 전담기관을 각각 수소융합얼라이언스추진단, 한국가스공사, 한국가스안전공사로 지정해 수소경제 전 분야에 대한 체계적인 지원에 나서고 있다.
산업부는 신재생에너지 보급지원사업을 지속 추진하고 있으며 2021년 건물분야 지원규모를 785억4,000만원으로 편성했다. 건물용 연료전지 확산을 가속화하기 위해 관련예산을 2020년 49억5,000만원대비 4배 증액한 182억원으로 편성했으며 이는 총 1.3MW를 지원할 수 있는 규모다.
이러한 정부 정책의 노력에 따라 건물용 연료전지시장이 점차 확대되고 있는 추세다. 한국에너지공단 통계에 따르면 보조금 지원을 통해 설치된 건물용 연료전지는 지난 2016년 36개소, 0.36MW에서 2019년 182개소, 2.18MW, 2020년 115개소, 1.67MW로 증가세임을 확인할 수 있다.
연료전지업계의 관계자는 “신재생에너지 공급의무화제도를 태양광, 지열, 풍력 등으로 이행하기 어려운 도심에서 연료전지가 주목받고 있으며 최근 지원확대, 제조사들의 공급단가 감소 등과 맞물려 건물용 연료전지시장의 큰 성장이 예상된다”고 밝혔다.
이와 함께 수소도시의 효율적인 조성 및 운영을 위한 ‘수소도시조성 및 운영에 관한 법률’이 국회에서 검토되고 있다. 수소도시는 수소를 주거·교통 등 다양한 생활분야와 사업분야에서 활용하는 도시다.
향후 수소도시 각 가정 및 건물, 산업 등에 연료전지가 적용돼 수소기반 탄소중립도시 실현이 가능해질 것으로 기대된다.
확산 선결과제, ‘운영경제성’ 확보
법적기반 마련, 지원 확대, 공급단가 감소 등이 활발하게 이뤄지고 있지만 건물용 연료전지시장이 성장하기 위해서 해결해야 할 과제도 많이 남아있다. 가장 시급한 것은 운영경제성을 확보하는 것이다.
업계에서는 신축건물 대상 연료전지설치 의무화, 인센티브 제공, 조건부 연료비 인하 등 다양한 제도의 도입이 필요하다고 주장하고 있다.
연료전지 설치의무화를 운영하고 있는 지자체는 서울시가 유일하다. 9만m² 이상 신축·증측·재건축을 대상으로 환경영향평가 시 건물 계약전력 용량의 5% 이상의 연료전지를 설치토록 하고 있다. 향후 전국 주요 지자체에서 의무화를 시행한다면 건물용 연료전지시장이 큰 폭으로 성장해 생산단가 하락으로 이어질 것으로 보인다.
현재 수소 생산·공급기술 부족으로 연료전지 구동에는 도시가스가 활용되고 있다. 연료전지용 도시가스 요금이 적용되고 있지만 인하율이 낮아 사용자는 경제성을 체감하기 어려운 상황이다.
또한 에너지비용탓에 경제성을 제고할 수 없음에도 RPS제도 등 다른 경제성 확보수단이 없는 것도 보급확대 저하요인으로 꼽힌다. 현재 RPS제도에는 건물용 연료전지가 제외돼 있다. RPS제도 적용대상인 발전용 연료전지의 경우 2022년까지 1.5GW를 누적보급한다는 정부의 목표를 이미 초과달성한 것과 달리 건물용 연료전지는 지난 7월 기준 2022년 목표치인 50MW대비 30% 수준인 17.6MW에 그쳤다.
이와 함께 시장 초기단계로 연료전지에 대한 인식이 낮다는 점도 문제점으로 지적된다. 특히 전기와 열을 동시에 생산한다는 연료전지의 특성에 대한 이해가 부족한 것으로 보인다.
건물용 연료전지의 높은 효율은 설치부터 유지까지 전주기적 관리가 체계적으로 이뤄졌을 경우 가능하다. 이에 따라 건축물의 유형 및 용도별 에너지수요분석, 전기·열활용 및 유지관리계획 수립이 필요하지만 신재생에너지 의무화 대응수단으로 소외되고 있는 상황이다.
연료전지업계의 관계자는 “연료전지는 전기와 열을 동시에 생산하지만 주로 전기에만 경제성을 고려하고 열은 감안하지 않아 기존 발전 및 타 신재생에너지원과 비교했을 때 경제성이 떨어진다는 생각을 가지고 있다”라며 “이와 함께 열활용처를 고려하지 않는 등 건축물 설계단계에서 에너지소비, 설치공간, 운영방식 등이 사전에 검토되지 않는 것도 보급확산저조 및 활용성 저하로 이어지는 원인”이라고 밝혔다.
청정수소발전 전용 인센티브제도 시행
정부는 태양광, 풍력 등 재생에너지 중심으로 설계된 RPS가 연료전지 보급 확산에 한계가 있다는 판단하에 수소발전을 분리해 지원하는 청정수소발전구매제도(CHPS)를 시행할 계획이다.
수소발전만을 위한 지원제도 시행을 통해 재생에너지와 연료전지간 경쟁을 불식시키고 재생에너지와 연료전지가 서로 상호보완적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
현재 연료전지 운용에 도시가스를 사용하고 있는 상황을 고려해 정부는 청정수소 사용을 의무화할 예정으로 이를 통해 정부중심으로 전개되고 있는 수소경제 전환에서 나아가 민간주도 수소경제 전환이 이뤄질 수 있을 것으로 보인다.
특히 연료전지가 주거 및 상업건물 등에서 분산형 전원으로 활용될 경우 인센티브를 제공해 확산될 수 있도록 할 계획이다. 이와 함께 전력계통 내 유연성 전원으로 운용되는 경우에도 인센티브를 부여해 신재생에너지 보급확산에 따른 전력수급불일치를 해소할 방침이다.
신재생E 보완방안 수소연료전지
또한 에너지비용탓에 경제성을 제고할 수 없음에도 RPS제도 등 다른 경제성 확보수단이 없는 것도 보급확대 저하요인으로 꼽힌다. 현재 RPS제도에는 건물용 연료전지가 제외돼 있다. RPS제도 적용대상인 발전용 연료전지의 경우 2022년까지 1.5GW를 누적보급한다는 정부의 목표를 이미 초과달성한 것과 달리 건물용 연료전지는 지난 7월 기준 2022년 목표치인 50MW대비 30% 수준인 17.6MW에 그쳤다.
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