연료전지와 수소 에너지

연료 전지는 수소 에너지 생태계를 가능하게 하는 가장 핵심적인 아이템입니다. 연료 전지가 없다면, 수소가 있어도 전기를 생산할 수 없게 되기 때문입니다. 자동차, 선박, 우주선, 발전소, 빌딩, 집 등 안 쓰이는 곳이 없는 연료전지에 대해 간단히 알아보겠습니다. 

 

목차

전지의 종류

화학반응에 의해 전기를 생산하는 배터리는 사용 방법에 따라 3종류로 구분하게 됩니다. 

 

1차 전지 : 건전지처럼 쓰고 버리는 1회용 전지를 의미합니다.

2차 전지 : 휴대폰, 전기차처럼 충전/방전이 가능한 전지를 의미합니다. 최근 전기차를 위한 2차 전지 개발에 대한 관심도도 매우 높지요. 

3차 전지 : 연료를 넣어주면 계속 쓸 수 있는 전지입니다. 

 

 여기서 대표적인 연료가 수소가 되며, 연료전지는 결국 수소연료전지라고 볼 수도 있습니다. 기존 전지가 전기를 저장하는 장치였다면, 연료전지는 직접 전기를 생산할 수 있는 발전기와 같은 역할을 합니다. 또한 전기를 채워야 하는 2차 전지의 충전 속도가 2G 라면 연료 전지는 수소를 채우기만 하면 되기에 5G 급으로 빠른 충전을 가능하게 합니다. 또한 에너지 밀도가 높아 같은 공간이 주어진다면 훨씬 많은 에너지를 품을 수 있기 때문에 아주 유망한 매체로 볼 수 있습니다. 

 

연료 전지의 이해 

P2X

수소는 다양한 에너지로 변환이 가능한데 이 과정을 P2X ( Power to X)라고 합니다. 이는 전기 에너지를 다른 형태의 에너지나 연료의 형태로 변환하는 기술을 말합니다. 예를 들어 재생 에너지의 경우에는 상황에 따라 심야 시간에 소비 전력량이 감소하게 되면 과잉 생산된 에너지가 잉여 에너지로 남을 가능성이 있습니다. 이때 남는 전기 에너지로 물을 분해하게 되면 수소가 발생하게 되고 이 수소를 저장할 수 있습니다. 또한 필요시에 다시 수소를 통해 에너지를 만들어 낼 수 있는데, 이를 가능하게 하려면 연료전지가 반드시 필요합니다. 

연료전지의 원리

수소와 산소는 각각 존재하는 것보다 물로 존재할 때 더욱 안정적이기 때문에 계속 물이 되려는 성질이 있습니다. 이렇게 수소와 산소가 물이 되는 과정에서 일어나는 반응을 전기 에너지로 이용하는 것입니다. 수소를 주입하는 연료극, 산소를 공급받는 산소극, 그리고 이를 매개하는 전해질로 기본적인 구성이 이루어집니다. 

연료전지의 구분

연료전지는 크게 수송(이동)용과 고정용으로 나뉩니다.

수송용 

고체 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료는 1990년부터 개량을 거듭하여 수용용 연료전지를 대표하고 있습니다. 수소차속 연료 전지는 2차 전지보다 저장용량이 크고, 방전도 잘 되지 않는 장점이 있어 트럭, 버스, 상업용 차량과 같은 장거리 수송용으로 적합합니다. 전 세계 보급된 수소차가 약 3만 9천대 가량인데, 국내에 보급된 수소차는 약 1만 4천여대로 우리나라가 수소차 시장을 선도하고 있습니다. 수송용 연료전지는 움직이는 공기 청정기의 기능도 하게 됩니다. 수소 모빌리티는 깨끗한 공기를 필요로 하기 때문에 공기 필터를 필수로 합니다. 따라서 수소 모빌리티들이 도시를 돌아다닐 경우 미세먼지를 필터링하는 기능을 할 수 있습니다. 수소 버스가 서울 시내를 1년간 운행한다면 278명이 1년간 마시는 공기를 정화할 수 있다고 합니다. 그러나 아직은 더러워진 공기 필터를 교체하고 폐기하는 과정까지 고려되진 않았습니다. 또한 수소차의 경우 아직 내연기관차의 약 3배, 전기차보다는 1.5배가량 비싸 가격 경쟁력이 떨어집니다. 또한 수소 충전소가 전국에 100여 개 정도로 작고 수소의 운송비용이 높아 수소 값도 비싼 문제가 있습니다. 

고정용

고정용 연료 전지는 주된 사용처는 발전용입니다. 기존 화력, 원자력 발전소는 유해물질 배출의 위험성이 높고 입지 조건이 까다로워 전력 생산지와 공급지가 분리되어 있습니다. 따라서 공급 과정에서 전력 손실이 크고, 공급지로 전력을 전달하기 위해서는 대형 송전탑을 구축해야 하여 지역 갈등의 요소가 되기도 합니다. 하지만 발전용 연료전지는 공간적인 제약이 적고 공해도가 낮아 도심에 위치할 수 있고 에너지 효율이 좋아 대규모 전원으로 활용 가능성이 높습니다. 발전용 전기로는 고, 용, 인 3가지가 가장 많이 활용되고 있습니다.

 

고: 고체 산화물 연료 전지는 3세대 전지로 600~1000도 고온에서 작용하여 연료 전지 중 전력 반환 효율이 가장 높고 발전 효율도 50~65%로 최상위권입니다. 고체 산화물을 전해질로 사용하고 있어 액체전해질이 가지는 증발에 의한 성능 저하 등의 문제가 없어 장시간 가동이 가능합니다. 하지만 시동 시간이 길고 On/Off 시 열 사이클 충격으로 파손 가능성이 있어 개선연구가 진행 중입니다.

 

용 : 용융탄산염 연료전지는 발전용으로 쓰이는 2세대 연료전지로 1980년대 개발이 되었습니다. 비싼 백금 대신 니켈을 쓰고 일산화탄소와 이산화탄소를 분리하는 공정이 필요치 않아, 초기 투자비용이 낮고 시스템설계가 단순합니다. 하지만 고온 작동에 따른 전극의 부식, 액체전해질의 증발로 인한 내구성 및 성능 하락이 단점으로 부각됩니다.

인 : 인산염 연료전지는 발전용 연료전지 중 가장 역사가 깁니다. 1970년 민간에서 개발된 최초의 연료전지로 꾸준히 성능 개선이 되어왔습니다. 액체 인산을 전해질로 사용하여 비교적 저온에서 작동하고 시동 시간도 짧은 편입니다. 발전 용량이 크고 열병합 발전에 특화되어 2021년 준공된 인천 연료 전지 발전소는 인산형 연료전지 90기를 가동, 약 40MW의 발전 용량을 가지고 있습니다. 이는 약 8만 7천 가구가 1년간 쓸 수 있는 전력에 해당합니다. 

 

연료전지 발전소의 숙제

 대부분 그레이수소로 연료를 사용하고 있어 100% 친환경은 아닙니다. 1MW 당 50억 원의 높은 건설 비용, 수소 폭발과 같은 안전사고에 대한 우려도 있습니다. 실질적으로는 경제성이 떨어진다는 평도 있어 이를 해결하기 위해 전 세계적으로 그린수소 생산기술 개발 관련 인프라 구축 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 

 

국내 연료 전지 발전소 현황

4년 만에 42개소에서 74개소로 빠르게 증가하는 추세입니다. 그러나 연료전지 발전소가 만들어내는 전력량은 아직 전력 생산량의 1% 수준으로 미미합니다. 이에 정부는 2040년까지 연료전지 발전 규모를 15GW까지 늘릴 것을 목표로 하고 있으며 건물용, 가정용, 연료전지 설치 장료금 지원 및 설치 의무화를 실시하여 생태계를 넓혀 나가고 있습니다. 

 

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[수소 에너지 참고 글]

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