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1) 정의
연료전지(Fuel Cell)는 연료가 가진 화학 에너지를 산화제와의 전기화학 반응을 통해 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 장치입니다. 기존의 화력 발전처럼 연료를 태워 터빈을 돌리는 방식과 달리, 연소 과정 없이 전기를 생산하기 때문에 발전 효율이 높고 환경 오염 물질 배출이 거의 없는 친환경적인 기술로 주목받고 있습니다.
기본적으로 연료전지는 연료극(Anode), 전해질(Electrolyte), 공기극(Cathode)으로 구성됩니다. 연료극에는 수소와 같은 연료가 공급되고, 공기극에는 산소와 같은 산화제가 공급됩니다. 전해질을 통해 이온이 이동하면서 외부 회로로 전자가 흘러 전류가 발생합니다. 이때 발생하는 부산물은 대부분 물이며, 연료의 종류에 따라 소량의 다른 물질이 발생할 수도 있습니다.
2) 장점 및 단점
장점:
- 높은 발전 효율: 연소 과정 없이 화학 에너지를 직접 전기로 변환하므로 기존 화력 발전 대비 발전 효율이 높습니다. 특히 열과 전기를 동시에 생산하는 열병합발전(CHP) 시스템으로 구성 시 종합 에너지 효율을 크게 높일 수 있습니다.
- 환경 친화적: 연료로 순수 수소를 사용하는 경우 물만을 배출하여 대기오염 물질(SOx, NOx 등) 및 온실가스 배출이 거의 없습니다. 탄화수소 계열 연료 사용 시에도 기존 발전 방식보다 오염 물질 배출이 현저히 적습니다.
- 저소음 및 저진동: 연소 및 회전 장치가 없어 발전 과정에서 발생하는 소음과 진동이 매우 적어 도심이나 주거 지역 설치에 유리합니다.
- 분산형 발전 가능: 필요한 곳에 소규모로 설치하여 전력을 공급할 수 있어 송배전 과정에서의 에너지 손실을 줄이고 전력망 안정화에 기여할 수 있습니다.
- 신속한 응답성: 부하 변동에 대한 반응 속도가 빨라 전력 수요 변화에 유연하게 대처할 수 있습니다.
- 다양한 연료 사용 가능성: 수소 외에 천연가스, 메탄올, 바이오가스 등 다양한 연료를 개질(Reforming)하여 사용할 수 있는 연료전지도 개발되고 있습니다.
단점:
- 높은 초기 투자 비용: 기존 발전 설비나 보일러 시스템에 비해 설치 비용이 높은 편입니다.
- 수소 생산, 저장, 유통 인프라 부족: 순수 수소 연료를 사용하는 경우 수소를 생산하고 안전하게 저장, 운송하는 인프라 구축이 아직 미흡하고 비용이 많이 듭니다.
- 내구성 및 수명 한계: 일부 연료전지 타입은 촉매 성능 저하 등으로 인해 수명에 한계가 있거나 고온에서의 운전으로 인한 내구성 문제가 있을 수 있습니다.
- 안전성 문제: 수소의 가연성으로 인해 안전한 취급 및 저장 시스템 구축이 중요하며 관련 안전 기준 및 규정 마련이 필요합니다.
- 유지보수 전문성 요구: 시스템이 비교적 복잡하여 유지보수에 전문적인 기술과 인력이 필요할 수 있습니다.
3) 건물 적용을 확대하기 위한 방안
연료전지를 건물에 적용하여 분산 발전을 확대하기 위해서는 다음과 같은 방안들이 모색될 수 있습니다.
- 비용 절감을 위한 기술 개발 및 대량 생산 체제 구축:
- 연료전지 스택 및 주변 장치의 제조 단가를 낮추기 위한 지속적인 연구 개발과 공정 혁신이 필요합니다.
- 수요 확대를 통해 대량 생산 체제를 구축하여 생산 단가를 낮추는 선순환 구조를 만들어야 합니다.
- 정부의 정책적 지원 및 제도 개선:
- 건물용 연료전지 설치에 대한 보조금 지급, 세제 혜택 등 재정적 지원을 확대합니다.
- 건축물의 에너지 효율 기준이나 신재생에너지 의무 비율에 연료전지를 포함하거나 비중을 확대합니다.
- 연료전지 설치 및 운영에 대한 명확하고 합리적인 안전 기준 및 인허가 절차를 마련하여 보급을 활성화합니다.
- 생산된 잉여 전력을 전력망에 판매(Grid-tie)할 수 있도록 관련 제도를 개선하고 지원을 강화합니다.
- 연료(수소) 공급 인프라 확충:
- 건물용 연료전지에 안정적으로 연료를 공급할 수 있도록 도시가스 배관망을 활용하거나 소규모의 분산형 수소 생산 및 공급 시스템 구축을 지원합니다.
- 장기적으로는 친환경적인 그린 수소 생산을 확대하고 수소 충전소 등 수소 유통 인프라를 확충하여 연료 접근성을 높여야 합니다.
- 다양한 건물 유형 및 규모에 적용 가능한 제품 개발:
- 소형 주택부터 대형 상업/업무용 건물까지 다양한 건물 규모와 에너지 수요에 맞는 맞춤형 연료전지 시스템 개발 및 보급이 필요합니다.
- 기존 건물에도 적용하기 쉬운 모듈화되고 설치 공간 효율적인 제품 개발이 중요합니다.
- 열 활용 시스템과의 연계 강화 (CHP):
- 연료전지에서 발생하는 열을 난방, 온수 공급, 냉방 등에 활용하는 열병합 시스템 구축을 장려하여 전체 에너지 효율을 극대화하고 경제성을 확보합니다.
- 성능 및 내구성 향상 연구:
- 장기간 안정적으로 작동하며 유지보수 비용이 적게 드는 고내구성, 고효율 연료전지 기술 개발에 지속적으로 투자합니다.
- 성공 사례 홍보 및 대국민 인식 개선:
- 실제 건물에 적용되어 성공적으로 운영되는 사례를 적극적으로 홍보하여 연료전지에 대한 신뢰도를 높이고 잠재적 사용자들의 인식을 개선합니다.
- 건축가, 설계사, 시공사, 건물 관리자 등 관련 전문가들을 대상으로 교육 및 정보 제공을 강화합니다.
이러한 다각적인 노력들을 통해 연료전지는 건물의 주요 에너지원으로 자리매김하고 분산 에너지 시스템 확대 및 건물 부문의 탄소 배출량 감축에 크게 기여할 수 있을 것입니다.
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