[FOCUS]세계 최대 ‘수소스테이션구축’

향후 3년간 개발, 시험운영 및 실용화

 

연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기술로 연료전지 양극에는 수소를, 음극에는 공기(공기 중의 산소를 반응에 사용)를 도입해 각 전극에서 전기화학적인 반응이 일어나 이 과정에서 전기를 생산되고, 부산물로 물이 발생하는 원리로 작동을 한다. 기존 발전방식에 비해 어떤 강점이 있는지 살펴본다

 

높은 발전효율과 제약 많지 않아
기존 발전방식은 연료를 투입해 전기를 얻기까지 열 및 운동에너지를 포함하고 있기 때문에 이 과정에서 에너지 손실이 발생한다.

연료전지의 전기발전효율은 전체 운전 장치 사용 전력 혹은 열 손실을 감안하더라도 30~60% 이상이다. 대체로 디젤엔진, 기솔린엔진, 가스터빈의 경우 출력 규모가 클수록 발전효율이 높아지는 경향이 있지만, 연료전지의 경우 출력 크기에 상관없이 높은 효율을 일정하게 얻는 장점이 있다.

기본적으로 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전기를 생산하기 때문에 각종 내연기관 및 화력발전과 같이 에너지원을 얻기 위한 탄화수소의 연소과정이 없고, 반응 생성물이 전기, 물 그리고 열 뿐이기 때문에 환경오염이 매우 적다는 이점이 있다.

연료전지는 규모에 따른 에너지 전환 효율의 차이가 거의 없기 때문에 소규모의 연료전지에서도 높은 에너지 전환 효율을 기대할 수 있다. 따라서 연료전지는 용도에 따라 다양한 규모 및 형태로 제작해 활용할 수 있으며 소음 및 유해가스 배출 감소 효과가 있고 자연환경에 따른 제약이 크지 않다는 강점을 갖고 있다.

 

▲올해 설치 예정인 세종호수공원 주차장의 태양광발전시설 디자인

 

 

수소연료전지 자동차
수소연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle; FCEV)는 연료전지로부터 생산된 전기로 구동되는 전기자동차의 일종으로 모터에서부터 바퀴에 이르는 구조는 기존의 전기자동차와 동일하지만 기존의 전기자동차와는 달리 저장된 전기를 사용하는 것이 아니라 연료전지로부터 전기를 생산하면서 모터를 돌려 차량을 달리게 하는 부분이 크게 다르다.

수소연료전지 자동차 개발 초기에는 연료전지에 수소를 공급하기 위한 연료개질기가 장착된 자동차 설계에 대한 연구가 진행됐지만 효율성 및 크기 제한 등으로 인해 최근에는 수소 스테이션(Hydrogen Station)을 설치해 천연가스등의 개질을 통해 수소를 생산 후 고압 탱크에 저장했다가 직접 자동차의 수소저장탱크에 주입 및 충전 후 이를 직접 사용하는 방식으로 바뀌었다.

수소연료전지 자동차의 연료에서 구동에 이르기까지의 에너지 흐름의 관점에서 살펴보면 크게 수소연료전지 자동차는 연료인 수소저장 시스템, 연료전지 발전시스템, 전기 동력시스템으로 나눌 수 있다.

고압수소탱크에서 연료전지로 연료인 수소가 공급되며 전기화학 반응에 필요한 산소는 대기 중의 공기로부터 공급된다. 한번 연료전지에 공급된 수소는 대기 중으로 방출 되는 것이 아니라 수소 이용률을 높이기 위해 수소탱크의 수소와 혼합돼 다시 연료전지에 공급되고, 이런 방법을 통해 연료의 소비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 대량의 수소가 공기 중으로 방출돼 발생할 수 있는 위험을 줄일 수 있다.

공기와 수소의 반응에 의해 연료전지에서 생성된 전기는 구동모터에 공급되고, 구동 모터에서 발생되는 회전 운동 에너지는 감속기를 통해 적절한 회전수로 감속돼 바퀴에 전달된다.

최근 가솔린이나 디젤 등의 내연기관 자동차들도 배출가스 저감기술개발에 따라 질산화물(NOX) 및 황산화물(SOX)같은 유해가스배출이 거의 없는 수준까지 도달 했다. 그러나 근본적으로 화석원료 연소 특성인 온실가스 배출 문제를 안고 있다. 그러나 수소연료전지 자동차는 앞서 언급한 바와 같이 배출물질로는 오직 물 밖에 없기 때문에 환경문제가 전혀 발생하지 않는다.

또한, 수소연료전지 자동차의 가장 큰 특징은 앞서 언급한 바와 같이 기존 발전 시스템 및 내연기관에 비해서 높은 효율을 가지고 있는 점이다. 연료전지는 비교적 낮은 온도에서 작동한다. 최적의 조건에서는 60% 이상의 효율을 가지고 있다. 이는 내연기관의 효율을 뛰어 넘는 것으로 가솔린, 디젤 등 내연기관 차 뿐만 아니라, 기존의 전기자동차에 비해서도 효율이 우수함을 방증한다.

수소스테이션(Hydrogen station) 필요성
수소연료전지 자동차의 본격적인 보급을 위해서는 수소를 자동차에 주입 및 충전할 수 있는 시설인 수소스테이션(Hydrogen Station)이 반드시 필요하다.

수소스테이션은 크게 수소를 직접 생산한 후 고압용기에 저장했다가 자동차에 주입 및 충전하는 방식(현장 생산 방식; On-Site)과 원격지에서 각종 화학공정 등에 의해 부생된 수소를 정제한 후 트럭 등으로 원격지 수소스테이션에 이송해 고압탱크에 저장 후 공급하는 방식(원격지 공급방식; Off-Site)이 있다.

원격지 공급방식은 차량 운송으로 인한 안전성 문제와 액화저장을 위한 막대한 저장비용 발생 문제가 있기 때문에, 비교적 국내 보급 인프라 구축이 잘 돼 있고, 가격이 비교적 저렴한 천연가스를 직접 개질해 수소를 생산해 고압 저장 후 자동차에 충전/주입하는 방식(On-Site)이 현재로는 경제적인 측면에서 유리하다. 그림 3에는 현장 생산 방식에 의한 수소스테이션의 구성도를 나타냈다.

현장 생산 방식에 의한 수소스테이션은 크게 천연가스 개질을 통해 수소를 생산하기 위한 개질기(Reformer)와 생산된 수소를 정제하기 위한 정제기(PSA), 생산된 수소를 고압으로 압축하기 위한 압축기(Compressor) 및 저장을 위한 저장기(Storage Cylinder) 그리고 자동차에 충전을 위한 주입기(Dispenser)로 구성된다.

현재, 국내의 수소연료전지 자동차는 실증이 진행되고 있는 중이며, 수소스테이션은 2012년 기준으로 총 13곳에서 운영 중이다. 현재 운영중인 수소스테이션의 수소생산용량은 약 30 Nm3/h 정도로 하루에 약 13~15대 정도의 차량이 충전하는 규모이다.

국내 수소연료전지 자동차의 보급은 2015년도에 본격적으로 이루질 것으로 전망되나, 수소연료전지 자동차 보급에 따른 수소스테이션의 신규 설치는 각종 법규상의 문제 및 부지선정의 어려움으로 인해 15곳에 그칠 것으로 전망되기 때문에 현재 실증 운영수준인 30 Nm3/h 보다 높은 수소생산용량을 갖는 수소스테이션의 설치/운영이 필요하다. 그러나 30 Nm3/h급의 수소생산용량을 그 이상으로 증가시키는 수소스테이션의 설계 및 제작은 현 시점에서 기술적으로나 공간적인 제약으로 인해 큰 어려움이 있다.

 

▲현장 생산방식(on-site) 수소스테이션 구성도

 

 

태양광발전시설 전력생산 ‘눈길’
무더위 속 전력수급에 비상이 걸린 가운데 행복도시에서 생산하는 태양광발전시설의 전력생산이 눈길을 끌고 있다.

행정중심복합도시건설청(청장 이충재)은 지난해 준공된 행복도시～대전유성 간 자전거도로 태양광발전시설 등 3곳에서 하루 3만 3000kWh의 친환경 전기를 생산하고 있다고 밝혔다. 이 같은 수치는 하루 최대 3,300가구(가구당 10kW/일, 년 3.6MWh/년)가 사용할 수 있는 전력량이다.

특히 올해에는 국가적으로 전력수급이 부족한 시점에서 지난해 6월 1차로 준공된 행복도시 태양광발전시설이 5월말 현재까지 약 5,660MWh의 전기를 생산했다. 이산화탄소 3400톤의 온실가스 감축효과와 함께 시행기관인 한국서부발전주식회사는 연간 25억 원의 전기 판매수익도 얻고 있다.

최원규 행복청 기반기설국장은 “행복도시 내 세종호수공원 주차장과 자전거도로, 1번국도 방음터널 위에 태양광발전시설을 세계 최초로 기획·추진했다”면서 “앞으로도 친환경 녹색도시로서의 위상이 더욱 제고될 것”이라고 말했다.

가솔린 자동차의 약 2.25배 수준 효율
행복도시에 세계 최대 규모의 ‘수소스테이션구축사업’이 진행된다. 행정중심복합도시건설청(청장 이충재)은 지난 3월 산업통상자원부에서 주관하고 한국에너지기술평가원에서 공모한 ‘2013년도 에너지기술개발사업 중장기 신규대상과제’로 행복도시 수소스테이션 구축사업이 최종 선정됐다고 밝혔다.

이에 따라 제이엔케이히터(주)(주관)외 8개 기관(한국가스공사, (주)제이오, 한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원, 한국가스안전공사, 한국정밀화학진흥협회, 공주대학교 산학협력단, 경일대학교 산학협력단)은 앞으로 3년에 걸쳐 행복도시 환경기초시설부지 내 유보지에 세계 최대 규모의 300N㎥/h급(기존 : 세계 100N㎥/h, 국내 30N㎥/h) 수소스테이션을 구축한다.

현재까지 기존 시설로서 세계 최고수준은 일본에서 100N㎥/h급으로 2~3개소를 구축, 운영하고 있으며 국내에서는 울산, 화성 등 16개소에서 30N㎥/h급로 운영 중이다.

수소스테이션은 천연가스로부터 화학반응을 일으켜(개질 reforming) 수소를 생산하고 연료탱크에 저장한 후 수소연료전지차에 수소를 주입, 외부의 공기와 반응한 뒤 생산된 전기로 차량을 움직이고 증기(물)는 외부로 배출되도록 하는 것이다.

외부로는 증기(물)만 배출되는 환경오염을 전혀 발생시키지 않는 신에너지로 미래의 대체에너지로 각광받을 것으로 기대된다. 이번에 행복도시에 구축하는 시설은 하루 동안 수소연료전지차 약 150대에 700bar(70MPa)로 수소를 충전할 수 있도록 하는 규모로 개발하게 된다.

수소연료전지차 에너지의 효율은 가솔린 자동차의 약 2.25배 수준이며, 전기자동차에 비해서도 1.7배 수준으로 상당히 효율이 높은 에너지원이다. 행복도시 수소스테이션 구축사업은 정부지원금 81억 원(1년차 20억 원, 2년차 37억 원, 3년차 24억 원)과 민간부담금 51억 원을 투입, 수소개발을 위한 핵심장치인 개질기와 수소정제장치 및 각종 부대 장치를 설계하고 이를 행복도시에 설치한 후 실증을 수행할 방침이다.

이 연구가 완료되는 오는 2016년부터 수소연료전지차의 보급이 시작되면 국내는 약 400억 원, 전 세계적으로 약 2조 5000억 원 규모의 수소인프라 시장이 형성될 것으로 전망된다.

행복청은 행복도시를 세계 최고의 그린시티로 조성하기 위해 오는 2030년까지 이산화탄소 70% 이상 감축 및 도시 내 총에너지 사용량의 15%를 태양광·수소연료전지 등의 신재생에너지 도입하는 계획에도 크게 기여할 것으로 내다보고 있다.

손윤선 행복청 녹색도시환경과장은 “이번 수소스테이션 구축사업은 행복도시가 그동안 표방해온 그린시티 조성계획의 일환으로 추진하는 탄소감축 및 신재생에너지 도입의 초석을 다지기 위한 것”이라며 “앞으로 수소연료전지를 이용한 발전소 건립사업도 탄력을 받을 것”으로 기대했다.