▲ 안국영 한국기계연구원 환경에너지기계연구본부 팀장
[투데이에너지] 신기후 체제에 대응하기 위한 기술로는 에너지 효율향상기술, 신재생에너지기술, CCS(Carbon Capture & Storage, 탄소 포집 및 저장)기술 등이 대표적이다. 공학자 및 연구자들은 이산화탄소 저감 목표에 따라 이 기술들을 순차적으로 적용시켜 나가야 한다.

그러나 우리나라 온실가스감축 목표인 2030년 BAU(Business As Usual, 배출전망치) 대비 37%를 만족시키기 위해서는 3가지 기술을 모두 적용해야 한다. 이 외에도 석탄을 가스로 전환하거나 또는 수소연료로 전환하는 방법 등을 고려할 수 있으며 무엇보다 생활 속에서 에너지를 절약하는 것이 최우선 돼야 할 것이다.
 
이 가운데 에너지효율향상기술이자 신재생에너지기술인 연료전지와 다른 동력기관을 연계한 ‘연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템’ 기술을 소개한다.
 
■연료전지 하이브리드 시스템
연료전지시스템의 효율향상을 위해서는 △연료전지 스택의 효율 개선 △시스템 최적화 △BOP 소비전력 저감 △하이브리드시스템 구성 등의 방안이 가능하다. 이러한 기술의 특징과 한계점을 고려하면 하이브리드시스템 구성이 가장 현실적인 방안이다.
 
연료전지 발전시스템은 타 발전설비에 비해 발전효율이 높다고 알려져 있으나 대형 발전설비 대비 경쟁력을 갖추기 위해서는 발전 효율 향상이 반드시 필요하다.
 
▲ 연료전지시스템 고효율화 전략도.
 
연료전지 하이브리드시스템은 연료전지 단독시스템에서 배출되는 에너지를 이용해 추가전력을 얻음으로써 발전효율을 높이는 것으로 정의할 수 있다. 일반적으로 5~15% 정도의 발전효율을 증가시킬 수 있다.
 
연료전지와 연계되는 동력장치로서 일반적으로 가스터빈이 고려되고 있으나 수 kW에서 수 MW급 까지 중소형 발전용량에서는 가스터빈 보다 가스엔진이 효율과 내구성, 장치 가격, 유지보수 측면에서 매우 유리하다.
 
■연료전지 하이브리드시스템 국내외 기술 동향
연료전지 하이브리드시스템의 기술개발 동향을 살펴보기 위해 연료전지-하이브리드에 유리한 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체산화물 연료전지) 기술개발 동향을 대표적으로 살펴본다.
 
연료전지(SOFC) 하이브리드시스템의 경우 일본의 MHPS가 가장 앞 선 것으로 평가되고 있다. 작동온도가 900℃인 세그멘트형 원통형 셀을 사용한 가압형 200kW급 연료전지와 가스터빈을 하이브리드시켜 효율 52.1%를 달성했다. 현재 동경가스와 큐슈대학에서 실증시스템이 운전되고 있다.
 
국내 LG퓨얼셀시스템즈도 RRFCS기술을 바탕으로 세그멘트형 평관형 셀을 사용한 가압형 250kW급 연료전지와 가스터빈을 하이브리드해 효율 55~60% 달성을 목표로 연구를 진행 중인 것으로 알려져 있다.
 
연료전지-엔진 하이브리드시스템은 산업통상자원부 산업기술혁신사업으로 한국산업기술평가원(KEIT)의 지원을 받아 한국기계연구원이 2014년 6월부터 연구를 수행하고 있다.
 
본 과제를 통해 연료전지-엔진 하이브리드시스템 엔지니어링 기술을 개발(TRL5)하고 있으며 2017년 후반부터 TRL7을 목표로 5kW급 연료전지-엔진 하이브리드시스템 상용화 연구를 수행할 예정이다.
 
한편 미국의 GE에서도 Jenbacher사의 가스엔진을 이용해 효율목표 65%의 연료전지-엔진 하이브리드시스템이 개발되고 있다는 소식이나 아직 발표된 자료는 없다.
 
이 외에도 MCFC(Molten Carbonate Fuel cell, 용융탄산염 연료전지)의 경우 미국의 Fuel Cell Energy가 250kW급 상압형 연료전지와 60kW급 가스터빈을 하이브리드 시켜 효율을 51%까지 향상시키는 연구를 수행한 바 있으며 일본의 IHI는 가압형 300kW급 연료전지를 이용해 가스터빈과의 하이브리드시스템 개발을 시도했다.
 
■연료전지 하이브리드시스템 효율 및 경제성 분석
연료전지 하이브리드시스템의 효율 및 경제성 분석을 위해 연료전지 단독시스템, 연료전지-가스터빈 하이브리드시스템 및 연료전지-엔진 하이브리드시스템을 계산 대상으로 선정해 살펴봤다.
▲ 정치용 연료전지시장 성장 규모.
 
각 시스템의 효율에서 연료전지 단독시스템 대비 가스터빈 하이브리드시스템은 6.9%, 엔진 하이브리드시스템은 7.8% 효율이 향상됐다.
 
각 시스템의 경제성 비교는 초기투자비, 설치비 및 전체 운전기간 동안의 연료비, 유지보수, 인건비, 세금, 보험 등을 반영해 계산했다. 가스터빈의 가격이 고가이므로 초기투자비 중에 차지하는 비율이 가스엔진에 비해 큰 특징을 지닌다.
 
총 발전량에 대한 총 투자비용을 나타내는 LCOE (Levelized Cost of Electricity, 균등화 발전원가)는 연료전지-가스터빈 하이브리드시스템 및 연료전지-엔진 하이브리드시스템의 경우가 연료전지 단독시스템 대비 각각 8.3%, 8.9% 낮게 나타났으며 특히 스택의 수명을 5년에서 10년으로 연장하게 되면 LCOE 값이 11.4% 줄어들었다. 즉 스택 수명을 연장시키기 위한 연구가 매우 중요함을 알 수 있다.
 
■목표시장 및 시장 전망
연료전지 하이브리드시스템은 용량이 큰 경우가 유리하지만 연료전지 단독시스템 시장에 동일하게 적용될 수 있다.
 
1~5kW급 가정용시스템을 비롯하여 수십 kW급 상업용, 수백 kW급 분산발전용 등 다양한 적용이 예상되며 고효율 친환경 발전으로 시장이 확대될 것으로 기대된다.
 
연료전지 시장은 당분간 △RPS (Renewable Portfolio Standard, 신재생 에너지 의무 할당 제도) △국가 에너지 기본계획에 의한 분산 발전 시스템 보급 △공공건물 신재생 에너지 설치의무화 등 정부의 정책적 제도 및 지원으로 초기시장이 형성될 것이다.
 
2009년~2013년 국내외 실측치를 기준으로 2014년에서 2020년까지 정치용 연료전지 시장 규모를 예측해 보면 수요가 2017년을 기점으로 크게 증가할 것으로 예상된다. 신기후체제 및 국가 전력수요에 대응하고 향후 활성화 될 셰일가스의 효율적 활용이 가능한 연료전지 기술은 국가 신성장 동력원으로 크게 발전할 것이다.
 
세계 발전시장의 흐름에서도 알 수 있는 바와 같이 신재생에너지의 사용량이 증가됨에 따라 소규모 분산발전 방식의 수요가 확대되고 있고 이에 따라 효율 향상 기술을 비롯해 경제성, 환경문제를 해결할 수 있는 새로운 개념의 기술개발이 지속적으로 이뤄져야 한다.
 
연료전지-엔진 하이브리드시스템은 기술성숙도가 높고 가격경쟁력을 갖는 가스엔진을 연료전지와 효과적으로 연계한 고효율 발전시스템으로 수 kW급 건물용 전원으로 보급이 우선적으로 이뤄질 전망이며 연료전지 스택기술 개발에 따라 수백 kW급 분산전원 시장으로 확대될 것이다.
 
특히 연료전지-엔진 하이브리드시스템 기술에 대한 독자기술 및 특허기술을 보유하고 있어 기술 선점으로 인한 큰 효과가 기대된다.
 
본 기술은 현재 산학연이 협동으로 기술개발 과제를 수행하고 있으며 기술개발이 성공적으로 수행돼 RPS 시장 및 분산발전 시장에 대응하고 또한 확보하고 있는 특허 기술로 국내는 물론 세계시장에서 경쟁력을 확보해 시장을 선점해 나가길 기대한다.

▲ 연료전지-엔진하이브리드시스템 설계도.

▲ 연료전지-엔진하이브리드시스템.

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