가정용 연료전지

연료전지에 전망과 현실이 엇갈린다. 셰일가스의 등장으로 5~10년 뒤 전망은 `장밋빛`이지만 현실은 경제성 부족으로 보급에 난항이다.

28일 가스 업계에 따르면 미국에서 촉발된 셰일가스 혁명으로 천연가스(LNG)를 원료로 사용하는 청정에너지 연료전지에 기대가 커지고 있다. 향후 발전용·가정용 연료전지 보급 확대에 따라 신규 가스수요처로 부상할 것이라는 전망이다.

연료전지는 수소와 공기 중 산소의 전기화학반응을 이용해 전기와 열에너지를 생산하는 고효율, 친환경 발전시스템이다. LNG를 연료개질기에 투입해 수소를 뽑아내고 이를 산소와 반응시켜 전기를 만든다. 셰일가스 혁명으로 LNG 가격이 낮아지면 연료전지가 태양광과 풍력 등 다른 신재생에너지원보다 경제성이 높아질 수 있다는 분석이다.

도시가스 업계는 연료전지를 사업 확장의 기회로 보고 있다. 한계에 달한 도시가스 공급 상황을 타개할 주요 사업으로 점쳐진다. 가스업계 추산으로 1㎿급 연료전지 발전소에서 연간 170만㎥ LNG를 소비한다. 원전 1기 규모(1GW)의 연료전지 시장이 열린다고 가정하면 연간 17억㎥, 국내 LNG 연간 소비량의 4%에 달하는 신규 수요처가 생기는 셈이다.

SK E&S, 삼천리 등 도시가스업체들은 가정용·발전용·건물용 연료전지 사업에 적극 나섰다. 정부 주관 연료전지 기술 개발에 참여하고 그린홈 100만호 사업 등 보급사업에도 참여 중이다.

발전용 연료전지 부문에서는 신재생에너지의무할당제(RPS)에 힘입어 연료전지 공급사인 포스코에너지 등과 ㎿급 대형 프로젝트를 진행한다. 삼천리는 한국수력원자력, 포스코에너지 등과 추진하는 60㎿급 연료전지 발전소가 준공되면 연간 도시가스 판매량 2.5% 수준의 수요가 발생할 것으로 기대했다.

반면에 부족한 경제성은 연료전지 사업의 걸림돌로 지목된다. 연료전지 시스템 가격, 기술 등이 아직 미흡하고 유지·관리 등 비용문제도 불안한 수준이다.

1㎾급 가정용 연료전지 시스템은 현재 5000만원 정도로 고가다. 발전용 연료전지 시스템 설치 단가는 ㎾당 400~500만원 수준이더라도 최근 몇 년 사이 30%가량 급등한 LNG 가격은 연료전지 발전 사업자에 적지 않은 부담을 안겨 준다.

가스업계는 가정용 연료전지 시스템 가격 인하를 위해 제조사의 원가절감 노력과 대량 보급이 필요하다고 분석했다. 발전용 연료전지는 소규모 사업자에도 발전용 가스요금을 적용하고 연료전지의 냉난방 기능을 고려해 냉방용 가스요금 수준으로 LNG요금을 낮춰야 경제성을 맞출 수 있다는 의견이다.

가스업계 관계자는 “셰일가스가 본격 공급될 5~10년 후에는 연료전지 활성화도 이뤄질 것”이라며 “연료전지 시장 선도와 가스산업 발전을 위해 RPS 등 신재생에너지 보급 사업의 일환으로라도 연료전지 사업을 이어갈 수 있도록 관련 제도 개선이 필요하다”고 말했다.^[각주:1]

기존 한전 수전 및 보일러 난방과 비교분석

가정용 전력·도시가스요금 등도 영향 미쳐

가정·상업용 연료전지시스템은 전력을 생산하면서 동시에 난방에 필요한 열을 생산하는 마이크로 CHP(Combined Heat and Power)의 특성을 갖고 있다.

연료전지는 신재생에너지개발 이용보급촉진법에 의거, 신에너지로 분류되어 있으며 2030년까지 단기, 중기, 장기의 3단계로 구분된 그린에너지로드맵(2009)이 제시되어 있다. 국내에서는 그린홈 100만호 보급사업 등을 통해 보급지원정책이 시행 중이다.


100㎡규모 아파트 대상으로 분석

출력조절이 용이한 1kW급 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 가정용을 대상으로 경제성 분석을 수행함에 있어 분석의 편의상 서울의 난방면적 100㎡인 아파트를 대표가정으로 전제했다.

해당가구의 2009년 기준 시간대별 전력과 열 수요를 추정, 시간단위로 연료전지의 최적 운전방안을 선택하는 방법으로 경제성 평가를 시도했다. 구체적으로는 기존의 개별가스난방과 수전(受電)하는 경우와 비교해 상대적으로 얼마나 경제성이 확보되는지, 경제성을 확보하기 위한 조건은 무엇인지를 점검했다.

연구의 분석을 위해서는 몇 가지 전제를 세우는 것이 필요하다. 물론 사용된 전제는 다소 현실에서 벗어날 수도 있다. 하지만 기본 모형을 설정하고 분석한 뒤, 전제의 변화에 따른 민감도 분석 등을 통해 전제가 갖는 의미를 평가해 볼 수 있다.

연구에 사용된 전제들은 다음과 같다.

비교대상이 되는 기존시스템의 경우 한국전력공사로부터의 수전과 일반 가정용 보일러 난방을 가정한다. 가정용 보일러(27Mcal)의 시스템 비용은 60만원, 열효율은 85%로 전제했다.

연료전지시스템은 열과 전기를 동시에 생산하며 연료 개질기, 스택, 축열조, 보조보일러, 열교환기, 인버터를 통합한 시스템이다. 시스템 출력커브에 따라 열, 전기효율이 출력별로 차등 적용된다(GS퓨얼셀 내부자료 인용). 이 시스템의 단위시간당 최대 전력 및 열공급 용량은 각각 1kW, 1.098Mcal이다.

연료전지 운용 시, 부족한 열은 보조보일러(27Mcal)로 공급하되 그 열효율은 기존 보일러와 동일하게 적용하고 초과 공급열은 축열조(최대용량 9Mcal)에 저장한다. 단, 편의상 열손실은 없다고 가정한다.

전력의 경우 부족한 전력은 수전하고, 초과 공급전력은 ‘소규모 대체에너지 발전전력의 거래에 관한 지침’에 근거, 상계거래(net metering)를 전제한다. 수전 전력요금은 가정용 특성상 누진제를 적용하고, 수전누적량은 매월 초 초기화된다. 요금은 주택용 저압전력(2011년 8월 1일 개정)을 기준했다.

연료전지시스템 가격은 6000만원, 그린홈 100만호 보급사업을 통해 정부가 80%를 지원했을 경우인 1200만원으로하되, 2015년 기준으로 500만원까지 하락하는 것으로 전제했다.

고가 소모품인 스택은 수명 5년, 교체비용 1000만원(2015년 기준으로는 상기의 시스템 하락율을 감안 417만원 전제)이나 5년마다 30%의 비용 하락을 전제했으며 시스템 수명은 20년, 할인율은 5.5%로 가정했다(한국에너지기술연구원, 2007).

열과 전력수요의 시간대별 부하는 본 연구팀이 개발한 ‘CES 소형 열병합 사업 타당성 분석 프로그램(GS파워, 2006)’을 이용했다. 경제성분석을 위해 우선 기존설비 운용 시의 비용을 산정한다. 다음으로 주어진 연료전지의 출력커브를 기본으로 연료개질기, 스택, 축열조, 보조보일러 등을 갖춘 연료전지시스템의 운영비용을 평가하게 된다.

여름과 겨울의 열, 전기부하패턴이 매우 다른 우리나라의 부하패턴의 특성차이는 전기추종방법과 열 추종방법의 경제성을 결정하게 된다. 각각의 추종방법으로부터 시간대별 가변비용을 산정하되, 시간대별로 가변비용이 적은 추종방법의 조합을 찾는, 소위 복합추종방법을 선정한다.
 

누진제 가정용 전력요금에 따라 편익 달라져

경제성분석 결과를 요약하면 다음과 같다. 우선 연간 소요되는 가변비용만을 비교하는 경우, [표 1]과 같이 누진제 가정용 전력요금의 변화에 따라 편익의 크기가 달라짐을 알 수 있다.
 

▲연료전지 도입의 편익.

즉, 연료전지시스템이 현재의 누진제 전력요금체계 하에서는 기존시스템에 비해 가변비용측면에서 경제성을 확보하고 있는 것을 보여준다.
 
시스템가격이 가정용 보일러에 비해 턱없이 고가인 점이 시스템비용을 감안한 전반적인 연료전지의 경제성에 크게 영향을 미칠 수밖에 없음은 당연하다. [표 2]는 20년 수명주기를 기준으로 경제성을 평가한 결과로 현재기준에 비해 2015년 기준의 결과가 상당히 향상되는 것으로 나타난다.

▲ 가정용 1kW 연료전지시스템의 경제성분석 결과.

상기의 연료전지시스템의 경제성 평가결과는 연료전지 보급에 몇 가지 시사점을 던져준다.

우선, 전반적인 경제성평가의 결과는 시스템 및 스택비용 등에 크게 좌우될 것이며, 향후 기술개발을 통해 얼마나 시스템 비용절감을 이루어내느냐가 연료전지의 경제성에 가장 큰 요인이 될 것이라는 점은 명백하다. 그 외에도 가정용 전력요금 및 도시가스 요금, 보일러효율 등이 추가적 영향을 미치는 요인으로 작용할 것이다.
 
좀 더 거시적 관점에서의 경제성평가를 위해서는 부족전력을 전체 전력시스템으로부터 수전하는 부분에 대한 연구가 포함되어야 한다. 상기 제시된 가변비용측면에서의 경제성평가결과는 가정용 누진제요금의 지속여부에 따라 크게 달라질 것이다.
 
스마트그리드에서 논의하고 있는 실시간요금제 도입 등은 더 이상 상계거래 방식을 통한 누진요금회피가 가능하지 않게 할 것이며, 연료전지를 포함한 모든 CHP(집단에너지, 소형열병합 등)의 경제성에 부정적 효과를 가져다 줄 것으로 보인다.^[각주:2]

1. http://www.etnews.com/news/device/energy/2773874_1480.html [본문으로]
2. http://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=57702 [본문으로]