한 눈에 쏙! 에너지 그래픽

S-OIL이 친환경 에너지 화학 기업의 미래를 그리며 정보 탐색을 이어갑니다. 인포그래픽으로 정리된 에너지 관련 정보를 살펴보세요.

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에너지 전환의 필요성이 커지고 있는 가운데, 신재생에너지 발전 중 하나인 수소연료전지가 기대를 한 몸에 받고 있습니다. 지구상에 흔한 원소여서 고갈될 걱정이 없고, 환경에 영향을 주지 않는 수소를 가장 효과적으로 에너지 전환하는 방식이 바로 수소연료전지이기 때문입니다.

수소연료전지가 어떤 원리로 작동하고 왜 주목받고 있는지 S-OIL과 함께 알아보겠습니다!

1. 수소와 산소를 사용해 전기를 생산해 내는, 수소연료전지

연료가 가진 화학에너지를 전기 화학반응을 통해 직접 전기에너지로 바꾸는 발전 장치를 연료전지(fuel cell)라 합니다. 수소연료전지는 수소를 연료로 전기를 생산하는 장치입니다. 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 과정을 역으로 하면, 수소와 산소에서 전기 에너지를 얻을 수 있습니다. 반응 중 발생한 열은 급탕이나 난방으로 활용 가능합니다.

수소연료전지는 수소 에너지와 더불어 미래의 친환경 에너지 장치로 주목받고 있습니다. 수소연료전지의 생성물은 오직 전기와 순수한 물뿐입니다. 연소 과정이 없어 친환경적이고, 사용 원료가 고갈될 염려도 없습니다. 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전 효율도 매우 높습니다. 발전 효율이 30~40%, 열효율이 40%로 총 70~80%의 효율을 갖는 신기술입니다. 화석연료는 전기 에너지를 생산하기 위해 열에너지를 기계 에너지로 변환하는 과정에서 에너지 일부가 손실되는데, 수소연료전지는 이런 과정이 없어 기존 에너지원보다 10-~20% 정도 효율이 높습니다.

또한, 태양광이나 풍력 등 기상 상태에 따라 전기 생산에 제한이 따르는 에너지원에 비해 환경 제약이 적어 안정적으로 전기를 공급할 수 있습니다. 기계적 안정성도 높습니다. 발전 장치의 규모가 크지 않아도 되기 때문에 소규모로 여러 곳에 설치해서 송전 비용도 줄일 수 있습니다. 높은 가격과 낮은 전력밀도 등 아직 해결해야 할 과제가 많지만, 저공해∙고효율이라는 강점을 통해 에너지 전환 과제와 환경 오염 문제를 한 번에 해결할 수 있는 미래 발전 방식으로 꼽힙니다.

2. 수소연료전지의 구조와 원리

수소연료전지의 원리는 물의 전기 분해 원리와 반대라고 할 수 있습니다. 물의 전기 분해에서는 물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소가 발생하지만, 연료전지에서는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시킵니다. 음극에서 수소 분자가 수소이온과 전자로 나누어지면 산화되어 수소이온은 전해질을 통해, 전자는 외부 도선을 통해 각각 양극으로 이동합니다. 이 양극 사이의 전위차에 의해 전류가 발생합니다.

수소연료전지를 이루는 장치는 크게 다섯 가지로 볼 수 있습니다. 먼저 개질기(Reformer)는 화석연료인 천연가스(LFG), 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소 연료로 변환시키는 장치입니다. 스택(Stack)은 수소로부터 전기를 생성하는 발전부입니다. 단위 전지(Unit Cell)를 수십∙수백 장 직렬로 쌓아 올려 전기를 생산하는 본체 역할을 합니다. 전력변환기(Inverter)는 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류 전기(AC)로 변환시킵니다. 그 밖에 폐열을 회수하여 급탕 또는 온수를 공급해 주는 폐열회수장치와 연료, 공기, 열 회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등 주변보조기기(BOP: Balance of Plant)로 구성되어 있습니다.

3. 수소연료전지의 활용 범위

지금까지 보급된 수소연료전지의 총 설비용량은 원자력 발전소 1개와 비슷한 규모라고 할 수 있습니다. 아직 보급량은 적지만 24시간 발전도 가능하여 실제 생산하는 전력량은 설비용량에 비해 훨씬 높게 나옵니다. 수소를 바로 공급한다면 탄소를 배출하지 않고, 천연가스를 개질하여 사용하더라도 고효율 방식이기 때문에 기존 화력발전을 대체할 수 있는 유일한 발전 방식이 될 수 있습니다.

수소연료전지는 소음, 진동과 소요 면적이 적어 도심에도 설치가 가능합니다. 기존 화력발전소보다 건설 기간이 짧고, 급격한 전력 수요 증가에도 빨리 대응할 수 있습니다. 소형 시스템을 설치하면 파이프로 공급되는 도시가스를 이용해 가정에서도 열과 전기에너지를 생산할 수 있습니다. 또한 잉여 전력을 저장해 전력의 안정성을 확보하기 위한 전력에너지저장장치로도 활용 가능합니다. 수전해를 통해 수소로 전환하여 저장하고 필요할 때 다시 전기에너지를 공급하게 됩니다.

4. 수소연료전지의 활용 분야

수소연료전지를 상용화한 대표적인 사례는 수소전기차입니다. 수소전기차는 수소연료탱크에 고압으로 보관된 수소와 공기공급시스템을 통해 들어온 산소가 화학 반응을 일으켜 전기에너지를 생산하면 생산된 전기에너지가 구동 모터를 거쳐 운동에너지로 전환돼 동력으로 작용하는 원리입니다. 배기구에서는 순수한 물만 배출되어 친환경적입니다.

선박에도 수소연료전지를 도입하고자 시도 중입니다. 선박이 뿜어내는 탄소도 기후 위기의 주요 원인이기 때문입니다. 미국에서는 수소를 연료로 하는 여객선이 2020년부터 시험적으로 운행을 시작했습니다. 우리나라는 2025년까지 선박용 수소연료전지의 검증과 성능 개선을 완료하고 2030년에는 대형 선박에 탑재할 예정입니다.

국내에서는 연료전지 주택 지원 사업도 시행 중입니다. 주택용 연료전지 설비는 수소원으로 도시가스를, 산소원으로 공기 중의 산소를 사용해 전기와 열을 동시에 생산할 수 있습니다. 연료전지를 설치하면 가구당 1Kw 이하 기준으로 보조금을 지원받게 됩니다.  

5. 수소연료전지의 미래 전망

화석연료에 대한 의존도가 높은 현 상황에서, 친환경적이면서 전력의 불안정성을 해결하기 위한 대안이 필요합니다. 수소는 태양광, 풍력 등 재생에너지로 생산해 저장 후 전기로 변환 가능합니다. 앞으로 수소연료전지가 차세대 에너지원으로 상용화되기 위해서는 연료전지, 수전해, 수소에너지저장장치 등 수소 관련 기술에 대한 인프라 구축과 대규모 투자가 필요할 것입니다.

물론, 연료전지는 여러 부품이 상호 간에 의존성이 강하기 때문에 밸류체인의 구성과 산업별 융합이 요구됩니다. 아직 상당 부분의 기술이 상용화 이전 단계이기 때문에 기술 변화로 인한 산업의 변동성도 지켜봐야 합니다. 무엇보다 수소를 생산할 때 이산화탄소가 발생하고, 현재 주로 천연가스에서 수소를 추출하는 천연가스 개질 방식으로 생산되기에 이를 해결하기 위한 수소 생산 방식의 변화가 시급합니다.

수소에너지는 가정과 자동차, 산업 현장에서 꼭 필요한 전기를 친환경적이고, 지속 가능한 방식으로 공급할 수 있게 해줍니다. 전 세계가 수소에 집중하는 이유가 바로 여기에 있습니다. 우리나라가 수소경제 시대의 선도국으로 나아갈 수 있도록 기대해봅니다!

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참고 · www.knrec.or.kr/biz/korea/intro/kor_fuel.do
          top.jbnu.ac.kr/hfcrc/20284/subview.do
          www.ekn.kr/web/view.php?key=20230812010003336
          webzine.koita.or.kr/202109-culture/탄소-중립-이루는-핵심-에너지-수소연료전지
          webzine.koita.or.kr/201909-specialissue/04-수소경제-시대의-발전용-연료전지-역할-및-현황
          nr.energy.or.kr/A0/GN_01/GN_01_00_070.do
          www.knrec.or.kr/biz/introduce/new_engy/intro_home.do
          www.inenews.kr/news/articleView.html?idxno=4232
          www.horizonfuelcell.co.kr/bbs/board.php?bo_table=hsub06_03&navi=06&lnb=04