수소 사회를 움직이는 연료전지
친환경 수소 사회를 움직이는 핵심 기술인 연료전지에 대해 살펴봅니다.
수소 사회는 수소를 에너지원으로 움직이는 친환경 사회를 의미합니다. 화석 연료를 사용하지 않아 탄소 배출량을 줄임으로써 지구온난화를 늦출 수 있고, 봄철 불청객인 미세먼지로부터 해방될 수도 있습니다. 연료전지는 이러한 친환경 수소 사회를 구현하는 핵심 기술입니다. 현대자동차그룹의 수소 비전 2편을 통해 수소로 전기에너지를 생산하는 연료전지 시스템의 원리와 활용 현황에 대해 살펴봅니다.
수소로 전기에너지를 만드는 연료전지
수소 사회에서도 전기에너지는 지금과 같이 사회 전반을 움직이는 핵심 에너지원입니다. 다른 점이 있다면 수소 사회에서는 수소로 전기에너지를 생산한다는 것입니다. 이런 역할을 하는 것이 바로 연료전지입니다.
연료전지는 수소를 연료로 사용하여 대기 중 산소와 전기화학 반응을 통해 직접 변환 발전하는 장치를 말합니다. 원리를 간단히 살펴보면 연료극에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 전해질층을 통해 공기극으로, 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동합니다. 이 과정에서 전자는 전기에너지를 발생시키고 공기극 쪽에서 만난 산소 이온과 수소 이온은 물과 열을 생산하게 됩니다. 연료전지 내에서 수소와 산소가 화학반응으로 결합해 전기와 물, 열을 생성하는 것입니다.
일반적으로 연료전지는 연료극, 전해질층, 공기극으로 구성된 셀(Cell)과 이러한 셀을 적층한 스택(Stack)으로 이루어진 전기 생산기기, 그리고 전기적/기계적 주변기기(Balance of Plant, BOP)로 이루어져 있습니다. BOP는 시스템제어, 전력변환기 등 전기적 주변기기와 연료 및 공기 공급, 열회수 및 열교환기, 수처리 시스템 등 내구성 향상과 운전 최적화를 위한 기계적 주변기기로 구성되어 있습니다.
연료전지 어디에 어떻게 사용할까?
연료전지는 오래 전부터 항공우주 분야에 활용되어 왔습니다. 인류 최초로 달에 착륙한 아폴로 11호에서 우주비행사들이 연료전지를 사용했다는 유명한 일화도 있습니다. 근래에는 현대자동차가 세계 최초로 연료전지 시스템을 활용한 수소전기차의 양산에 성공하며 연료전지 활용에 대한 관심이 전 세계적으로 높아졌습니다. 우리 실생활과 밀접한 곳에서 연료전지 활용이 시작됐기 때문입니다.
수소전기차 양산으로 인해 연료전지의 활용 분야가 자동차에 특화된 것처럼 느껴지기도 하지만, 연료전지의 활용 분야는 매우 다양합니다. 연료전지에서 생산되는 전기에너지는 셀의 면적과 개수에 따라 조절이 가능하기 때문에 자동차 이외의 소형, 대형 모빌리티에 두루 활용할 수 있고, 심지어 대량의 전기에너지를 생산하는 발전소도 구축할 수 있습니다. 물론 우리가 생활하는 주택이나 아파트, 빌딩에서 활용하는 것도 가능합니다.
다양한 모빌리티로 확대되는 연료전지
연료전지는 기본적으로 전기에너지를 활용하는 것이기 때문에 전기에너지로 움직이는 모빌리티라면 대부분 연료전지를 탑재할 수 있습니다. 실제로 연료전지로 움직이는 수소 열차, 수소 트램, 수소 선박, 수소 드론 등의 모빌리티가 곳곳에서 개발 중입니다.
현대로템이 개발 중인 수소전기 트램세계 최초로 수소전기차 양산에 성공한 현대차그룹은 수소전기차와 수소전기 대형트럭뿐만 아니라 다양한 모빌리티에 연료전지 시스템을 도입하고 있습니다. 현대차는 현대건설기계와 협력해 연료전지 건설기계 개발에 착수했고, 오는 2023년에 연료전지 시스템을 탑재한 지게차와 굴삭기의 상용 제품을 출시할 계획입니다. 그뿐만 아니라 강원도와 업무 협약을 통해 연료전지를 탑재한 친환경 수소 어선도 공동 개발 중입니다.
현대로템은 수소전기 열차 개발에 앞장서고 있습니다. 지난해 11월 한국철도기술연구원과 손잡고 수소전기 열차 개발 및 상용화를 위한 연구개발 진행을 합의했고, 울산시와 함께 수소전기 트램 실증사업을 위한 업무협약도 체결했습니다. 현대로템이 개발 중인 수소전기 트램은 올해 성능시험 플랫폼 차량 제작을 완료할 계획입니다.
대량의 전기에너지를 생산하는 발전소 속 연료전지
현재 연료전지가 가장 상용화된 분야는 대형 발전 부문입니다. 국내에선 2006년 남동발전이 설치한 250kW급을 시작으로 2012년부터 본격적으로 연료전지 발전소가 설치되기 시작했습니다. 경기 성남, 안산 등에서 연료전지 발전소를 운영하는 남동발전 외에도 일산과 울산에선 동서발전이, 서울, 인천, 경북에서 포스코가 연료전지 발전소를 구축 및 운영하고 있습니다.
발전소에서 사용하는 연료전지 역시 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기에너지를 생산합니다. 이렇게 생산한 전기에너지는 승압한 후 전기에너지가 필요한 수요처로 보내지게 됩니다. 모빌리티 분야와 구별되는 특징은 고효율, 장시간 연속운전을 통한 전력생산에 중점을 둔다는 점이 있습니다. 아울러 폐열을 활용한 스팀 생산이 가능하고 인근에 열 수요처가 있는 경우에는 지역난방 등과 연계하여 열에너지를 공급할 수도 있습니다.
울산에서 시범 운영 중인 현대차의 연료전지 발전소수소전기차를 개발하며 연료전지에 대한 노하우를 갖춘 현대차 역시 수소 산업 확대를 위해 연료전지 발전소를 건립하고 올해 시범 운영에 착수했습니다. 현대차가 개발한 1MW급 연료전지 발전 시스템은 500kW의 전력 생산이 가능한 컨테이너 모듈 2대로 구성되어 있으며, 수소전기차 넥쏘의 차량용 연료전지 모듈을 발전용으로 활용한 것이 가장 큰 특징입니다. 해당 설비의 연간 전기에너지 생산량은 약 8,000MWh로 이는 월 사용량 300kWh 기준 약 2,200세대에 전력을 공급할 수 있는 양입니다.
현대차가 개발한 연료전지 컨테이너 모듈은 넥쏘의 파워 모듈을 탑재하고 있다는 점에서 향후 컨테이너 대수에 따라 수십 내지 수백 MW로 공급량 확장이 가능하다는 장점이 있습니다. 그뿐만 아니라 과거 국내 발전용 연료전지의 대부분은 해외기술을 기반으로 하고 있어 부품 교체 및 유지 비용이 높았으나, 현대차가 시범 운영 중인 연료전지 발전소는 국내 순수 독자 기술로 개발돼 향후 국내 연료전지 발전 시장이 확대될 경우 발전용 연료전지 가격 합리화에도 기여할 것으로 예상됩니다.
가정으로 들어오는 연료전지
연료전지는 전기에너지를 주로 사용하는 가정용으로도 활용할 수 있습니다. 가정용 연료전지가 가장 많이 보급된 국가는 일본입니다. 일본은 1990년대 후반부터 가정용 연료전지의 본격적인 상품화 연구를 시작해 2009년부터 일반 가정에 연료전지 보급을 시작했습니다. 2011년 동일본 대지진을 겪으며 가정용 연료전지 보급률이 크게 증가했는데, 발전소에 의존하지 않고도 집에서 직접 전기, 열에너지를 생산할 수 있다는 장점이 자연재해로 인해 에너지 수급이 불안정해진 상황을 타개할 방안으로 주목받은 것입니다. 게다가 가정용 연료전지를 사용할 경우 발전소를 활용하는 것보다 에너지 효율이 높다는 장점도 있습니다. 기존 화력발전소 등을 통해 전기에너지를 생산할 경우 생산한 전기에너지와 열에너지를 수요처까지 옮기는 과정에서 손실이 발생합니다. 가정에서 직접 연료전지를 사용할 경우 생산한 전기에너지와 열에너지를 바로 이용할 수 있어 에너지 손실을 최소화 할 수 있습니다. 즉, 친환경성뿐만 아니라 에너지 절약 측면에서도 우수성을 갖춘 것입니다. 우리나라 역시 2006년부터 정부 사업을 중심으로 1kW 이하의 가정용 연료전지를 보급해왔으며, 최근에는 5kW 이상의 건물용 연료전지로 보급 트렌드가 변화하고 있습니다.
수소 사회를 앞당기는 현대차그룹의 연료전지 시스템
광저우에 건설될 예정인 현대차그룹의 연료전지 생산기지 ‘HTWO 광저우’연료전지 시스템은 친환경 수소 사회를 책임질 에너지 솔루션이자 미래의 핵심 산업으로 성장하고 있습니다. 현대차그룹은 지속 가능한 수소 경제 발전과 글로벌 탄소 중립을 실현하기 위해 연료전지의 개발과 생산, 보급에 앞장서고 있습니다. 연료전지 시스템을 탑재한 수소전기차 넥쏘, 수소전기 대형트럭 등을 양산해 전 세계 시장에 판매하고 있고, 지난해 9월에는 스위스의 수소저장 기술 업체와 유럽의 에너지 솔루션 스타트업에 연료전지 시스템 자체를 수출하기도 했습니다. 또한 올해 3월에는 중국 광저우 연료전지 생산법인 기공식을 개최하며 연료전지 시스템 생산기지 건립을 본격화했습니다. 광저우에 세워질 현대차그룹의 연료전지 시스템 전용 공장 ‘HTWO 광저우’는 2022년 하반기 완공을 목표로 하고 있으며, 연간 6,500기의 연료전지를 생산할 것으로 전망됩니다. 현대차그룹은 세계 최고의 연료전지 기술을 갖춘 ‘퍼스트 무버’로서, 글로벌 연료전지 시스템 시장 리더십을 확보해 나가고 있습니다.
* 이어지는 [현대차그룹 수소 비전 3편]에서는 수소 공급 인프라 구축을 위한 현대차그룹의 주요 활동에 대해 살펴봅니다.
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