출처 : https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/nenryodenchi_01.html

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수소는 CO2를 배출하지 않는 차세대 에너지로 기대를 받고 있다. 수소가 널리 활용되는 ‘수소 사회’를 구축하는 열쇠 중 하나는 수소를 사용하여 전기나 열을 만들 수 있는 ‘에네팜’ 등의 고정용 연료전지를 예로 들어, 연료전지가 전기 및 열을 만드는 시스템을 다시 한 번 소개함과 동시에 연료전지가 ‘카본 뉴트럴’에 어떻게 공헌할 수 있는지 살펴보자.

 

▣ ‘연료전지’란 무엇인가?

 

‘연료전지’란 과연 무엇일까? 다시 살펴보자.

 

‘전지’는 ‘전기를 저장해 놓은 장치’라는 이미지가 강하지만, 연료전지는 그것과는 크게 다르다.

 

그 연료는 수소와 산소이다. 모두가 과학 시간에 물에 전기를 흘려보내 수소와 산소로 분해하는 ‘전기분해’를 배운 적이 있을 것이다. 그런데 연료전지는 그와는 반대로, 수소와 산소를 화학 반응시켜 물을 만들고, 그 과정에서 발생하는 전기와 열을 사용한다. 즉 ‘작은 발전소’라 할 수 있다.

 

<그림1> ‘물의 전기분해’와는 반대되는 원리

 

▣ ‘연료전지 개발의 역사

 

일본에서는 1970년대부터 에너지에 관한 국가 프로젝트로서 ‘선샤인 계획’(1974~1992년) 및 ‘문라이트 계획’(1978~1992년), ‘뉴 선샤인 계획’(1993~2002년)을 실시했고, 그러한 프로젝트들에서 연료전지, 대용량 수소 제조 시스템 및 안전한 운송ㆍ저장 시스템을 개발해 왔다.

 

연료전지의 용도는 크게 2가지이다. 하나는 ‘연료전지 자동차’, 다른 하나는 ‘고정용 연료전지’다. 고정용 연료저닞 중 가정용은 ‘에네팜’이라 불리며, 일본에서 가장 많이 보급되어 있는 연료전지 중 하나다.

 

▣ ‘친근한 연료전지가 된 에네팜

 

<그림2> 에네팜(주택의 설치 예) / 에네팜(공동주택의 설치 예)

 

다만, 연구개발 이후 즉시 에네팜이 제품화된 것은 아니다. 에네팜은 기존에 없던 혁신적인 기기이기 때문에 전국 각지의 기후 및 가정의 라이프 사이클에 맞춰 제대로 기능하는지 확인해야 할 필요가 있었다. 그래서 2005년부터 에네팜의 대규모 실증이 이루어졌다. 실증 기기가 수상 관저 및 전국 각지의 주택에 도입되어, 수많은 데이터를 취득하였다. 이러한 실증을 거쳐 2009년에는 세계적으로 빠른 시기에 일반 판매를 시작했다.

 

에네팜에서는 연료전지 유닛에서 전기를 만들고, 발전 시 배출되는 열을 회수하여 급탕 및 난방 등에 이용한다.

 

<그림3> 에네팜의 구조

 

에네팜의 출하 대수는 2021년 말에 누적 43만 대 이상이 되었다. 판매 가격도 판매가 시작된 2009년에 300만 엔을 넘었는데, 현재는 제품에 따라 100만 엔이 되지 않는 수준까지 떨어졌다. 또한 에네팜 본체의 크기가 해마다 작아지는 등 설치성도 향상하였다.

 

<그림4> 일본 보급 대수와 판매 가격의 추이 (단위: 만 엔, 대)

 

에네팜은 일본의 에너지 정책을 제시하는 ‘에너지 기본 계획’ 및 일본의 수소에 관한 전략을 제시하는 ‘수소ㆍ연료전지 전략 로드맵’에서도 더욱 도입을 확대할 것이라는 언급이 있었고, 국가에서는 계속해서 지원할 것이라고 한다.

 

▣ 에네팜에서 카본 뉴트럴에 공헌, 재해 시 전원ㆍ열원으로서도

 

일본이 목표로 하는 ‘2050년 카본 뉴트럴’. 그것을 실현하려면 우리 개개인도 에너지를 효율적으로 사용하고, CO2 배출량을 낮춘 에너지로 전환하는 것이 중요하다.

 

에네팜의 이용을 그러한 개인이 할 수 있는 공헌 중 하나이다. 지금은 아직 수소를 가정에 직접 공급하는 공급체인이 확립되어 있지 않다. 에네팜의 내부에는 가정에 보급되는 도시가스 및 LP가스 등으로부터 수소를 가져와 수소와 화학 반응시키는 구조가 마련되어 있다. 화석 연료인 가스를 사용하는데 정말로 카본 뉴트럴에 도움이 될까? 하고 의문을 품는 사람이 있을지 모르지만, 현재 에네팜의 발전 효율은 40~55%이며, 배열도 사용하기 때문에 종합 에너지 효율은 80~97%를 자랑한다. 한편 화학발전소에서 발전하게 되면, 각 가정까지 전기를 운송할 때 발생하는 송전 손실까지 포함하면 에너지 효율이 41% 정도이다. 에네팜의 효율이 높은 것은 에너지 절약으로 이어지며, 카본 뉴트럴에도 도움이 된다.

 

이러한 에너지 절약성이 뛰어난 에네팜은 ‘ZEH(넷제로 에너지 하우스)’에서도 중요한 역할을 한다. ZEH란 단열과 효율적인 설비를 통해 최대한 에너지를 절약하기 위해 힘쓰고, 태양광발전 등을 통해 에너지를 만듦으로써 1년간 소비하는 주택의 에너지량이 넷제로 이하인 주택을 가리킨다.

 

아래 그림은 에너지 절약 및 재생에너지 자가소비 등을 더욱 확대함으로써 ZEH를 한 단계 향상시킨 ‘차세대 ZEH+’의 구성 요소를 제시한 것인데, 연료전지가 그 일부임을 알 수 있다. 차세대 ZEH+에 대해서는, 2022년 시점에 한 건물당 100만 엔의 보조금이 지급될 예정인데, 요건을 충족하는 에네팜을 설치한다면 고정액으로 2만 엔이 가산되게 되어 있어, 에네팜의 이용 확대를 뒷받침하고 있다.

 

<그림5> 4개의 요소 중 1개의 요소 이상을 채용함 (차세대 ZEH+ 요건)

 

또한 최근 주목받고 있는 것이 재해 시 에네팜의 활용이다. 예를 들어 재해가 일어나 정전이 발생했을 때에도 가스의 공급이 멈추지만 않으면 에네팜이 전기와 열을 공급할 수 있다.

 

에네팜이 공급하는 전기라면, 냉장고나 TV, 휴대전화 충전 등을 할 수 있으며, 수도의 공급이 멈추지 않았다면 따뜻한 물로 샤워하거나 목욕을 할 수도 있다.

 

<그림6>

 

실제로 2018년 9월에 일어난 태풍 21호에 의한 간사이 지역의 정전 및 2019년 9월에 일어난 태풍 15초에 의한 치바현의 정전이 있었을 당시에도, 에네팜의 전기를 사용할 수 있어 많은 도움을 받았다는 소리가 많았다.

 

▣ 연료전지 = 에너지 리소스 중 하나로, 에너지 수급 조정에 대한 활용도

 

에너지를 절약하는 데에도, 재해에 대비하는 데에도 도움이 되는 에네팜을, 장기적으로는 현재 검토되고 있는 ‘버추얼 파워 플랜트(VPP)’에서도 활용할 수 있을 것으로 생각된다.

 

VPP란 에네팜 및 태양광발전과 같은 여기저기 분산되어 있는 에너지 리소스를 묶어 원격으로 제어하고 가상(버추얼)의 발전소와 같은 기능을 하도록 한다. 전력이 부족할 때에는 연료전지의 발전량을 늘리거나 반대로 전력이 남으면 발전량을 줄여 전선에서 공급되는 전기를 사용하는 식으로 제어한다. 이로 인해 전력의 수요와 공급의 균형을 맞추는 데 도움이 될 것으로 생각된다.

 

<그림7> VPP의 이미지

 

실제로 2020년에 실시된 VPP 실증실험(‘2020년 버추얼 파워 플랜트 구축 실증 사업’)에서는 가정의 에네팜 약 1,600대가 에너지 리소스로 묶였다.

 

개인의 가정에서 에너지를 효율적으로 사용하는 데 도움이 될 뿐 아니라, 전력계통 전체의 균형을 조절하는 데에도 도움이 되는 에네팜은 탄소 중립적인 미래의 에너지망에 빼놓을 수 없는 기기 중 하나가 될 것임은 틀림없다.

 

이러한 장점을 더 널리 알려, 에네팜을 더 많이 이용하도록 해야 한다. 후편에서는 업무ㆍ산업용 연료전지의 현재 상황 및 수소를 직접 이용하는 새로운 형태의 연료전지를 소개한다.