[연료전지] 발전용 수소 연료전지

 오늘은 수소 경제의 핵심 발전용 수소 연료전지에 대해 알아보겠습니다.

연료전지의 원리는 다음과 같습니다. 전기분해로 만들어진 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 것으로 이 과정에서 전기와 열과 물이 같이 생겨납니다.

연료전지 원리

 자세히 살펴보면 수소와 공기중의 산소를 결합시키면 화학적 반응에 따라 전기가 생산되고 부산물로 열과 물이 발생합니다. 다만, 자연계에 존재하는 수소는 매우 미미하므로 전기분해 또는 정유 과정에서 발생하는 부생 수소를 연료로 사용하게 됩니다. 이에 따라 대규모 수소가 필요한 발전용 연료전지는 한계가 있어 해외의 경우 발전용 연료전지는 거의 없고 비상용 전원으로 주로 활용합니다. 우리나라의 경우에는 국가 미래 전원 사업 중 하나로 수소 경제를 표방하고 있으며 이에 발전용 수소 연료전지도 적극적으로 권장하고 있습니다. 수소 발전 의무화 제도도 도입하여 대규모 발전 사업자의 경우 일정 비율을 수소 연료 전지로 발전하도록 추진할 계획입니다.

 

 이렇듯 연료전지의 가장 중요한 부분인 수소는 그 생산 방식에 따라 그린 수소, 브라운/그레이 수소, 블루 수소로 나누어집니다.

 

그린 수소는 물을 전기분해하여 수소를 생산합니다. 물을 전기 분해하면 수소와 산소만 생성되므로 오염물질이 전혀 발생하지 않습니다. 또한 물은 손쉽게 구할 수 있으므로 안정적으로 수소를 확보할 수 있는 장점이 있습니다. 다만, 물을 분해할 때 전력 소모량이 상당히 심하여 경제성이 떨어집니다. 또한 전기분해 전력의 전원이 신재생에너지가 아닐 경우 결국 친환경 에너지가 아니게 될 수 있습니다.  

 

브라운/그레이 수소는 개질과 부생 방식으로 수소가 생성됩니다. 브라운 수소의 경우 석탄을 고온과 고압에서 가스화시켜서 하이드로젠이 주성분인 합성가스를 만드는 방식이며, 그레이는 천연가스를 고온과 고압 수증기에 통과시켜서 물에 함유되어 있는 수소를 추출해 내는 개질 방식입니다. 정유 또는 철강 공정에서 부수적으로 나오는 부생 수소도 그레이 수소에 포함됩니다. 단점으로는 여러 수소 생산 방식 중 이산화탄소가 가장 많이 발생한다는 것입니다.

 

블루 수소는 천연가스 및 이산화탄소 포집 설비를 이용해 생산하는 것으로 이산화탄소를 포집하고 저장하는 설비를 통해 탄소 배출을 저감 시킵니다. 그레이와 마찬가지로 천연가스에서 추출하다 보니 이산화탄소가 발생할 수밖에 없는데 이를 포집 시설을 통해 처리함으로써 이산화탄소 배출을 낮춘 방식입니다. 그레이나 브라운 방식에 비해 친환경적이면서 경제성도 나쁘지 않아 최근 주목을 받고 있습니다.

 

이렇게 생산된 수소를 저장하고 운송하는데에도 특별한 설비가 필요합니다.

일단 운반을 위해서는 파이프라인을 건설하거나 튜브 트레일러 또는 액화 탱크로리를 사용하여 수송하여야 합니다. 또한 잘못하여 수소 충전소나 저장소가 폭발하는 경우에는 매우 위험한 상황이 발생할 수 있으므로 안전에 무엇보다 주의해야 합니다.

 

떨어지는 경제성과 안전성 이슈에도 불구하고 물만을 이용하여 전력을 생산할 수 있다는 점에서 매력적인 에너지원이라 할 수 있습니다. 점차 기술이 발전하여 안전성도 확보하고 경제성도 향상되어 깨끗한 친환경 수소 연료 전지 발전을 이용할 수 있게 되기를 기대합니다.