연료전지의 발전 효율은 기존 화력 발전에 비해 매우 우수하다. 운 전 온도가 섭씨 약 550도의 증기를 사용하는 화력발전의 이론적 최고 발전 효율은 약 60% 정도로 매우 낮다. 하지만 연료전지의 경우 실온 에서 운전되는 고분자 연료전지의 경우에도 이론상 최대 발전 효율은 80%를 상회한다. 이렇게 연료전지가 화력 발전보다 효율이 높은 이유 는 전구와 발광 다이오드의 원리에서 쉽게 찾을 수 있다. 전구는 필라 멘트에서 일차적으로 전기에너지를 열에너지로 변환한 이후 이차적으 로 열에너지를 빛에너지로 전환시킨다. 이때 발생되는 열에너지는 대 부분 주위로 빠져나가기 때문에 에너지 전환 효율이 매우 낮아진다. 반면 발광 다이오드의 경우 전기에너지를 빛에너지로 직접 전환하여 에너지 손실이 발생하는 경로를 반으로 줄여 더욱 높은 효율을 보이 게 된다.
화력 발전과 연료전지의 관계도 이와 유사하다. 화력발전에서는 ‘먼 길’을 돌아 발전한다. 우선 화석 연료를 태워 열로 물을 끊이고, 수증 기의 힘으로 터빈을 돌려 발전을 한다. 결국 화학에너지를 열에너지로 변환하고, 다시 그것을 전기에너지로 변환하는 셈이다. 그러나 열에너 지를 전기에너지로 효율적으로 변화하기는 어렵다. 일반적으로 화력 발전소에서는 평균 약 60%의 에너지가 열로 빠져나가고 있다. 그러나 연료전지는 열에너지를 거치지 않고 발전한다. 연료전지에 연료를 공 급하면 연료가 가진 전자를 빼앗음으로써, 연료전지에 연결된 도선을 타고 전자가 이동한다. 결국 연료가 가진 화학에너지를 직접 전기에너 지로 변환한다. 열에너지를 거치지 않고 전기에너지를 만들기 때문에, 발전할 때 일어나는 에너지의 손실이 이론적으로 적다.
[그림 2-12] 가정용 연료전지 시스템 구성도
가정용 연료전지 시스템은 상기 언급한 고효율의 연료전지 스택을 주요 부품으로 연료 개질기, 전력 변환기, 일반 부품(blower, 펌프, 밸 브, 제어기 등)으로 구성된다. [그림 2-12]는 가정용 연료전지 시스템 구성도로서 개질기를 제외하고는 연소과정이 없으므로 공해 가스의 배출이 상대적으로 적으며 작동 온도가 낮아 NOx의 배출이 거의 없 으며 황의 경우도 개질기 전단의 탈황기에서 흡착제로 흡수하여 SOx 의 배출이 거의 없다. [그림 2-13]과 같이 전력망에서 독립되어 열을 최대로 이용하면서 전기를 발생하는 경우, LNG 화력별전과 비교하면 일차에너지 소비량을 약 30% 정도 절감할 수 있으며, 이와 더불어 CO2도 30% 정도의 절감 효과를 기대할 수 있다. 최근 가정용 연료전 지 시스템 기술이 지속적으로 발전하면서 시스템의 발전 효율 및 열
회수 효율이 지속적으로 높아지고 있다. 세계 최고 기술력을 지닌 일 본의 파나소닉사의 경우, 발전 효율은 최대 39%, 열 회수 효율은 최 대 55%를 보인다. 반면 국내 가정용 연료전지 시스템은 전기 효율 최
대 37%, 열 회수 효율 최대 53%를 보인다.
손실 24
(전기효율 36%) 36 (열이용 효율
40%) 40 연료
100
NOx 5ppm
36 (수전단 효율 36%) 40 (열이용 효율
80%) 10 손실
보일러 연료
50 NOx 60ppm
64 손실
LNG 화력 연료 100
NOx 10
전기 36 ppm
열 40 연료전지 코제너레이션 시스템
(연료 100)
기존 시스템 (연료 150)
[그림 2-13] 가정용 연료전지 시스템 효율
제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석
본 연구의 분석 방법은 기본적으로 에너지경제연구원(2010)의 모형 을 적용하였다. 본 모형은 국내에서 생산되는 가정용 연료전지의 운용 시뮬레이션을 위한 것으로서 다계층 모형을 기반으로 GS파워에서 제 공받은 서울지역 열과 전력 수요 대표 가구의 열과 전력 수요 실적 자 료를 기반으로 대표 가구의 시간대별 열부하 및 전기부하를 추정하도 록 구성된다. 본 과제에서는 에너지경제연구원(2010) 모형에서 추정된 열 및 전력 부하를 연료전지의 열추종, 전력추종 및 복합추종 운용을 통해 대응할 때 경제성을 확보할 수 있는지를 살펴보고 민감도 분석 을 통해 할인율, 시스템 비용 및 전력 가격 변화에 따른 경제성 변화 정도를 제시하고 있다.