우리나라의 가정용 연료전지 모니터링 사업은 가정용 연료전지의 내구성 확보와 초기 시장 형성을 위한 사업으로 2011년까지의 3차년 도 과정을 통해 정부예산 205억 원과 민자 215억 원 등 총 420억 원 이 투입될 예정으로 시작되었다. 모니터링 사업의 마지막 단계인 제3 차년도 사업은 2008년 12월 착수된 이후 2011년 11월 사업이 종료되
34) 김재동 외(2011) 내용을 바탕으로 변경된 부분을 업데이트하여 재편집.
었다.
가정용 연료전지 시범 사업 주관 기관인 한국가스공사가 시스템 성 능, 내구성, 환경 평가 등의 자료 확보를 위해 1차년도 40기를 시작으 로 2차년도 70기, 3차년도 100기 등 총 210기의 1kW급 가정용 연료 전지를 전국에 설치하여 운영하고 있다. 지난 1～3차년도 가정용 연 료전지 모니터링 사업의 성과 및 현황은 <표 2-3>에서 정리하고 있다.
1차년도 (‘06.8～’09.7)
2차년도 (‘07.12～’10.11)
3차년도
(‘08.12～’11.11) 계
총사업비 113 143.7 164.1 420.8
보급규모(기) 40 70 100 210
기준가격(억 원) 1.3 1 0.8 -
국산화율(%) 55 70 80 -
효율 전기 30%이상
전체 70%이상 전기32%이상
전체75%이상 전기 33%이상 전체 78%이상 -
운전목표(kWh) 3,000 5,000 10,000 -
참여기관 도시가스
10개사 지자체
도시가스사 에너지사
일반가정 -
<표 2-3> 가정용 연료전지 모니터링 사업 개요
지난 2006년 8월부터 2007년 11월까지 진행된 1차년도 모니터링 사업의 목표는 시스템의 안정적인 운전이었다. 처음 실시한 연료전지 모니터링 사업이었음에도 사업 시작 후 1년이 지나기 전에 연료전지 40기 전부가 발전효율 30%, 열효율 40% 이상을 유지하며 1차년도의 발전목표인 3,000kW를 초과 달성하는 기록을 보였다. 1차년도 모니 터링 사업의 가장 큰 성과라면 국내에서 개발된 연료전지 시스템의
실제 운전 가능성을 확인한 것을 비롯해 연료전지의 고장 원인이 주 요 핵심 부품인 개질기 및 스택의 이상보다는 펌프나 필터와 같은 일 반 부품에서 발생한다는 것을 파악했다는 점이다. 또한 모니터링이 보 다 체계적이고 공정하게 이루어질 수 있도록 전기 효율 및 열효율을 포함하여 발전량, 열 회수량 등 연료전지의 모든 상태를 자동 점검해 주는 평가 장비를 구축하였고 또한 평가 장비를 통하여 수전 전력 및 발전 전력을 측정하였다.
1차년도 모니터링 사업과 달리 2차년도 모니터링 사업은 서울시를 비롯해 경기도, 대구시 등 6개 광역 단체가 참여하면서 실외에 설치하 여 운영하였으며, 특히 혹한기에 안정적으로 운영하기 위한 데이터를 확보하기 위해 4계절 운전을 실시하였다. 또한 실제 일반 가정에서 사 용을 모사하여 3단계 부하 변동 운전을 실시하여 부하 변동 시 고장 원인 및 주요부품의 성능 변화를 파악하였다.
2008년 12월부터 추진된 3차년도 가정용 연료전지 모니터링 사업 에서는 강화되었다. 온수를 이용하지 않을 경우 외부로 방출하지 않도 록 수랭식에서 공랭식으로 제품 사양을 변경하고 겨울철 동파 방지 및 효율 향상을 위한 시스템 설계가 보완되었다. 또한 아파트 실내에 시스 템을 설치하였을 때, 소음이나 배가스 등 환경 조건을 평가하기 위해 아파트 시뮬레이션 장소에 설치하여 환경 평가를 진행하였다.
나. 일본의 현황 및 평가35)
가정용 연료전지의 기술이 세계에서 가장 앞서있는 일본의 경우, 2005년 총 480대의 가정용 시스템을 도입하여 실증 사업을 시작하였
35) NEF (2009) 내용을 중심으로 재편집.
으며 이어 2006년에는 777대를 2007년에는 930대를 추가로 도입하여 2008년까지 총 3,307대의 가정용 연료전지 시스템이 도입된 상태이 다. 정부의 전폭적 지원 아래 연료전지 스택 등 핵심 장비와 부품·소
재를 100% 국산화하고 2009년 5월 일반 보급을 시작으로 본격적인
상용화 시대를 맞았으며 현재까지 매년 3,000여대의 가정용 연료전지 를 일반 가정집에 보급해 오고 있다(일본 가스에너지신문, 2009).
2010년까지 1만5,000대를 설치했으며 2011년은 8,000대가 목표다.36)
[그림 2-4] 대규모 시연 프로젝트 현황
일본은 연료전지 보급을 위해 보조금을 지급해왔다. 프로젝트의 자 금 지원은 FY 2005년 6백만 엔에서 2006년에는 4.5백만 엔, 2007년
에는 3.5백만 엔, 2008년에는 2.2백만 엔 등으로 점차 감소되었다. 이
는 주택용 PEFC 시스템 제조업체에서 발생하는 제조비용의 감소가 반영된 것이다. 즉, 소비자 비용 부담이 일정하다고 가정한다면 본 시
36) 서울경제신문 2011.10.13.
연 프로젝트 시작 이후 3년 만에 60% 이상의 비용 감소가 이루어졌 음을 알 수 있다.
[그림 2-4]는 "세계 최초의 전면 시장화"가 2009년에 이루어진다는 것을 보여주고 있으나 이는 단순히 FY 2009년 주택용 PEFC 시스템 의 예정된 시장화를 반영한 것이다.
[그림 2-5] PEFC 시스템 설치와 데이터 수집 개략도
일본에서 시범 보급한 PEFC 타입 연료전지 시스템의 구성 및 자료 수집 개략도는 [그림 2-5]와 같다. PEFC 시스템은 도시가스, LPG, 혹 은 등유를 사용한다. 도시가스를 사용하는 시스템은 5개 제조업체 모 두에서 제공되었으며, LPG를 사용하는 시스템은 ENEOS Celltech (산요)과 도시바 연료전지 전력 시스템에서 제공되었고, 등유를 사용 하는 시스템은 Ebara에서만 단독으로 제공되었다. 연료 형태에 따라
살펴보면, FY 2008년까지 도시가스를 사용하는 시설은 1,375개, LPG
를 사용하는 설비는 1,618개, 등유를 사용하는 시설은 314개였다.
에너지공급업체 연료 2005 2006 2007 2008 합계 도쿄 가스 도시가스 150 160 210 276 796 오사카 가스 도시가스 63 80 81 141 365 도호 가스 도시가스 12 40 38 34 124 사이부 가스 도시가스 10 10 13 10 43 홋카이도 가스 도시가스 - 10 10 5 25 니혼 가스 LPG/도시가스 - 10 10 10 30 니폰 석유 LPG/등유/도시가스 134 301 396 497 1,328 이데미쯔 고산 LPG 33 40 50 28 151 일본 에너지 LPG 30 40 34 40 144
이와타니 LPG 10 34 29 10 83
코스모 석유 LPG/등유 10 19 19 18 66 다이요 석유 LPG/도시가스 8 13 18 11 50
큐슈 석유 LPG 8 10 12 10 40
쇼와 셸 석유 LPG 6 10 10 10 36
레몬 가스 LPG 6 - - - 6
Eneurge LPG - - - 10 10
사이산 LPG/도시가스 - - - 10 10
총계 480 777 930 1,120 3,307
<표 2-4> 에너지 공급업체별 설치․가동증인 시스템 수
<표 2-4>와 <표 2-5>, 그리고 <표 2-6>는 운영업체별 (에너지 공급 업체), 제조업체별, 연료별로 설치되고 가동되고 있는 설비의 수를 보 여주고 있다
제조업체 LPG 도시가스 등유 합 계
ENEOS Celltech (산요) 1,062 191 0 1,253
Ebara 0 396 314 710
도시바 연료전지 전력 (FCP) 552 196 0 748
파나소닉 0 520 0 520
도요타 0 76 0 76
총 계 1,614 1,379 314 3,307
<표 2-5> 제조업체별 설치․가동 중인 시스템 수
연료 형태 2005 2006 2007 2008 합 계
도시가스 235 303 355 482 1,375
LPG 245 399 424 550 1,618
등 유 75 11 88 314
총 계 480 777 930 1,120 3,307
<표 2-6> 연료 형태별 설치․가동 중인 시스템의 수
[그림 2-6]은 FY 2005년과 2008년 사이에 시스템이 설치된 3,307
개 장소의 지역 분포를 보여주고 있다. 프로젝트는 성공적으로 설치되 었고, 일본의 47개 현 모두에서 시스템이 가동되고 있다. 북쪽의 홋카 이도에서 남쪽의 오키나와에 이르는 광범위한 지역 분포는 따뜻한 지 역과 추운 지역이라는 모든 기후대에 걸쳐 가동 데이터를 수집하고 있음을 보여준다.
[그림 2-6] 설치 주택의 지역별 분포
[그림 2-7]은 참여 가구의 구성원 수와 주택의 면적에 따라 참여한 가정을 구분한 상황을 보여주고 있다. 이와 같은 정보는 FY 2006년에 설치된 777개 주택을 설문 조사한 결과 440 곳에서 답을 얻은 결과 이다.
참여 가구의 가족 구성원 수는 한 명에서 일곱 명 이상으로 다양한 데, 그 중 세 명에서 다섯 명이 전체의 72.3%를 차지하고 있다. 주택 의 면적 역시 50m2에서 300m2로 다양한데, 100m2에서 200m2 사이가
전체의 66.7%를 차지하고 있다.
[그림 2-7] 가구 구성원 수와 주거 넓이에 따른 가구 분포
주: FY 2006년에 설치된 장소를 대상으로 한 설문 조사를 기준으로 함. FY 2007년 과 2008년은 비슷한 양상을 보임.
가정용 연료전지는 열부하 제어(heat oriented control)를 채택하여 가정의 난방 및 온수 사용에 따른 열부하를 추종하도록 운전되는 반 면 가정에서 사용하는 전기는 가정용 연료전지와 기존 계통 전원을 통해 충당된다. 즉 연료전지가 가동되어 생산되는 전기는 1차적으로 가정의 전기 수요를 충족하고 그 잉여분은 계통을 통해 송전하고 반 대로 가정의 전기 수요가 연료전지로부터 생산되는 전기보다 많으면 그 부족분은 계통을 통해 수전 받는다.
이하에서는 실증 사업을 통해 얻은 결과를 살펴보고자 한다. 실증을 통한 연료전지 시스템의 전기 효율 결과는 다음 [그림 2-8]과 같다.
[그림 2-8]은 FY 2007년에 설치된 장소에서의 2008년 1월부터 2008
년 12월까지 전력 발전 효율의 분포를 보여주고 있다. 평균 효율은
31.0%로 FY 2006년의 효율에 비하여 0.9%포인트 증가하였다.
[그림 2-8] 가동성과: 전력 발전 효율의 분포
주: 2008년1월에서12월까지456개 장소에서의 데이터 사용(도시가스 및LPG 사용)
[그림 2-8]에서의 발전 효율은 시간에 따른 가정의 전력 소비량 변 화를 감안한 수요 중심의 평균값이다. 이 값은 규격화된 발전량에서 안정 단계 가동 시의 효율과는 다르다. 즉 부분 부하 가동 시간이 길 어질수록 효율은 떨어지게 되며, 특히 규격화된 가동 상태에서 성취된 결과와는 반대가 된다. 그러나 가장 효율이 낮은 시스템이 있는 설비 도 26%의 효율을 나타내는데, 이는 규격화된 부하 상태에서의 효율과 비교할 때 대규모 고정형 시연 프로젝트의 주택용 PEFC 시스템이 부 분 부하 상태에서도 상대적으로 높은 효율을 나타낸다고 할 수 있다.
시스템 효율 데이터에서 관찰된 높은 다양성은 시스템 간의 성능의 차이라기보다는 낮은 부하 가동률에서의 장소 간의 차이로 인한 것으 로 판단된다.
[그림 2-9]는 전력과 열의 활용률에 대한 분포를 보여주고 있다. 전
력의 활용률은 다음과 같이 계산 된다. PEFC 시스템에서 생산된 전력 (부분 부하 가동을 포함한 누적 값)에서 가동 중단 상태에서의 PEFC 시스템에서 소비되는 예비 전력과 발전기 시동 시 소비되는 시동 전 력, 시스템에서 전력 계통망으로 가는 역방향 전력뿐만 아니라 역방향 흐름 억제 가열기의 전력 소비량을 차감한 후, 연료 유출률의 통합 값 으로 나눈다. 이 결과는 가정의 궁극적인 전력 소비량을 기준으로 한 유효한 효율로 간주될 수 있다.
[그림 2-9] 가동성과: 전력과 열의 활용률
주: 2008년 1월에서 12월까지456 장소에서의 데이터 사용(도시가스 및LPG 사용)
회수 열에 대한 활용률 역시 온수 저장소에서 화장실과 부엌으로 가는 온수 공급의 형태로 사용하는 가정의 실제 열 소비에 기초한다. 활용률은 연료전지에서 회수하고 온수 저장소에 저장된 열에서 온수 저장소에서 방출되는 열과 같은 열 손실을 차감하여 계산한다.