가정용 연료전지의 에너지 효율성 및 경제성 분석 연구

기본연구보고서 11-11

차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구 : 가정용 연료전지의 에너지 효율성 및

경제성 분석 연구

유 동 헌

협동연구총서

일련번호 연구보고서명 연구기관

11-02-17 녹색성장 에너지산업의 고용창출 및 전문인력 양성 방안 연구

에너지경제연구원 11-02-18 배출권 할당이 거래가격에 미치는 영향 분석 : EU-ETS를

중심으로

11-02-19 배출규제가 탄소누출에 미치는 영향 분석 및 전망

11-02-20 온실가스 감축행동의 국내적 측정·보고·검증(MRV) 체계 연구

11-02-21 신재생에너지의무할당제와 온실가스감축규제 정책믹스방안 연구

11-02-22 스마트그리드 시범사업 성과 평가기준 설정 연구 11-02-23 신재생에너지 지역별 지원정책 개선방안 연구 11-02-24 신재생에너지 활용 집단에너지사업 활성화 방안 연구 11-02-25 차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구: 수소인프라 투자

행태의 예측 - 에이전트 기반 모델링

11-02-26 차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구: 미래 수소경제 경쟁력 확보를 위한 수소 공급가격 및 공급방안 연구 11-02-27 차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구: 가정용 연료

전지의 에너지 효율성 및 경제성 분석 연구 11-02-28 에너지이용효율을 촉진하는 에너지요금의 설계 11-02-29 친환경·고효율자동차 보급정책 평가

2011년 경제·인문사회연구회 녹색성장 종합연구 총서

차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구 : 가정용 연료전지의 에너지 효율성 및 경제성 분석 연구

1. 녹색성장 종합연구 총서 시리즈

협동연구총서

일련번호 연구보고서명 연구기관

11-02-30 원자력발전의 신규 원전건설 투자재원 확보방안 연구

에너지경제연구원 11-02-31 한국의 에너지빈곤 규모 추정에 관한 연구

11-02-32 에너지부문의 기후변화 대응과 연계한 녹색성장 전략 연구 : 녹색성장 정책수단의 성장동인화 방안 연구

11-02-33 에너지부문의 기후변화 대응과 연계한 녹색성장 전략 연구 : 녹색에너지산업의 국제경쟁력 강화 방안

11-02-34 에너지기술 수출산업화 전략 연구 : 그린에너지산업 육성 전략 연구

11-02-35 에너지기술 수출산업화 전략 연구 : 전력기술 부문의 동남아 지역 진출 전략 사례연구

11-02-36

저소비·고효율 경제사회 구축을 위한 국가 에너지효율화 추진전략 연구: 제조업 업종별 에너지효율 평가 및 에너지 절감잠재량 추정Ⅱ

11-02-37 시장친화형 에너지가격체계 구축 종합 연구: 탄소세·배출 권거래제 도입의 에너지가격 파급효과

2. 참여연구진

연구기관 연구책임자 참여연구진

주 관 연구기관

에너지

경제연구원 유동헌 연구위원 협 력

연구기관 아주대학교 김수덕 교수

<요 약>

1. 연구 필요성 및 목적

국내의 가정용 연료전지 보급은 2020년까지 10만 대를 목표로 하고 있다. 정부의 녹색 성장 정책 안에서 연료전지의 추가적인 보급을 예 상할 수 있는 대목이다. 연료전지는 배기열을 열병합발전 시스템에서 회수한다면 효율이 더욱 높아질 수 있는 높은 발전 효율을 갖고 있다. 이러한 점 때문에 국가 에너지 정책은 연료전지의 보급을 위한 장기 목표를 설정하고 있다.

이에 본 과제를 통해 정부의 가정용 연료전지 보급 정책 동향을 살 펴보고 기존의 에너지 이용 방식과 대비하여 경제성을 확보할 수 있 는 것인지 그리고 에너지 효율성은 어느 정도인지 등을 판단해보고 정부의 녹색 성장 정책 틀 내에서 지원 정책이 필요하다면 지원 방식 에 대해 살펴보고자 함.

2. 내용 요약

일반적으로 연료전지의 에너지 효율성이 기존 에너지 공급 방식에 비해 우수하다는 평가이다. 국내 가정용 연료전지의 발전 효율은 최대

39%, 열 회수효율은 최대 55%로 일본의 가정용 연료전지에 비해서는

약간 낮은 수준을 보이고 있다.

가정용 연료전지의 경제성 분석은 에너지경제연구원(2010) 모델을 적용하였다. 시간대별 열과 전력 수요 부하 분석은 다계층 모형(the multi-level model or the hierarchical model)을 이용하고 있다. 추정된

열과 전력 수요량에 대해 가정용 연료전지의 B/C 분석을 이용하여 경 제성을 분석하고 있다. 연료전지 운용은 전기추종 방식(power load following)과 열추종 방식(heat load following)으로부터 각각 시간대 별 비용을 산정하여 복합추종 방식(combined strategy)을 통한 최소비 용과 기존 시스템 운영비용을 비교하여 최소비용 운용방법을 선택하 는 것으로 가정하고 있다.

분석 결과 가정용 연료전지는 경제성을 확보하지 못하는 것으로 나 타났다.

3. 연구결과 및 정책제언

본 과제에서는 PEM 타입의 가정용 연료전지에 대한 에너지 효율성 및 경제성을 분석하고 있다. 경제성 분석 결과 연료전지 시스템 가격 을 500만 원으로 하고 전력 가격을 현재 가정용 전력 가격에 비해 15% 인상하는 경우에도 B/C 분석 결과 0.3～0.4 수준을 나태내고 있

다. B/C 분석 결과가 1 이상이 되려면 연료전지 시스템 가격이 최소

65% 이상 감소해야 하는 것으로 분석 결과 나타났다. 다시 말해서 연 료전지 시스템 가격이 320만 원 이하가 되고 스택 비용도 현재의 절 반 이하 수준으로 낮아져야 함은 물론 전력가격이 현재보다 15% 인 상되어야 경제성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

이미 상당한 기술을 보유하고 있는 가정용 연료전지의 상업화를 위 한 정부 지원이 필요한 이유이다. 가정용 연료전지의 상업화는 녹색 성장 전략 중 하나로 해외시장을 겨냥한 상업화로 정책방향이 맞추어 져야만 정부 지원의 합리성을 부여할 수 있을 것이다. 이를 위해 지금 보다는 체계적인 모니터링과 기술 개발 지원이 필요하다.

ABSTRACT

1. Research Purpose

The Ministry of Knowledge Economy established a goal which is supplying a hundred thousand units of household fuel cell until 2020.

Thus, it reflects the government’s intent to supply the additional fuel cells based on the Green Growth Policies. The residential fuel cell has a possibility of far higher efficiency, power generation and heat recovery efficiency, when the exhaust heat is recovered in the micro-CHP system.

In this way, the national energy policy set the long-term policy objective to disseminating the fuel cells.

Then, on this study, it could be examined the current policy for disseminating fuel cell, demonstrated the economic feasibility, measured the energy efficiency of fuel cell and if it is needed, the type of incentive policy which is support the fuel cell is searched in the realm of Green Growth Policy.

2. Summary

In general, the fuel cell is superior in energy efficiency than conventional method of supplying energy in residential sector. The generation efficiency rate of the domestic residential fuel cell is the maximum 39%, and the heat recovery rate of it is the maximum 55%.

That is considered lower then compared with Japanese’s.

The economic feasibility study of the residential fuel cell is applied in Model of KEEI(2010). Especially, The analysis of time-based heat and electricity load is applied in the multi-level model or the hierarchical model. And, using the estimated demand of heat and electricity of the household, fuel cell are applied the method of B/C analysis for the economic feasibility analysis. Using the method of power load following and heat load following, the operation of the fuel cell is calculated time-based cost. Also the operation mode of the least expense is chosen by the combined strategies and conventional method

The result of the analysis could not demonstrated the economic feasibility of the fuel cell for residential.

3. Research Results and Policy Suggestions

In this study, the efficiency and economic feasibility of the household fuel cell whose type is PEM(polymer electrolyte membrane) are examined. As the result of the economic feasibility of the fuel cell, in case of the price of the system set five million korean won and the price of the electricity increased the 15% than the current electricity tariff for household, B/C analysis is represented the level of 0.3~0.4. If the price of residential fuel cell system is decreased at least more than 65%, in short, the price of the residential fuel cell system should be less than 3.2 million won, the cost of stack also should be lowered under half and the electricity price also should be increased 15% than current levels, it

could said that the result of the B/C analysis is at least 1.

In this way, the support of the government for commercialization of household fuel cell which is have considerable advanced technology is actually needed. And the commercialization of household fuel cell will be targeted at overseas market to give a suitable reason related to the policy of government support. After all, it is strongly needed more systematic monitoring and technical development support than the government’s current supports.

제목 차례

제1장 서 론··· 1

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성··· 4

1. 연료전지 개요··· 4

2. 연료전지 시장 전망 및 국내 기술 로드맵··· 5

가. 국내 연료전지 시장동향 및 특성··· 5

나. 국외 시장 동향 및 전망··· 6

3. 국내 기술로드맵··· 14

4. 한국과 일본의 연료전지 시스템 시범사업··· 15

가. 한국의 모니터링 사업··· 15

나. 일본의 현황 및 평가··· 17

5. 연료전지의 에너지 효율성··· 29

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석··· 32

1. 열과 전기부하 추정··· 32

가. 열과 전기부하 추정 방법··· 32

나. 시간대별 열과 전기 수요 추정 결과··· 34

2. 가정용 연료전지 경제성 분석 모형··· 37

가. 운전 전략별 비용 추정 방법 개요··· 37

나. 기존 설비 및 연료전지 이용 시 비용 산정 방법··· 39

다. 기존 시스템과 연료전지 운용 시 비용 분석 방법··· 41

3. 분석 결과··· 43

가. 변동비 기준 연료전지 도입의 편익 분석 ··· 43

나. B/C ratio와 NPV 추정 결과··· 46

제4장 가정용 연료전지 상업화 전략 ··· 58

1. 연료전지 시스템 보급의 장애 요소··· 58

2. 상업화 가능성 및 전략··· 61

가. 상업화를 위한 과제··· 62

나. 정부지원··· 65

제5장 결론 및 정책 제언··· 69

참고문헌··· 72

< 약어 정리 >··· 76

부록··· 79

표 차례

<표 2-1> 2010년 연료전지 판매 및 시장 전망··· 9

<표 2-2> 미국 연료전지 생산량 추이 (2005～2010) ··· 13

<표 2-3> 가정용 연료전지 모니터링 사업 개요··· 16

<표 2-4> 에너지 공급업체별 설치․가동증인 시스템 수··· 20

<표 2-5> 제조업체별 설치․가동 중인 시스템 수··· 21

<표 2-6> 연료 형태별 설치․가동 중인 시스템의 수··· 21

<표 3-1> 주택용 전력(저압) 요금 ··· 42

<표 3-2> 주택용 전력(고압) 요금··· 42

<표 3-3> 2011년 서울 주택난방용 도시가스 요금··· 42

<표 3-4> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금) ··· 43

<표 3-5> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금+5%) ··· 44

<표 3-6> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금+10%) ··· 44

<표 3-7> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금+15%) ··· 45

<표 3-8> 연료전지 도입의 편익··· 45

<표 3-9> 가정용 1kW 연료전지 시스템의 총 비용··· 47

<표 3-10> 가정용 1kW 연료전지 시스템의 경제성 분석 결과 1 ···· 47

<표 3-11> 가정용 1kW 연료전지 시스템의 경제성 분석 결과 2 ···· 48

<표 3-12> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 현재 기준) ··· 50

<표 3-13> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 현재 기준) ··· 51

<표 3-14> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 현재 기준) ··· 52

<표 3-15> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 현재 기준) ··· 53

<표 3-16> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 2015 기준) ··· 54

<표 3-17> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 2015 기준) ··· 55

<표 3-18> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 2015 기준) ··· 56

<표 3-19> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 2015 기준) ··· 57

<표 4-1> FY 2008년 설치 시스템의 예상하지 못한

가동중지에 관한 상세한 사항들 (일본) ··· 60

<표 4-2> 가정용 연료전지 보급 및 상업화 접근 방식··· 63

그림 차례

[그림 2-1] 연료전지별 응용분야··· 8

[그림 2-2] 국내 연료전지 전략 로드맵··· 14

[그림 2-3] 가정용 연료전지 기술 로드맵··· 15

[그림 2-4] 대규모 시연 프로젝트 현황 ··· 18

[그림 2-5] PEFC 시스템 설치와 데이터 수집 개략도··· 19

[그림 2-6] 설치 주택의 지역별 분포 ··· 22

[그림 2-7] 가구 구성원 수와 주거 넓이에 따른 가구 분포··· 23

[그림 2-8] 가동성과: 전력 발전 효율의 분포··· 24

[그림 2-9] 가동성과: 전력과 열의 활용률··· 25

[그림 2-10] PEFC 시스템의 에너지 절약 효과 ··· 27

[그림 2-11] PEFC 시스템의 CO2 감축 효과··· 28

[그림 2-12] 가정용 연료전지 시스템 구성도··· 30

[그림 2-13] 가정용 연료전지 시스템 효율··· 31

[그림 3-1] 봄 대표일의 열과 전기 부하··· 35

[그림 3-2] 여름 대표일의 열과 전기 부하··· 35

[그림 3-3] 가을 대표일의 열과 전기 부하··· 36

[그림 3-4] 겨울 대표일의 열과 전기 부하··· 36

[그림 3-5] B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 현재 기준) ··· 50

[그림 3-6] B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 현재 기준) ··· 51

[그림 3-7] B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 현재 기준) ··· 52

[그림 3-8] B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 현재 기준) ··· 53

[그림 3-9] B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 2015 기준) ··· 54

[그림 3-10] B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 2015 기준) ··· 55 [그림 3-11] B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 2015 기준) ··· 56 [그림 3-12] B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 2015 기준) ··· 57

제1장 서 론

연료전지는 미국 제조업과 독창성 회복에 도움을 줄 뿐 아니라 고 객의 비용 지출과 온실가스 배출 저감을 도우면서 미국 연료전지 업 계를 2배 성장시키고 있다(Fuel Cells 2000, 2011). 석유 중심의 화석 에너지자원 고갈과 기후변화에 대한 관심이 늘어나면서 연료전지 기 술은 연료전지의 높은 에너지 효율과 온실가스 저배출 특성으로 인해 최근 들어 많은 관심을 받아왔다. 연료전지의 효율은 60%에 이를 정 도의 전력 에너지 전환 효율과 80%에 이르는 전력과 열을 포함하는 전체 효율 그리고 주요 오염물질 90% 이상 저감 등이 가능하다

(Papageorgopoulos, 2010). 연료전지는 운전 시 부수적으로 발생되는

열을 사용할 수 있기 때문에 가정용 전원 공급용으로 고려되었었다. 하지만 고분자전해질 연료전지의 높은 가격은 여전히 가정용으로 광 범위하게 적용하지 못하게 하는 장애요인으로 남아있다(Wang et al., 2011).

우리나라에서 가정용 연료전지 모니터링 사업에서 채택된 PEM¹⁾ 연료전지는 자동차용, 고정형 및 휴대용 기기의 차세대 전원 장치로써 유망한 대안이다(Wang et al., 2011). 이러한 기대는 상대적으로 낮은 운전 온도, 높은 에너지 밀도 및 손쉬운 용량 확대 등에 기인한다. 또 한 가정용 연료전지 시스템은 일반적으로 기존 가정용 에너지 공급 시스템과 비교하여 에너지 절약과 이산화탄소 저감 면에서 우수하다

1) 고분자전해질 연료전지는 PEFC(polymer electrolyte fuel cell) 혹은 PEMFC(polymer electrolyte membrane fuel cell) 혹은 PEM(polymer electrolyte membrane)로 표기됨.

는 평가를 받고 있다(前田 외, 2010; Ren & Gao, 2010).

前田 외(2010)의 연구결과에서 기존 가정용 에너지 공급 시스템을

기존 가스보일러 혹은 콘덴싱 가스보일러 혹은 CO2 히트펌프와 화력 발전으로 상정하고 있는 가운데 가정용 PEMFC 열병합 실증테스트 결과를 보면, 평균 에너지 절약률 13.9%, 이산화탄소 배출 저감률

16.5%를 보이는 것으로 분석하고 있다. 한편 CO2 히트 펌프 시스템

의 평균 에너지 절약률은 13.7%이며 평균 이산화탄소 배출 저감률은

10.0%로 보고하고 있다. Ren과 Gao(2010) 연구 결과를 보면, 가정용

연료전지 시스템이 경제적 및 환경적 관점에서 더 나은 대안으로 평 가하고 있다.

이러한 연료전지 시스템에 대해 우리나라는 2011년까지 3차년도의 과정을 통해 420억 원을 투입하여 가정용 연료전지 모니터링 사업을 진행하였다. 지난 2006년 8월부터 2007년 11월까지 진행된 1차년도 모니터링 사업의 목표는 시스템의 안정적인 운전이었다. 처음 실행한 연료전지 모니터링 사업이었음에도 사업 시작 후 1년이 지나기 전에 연료전지 40기 전부가 발전효율 30%, 열효율 40% 이상을 유지하며 안정적인 운전을 기록한 바 있다. 한편, 일본은 2008년까지 3,000여 대의 가정용 연료전지를 보급하는 실증 사업을 수행해왔다. 일본 역시 실증 사업을 위해 정부 보조금을 지급해왔으며 이 과정에서 품질 개 선을 위한 기초 자료 획득 및 획득한 자료를 통한 연료전지 신뢰도 향 상 등 일련의 과정을 진행시켰다.

가정용 연료전지가 기후변화협약 대응을 위한 좋은 대안이라는 인 식을 가지고 국내적으로 기술 개발과 시범 보급, 국외적으로는 새로운 시장 개척을 목표로 가정용 연료전지 기술 확보와 상업화 노력을 기

울이고 있으나 아직 몇 가지 문제점을 가지고 있음은 물론 설비 단가 가 높은 현실적이지 못한 요인이 있음을 부인하기 어려운 실정이다.²⁾ 이에 본 과제에서는 가정용 연료전지에 대한 에너지 효율성과 경제성 분석을 통해 보급과 시장 창출을 위한 전략을 제시하고 있다.

본보고서는 다음과 같이 구성되어 있다. 제2장은 가정용 연료전지 시스템에 대한 기본적인 개념과 함께 연료전지 시장 현황 및 전망에 대해 연료전지 종류별․국가별로 살펴보고 가정용 연료전지의 에너지 효율성을 분석하고 있다. 제3장에서는 가정용 연료전지 시스템의 경 제성 분석을 위해 열과 전기부하를 실제 자료에 기반을 두어 시간대 별로 추정하고 있고 그리고 경제성 분석 모형을 정립한 다음 연료전 지 추종방식을 고려하여 가정용 연료전지의 경제성을 분석하고 있다. 제4장에서는 앞에서의 분석 결과와 외국 사례 분석을 기초로 연료전 지 상업화 가능성과 전략을 제시하고 있다. 제5장에서는 경제성 확보 에 한계가 있는 가정용 연료전지 상업화에 대한 연구결과를 정리하여 정책 건의를 제시하고 있다.

2) Paepe et al.(2006)

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성

1. 연료전지 개요

연료전지는 전력과 열을 생산하기 위해 수소와 산소를 결합하는 전 기화학 장치이다.³⁾ 배터리와 달리 연료전지는 연료가 공급되는 한 지 속적으로 전력을 생산한다. 연료전지의 특징은 화석연료를 연소하지 않는다는 점이다. 연료전지는 오염물질을 배출하지 않으며, 연소에 비 해 높은 효율을 낼 수 있는 장점을 가진다. 다시 말해서 연료전지 시 스템은 기존의 에너지 연소 방식과 비교할 때, 고효율, 고출력, 무공해 및 무소음의 특징을 갖는 열병합 발전 시스템으로서 다양한 연료를 사용할 수 있다.⁴⁾ 이러한 점에서 연료전지 시스템은 앞으로 예상되는 급격한 전력 및 에너지 소비 증가에 따른 에너지 고갈과 점점 더 심각 해지는 환경 문제를 해결할 수 있는 청정에너지원으로써 부각되고 있 는 상황이다.

연료전지 시장은 크게 3개(고정전원(stationary power), 수송전원, 휴 대용 전원)의 시장으로 구분할 수 있다. 고정 전원은 1차 전원 혹은 백업전원 혹은 열병합 용도로 운용할 수 있는 형태로써 가정용 연료

3) 물의 전기분해는 전기 에너지를 써서 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 반응이나 이것의 역반응, 즉 수소와 산소가 화합하여 물이 생기는 반응을 이용해 전기 에너지를 만드는 것이 연료전지임.

4) 천연가스용 연료전지를 보급하는 우리나라와는 달리 일본에서는 천연가스, LPG, 등유를 연료로 사용하는 가정용 연료전지 시스템을 사용하고 있음.

전지가 여기에 속한다.

고정전원 즉 고정형 연료전지의 폐열은 공간난방, 온수, 냉방, 에어 컨 및 냉장고 등의 용도로 사용할 수 있다. 일부 연료전지는 물을 절 약 할 수 있도록 설계되기도 하는데 이렇게 설계된 400kW 연료전지 시스템은 미국 전력망과 비교하여 연간 160만 갤런의 물을 절약할 수 도 있다.⁵⁾ 대부분의 연료전지는 천연가스 혹은 순수수소를 이용하여 작동하지만 프로판, 혐기성발효가스(anaerobic digester gas) 혹은 바이 오가스와 같은 신재생 연료원⁶⁾ 등으로도 운용할 수 있으므로 다양한 제조업 분야에서 이용이 가능할 것이다. 고정형 연료전지 중 고온연료 전지인 MCFC와 SOFC의 경우 2030년까지는 천연가스와 바이오가스 가 주종 에너지원이 될 전망이다.⁷⁾ 수소는 PEMFC, AFC 및 PAFC의 연료로 사용된다. 저온 PEMFC와 AFC는 고순도 수소를 필요로 하는 데 반해 저순도 수소는 PAFC와 고온 PEMFC에서 이용할 수 있다.

2. 연료전지 시장 전망 및 국내 기술 로드맵 가. 국내 연료전지 시장동향 및 특성

국내에서도 가정용 연료전지 시제품 개발을 완료하고 2006년부터 2009년까지 이미 210대의 가정용 연료전지가 설치되어 모니터링 사 업을 수행하였으며, 2011년 11월 30일 종료되었다.⁸⁾⁹⁾

5) Fuel Cells 2000, 2011.

6) 하수도가스, 바이오메탄올 등(JRC Scientific and Technical Reports, 2011).

7) JRC Scientific and Technical Reports, 2011.

8) 서울경제신문 2010.10.13.

9) 한겨레 2011.9.13. 20:49.

2010년부터 친환경 주택(그린 홈) 100만 호 보급사업의 일환으로 200대의 가정용 연료전지 시스템으로 시범 보급 사업이 착수되었다. 2011년에는 10월 초 현재 보급 목표량 300대 가운데 266대가 설치되 었다.¹⁰⁾ 정부에서는 향후 2020년까지 보다 적극적인 투자를 계획하여 총 10만 호의 가정용 연료전지 시스템을 보급할 예정이다.

또한 연료전지의 실용화와 보급을 위해 기술 개발과 더불어 객관적 이고 표준화된 설비 심사 기준에 따른 성능평가를 수행하기 위한 신 재생 에너지 설비 심사 세부 기준 고분자연료전지시스템(NR-FC 101

2008)을 지난 2008년 제정하고 국가 인증 사업을 시작하였다. 기존의

가정용 에너지 공급 설비 내지 방법을 대체할 연료전지 시스템은 퓨

얼셀파워, GS퓨얼셀, 효성 등의 기업이 R&D를 주도하고 있으며, 자

체 개발한 가정용 연료전지 시스템의 인증을 획득하였다.

나. 국외 시장 동향 및 전망

1) 종류별 동향 및 전망

연료전지 시스템의 세계 시장은 지난 최근 5년간 20배 성장 하였다. 2010년 연료전지 판매량은 전년대비 40% 성장하여 전체 보급 대수는 230천 대로 추정된다. 이 가운데 95%가 휴대용 연료전지로 추정된다. 2010년 전 세계 연료전지 판매량 중 97% 이상이 PEMFC 타입이며, 2011년 연간 연료전지 출하량은 전년에 비해 25% 성장하여 285천 대 에 이를 것으로 기대 된다.¹¹⁾

연료전지는 다양한 분야에서 활용¹²⁾되고 있는데 휴대용 연료전지는

10) 서울경제신문, 2011.10.13.

11) Platinum Materials Rev., 2011.

2007년 이후 매년 75%씩 성장해 왔다. 휴대용은 아직 상업화에 이르 지 못하였음에도 불구하고 외부 배터리 충전기로 연료전지를 사용하 는 주목할 만한 개발이 이루어져 왔다. 소형화 및 시스템 통합 문제는 연료전지를 휴대용 전자기기로의 직접통합을 저해하고 있다.

고정형 연료전지는 2010년에 2009년 대비 10% 성장하였다. 미국과 아시아(특히 일본)가 주도하고 있는 고정형 연료전지 시장은 전원으로 사용되는 MW급 연료전지, 무정전전원장치(Uninterruptible Power

Supply; UPS) 및 가정용 소형 열병합(micro-CHP)의 3가지 범주로 나

눌 수 있다.¹³⁾ 이 중 MW급은 주로 PAFC 타입이 보급되는데 슈퍼마 켓, 건물 등에서 사용 된다.¹⁴⁾¹⁵⁾ 현재 건물용 연료전지 분야는 안정적 이며 지속적인 성장률을 보이고 있다. 제조업체는 생산 능력을 증대시 키기 위하여 신규 생산 장비 투자를 확대하는 추세에 있다. 2008년부 터 일본의 제조업체(파나소닉, 도시바, ENEOS)는 만 대 이상 양산 설 비를 구축하였다.

고정형 연료전지 시장은 주거용, 상업용 열병합발전과 산업용, 군사 용 및 농업 응용 분야와 같은 다양한 제품이 산업 성장을 주도할 것으 로 예상된다. 건물용 연료전지는 UPS와 CHP 수요 증가로 2015년 약 260천 대에 도달할 것으로 예측된다.

고정형 연료전지의 발전효율은 45%까지 현재 가능하며, 하이브리 드(연료전지와 터빈) 타입의 경우 발전 효율 70% 이상의 실현 잠재력

12) 미국의 38개 회사가 비용․연료 및 시간 절약, 신뢰성 및 효율 향상, 공공 인식 개선, 탄소발자국 저감 등을 목적으로 연료전지를 사용하고 있음(Fuel Cells 2000, 2011).

13) 일본은 건물용 연료전지 실증 프로그램으로 CHP 수요가 꾸준히 성장하고 있는 반면 북아메리카는 UPS 수요증대 정책의 영향으로 UPS가 크게 성장하고 있음. 14) Platinum Materials Rev., 2011.

15) 연료전지의 기업 이용 사례는 Fuel Cells 2000(2011)을 참조 바람.

을 가진다. 실험실 수준에서의 평균 내구성은 8,000시간을 기록하였 다. 유럽의 다년 이행 계획(Multi-Annual Implementation Plan)에 의 한 2020년 천연가스 사용 MCFC 발전 효율은 52% 이상(2010년 42%)이며, 내구성은 스택기준 40,000시간이다.¹⁶⁾

수송용 연료전지 시장은 2010년에 20% 성장하여 총 보급 대수는 2.4천 대로 추정된다. 수송용 연료전지는 일반적으로 자동차, 버스 등 에 적용되고 있으나 페리, 지게차, 무인공중차량(unmanned aerial

vehicle; UAV), 군용 수중차량 등에도 적용된다. 세계 자동차 선도 기

업 8개사는 2015년까지 연료전지 자동차를 선보일 계획이며, 2010년 에는 영국 택시에 수소 연료전지가 탑재되었다. 연료전지는 이륜차에 도 적용하고 있다.

[그림 2-1] 연료전지별 응용분야

자료: www.gsfuelcell.com/page.php?Main=1&sub=1 16) JRC Scientific and Technical Reports, 2011.

특징 2010 세계 판매 시장전망 고정형

PEMFC

-통신업 전원(off-grid) -상업용(호텔, 병원 등) 전원 -1차전원

-백업용

-9,200대, 이 중 5 천대 이상 일본 -63MW 이 가운데

20MW 이상 한국

2017년 9.5 십억 달러 고정형 MCFC,

AFC, SOFC -대규모발전+열병합

휴대용 PEMFC, DMFC

-무선모니터링장치 -외부전력충전기

-소형가전(노트북, 스마트폰) -군용

-보급대수의 22%

-매우 낮은 MW

2017년 9.5 십억 달러

수송용 PEMFC

-경량차량(LDV) -버스

-무인공중차량(UAV) -보급대수의 33%

-27MW

2020년 390 천L D V (경 량차량) 수송용 SOFC -APU(Auxiliary Power Unit)

<표 2-1> 2010년 연료전지 판매 및 시장 전망

자료: JRC Scientific and Technical Reports, 2011.

2) 주요국별 동향 및 전망

일본은 가정용 연료전지 개발 및 시장을 주도하고 있으며, 2009년 도부터 가정용 연료전지 「ENE-FARM」(2008년 6월부터 명칭 통일) 의 판매를 시작, 미래 일본 주택의 표준을 목표로 보급 촉진에 적극 나서고 있으며, 2009년도 판매대수는 5,050대(판매 단가 약 340만 엔

(약 4천만 원)), 2010년도에는 15,410대를 예상했었다. 가정용 연료전

지 보급 확대를 위해 구입 보조와 전용 도시가스 요금제를 시행하고 있다. 2011년(FY 기준) 보조 대상 연료전지 대수는 8,000대였으며, 기 한은 2012년 3월말까지였으나 2011년 7월 초에 다 소진하였다. 이는 2011년 3월 일본 동북지역 지진과 쓰나미로 인한 전력 공급 중단의

두려움이 연료전지 수요를 부추긴 결과로 해석하고 있다.¹⁷⁾ 그러나 모니터링 사업을 통해 성능이 개선되고 가격이 하락된 부분도 크게 작용한 것으로 보인다.¹⁸⁾

일본 간나오토 총리는 G8 정상 회담 발언에서 재생에너지 확대 필 요성과 제한된 에너지 여건에서 조차도 삶을 즐길 수 있는 새로운 라 이프스타일을 만들 필요가 있음을 제시하였다.¹⁹⁾ 이러한 점에 착안할 때 향후 일본에서는 연료전지를 이용한 분산형 전원 구성을 기대해 볼 수 있을 것이다.²⁰⁾ 일본의 연료전지 제조사인 JX(ENEOS)는 2020

년 연간 ENE-FARM 판매량을 600천 대 수준으로 전망하고 있으며,

2015년 이후로 예상되는 정부의 가정용 연료전지 목표 가격은 완전 상업화 이후 공장도 가격 기준 8천 달러 수준이다. 2015년 JX사의 가 정용 연료전지 목표 수준을 보면, 가격은 6～8.4천 달러, 내구성은 10 년 이상, 고장률은 연간 1% 이하, 저 발열량 기준 발전 효율은 35%

(총효율 85%) 이다.

일본은 NEDO/NEF 지원 아래 SOFC 타입 연료전지에 대해서도 상

업화를 위한 테스트 기회를 2007년～2010년 기간에 가졌으며, 2011 년에 일본 시장에 출하하고 향후 수출하는 계획을 가지고 있다.

독일은 가장 큰 가정용 연료전지 실증 프로젝트인 Callux를 진행하 고 있다.²¹⁾ Callux는 수송, 건물 및 도시 개발성(Federal Ministry of

17) FuelCellToday (http://www.fuelcelltoday.com/news-events/news-archive/2011/july/

japanese-fy2011-residential-fuel-cell-funding-expended).

18) 파나소닉과 동경가스가 보급한 2세대 모델은 1세대 모델 대비 가격은20% 하락 (31,500 유로에서 25,100 유로로 하락)하고 발전효율(저발열량 기준)은 37%에서 40%로 상승하였음. 내구성은4만 시간에서5만 시간으로 늘어남(Kani, 2011).

19) http://www.kantei.go.jp/foreign/kan/statement/201105/27G8naigai_e.html 20) Yamaguchi (2011).

Transport, Building and Urban Development; BMVBS)의 지원을 받 는 에너지․열 공급 파트너에 의해 공동으로 조직된 프로젝트이다. 동 프로젝트는 수소와 연료전지 기술을 위한 국가 혁신 프로그램의 일부 분으로써 총 투자 규모는 86백만 유로이며 조정 역할은 NOW Gmbh (국립수소․연료전지기술기구)가 수행한다.

Callux 프로젝트의 목적은 기술적 완성도 실현, 상업화를 위한 추가

개발 지원, 대량 생산을 위한 공급 체인 개발, 시장 및 고객에 대한 요 구 검증, 산업 부가가치 창출 촉진 등이다.

2012년까지인 1단계 프로젝트는 이미 많은 연료전지가 전국에 보급 설치되어 시장준비 단계인 2단계를 시작할 수 있게 되었다. 동 프로젝 트에는 3개의 연료전지 제작사(Baxi Innotech, Hexis, Vaillant)²²⁾와 5 개의 에너지 공급사(EnBW, E.ON Ruhrgas, EWE, MVV Energie, VNG)가 참여한다. 프로젝트 단계에서의 조정 업무는 태양에너지․수 소연구센터(the Center for Solar Energy and Hydrogen Research;

ZSW)가 맡고 있다. 에너지 공급사는 매년 연료전지를 가정에 설치․

운영하고 있으며, 결과 정보를 공동으로 관리한다.

Callux 구조는 실증 사업과 지원 조치로 구성된다. 실증 사업은 가

정을 대상으로 3단계로 이루어질 것이며, 지원 조치는 시장 파트너, 시장 연구, 인프라스트럭처, 커뮤니케이션, 과학적 지원, 프로젝트 조

정 등 6가지의 work packages로 구분된다.²³⁾ 동 프로젝트는 2015년까

지 지속될 계획에 있는데 2012년까지 대략 800대의 연료전지가 보급

21) www.callux.net

22) 건물용 연료전지 분야에 해당하는 PEMFC와 SOFC(1kWe)에 기초한 연료전지 개 발 노하우를 가지고 있으며, 100 응용 예 이상의 경험을 가진 회사임(Ramesohl, 2011).

23) Ramesohl (2011).

될 전망이다.

유럽은 건물용 보일러 대체 시장으로 연료전지 시장이 형성되고 있 으며 2010년 이후 아시아 다음으로 최대 규모의 시장이 될 전망이다. EU는 2012년 건물용 보일러를 대체하는 연료전지 시스템을 양산하여 2015년 연간 20만 대 시장 판매를 목표로 하고 있다. 영국은 2016년 까지 14개 타운에 4백만 탄소 중립형 건물을 도입할 것으로 보인다. 2008년 GDP 당 연료전지 및 수소기술 투자 최고 수준을 기록했던 덴마크는 연료전지 기반 소형 열병합 실증 프로젝트를 통해 100대의

PEMFC 및 SOFC 연료전지를 운영 중이다.²⁴⁾

EU의 연료전지 및 수소 기술 RD&D 활동은 FCH-JU²⁵⁾에 의해 조 정된다.²⁶⁾ 동 활동 관련 다년도 이행계획은 SET-Plan(Strategic Energy

Technologies-Plan)의 유럽 산업 이니셔티브(EII)의 기술 로드맵과 유

사하게 수정되었으며, 2010년～2020년 동안의 기술 로드맵도 정리되 었다. 유럽의 연료전지 관련 일련의 활동은 저탄소 에너지 기술 로드 맵 안에서 이루어지는 것으로 보인다.

미국 연료전지의 주요 초기시장은 PEMFC, DMFC 기술을 이용한 백업 전원용, 자재 취급용, 휴대용 전원용 등이며, 가정 및 상업용 연 료전지는 향후 5년간 개발할 계획이다.²⁷⁾ 2010년 미국의 PEMFC 타

24) JRC Scientific and Technical Reports, 2011.

25) Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking(연료전지 및 수소 공동사업)

26) 2011년 11월 FCH-JU 프로그램 검토와 4차 이해당사자 총회가 브뤼셀에서 개

최되었는데 60여개의 프로젝트가 검토되었으며, 총회에서는 연료전지와 수소기 술의 유럽경제 탈탄소화 기여에 대한 토론이 있었음(http://www.fch-ju.eu/news/

fuel-cells-and-hydrogen-joint-undertaking-programme-review-and-4th-stakeholders -general-assembl).

27) Greene et al.(2011).

입 연료전지 생산량은 2,200대(5kWe 기준) 이상으로 추정되며 2006 년 이후 급격한 성장세를 나타냈다. 급격한 연료전지 보급은 ARR A²⁸⁾에 의한 보조금에 기인한다. 보조금과는 별도로 R&D 투자를 통 해 연료전지 가격을 2010년 현재 51달러/kW(수송용 기준) 수준으로 낮추었으며 2015년 수송용 목표 가격은 30달러/kW 이다.²⁹⁾³⁰⁾ 2011 년 고정형 연료전지 내구성 목표는 40,000시간 이었으나 현재 일부에

서 10,000시간 이상을 보이는 수준이다.³¹⁾

2005 2006 2007 2008 2009 2010

PEMFC (5kWe 대수)

PEMFC 자재취급 0 0 123 211 477 803

PEMFC 백업 전원 135 158 219 435 594 1,221

PEMFC 열병합 71 71 71 71 71 250

대형 non-PEMFC

PAFC (400kWe 대수) 10 10 10 10 50 75

MCFC (MWs) 6 5 12 24 32 32

<표 2-2> 미국 연료전지 생산량 추이 (2005～2010)

자료: Greene et al.(2011)

미국 연방정부는 가정용 신재생 에너지에 대한 세금 공제 제도를 시행하고 있다.³²⁾ 연료전지에 대해서는 0.5kW 이상 규모를 대상으로

최대 $500/0.5kW를 공제해 준다. 동 제도는 2016년 까지 유지되는 제

28) 미국의 2009 경제회복 및 재투자법(The American Recovery and Reinvestment Act of 2009)은 청정에너지(에너지효율, 재생에너지 및 열병합) 프로그램 이행 을 통한 새로운 에너지 절약, 온실가스 감축 및 직업창출 기회를 주정부와 지 방정부에게 제공했음.

29) 2002년 이후 80% 이상, 2008년 이후 30% 이상 가격 저감. 30) Satyapal(2011).

31) Wang et al.(2011) p.988

32) 세금공제 대상은 태양전지, 태양열, 풍력, 지열히트펌프, 연료전지임(DSIRE).

도로써 세금공제 대상 연료전지는 반드시 전력만(electricity-only)을 생산해야하며 효율은 30% 이상이어야 한다.

3. 국내 기술로드맵

[그림 2-2]에 국내 연료전지 전략 로드맵, 그리고 [그림 2-3]에 가장 상업화에 근접한 기술인 가정용 연료전지 기술 로드맵을 제시하고 있 다. 한국에너지기술평가원에서 제시한 전략 로드맵을 보면 PEM 타입 연료전지의 경우 2012년까지 정부주도로 일반 부품(BOP)³³⁾ 및 핵심 소재 기술을 개발하고 동시에 건물용 연료전지 1만 호 보급 사업을 진행하는 것으로 예정되어 있다.

[그림 2-2] 국내 연료전지 전략 로드맵

자료: 신미남(2011)

33) Balance of Plant(BOP)로 주변 보조 기기를 일컬음. 주변 보조 기기로는 연료전 지 스택을 제외한 연료, 공기, 열 회수, 급수 등을 위한 펌프류, blower, 센서, 필터 등이 있음.

이후 2020년까지는 민간주도로 양산 기술개발을 마치며 건물 연료 전지 보급 규모를 50만 호로 확대할 예정이다. 가정용 연료전지에 국 한해서 보면, [그림 2-3]에서와 같이 전력 효율 38%, 열효율 48%를 2012년까지 달성하는 것으로 예정되어 있다.

[그림 2-3] 가정용 연료전지 기술 로드맵

자료: 한국에너지기술평가원, ‘연료전지 정책 및 기술동향’, 2010

4. 한국과 일본의 연료전지 시스템 시범사업 가. 한국의 모니터링 사업³⁴⁾

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.

따라서 전력과 열(가정의 실제적이고 효과적인 에너지 소비를 기초) 의 활용률은 PEFC 시스템 자체의 효율성으로 나와 있는 시스템 발전 효율과 열 회수 효율에 비하여 3에서 5%포인트 정도 낮은 것이 일반 적이다([그림 2-8]에서의 시스템 발전 효율 31.0%와 비교할 때, [그림 2-9]에서의 전력 활용률 27.7%는 3.3%포인트 낮아졌음을 의미한다).

27.7%라는 전력 활용률은 FY 2006년의 수치보다 1.3%포인트 높

다. 이러한 전력 발전 효율의 향상(0.9%포인트)은 연료전지의 성능 개 선 이외에도, 시동 및 예비 전력 소비의 감소와 향상된 가동 프로토콜 (AI 컨트롤 시퀀스를 사용하는 소프트웨어) 등 많은 요소들이 크게 기 여했다고 판단된다.

[그림 2-10]은 도시가스와 LNG를 사용하는 PEFC 시스템으로 인한

일차에너지 감소를 보여주고 있다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 에너지 절약은 열 수요에 크게 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 열 수 요가 적은 장소일수록 일차에너지 감소량도 적었다. 매월 500MJ 이하 의 열 수요를 가진 가정은 에너지 절약의 실질적인 혜택이 거의 없는 것으로 나타났다.

[그림 2-10] PEFC 시스템의 에너지 절약 효과

주: 2008년 1월에서 12월까지456 장소에서의 데이터 사용(도시가스 및LPG 사용)

[그림 2-10]에서 오른쪽 위로 올라간 점선은 최고 성능 모델³⁷⁾의 근

사치를 나타낸다. 일차에너지 감소와 같은 일부 성과 파라미터 중에서 최고 성능 모델과 일반 모델 간의 차이는 시간이 지나면서 신규 모델 이 도입됨에 따라 점차 줄어들고 있다.

월평균 1,570MJ의 열 수요를 기준으로 하면 연료전지 시스템 당 일

차에너지의 평균 감소량은 최고 성능 모델의 경우 월 1,015MJ로, 이 는 일 년 동안 등유 18리터들이 18개통과 같다(년 12,180MJ). 모든 시스템을 일반화하면 월 693MJ, 즉 일 년 동안 12.6통과 동일하다.

[그림 2-11]은 PEFC 시스템을 설치함으로써 얻어지는 CO2 배출량

감축 효과를 보여주고 있다. 일차에너지 수요 감소 효과와 마찬가지로 열 수요가 CO2 배출량에 크게 영향을 미치고 있음을 [그림 2-11]은

37) 최고 성능 모델이란 프로젝트에 참여한 모든 모델 중에서 장비와 가동 모든 면 에서 최고의 성능을 나타내는 것을 의미.

보여주고 있다.

[그림 2-11] PEFC 시스템의 CO2 감축 효과

주: 2008년 1월에서 12월까지456 장소에서의 데이터 사용(도시가스 및LPG 사용)

CO2 배출량의 평균 감축량은 월 75.1kg으로, 이는 숲 1,670m²의 CO2 흡수량과 동일하다. 최고 성능 시스템은 월 평균 100.1kg을 감축

시켰는데, 이는 2,200m²의 CO2 흡수량과 동일하다. 일본 환경청이 내

건 “Team Minus 6%”는 “개인당 날마다 1kg의 CO2를 감축시키자”라 는 것으로써 3인 가족의 경우 한 달 동안 약 90kg의 CO2를 감축시키 는 것이다. 이러한 캠페인은 가정용 PEFC 시스템을 설치함으로써 실 질적으로 실현시킬 수 있는 목표라는 것이 일본 연료전지 시스템 실 증 사업에서 얻은 결과 중 하나이다.