박달영 한국가스공사 연구개발원 책임연구원
에너팜 기반 수소사회 출현 잰걸음
가정용 시장 성공 기반 산업화 본격화
이와 함께 인산형과 고체산화물연료전지를 중심으로 산업·업무용 연료전지의 꾸준한 보급과 더불어 실증연구를 중심으로 혁신적인 기술개발이 이뤄지고 있다.
일본의 업무용 연료전지 보급현황을 중심으로 수소사회를 실현하고 있는 일본의 연구개발 현황을 살펴보고자 한다.
◆일본의 수소사회 출현 추진
2014년 6월 공표된 수소·연료전지 전략 로드맵에 의하면 가정용 연료전지와 연료전지 자동차 등 상용화되고 있는 연료전지 기술을 확대하고, 에너지절약과 글로벌시장을 지배하기 위한 전략이 수립돼 있다.
이미 도입이 본격적으로 진행되고 있는 가정용 연료전지는, 초기시장을 자립화하고, 2020년에는 140만대, 2030년대는 530만대의 보급할 계획이다.
가정용 연료전지 이용자의 부담액에 대해서는 2020년에는 7~8년에 투자회수 가능한 금액을, 2030년에는 5년에 투자회수 가능한 금액을 목표로 한 구체적인 수치목표가 제시돼 있다.
업무·산업용 연료전지에 대해서는 2017년 발전효율이 비교적 높은 고체산화물연료전지의 시장도입을 목표하고 있다.
2014년 연료전지 자동차 시판을 시작으로 누적 10만대를 초과한 가정용 연료전지 에너팜 보급을 기반으로 수소사회를 위한 착실한 진전을 성공적으로 이뤄 나가고 있다.
일본은 2014년 ‘수소·연료전지전략 로드맵’에 따르면, 2020년을 수소 발전의 본격 도입과 대규모 수소 공급 시스템의 확립 시기로 설정하고 연료전지 등을 활용한 수소의 이용 기술을 단계적으로 도입할 예정이다.
일본의 수소연료전지 관련 시장은 2020년도부터 급속히 증가하고 2025년도에는 2013년도의 114배인 5228억엔으로 확대할 전망이다.
◆일본의 업무용 연료전지 현황
인산형 연료전지는 2008년에 100kW 1대에서 2012년 10대가 보급됐다.
2012년 7월부터 재생에너지의 고정가격판매(FIT)제도가 시작돼, 음식물가스발전도 대상이 돼 나타난 결과로 사료된다.
또한 가격저감과 장수명화, 비상용 등 부가가치 향상 및 기술개발의 노력이 결실을 맺은 결과이다.
2013년 9월에는 미쯔비시 중공업의 고체산화물 연료전지(SOFC)와 마이크로 터빈(MGT)를 조합한 200kW급의 가압형 하이브리드 시스템이, 동경가스 센쥬스테이션에서 세계최초로 4000시간 연속운전을 달성했다.
더욱이 2013년 11월에는 Bloom Energy Japan이 200kW 출력의 SOFC (Bloom 에너지서버)를 후쿠오카시내의 M-TOWER에 설치, 영업 운전을 개시했다.
일본 외에서는 가정용과 연료전지 자동차 보다는 오히려 업무용 연료전지의 개발이 선행되고 있는 실정이다. 일본의 경우 산업용 부분의 연료전지 시장이 느리게 진행되는 면이 있으나 가정용 연료전지 보급의 성공을 기반으로 업무용 연료전지 보급에 기대를 걸고 사업이 적극적으로 추진되고 있다.
2020년 동경올림픽을 선수촌을 수소타운으로 건설하고, 올림픽 후에 선수촌을 중심으로 상업시설과 학교 등에 수소에너지 발전전기와 열을 공급하는 것이 계획돼 있어, 수소사회를 위한 대규모 실증사업이 실제로 이뤄지는 좋은 기회가 될 것으로 기대되고 있다.
연료전지의 보다 효율적인 활용을 위해 가정용 연료전지와 태양전지 그리고 축전지가 조합된 하이브리드 연료전지 시스템 개발이 완성돼 보급이 시작되고 있다.
이러한 연료전지 시스템은 스마트 커뮤니티를 구성하는 핵심적인 첨단기술로 향후 스마트에너지 시스템의 핵심 에너지기술로 각광받을 것이 예상된다.
연료전지는 기저부하를 담당하며 주간에 효율적으로 발전하는 태양광에서 사용하고 남은 전기는 축전지로 축전해 피크부하의 전력으로 사용된다.
연료전지 하이브리드 시스템의 운영은 HEMS(Home Energy Management System)에서 관리돼 스마트 커뮤니티와 연계 운영이 상용화 되고 있다.
SOFC는 발전효율이 높고, 천연가스와 석탄가스 등 다양한 연료에 대응이 가능해, 소형 분산에서 대규모 화력대체 시스템까지 폭넓은 적용성을 가지고 있어, 그 실용화가 크게 기대되고 있다.
일본의 경우 SOFC는 1980년대부터 국가 프로젝트가 시작돼, 2011년 11월 SOFC 가정용 연료전지 시스템이 실용화돼 높은 발전효율이 실증됐다.
그러나 SOFC의 본격적인 보급을 위해서는 비용의 저감과 특히 내구성의 확립이 요구되고 있다. 더욱이 수 kW에서~수백 kW급의 중용량 시스템은 아직 기술개발이 필요한 시점이다.
이러한 배경에서 NEDO에서는 SOFC의 실용화를 가속화하기 위해 2013년부터 ‘고체산화물 연료전지 실용화 추진기술개발’ 프로젝트를 추진하고 있다.
이 프로젝트는 ‘SOFC의 내구성 평가방법에 관한 기초연구’, ‘SOFC를 사용한 업무용 시스템의 실용화기술실증’, ‘SOFC를 이용한 사업용 발전시스템의 요소기술 개발’, ‘차세대 기술 개발’ 4가지 분야를 주제로 이뤄지고 있다.
마지막으로 일본은 2014년 연료전지 자동차 판매개시 및 누적 10만대 이상의 가정용 연료전지 에너팜 보급에 성공해 연료전지 산업화가 본격적으로 성공리에 진행되고 있다.
이와 함께 인산형과 고체산화물연료전지를 중심으로 산업·업무용 연료전지의 꾸준한 보급과 더불어 실증연구를 중심으로 혁신적인 기술개발이 이뤄지고 있다.
우리나라의 경우 연료전지의 산업기반 조성과 초기시장 확립을 위해선 선택과 집중을 통한 전략적 기술개발과 인프라 구축이 필요하며, 이와 병행해 보급기반 정비 등을 통해 전주기적인 연료전지 산업화 육성전략 수립 필요하다.