[가스신문 = 한상원 기자]  2019년 우리나라는 수소연료전지발전설비 보급현황 세계 1위라는 큰 성과를 이루며 빠르게 발전했다. 산업부와 전력거래소 자료에 따르면 수소연료전지발전설비 용량은 2018년 333MW, 2019년 405MW, 2020년 610MW, 2021년 688MW, 2022년은 10월 기준(현재) 831MW이다. 보조금은 2015년 1,607억원에서 2021년 5,718억원으로 6년 사이 3배 이상 급증했다.

발전하는 연료전지 시장 속 ‘제1차 수소경제 이행계획’에서 총 3가지 유형으로 지원할 것을 약속했다. 2030년까지 안정적인 수소 수요를 창출하여 수소경제 활성화 및 민간투자 확대를 위한 생태계 기반 구축, 열과 전기를 동시에 활용해 송전선로 건설 최소화해 분산 자원으로 활용할 수 있도록 수요지 인근으로 유도, 출력 증감발 기능을 통해 전력계통 안정에 기여할 수 있는 유연성 보유 요건화다.

수소연료발전은 정부의 수소경제 비전 속 2050 탄소중립 목표와 함께 한 축을 맡는다. 이번 특집에서는 수소연료전지발전설비의 필요성과 문제점, 개선점에 대해 알아보려고 한다.

수소연료전지발전설비 강점

수소연료전지발전설비는 수소연료전지를 활용하여 전기를 생성하는 발전설비이다. 원리는 천연가스에서 수소를 추출하여 산소와 화학반응을 시켜 물과 전기를 생성한다. 이는 물을 전기 분해하는 반응의 역반응을 이용한 것이다. 수소와 산소와의 화학반응을 일으키기 전, 천연가스에서 수소를 추출하는 과정이 필요하다. 이 과정에서는 NOx(질소화합물), SOx(황산화물) 등의 불순물이 발생한다. 수소연료전지발전설비로 전기를 생산해낼 때 유해물질이 아예 나오지 않는 것은 아니다.

하지만 수소연료전지발전설비의 장점은 타 발전원에 비해 고온 연소과정이 없어 NOx 배출량이 LNG발전소의 1/20 수준이며, SOx와 분진 등 대기오염물질 배출이 거의 없고, 이산화탄소는 일반 화력발전보다 약 40% 가까이 적게 배출되며 오히려 미세필터를 통해 초미세먼지를 걸러내는 대표적인 친환경 발전 방식으로 주목받는다.

최근 LNG 생산기지에 수소연료전지발전설비가 많이 생기면서 증발가스에 대한 관심도가 높아졌다. 증발가스는 LNG저장탱크 내부와 외부의 온도차에 의한 내부온도 상승으로 일부 LNG가 자연적으로 기화되어 발생한다. 이렇게 생긴 가스는 저장탱크 내부압력 상승 요인이 되어 구조적 안정성에 문제를 발생시킬 수 있어, 주로 재액화 과정을 거치거나 압력을 상승시켜 송출한다. 그러나 증발가스를 연료전지의 연료로 사용한다면 이 과정도 생략할 수 있어 처리비용이 절감되고 에너지 효율도 높일 수 있다.

다른 장점으로는 타 발전원에 비해 소음이 매우 적고, 작은 부지로도 설치가 가능해 도심에서의 경쟁력도 가지고 있다. 수소연료전지발전소는 10m 이상부터 소음환경기준치 65dB보다 이하인 60dB을 기록하고 있으며, 35m에서는 55dB을 기록하며 소음 문제가 없는 것으로 나타났다. 또한 실제로 다른 발전소에 비해 필요 면적량이 작아 도심 속에서도 충분히 구축할 수 있다.

세계 최초 부생수소 발전설비

지난 2018년 1월 한화에너지(49%)와 한국동서발전(35%), 두산(10%)이 공동출자해 특수목적법인(SPC)을 설립하면서 대산수소연료전지발전설비 건설을 추진했다. 동서발전은 신재생에너지 공급인증서(REC) 매입을, 한화에너지는 전력생산에 필요한 수소 공급과 발전설비 운영을, 두산퓨얼셀은 연료전지 유지보수를 맡고 있다. 두산퓨얼셀과는 향후 20년간 장비공급과 설비 유지보수를 보증하는 LTSA(장기서비스계약)를 체결했다. 계약금액은 매년 145억원 수준으로 책정했다.

대산그린에너지는 2020년 7월에 상업운전을 시작한 세계 최초, 최대 부생수소 연료전지발전설비이다. 부지 규모는 충남 대산산업단지 내 2만㎡이고 발전형식은 PAFC이다. 현재 98%의 평균가동률을 유지하며 안정적으로 운영되고 있으며 연간 40만㎿h의 전력을 생산한다. 이 발전설비는 충남지역 약 16만가구에서 한 해 동안 사용하는 전기를 생산하고 있다. 서산시 전력소비량의 5%에 해당한다.

특히 연료인 수소를 인근에 위치한 한화토탈로부터 공급받게 된다. 석유화학공정에서 발생하는 부생수소가 지하 배관을 타고 공급되는 방식이며, 산소와 전기화학 반응을 일으켜 전력을 생산하고, 부산물로는 순수한 물만 생산된다. LNG에서 수소를 추출할 때보다 순도가 높아 연료전지를 더 안정적으로 가동할 수 있으며 부생수소를 재활용하기 때문에 대기오염도 줄일 수 있다.

대산수소연료전지발전설비 관계자는 “사업 당시 LNG를 개질하는 방식의 수소연료전지발전설비는 국내와 해외에도 많이 있었지만 수소를 직접 공급하는 방식은 이 발전설비가 처음입니다”라고 말하며 발전설비에 대한 자긍심을 가진 모습을 보였다.

지역 상생형 수소연료전지발전설비

최근까지도 국내에서는 LNG생산기지에 수소연료전지발전설비를 건설하고 LNG 저장탱크에서 발생되는 증발가스를 연료전지의 연료로 공급하는 형태의 발전 사업이 이루어지고 있다. 증발가스를 활용한 연료전지 사업에서 가장 중요한 것은 경제성을 확보하는 것이다. 우리나라는 세계 3위의 LNG 수입국이며 LNG생산기지를 운용하고 있으므로 수소연료전지발전설비 용량 확대에도 이점이 있다.

하지만 수소연료전지발전설비는 여전히 인근 주민들에게 외면받고 있다. 시설에 따른 폭발 위험성 우려와 지역 가치 저하 그리고 화석연료에서 수소를 추출하는 ‘그레이수소’가 대기환경에 좋지 않다는 평가 때문이다.

대표적으로 여전히 진행 중인 인천 송도국제도시 ‘수소연료전지발전설비사업’이 지난해 12월부터 지금까지 산업통상자원부 전기위원회 심의 단계에 머물러있다. 이 사업은 한국가스공사와 한국수력원자력 등이 참여하며, 송도 LNG기지 내 2만1,818㎡ 부지에 100㎿급 수소연료전지발전설비를 짓는 내용이다.

특수목적법인 송도그린에너지에 따르면 전기사업 허가를 받은 뒤 환경영향평가와 개발행위 허가 등을 거쳐 올해 말 공사에 본격적으로 나설 계획이었다. 하지만 인근 주민들이 산업통상자원부에 발전설비 설치 반대 입장이 담긴 의견서를 제출하면서 난항을 겪고 있다. 이유는 크게 다르지 않다. 23기의 LNG저장탱크와 연동된 발전시설에 대한 불안 심화, 그레이수소 방식의 발전설비 운영은 그린에너지에 대한 세계화 추세에 맞지 않다는 의견 등이다.

한국가스공사 인천LNG기지본부는 올해 7월 8차에 이어 9차 회의를 진행했다. 회의에서는 이산화탄소 저감 방안으로 포집 기술을 활용해 정부 그린수소 로드맵에 따라 2030년 블루수소, 2050년 그린수소 적용을 검토할 예정이라고 설명하며 이렇게 포집된 이산화탄소를 활용해 송도 지역 고용창출 및 가치증진 사업으로써 송도주민이 참여하는 스마트팜을 조성, 깨끗하고 안전한 채소와 과일을 생산해 송도의 학교와 아파트에 공급하는 방안을 검토 중이라고 밝혔다.

이에 대해 주민협의체의 한 위원은 “부지 근처에 스마트팜을 조성해 이산화탄소도 저감할 뿐만 아니라 주민들과 이익을 공유하고 생산된 깨끗한 채소를 주민들에게 공급하는 것은 좋은 아이디어인 것 같다”고 수긍하는 모습을 보였다.

이러한 현상을 해결하기 위해선 지역 상생형 연료전지발전설비를 향하는 길이 옳다. 대표적으로 에너지 소외지역에 도시가스를 공급하여 지역발전과 에너지 복지를 구현한 인천수소연료전지발전설비(39.6MW)가 있다.

또한, 파주에코에너지의 경우는 국내 1호 농촌상생형 수소연료전지발전설비로 8.1MW의 발전용 연료전지를 파주시 도내리 마을에 건설해 현재 6만3천 세대가 사용할 전기를 안정적으로 공급하고 있다. 경기도 이천을 비롯해 대구 수성구, 울산 등에서도 지역 상생 수소연료전지발전설비 건설계획이 추진되고 있다. 민원에 대한 확실한 대안법 제시와 사업자에게 경제성을 부여한다면 수소연료전지발전설비 구축에 있어서 큰 긍정적 효과를 누릴 수 있을 것으로 보인다.