온실가스 감축을 위한 친환경 발전에 있어서 핵심은 태양광, 풍력 및 수소연료전지로 대표되는 신재생에너지를 통한 분산에너지원의 확대가 될 것이다. 그러나 재생에너지는 공급의 간헐성, 도심 내 입지 제한 등 한계점이 있는 것이 사실이다. 따라서 도시를 중심으로 발달된 에너지 수요 환경은 기저부하를 담당하는 고효율 연료전지를 활용해 재생에너지와 상호 보완함으로써 보다 효율적으로 도시의 탄소 저감을 실현하는 것이 현실적이다. 뿐만 아니라 분산발전 실현, 전력 수요와 공급 불일치 해소(환경 부정의 개선), 수소인프라 적용을 통한 저탄소 에너지 자립 도시까지 실현 가능하다.

연료전지는 현재 우리나라 보급률이 80%에 이르는 도시가스망을 이용해 고효율로 발전하고 부생열을 이용할 수 있다는 점에서 에너지 전환기에 중요한 탄소저감 분산에너지원이다. 청정 연료인 그린수소나 블루수소, 바이오가스 등으로 구성된 가스 그리드를 실현한다면, 연료전지는 무탄소 분산열병합발전 기기로서 수소사회 전환 및 효율적 에너지사회 실현을 당길 수 있는 핵심 역할을 할 것으로 기대된다. 도시가스에서 그린수소 이용까지 청정연료 전환의 전주기상에서 연료전지의 활용으로 기대할 수 있는 탄소저감의 방법은 아래 표1에 설명되어 있다. 연료전지는 연료에 따라 그레이수소, 블루수소, 그린수소 발전원으로 폭넓게 활용될 수 있다. 어떤 연료 인프라에서도 고효율 열병합 분산발전원으로써 탄소 저감과 에너지 저감에 효과적으로 활용될 수 있다. <표1, 참조>

분산에너지원인 연료전지는 에너지 수요처에서 발전하여 높은 효율로 바로 공급함으로써 사회적 비용, 에너지 손실, 환경적 부정의, 도심 탄소 배출 등의 문제를 해결할 수 있다. 이런 이유로 해외에서는 도시가스 기반에서도 건물이나 주택을 중심으로 수요맞춤형 연료전지(비상전원 기능 포함)를 공급해 생산된 전기의 거래 및 발생되는 열 활용을 확대하고 있다. 또한 연료전지 운영에 따른 탄소 저감치에 대한 거래까지 실증(아래 그림(1·2) AISIN 참조)하고 있어 에너지 효율과 탄소저감 기여를 시스템적으로 증명해 나가고 있다. 이처럼 연료전지의 특성과 활용성을 최대화 할 수 있는 방향으로 관련 정책들이 실현되고 있을 뿐 아니라 자국 산업의 체인망도 함께 지속 성장시켜 경쟁력을 갖추어 나가고 있으며, 점진적으로 구축될 그린수소 인프라와의 연계 검토의 노력도 활발하게 이루어지고 있다.

에너지 전환 위한 수소연료전지 전략적 중요성

연료전지 분야는 우리나라가 시작이 늦었기 때문에, 발전용에 진출하고 있는 선진 기술에 비해 국산 시스템의 용량 및 트랙레코드 확보 측면에서 다소 열위에 있다. 건물용을 중심으로 상용 보급이 되고 있으나, 규모의 성장과 활용률은 기대에 미치지 못하고 있다. 그러나 우리 정부와 민간의 지속적인 투자와 개발에 힘입어 국내 관련 기업이 다양해졌고, 현재는 수kW에서 수십kW급까지 다양한 상용 제품이 출시되어 시장을 확대해 나가는 노력이 진행 중이다. 우리나라는 제품의 다양성이 높을 뿐 아니라, 효율적인 측면에서도 선진 기술에 근접하고 있어 트랙레코드를 제외하고는 이전과 다르게 해외의 주요 상용 제품과 비교해 경쟁 가능한 수준이다. 특히 국내 건물용 연료전지 시스템은 국내 소재, 부품 공급망을 기반으로 한 국산 기술이라는 점에서 수소연료전지 산업의 성장을 견인할 K-기술로 평가할 만하다.

그 동안 국가의 보급 제도와 업계의 노력으로 건물용 연료전지의 보급은 확대되어 왔지만 관련된 정책과 제도는 산업통상자원부, 국토교통부, 지방자치단체, 공공기관 등 사이에서 혼재되어 있다. 각종 인증과 규제 역시 복잡하게 얽혀있어 산업계 입장에서는 여러 가지 사업적 난관이 존재하고 있다. 특히 실제 활용적인 측면에서는 연료전지가 이용하는 가스와 생산하는 전기 가격의 변동성이 연료전지 운영 경제성을 확보하기 어렵게 만든다는 것이다. 연료전지 전용 가스 요금제도가 있다고 하지만 최근 국제 가스 가격의 폭등으로 2019년 대비 대폭 상승하였고 즉시 연동되지 못하는 전기요금제도로 인해 열까지 고효율로 활용한다 하더라도 연료전지는 민간 및 공공 사용자가 비용을 지불하면서 운전해야 하는 구조가 되어 있다.

아래 <표2> 처럼 우리나라의 연료전지는 활용 목적(발전용/건물용)에 따라 같은 가격의 가스를 이용하여 같은 전기를 생산하더라도 운전경제성에 큰 차이가 발생한다. 이러한 점 때문에 연료전지를 건물에 배치하고 자가용(가정, 상업, 농업, 교육분야별 전기가격 상이)으로 사용시 상대적으로 저렴한 전기요금제에 의해 사용자가 운영경제성을 확보할 수 없게 된다.

사용자가 에너지 수요가 있는 곳에 직접 설치하여 사용하는 분산발전원임에도 불구하고, 사용자입장에서는 탄소저감 효과가 있는 연료전지로 전기를 생산해 활용하기보다 배출량이 높은 계통의 전기를 쓰는 것이 더 경제적이라는 모순이 발생하게 된다. 이 때문에 연료전지의 활용에 민간참여가 적극적이고 자발적이기 어려울 뿐 아니라, 일부 공공기관조차 가스비 절감을 이유로 연료전지를 운영하지 않는 게 현실이다. 특히 건물용에서 가동률이 낮고 연료전지 보급이 지지부진한 근본적인 이유이다. 따라서 건물용 연료전지에서 생산되는 전기와 열에 대한 분산발전원의 효익을 고려하여 현행 RPS제도 수준의 전기가격으로 평가해주거나 별도의 소규모 전력 거래를 가능케 하여 운전경제성을 확보해줄 필요가 있다.

연료전지 시스템 활용 확대는 제조사의 이익이 아닌 사용자의 탄소저감 참여 확 대 및 국가 탄소저감 정책 목표에 기여하는 일이 될 것이다. 설치가 아닌 운영 중심의 관리와 정책은 사용자에게는 탄소중립에 대한 기여와 실질적 편익 확인으로, 보다 적극적인 참여를 유도하게 되고, 공급자에게는 시장의 니즈 파악과 시스템 신뢰성 개선을 통해 글로벌 경쟁력이 있는 수소연료전지 제품을 확보하게 할 것이다. 하지만 이러한 구조적 문제점을 개선하기 보다 연료전지의 가동률이 낮다는 피상적 이유로 관련 지원을 줄이거나 정책을 수시 변경하는 것은 우리나라 핵심전략 기술인 연료전지 국내 산업 성장의 기회를 박탈하는 것이며, 향후 수소경제 사회에서 실질적인 수소의 활용 및 수소의 생산은 해외 기술에 의존적일 수밖에 없는 사태를 초래하게 만들 것이다. 오랜 기간 꾸준히 성장하고 있는 국가 연료전지 산업의 육성과 수소사회 전환을 위해서라도 사용자가 적극 참여할 수 있는 합리적인 정책으로 신속히 개선되어야 하겠다.

한국형 수소 연료전지 분산발전 도시 구축 필요

우리나라에서는 현재 신재생에너지 설비의 보급·확산을 위한 신재생에너지법에 의거하여, 도심의 공공/민간 건물 증개축시 연료전지가 설치 보급되어 오고 있다. 이 제도는 상용화된 신재생에너지 기술의 에너지 생산량, 시장 경쟁력 등을 고려한 원별보정계수를 적용하여, 각지자체 별 도입환경과 기술 혁신성에 맞추어 합리적으로 적용하여 도입할 수 있도록 지원해 효과적으로 작동하고 있다. 실제로 서울시를 중심으로 한 지자체들은 지역 특성을 고려하여 태양광, 지열, 연료전지 등 도심에 적합한 융합적 신재생에너지원 모델을 구축해 왔다. 한편 최근에는 탄소중립 이행과 건물부문 온실가스 감축 달성을 위한 방안으로 제로에너지 건축물 인증 제도 (이하 ZEB 인증제도)에 대한 도입 및 의무화가 점진적으로 추진되고 상황이다. 건축물에 필요한 에너지 부하를 최소화 (패시브)하고 신재생에너지를 활용해 에너지 소요량을 최소화(액티브)하는 건축물의 에너지 성능을 고도화하는 제도로 공공분야 중심으로 민간분야까지 확대 적용 시켜나가고 있다. 위의 두 가지 제도는 별개의 제도이긴 하나 사실상 도심 건물에 신재생에너지를 설치 보급하는 기준과 지침이 된다는 점에서 연료전지 시장에서는 사실상 동일하게 작용하는 제도이다. 문제는 사실상 같은 작용을 하는 제도가 신재생에너지 발전원을 보급하는데 있어서 매우 상이한 기준을 갖는다는 것이고 특히 연료전지 도입기준면에서 그 차이가 크다는 점이다. 각 제도의 취지는 다르다 하더라도 그 각각의 기준이 신재생에너지 확대 보급에 미치는 영향 크다면 제도의 변경에 따른 변화는 합리적으로 설명되고 개선되어야 할 것이다.

현재 신재생에너지 설치 관련 제도에 의거하여 설계용량을 계산할 때 기준이 되는 것은 각 발전원의 에너지 생산량이 된다. 아래 <표3> 예시처럼 신재생에너지법의 신재생에너지설비지원 등에 관련한 지침(‘22년 8월 개정)상의 내용을 보면 연료전지의 에너지 생산량은 연료전지의 실질적 효율 (전기+열)을 감안하여 계산된 값이며 타 신재생에너지 원(고정식 태양광 : 1,358 kWh/kW〮yr)에 비해 월등히 높다. 이는 건물이 밀집한 도시에서 활용 가능한 에너지 생산 기여율이 높은 기기라는 의미이다. 하지만 같은 연료전지라 하더라도 ZEB 인증 제도 기준에서의 생산량은 상당한 차이가 있다. 이는 생산량이 에너지 환산계수(전력생산 및 연료의 운송 등에서 손실되는 손실분을 고려하기 위해 적용하는 계수)를 기반으로 일괄 계산되고, 연료전지에 필연적으로 사용되는 연료의 에너지량을 생산량에서 감했기 때문에 상당히 낮아지게 되는 것이다. 따라서 필연적으로 연료에 의한 차감이 없는 다른 발전 원에 비해 상대적으로 에너지 자립률 면에서 큰 차이를 나타낼 수 밖에 없다.

또한 ZEB인증 제도상에는 발전원별 기술성, 경제성, 보급량의 차이를 감안한 보정계수의 적용이 없다. 보정계수란 탄소저감 및 에너지 절감이 큰 신기술의 도입 촉진을 위한 보완책으로서 신재생에너지 발전원의 기술 향상 및 균형적 보급을 위해 적용되는 계수이다. 보급량 및 시장가격의 변동에 따라 주기적으로 갱신되므로, 사실상 신규 신재생에너지원의 보급확산에 결정적인 역할을 하고 있다. 그러나 ZEB제도에서는 이를 배제함으로써 아직은 시장경쟁력을 갖출 만큼의 규모로 성장하지 못한 신규 신재생에너지 발전원 보급을 어렵게 만들고 있어 반드시 개선이 필요하다.

ZEB 인증 제도는 건물이 많은 인구가 밀집한 대도시를 중심으로 활발하게 적용될 수밖에 없는 제도이다. 대부분 가스인프라가 잘 형성되어 있는 곳이고, 설치면적 대비 공급 전력이 큰 분산발전원이 선호되는 곳이다. 에너지 자립이 어려운 섬과 같은 특성을 가진 도시에서 태양광, 지열, 단열 등만으로는 간헐성과 에너지생산량을 감안할 때 수요와 공급의 불일치로 현실적으로 완전한 자립은 어려울 것이다. 결국 부족한 자립률만큼 도시가스를 이용해 연소방식의 열공급을 하거나 상대적으로 탄소 배출이 높고 장거리 송배전망이 요구되는 계통 전기를 이용해서 건물 에너지를 보충하여야 한다. 대규모 전력 수요지인 도시가 전기화를 빠르게 추진하게 된다면 발전을 맡은 해당 지자체 지역은 필연적으로 탄소를 더 발생시키게 되어 결국 제로섬 게임에 봉착하게 되며 환경 부정의(Injustice)만 심화된다. 기저부하성의 저탄소 고효율 분산 발전원 없이는 제도의 궁극적인 목표인 도심건물에서 전력 자립률 확보로 탄소저감을 실현함에는 분명 한계가 있을 것이다. 이러한 도시의 특징을 고려할 때 고도의 도심 에너지 인프라를 활용해 고효율의 전기와 열을 공급할 수 있는 연료전지의 적합성과 활용가치가 충분히 고민된 제도인지 신중하게 재검토해 볼 필요가 있다.

국내 산업 중심 정책과 민간 참여가 수소경제 핵심

수소는 “우리나라도 만들 수 있는 에너지”라고 한다. 청정수소 생산의 핵심기술인 수전해 기술 경쟁력은 연료전지 기술의 수준이 결정하므로 연료전지 관련 국내 산업의 육성이 곧 청정수소 생산 산업의 확보로 이어진다. 수소사회가 국내 산업을 기반으로 성장하지 못하면 수소는 우리가 만드는 에너지가 될 수 없고 우리는 여전히 에너지 수입국이 될 것이다. 우리나라는 수소와 연료전지 관련 각종 지원법과 제도를 바탕으로 가장 선제적으로 산업을 확대해 나가고 있으나 총량 중심의 보급보다 활용중심으로 실용성을 확대해나가고, 국내 소재 부품 공급망과 기술이 경쟁력을 갖추어 나갈 수 있도록 관련 제도의 세심한 합리화가 조속히 필요하다. 도심의 연료전지는 사용자의 공간에서 직접 발전하여 이용하는 발전원인만큼, 연료전지의 운전 경제성을 확보하도록 하여 민간이 참여하는 도시 전력자립률 개선 및 탄소저감 기여를 확대시키고 인식개선을 통해 수소사회 전환이 원할하도록 꾀할 필요가 있다. 아직 수소연료전지 및 수전해 기술은 충분히 경쟁 가능한 산업형성 초기에 있으므로 더 늦기 전에 국내 산업육성에 보다 적극적인 정책으로 에너지 패권을 확보하는 기회가 될 수 있기를 기대한다.