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[에너지전환시대의 신기술·신산업-연료전지분야]
남영태 기자  |  nam@gasnews.com
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[1328호] 승인 2018.01.04  23:16:00
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▲ 에스퓨얼셀이 재생에너지+연료전지로 구성한 하이브리드 시스템 조감도

 에스퓨얼셀   연료전지+재생에너지 결합 

독립형 발전 으뜸 ‘하이브리드시스템’

주·야간 전력 공급으로 에너지자립 실현 ‘톡톡’
독립·백업전원, ESS 등 시장 활용도 다양성 높아

최근 신재생에너지 하이브리드시스템은 도서지역에서 기존 발전설비를 대체하면서 독립형 발전시스템으로 가장 강력한 대안으로 떠오르고 있다.

또한 기존 전원 독립형 시스템보다 발전 지속시간이 길고 유지보수 비용이 저렴하다는 점과 태양전지 및 연료전지의 하이브리드를 통해 주·야간 전력을 공급할 수 있어 선진국에서의 수요도 점차 증가하고 있다.

특히 국내에서 도서지역의 경우 그간 디젤발전기 연료의 단가상승에 따른 전력공급 비용이 상승하고 있어, 그 대안으로 환경문제를 발생시키지 않으면서, 디젤발전기를 대체할 수 있는 하이브리드시스템이 각광받고 있다.

현재 신재생에너지로 하이브리드시스템 개발을 주도하고 있는 에스퓨얼셀㈜은 태양광(26㎾), 연료전지(5㎾), 수전해(10Nm³), 수소저장탱크(3Nm³), B-ESS(45㎾h) 등의 설비로 EMS기반의 통합제어 알고리즘 검증 및 신뢰성 확보를 위해 데모사이트를 구축해 운영했다. 또 이르면 이달 강원테크노파크 부지 내에 실증사이트를 구축해 본격 운전에 돌입할 예정이다.

에스퓨얼셀은 시스템의 고효율화를 위한 방안으로 전력변화 시스템의 안정적 유도 및 전력손실을 줄일 수 있는 DC-bus를 채용했다.

회사 측에 따르면 연료전지를 연계한 하이브리드시스템의 전기에너지 저장 및 이용 효율은 기존 배터리저장 시스템 대비 약 56% 낮지만, 전기와 열에너지를 동시에 사용할 수 있기 때문에 에너지 활용 측면에서는 더욱 효과가 클 것으로 기대된다.

에스퓨얼셀 관계자는 “하이브리드시스템을 데모사이트에서 운전한 결과 도서 및 상업지역 등 다양한 부하조건과 부조일에 대응이 가능한 것으로 확인됐다”면서 “하루 8시간 매일 운전과 정지(DSS, Daily start stop)를 반복한 결과 데모사이트에 설치된 시스템의 자동운전 성능을 확인했고, 신뢰성 검증을 위한 자동운전 진행 및 실증데이터를 확보했다”고 설명했다.

실증데이터 자료에 따르면 DSS운전을 통해 하루 약 8시간 동안 PV로부터 약 45㎾h의 전력을 공급해 약 9Nm³의 수소를 생산 및 저장할 수 있다. 또 수전해 시스템의 효율 역시 59.9%로 확인됐다.

이러한 하이브리드시스템은 발전사업(에너지자립섬)과 독립·백원전원 등 다양한 분야의 시장에서 활용이 가능하다. 특히 이 가운데 에너지자립섬의 경우 국내 도서지역에 적용이 탁월하다.

연간 전력 사용량이 446㎿h인 도서지역을 대상으로 기존 디젤발전기(240㎾)와 하이브리드시스템(태양광 900㎾, 연료전지 100㎾)의 20년간 운영비용을 산출해 비교한 결과, 하이브리드시스템이 디젤발전기 대비 약 70% 정도 절감할 수 있다.

에스퓨얼셀 관계자는 “하이브리드시스템으로 연료 운송 및 보충으로부터 자유로운 연료 독립형 하이브리드시스템을 통한 경제적인 전력 공급이 될 수 있도록 지속적인 연구·개발에 매진할 것”이라면서 “이를 통해 신개념 융·복합 독립 분산전원 시스템 시장을 개척할 것”이라고 말했다.

 

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▲ SOFC-엔진 하이브리드시템 시제품 개발과제 구성 및 기관별 역할

 미코   연료전지+가스엔진 결합 

연료전지 기반으로 건물용 시장진입

발전 후 남은 미사용 가스 엔진으로 재발전 효율 높여
백업·분산발전용 등으로 다양한 수요에 대응 가능

최근 고체산화물 연료전지(SOFC) 선진국으로 알려진 미국과 유럽, 일본의 경우 미래 에너지 산업의 중심으로서 SOFC-가스터빈, SOFC-가스엔진 등 SOFC와 기존 연소기술을 연계한 융·복합시스템 개발에 매진하고 있다.

이러한 선진국의 움직임은 다양한 연료를 적용할 수 있으며, 고온에서 작동돼 소·중대용량 발전원으로 탁월한 SOFC와 기존 연소기술을 결합해 발전효율을 높임과 동시에 다양한 수요시장에 대응하기 위함이다.

이러한 세계흐름에 뒤처지지 않기 위해 ㈜미코는 지난 2014년 6월부터 지난해 5월까지 정부과제로 한국기계연구원 등 산·학·연 컨소시엄과 함께 ‘100㎾급 고온 연료전지-엔진 하이브리드 발전시스템 엔지니어링 기술개발’을 완료했다.

당시 개발된 프로토타입 5㎾급 SOFC-엔진하이브리드 시스템은 200시간 이상 성공적인 시운전을 통해 DC효율을 약 60%가까이 달성한 성과를 도출키도 했다.

특히 당시 과제에 참여한 컨소시엄은 선행과제로 도출된 고온 연료전지-엔진 하이브리드 시스템을 상용화시키기 위해 후속과제를 기획, 지난해 10월부터 오는 2020년까지 4년간 ‘5㎾급 상용 고효율 연료전지-엔진 하이브리드시스템 설계 패키지 및 시제품 개발’ 과제를 수행하고 있다.

이번 과제의 주관기관인 미코의 한 관계자는 “이번 과제는 기존 발전장치에 연료전지를 결합해 연료전지에서 발전 후 남은 미사용가스를 엔진에서 한 번 더 발전시켜 시스템의 고효율화를 도모하기 위함”이라며 “이를 통해 건물용 시장은 물론 단일스택을 연결하여 고출력화하는 기술을 접목하여 향후 백업용, 분산발전용 등으로 활용할 수 있도록 할 계획”이라고 설명했다.

실제로 기존 가스터빈대비 가스엔진은 다양한 용량의 제품이 존재한다. 때문에 현재 소형 출력의 SOFC 스택 기술과 용량적 매칭성이 우수하다는 것이 회사 측의 설명이다.

특히 5㎾급 SOFC-엔진 하이브리드시스템 시제품 출시를 위해 산·학·연은 명확한 업무분담으로 기술개발이 한창이다.

우선 미코는 단일스택을 직병렬 연결했을 때 일정한 스택 출력이 유지될 수 있도록 단위스택의 안정성과 신뢰성에 집중한다. 또 이를 기반으로 스택 연결 성능을 확보하고, 시스템 설계·제조·운전 및 효율 향상에 주력한다.

또한 참여기관인 한국기계연구원은 하이브리드 시스템 제어 알고리즘 확보와, 설계 패키지 개발을 맡고 한국에너지기술연구원은 인증 기준 마련·진행을 담당한다.

아울러 에코스는 6㎾급 계통연계형 양방향 인버터 개발을 충남대학교는 중온 페열 개질기 기술을 개발하고 서울대학교는 하이브리드시스템용 엔진 설계 및 운전제어 전략 기술 개발에 집중한다.

미코 측은 5㎾급 SOFC-엔진 하이브리드시스템이 개발될 경우 수십~수백㎾급 대용량 SOFC 상용화 시스템 개발에 활용될 수 있다고 기대했다. 또한 연료전지 기반으로 한 고효율 발전원으로 건물용 시장에 진입할 수 있을 것으로 내다봤다.

미코 관계자는 “이번 과제를 성공적으로 완료한다면 연료전지 기반 열병합시스템 기술의 상용화를 촉진시키고, 시스템 관련 부품산업의 일자리창출 등 산업 확대에 큰 기여할 것”이라면서 “또한 국내 RPS 시장 확대는 물론 선진국의 분산발전시장으로 수출 사업화도 가능할 것으로 전망된다”고 말했다.

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