환경데일리 - 건물용 연료전지 보급 안되는 이유?

▲건물용 연료전지가 탄소중립을 위한 디딤돌이 될 수 있나. 이 부분에 대해 명쾌한 입장이 없는 상황이다.

[환경데일리 김영민 기자]국가 수소경제 활성화 로드맵을 보면, 수소차와 연료전지를 세계시장 점유율 1위 달성해 그린수소 산유국으로 비전을 걸었다.

현실은 정반대다. 그린수소, 블루수소, 그레이 수소 등의 원료 확보에 대한 불확실성과 안전성 기술의 한계, 수요예측과 그중 석탄, 태양광 풍력 등 에너지원과 충돌이 기득권 시장에서 외면당하고 있다. 특히, 정부의 정책방향과 지자체는 서로 다른 시선이다.

건물용 연료전지를 가동하는 것과 싼 전기요금으로 일반 전기를 사용하는 것과 차별성이 없을 뿐더러, 건물주의 생각이 변화되지 않고 있어서다. 

특히, 건물용 연료전지 관리와 설령 가동한다고 해서도 열을 식히고 나온 온수를 쓸 곳이 없어 그냥 버리는 이상한 구조도 풀어야 할 과제다. 고층 건물주 경우는 설계상 설계와 충돌이 일어나고, 비효율성으로 연료전지 설치를 기피하고 있다.

■대형건물 있는 지자체 건물용 연료전지 인센티브 없어 외면

연료전지 제조생산 업계 역시, 다양한 규모의 건물 특성에 맞춤이 아닌 천편일륜적인 틀에 갇혀서 소비자 수요 니즈에 벗어나 있는 것도 보급확대에 장애원인이 되고 있다.

그렇다고 연료전지가 장점이 없는 것은 아니다. 대기환경오염 주범인 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 배출이 타 에너지원보다 월등이 낮다. 또 연료전지를 가동할 경우 미세먼지 문제까지 해결하는데 실제로 연료전지 1MW는 성인 기준 약 1만명 이상이 호흡할수 있는 공기를 흡입해 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM1.5) 불순물을 걸러 맑은 공기를 셀(CELL)에 공급한다.

수소법 개정에서 2040년까지 수소차 생산량은 620만대로, 수소충전소는 1200개로, 수소생산량은 연 526만톤 공급해 공급가를 3000원/kg으로 인하 목표하고 있다.

수소 연료전지(Fuel cell) 개념은 수소가스를 주입하면 연료극과 촉매제, 공기극 사이에서 산소가 들어가 고온때문에 뜨거운 물이 생산된다. 촉매제는 수소(H, Hydrogen)와 물(H2O), 산소(O)과 충돌해 여기서 2차 전지인 충전배터리에 전기가 충전되게 된다. 이론적으로 발전 효율이 높고 친환경적이다.

완벽하게 문제해소가 되는 건 아니다. 이중 건축용 연료전지가 한계에 부딪치고 있다. 원인 크게 4가지다. 우선 도시가스업계의 깊은 고민인 천연가스로 수소를 생산해 연료전지용으로 공급한다는 데 회의적이다. 이 틈바구니로 폐플라스틱 등을 활용한 수소기술이 속속 등장하고 있어서다.

투자대비 자원순환경제차원에서 도시가스보다 폐기물을 활용한 수소가스생산이 더 경제측면으로 유리하다는 신재생에너지 전문가들 입김이다. 특히, 건물용 연료전지 보급 한계와 비현실적인 낮은 전기요금 체계, 기존 신재생에너지원과 시장점유율 싸움이 난코스로 존재하고 있다.

실제로 신생 수소생산 기업 (주)프라젠 경국현 대표는 "최근 중부발전과 실증화 설비를 위해 폐플라스틱을 활용한 그린수소 생산에 집중하고 있지만, 현실적으로 수소시장에 냉랭하다."고 말했다.

■수소생산 기업과 같이 호흡할 제도권 생산성 보장해야
또한, 스페인에서 도입을 앞두고 있는 열분해유 플랜트 기술은 수소와 고급 경유까지 생산화가 가능하다. 자원순환의 역순환이 되면서 국내 고형연료 시장이 홀대받거나, 폐합성수지 등이 시멘트 제조공장에서 소각되는 에너지산업 모순도 수소경제 장벽이다. 이 업체 김서호 대표이사는 "스페인으로부터 직접 기술이전을 가져온다."며 "이유는 우리 지자체는 민원 등을 이유로 현장에서 직접 보여줘야 믿는 현실을 볼 때, 수소생산기술이나 열분해유 보급 생산도 이런 맥락"이라고 했다.

이산화탄소 저장기술이 수소시장을 방해한다는 의견도 나왔다. CCUS(탄소포집저장) 기술 역시 걸음마 단계다. 일부에서는 저장보단 곧바로 탄소를 수소가스화하는것이 유리하다는 주장이다. CCUS는 2025년 4%를 시작해 2035년에 약 89%까지 추출수소 과정에서 나오는 이산화탄소를 포집 목표로 잡고 있다. 이런 복합적인 문제와 방안을 찾기 위해 '건물용 연료전지 활성화 방안 토론회'가 있었다.

이번 토론회는 7일 의원회관에서 한국도시가스협회, 한국수소및신에너지학회, 한국연료전지협의회, 국민의힘 김학용, 이주환 의원이 함께 마련했다.

김학용 의원은 "화석연료에서 친환경 신재생에너지로의 전환을 노력하고 있지만, 여전히 개선해야 할 과제가 적지 않다."며 "고유가시대에 도달한 상황인 가운데 국산 기술을 중심으로 전개되는 건물용 연료전지는 소재 부품 공급망을 기반으로 성장하고 있어 산업의 가치가 더 증대되고 있다."고 말했다.

같은 당 이주환 의원은 "연료전지는 수소활용 산업의 핵심"이라며 "수소 경제 로드맵은 2018년 307.6메가와트에 불과했던 연료전지발전설비 용량을 올해 1.5기가와트, 2040년 15기가와트까지 늘릴 예정"이라고 했다.

■실제 가동되는지 애물단지인지 모니터링 없어

이번 토론회를 연 배경도 정부 청사진과 달리 건물용 연료전지 보급과 가동은 저조하다. 원인은 수요공급의 불균형과 기술적, 정책적 지원이 부족 탓이다.

한국연료전지협의회 자료에 따르면, 국내 건물용 연료전지는 2018년 217개소에 설비용량 3.9메가와트에 그쳤다. 2020년말 기준 664개소에 설비용량 10만9000메가와트로 급증하고 있다. 불과 2년 사이에 연료전지를 설치한 건물은 3배 가까이 늘었고, 설비용량 역시 2.8배 늘어났다.

문제는 설치후 사후관리 부실로 사실상 방치되고 있다. 보조금만 빼먹는 하마인 셈이다. 건물용 연료전지 지원정책과 관련, 이한우 한국에너지공단 수소경제추진단장은 "법적 정책은 뒷받침이 되고 있는데, 발전용 연료, 태양광 신재생에너지처럼 연료전기 활성화가 갈 수 있는지 의문이 든다."고 회의적인 입장을 냈다.

▲두산퓨얼셀 수소연료전지

산업부 보급제도 확대정책에 보조금 지원사업으로 서울시는 조례(500m2 규모 이상)로 연료전지 설치 의무화를 추진해왔다.

건축용 연료전지의 미래는 불투명하다. 보급에 제약을 준 건 보조금 단가 하향과 공공기관 대상때문이다. 신재생설비 설치의무화는 연면적 1000m2 이상 건축물로 신축 증개축을 규정하고 있다. 연료전지 전용 LNG 요금제도와 관련, 비슷한 유형인 도시가스발전용 열병합용 요금보다 약6% 저렴한 수준으로 부과하고 있다.

도시가스 업계 관계자는 "멀리 보면 생존권이 달려있다. 도시가스로 수소발전 생산해서 경제성이 맞는지, 또 퇴출돼야 할 석탄이 다시 컴백해 수소산업을 주도하느냐는 모두의 공통 문제"라고 말했다.

국내 가정용 연료전지 생산은 두산퓨얼셀, 에스퓨얼셀, 범한퓨얼셀 3사가 보조금 지원과 의무화사업을 통해 약 7MW 보급 실적 정도다.

■전지 전문가 차세대 연료전지 SOFC 시장 리더 전망
그간 보급에 허점이었던 정책주체인 정부, 지자체, 생산주체인 기업조차 연료전지 보급만 해놓고 실제로 가동되는지 애물단지가 되고 있는 모니터링이 전혀 되지 않았다.

지방으로 갈수록 연료전지 저조한 보급은 빙산의 일각이다. 그만큼 큰 건물이 없어 수요가 없다. 수소연료전지 업계 하나된 입장은 탄소중립시대에서 주도할 지자체는 아예 관심 밖이다고 했다. 무엇보다도 수소 연료전지에 대한 푹발 위험성에 대한 신뢰할 만큼 기술이 되는지도 여전히 불씨로 남아있다.

이번 토론회에서 정부의 보조와 규제완화를 통해 연료전지 구매 소비자들이 불편없이 친환경적인 선택의 폭이 자유로울 수 있는지 의견도 컸다.

동종업계 관계자는 "공공기관 설치의무화에 대한 가동실적 등 보고와 A/S강화를 비롯해 지자체 조례개정으로 정부에 정기 실적 제출 협의가 따라줘야 한다."고 했다. 이 부분에 대해, 이한우 단장은 "국비지원 개선으로 자부담에 대한 현행 일시불 지급 시스템을 바꿔야 한다."고 했다.

▲에스퓨얼셀이 생산하고 있는 5~10kW급 연료전지 시스템, 도시가스인 LNG 또는 LPG를 주연료로 하고 있다.

정기석 에기평 박사는 "태양광발전 단가로 이하로 갈 수 있는지, 분산용 발전과 열효율성까지 내다보면 향후 도시가스 산업 문제(보급율 하락)로 대략 5000만 TOE줄어들 것"이다고 했다.

이 발언은 수소 경제 이행을 위해서는 중요한 이정표인 셈이다. 이 단장은 "연료전지는 '청정수소'라고 불리는 발전 시장에서 터빈 또는 석탄 혼소 및 석탄 보일러들과 경쟁을 해야 되는 상황이 도래한다."고 예측했다.

그는 "값싼 수소 생산 시장들의 가능성을 비춰보면 소위 산유국인 사우디아라비아, UAE 등은 수소 원료인 암모니아를 국내에 공급하고, 호주 역시 석탄으로 수소 보급할 날이 올 것"이다고 했다.

이 단장은 "SOFC(고체산화물 연료전지) 또는 건물용 연료전지 PEMFC(고분자 전해질막 연료전지)는 어떠한 방향으로 가야 될 것인가를 고민해야 한다.

전지 전문가들은 차세대 연료전지 SOFC가 시장을 리더할 것으로 전망했다. 이를 위해 크게 건물용 연료전지의 네 가지가 필요하다.

첫 번째 태양광 이하로 발전 단가를 일단 만들고 열과 전기의 분산 발전 효용성을 극대화시켜야 한다. 두 번째, 전기만 공급해서 석탄 발전과 가스터빈과 경쟁할 수 있는 명분을 확보할 수 없다. 연료전지 사업 활성화되는 매력포인트는 가스 산업과 같이 공간 성장이다. 세 번째는 연료전지와 도시가스 사업에 문제를 안고 있다. 과거 도시가스사의 사업포토폴리오 경계를 깨야 한다는 주장이다. 단순히 열공급을 뛰어넘어 도시가스 산업 활성화 전략의 동반성장을 요구가 높아지고 있다. 네 번째는 재생에너지 보급이 위치가 커지면서 도시가스사의 이용률과 보급률은 계속 떨어지고 있는 상황에 유럽발 '탈도시가스화'를 더욱더 가속화시킬 것이라는 주장했다.

그러나, 그동안, 전력시장과 도시가스, LPG 시장은 다음 단계의 차세대 에너지원화 기술 개발을 넘지 않는채 공급만에 치중했다.

▲두산퓨얼셀은 최근 한국남부발전, 삼성물산 건설부문, 한국에너지기술연구원과 청정수소 연료전지 개발·전환을 위한 협약 체결했다. 이번 협약은 청정수소 인증제, 청정수소발전의무화제(CHPS) 등 국내 수소경제 활성화 정책에 부응하기 위해 마련됐다. ▲연료전지  연계 CCU(Carbon Capture, Utilization) 기술 개발 ▲기존 수소 연료전지를 블루·그린수소 연료전지로 전환 ▲암모니아 연료전지 실증 사업 공동협력 및 사업화가 주요 내용이다.

​■기업들 가정용 100개 200개 쌓아서 발전 발상 비판

이날 토론회에서 도시가스화와 건물용 연료전지 제조사들이 연계한 이익 공유해 시장 활성화시켜 나갈 것인가에 대한 공감대를 형성했다. 결국 SOFC로 연료비가 좀 커져야 하고 5kW, 8kW 수준의 저용량 연료전지로는 경제성 확보는 어렵다는 것이 한 목소리다.

현재 가정용 연료전지생산은 미코, STX에너지솔루션, 도산, 블롬SK퓨얼셀 등 7개사 정도다. 건물용 경우 열을 활용하기 위한 제2 에너지원이 필요하는데 열과 온수를 포집, 재활용하지 않고 버려졌다.

토론회에서 작은 연료전지 개발은 다른 기술이라는 주장이 나왔다. 현재 소형 스택의 개념과 다른 대형화시켜서 모듈화해 연료를 분배하고 조정 기능하는 연료 변제 개발이 필요한 상황이다.

문제는 국내 대부분의 기업들은 가정용을 100개 200개 쌓아서 발전용을 만들겠다는 발상도 비판했다. 따라서 건물 규모에 따라, 제각기 맞는 다양한 품질의 열을 맞춤형으로 생산하고 관리할 수 있는 통합적인 시스템의 개발과 관리도 필요하다고 목소리를 냈다.

기술 진화 관건은 도시가스 수요와 연계시켜주고 연료계 수요를 활성화해 국제사회와 약속한 탈탄소에 기여할 중요한 전략을 기대하고 있다. 이자리에서 현재 국내 기술로도 소형 건물용 연료전지는 대용량으로 충분한다며 다만 국가적인 차원에서 개념화를 할 수 있게 기술개발을 터줘야 한다고 호소했다.

종합토론에서 좌장인 안국영 한국기계연구원 박사는 "수소연료전지 발전으로 비약적인 도약을 했지만, 수소법 개정은 다각화된 접근방식에서 시장이 완전히 열리지 못하고 있다."고 말했다.

배준형 산업부 과장은 "오늘 토론회에 지자체가 빠져 아쉽다."며 "현재 시스템 등이 정착돼 있지 않다."고 말했다.

배 과장은 "도시가스협회와 지자체간의 연료전지 공급에 따른 여러가지 테스트를 했지만, 분산형 에너지화를 위해서 전기와 열 기술은 올라간 반면, LNG 보조연료를 쓰는 건 비판을 줄일 수 있다."고 우려했다. 일부에서는 일본을 성공사례로 꼽고 있지만 현재 43만대 정도 보급(700메가와트선)에서 0.7%에 불과하다. 배 과장은 "과연 성장산업으로 가는데 많은 고민을 따르고, 가동율을 높이기 위해 지차체와 협력하지만 지금 전기요금 체계에서는 쉽지 않다."고 회의적인 발언을 감추지 않았다.

특히 "5단계에서 4단계로 누진이 완화됐지만, 전기요금과 가스요금이 현실화되지 않으면 고전할 것"이라며 "지자체 경우 공공기관은 연료전지 설치이후 예산반영이 안잡혀 있는 것도 가동율을 높이도록 문제가 되고 있다."고 강조했다.

■건축가 입장 태양광 비선호 반면 연료전지 더 선호

연료전지 보급을 좌우하는 부분은 가격력과 일본처럼 정부보조 폐지인데 시장이 활성될 때 가격적인 문제에서 접근성이 가능할 지 관건이다.

이한우 단장은 연료전지 제조 업계는 기후위기 시대에 스마마트팜이 핫이슈되고 있는 것처럼 시선을 넓히기를 주문했다. 그는 "CO2활용하고 가격과 안전성 확보를 위한 새로운 노력을 위해 지속적인 시장분석과 해외사례를 찾는데 역량을 모아야 한다."고 주장했다.

김민경 서울연구원 연구위원은 서울시는 탄소중립으로 가기 위해 정부보다 앞선 상황을 설명했다. (연료전지)발전효율성, 공간제한이 없는 부분에 높은 평가와 향후 연료전기 공급활성에 기대했는데 현실은 아쉽다고 토로했다.

김 연구위원 주장처럼 서울시는 연료전지 확대보단 에너지소비 줄이는데 고민의 폭이 크다. 공공, 대형건축물에 10만m2 에 대해서 환경영향평가를 받아 20%를 신재생에너지를 적용하는데 규정하고 있다.

김 연구위원은 "신재생에너지원별로 건축주와 설계자와 고민으로 지열쪽만 우선적으로 골고루 배분해서 적용될지, 면적확보인지 어려움 있지만 반면 연료전지 확보는 상대적으로 유리하다."고 주장했다.

다른 전문가들 지적처럼, 건물용 연료전지 경우 설치후 가동조차 못해 제품 품질 저하, 온수 문제를 어디에 쓸지 출구를 찾지 못하고 있다.

또다른 문제도 있다. 전국 44개 도시가스사로 부터 연료전지 현황에서 대부분이 가동되지 않아서 투자비용대비 비효율성으로 떨어져 있다. 김 연구위원은 "건축가들 입장에서 태양광 설치를 비선호한 반면 연료전지를 더 선호하고 온수공급을 쓰는데 열을 버리고 열을 식히기 위해 다른 연료를 쓰는 모순이 있다."고 했다. 서울 수도권 규모가 있는 건물주 입장에서 연료전지를 운영하면 할수록 손해라는 인식과 대체 에너지원으로 분명하지만 차라리 대여하는 것도 분위기다.

경제규모 측면에서 대규모 건물에서 쓰는 것이 더 효율적인데, 당초 규정도 점차 사라지는 추세다. 가장 큰 문제는 온수발생량와 전기량 구축해 시장에 맞는 시스템인 연료전지 사용보다 가정용 전기가 더 싸다는 현실의 벽을 넘지 못하고 있다.

▲연료전지 세계시장 규모 전망

▲연료전지 시스템 구성

■"전기요금과 가스요금 현실화되지 않으면 고전할 것"

이날 소규모 연료전지 보급 지원금을 주고 있는데 양적 팽창과 별개로 보조금 변상을 받도록 해야 한다는 목소리도 설득력을 얻었다.

송락현 한국수소및신에너지학회 박사는 REC발급 중단되고 새로운 인증에 도입돼 향후 LNG 단독이 아닌 수소경제 전반으로 용량문제로 접근해 산업전체로 봐달라고 했다. 송 박사는 "건물용 연료전지는 그린수소경제(생산, 이송, 저장, 활용)의 패턴이 바뀌게 돼 고효율 SOFC 시스템이 두각을 나타낼 것이다."고 전망했다.

이정운 한국가스안전공사 수석연구원은 "LPG, 도시가스는 모든 연료가 수소법에 들어와 적용된 만큼 안전검사에서 신뢰성, 열화성을 표준화에 넣기가 쉽지 않았다."고 지적했다. 공사측은 보급확대를 위한 제품 안전도 신뢰성, 일부에서 부품 품질보증을 요구해와 이 부분도 검토중이라고 밝혔다. 공사는 또 연료전지 중 정전으로 작동이 멈추지 않고 비상발전 가동까지 하나하나 기술검증 중이다.

이 수석연구원은 "유럽 CE인증 받을 때 국내에서 먼저 철저한 평가를 받고 국제인증받도록 건물용 연료전지에 적용을 검토중"이라고 했다. 두산퓨얼셀 관계자는 국내 보급량은 200만대 가량으로 연료전지를 피크때가 쓰는 것이 아닌 24시간 작동이 필요하다고 했다.

한편 충북 음성군에 수소제품과 기술 등 안전체험관도 운영에 들어갈 예정이다. 고형연료에서 수소연료화로 추진중이다.

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