연료 전지(수소)의 종류와 구조2, 에너지 농장

●연료 전지(수소)의 종류와 구조2

 

◆연료 (수소) 발전 및 신에너지

 

▲발전 전력의 특징

연료 전지에 의해 생성된 전력은 직류이다. 국내에서 유통되고 있는 전기기기는 대부분이 교류에 의한 전원공급이 필요한 제품이며, 전력회사로부터 공급되는 전력도 교류이다. 연료전지로 발전한 전력은 그대로 가정용 또는 업무용 전력으로 사용할 수 없다.

 

이를 해결하기 위해, 연료 전지의 패키지에 인버터를 내장하여 전력의 교직 변환을 행한다. 이를 전력회사에서 공급되는 전력과 섞는 '계통연계'로 연결하면 통상 사용할 수 있는 전력으로도 활용할 수 있다.

 

연료 전지 원리

 

▲건전지와 연료전지의 차이

전기를 축적하는 전지에는, 일회한 사용이 되는 「1차 전지」나, 반복 충방전이 가능한 「2차 전지」가 건전지나 축전지, 리튬 이온 전지로서 제품화되어 보급되고 있다.

 

수소와 산소를 공급해 내부 반응에 의해 전기를 만들어낼 수 있는 연료 전지는 화학 반응에 의해 전력을 만들어내는 「전지」라는 명칭으로 묶여 있지만, 새로운 설비의 하나가 된다.

 

▲종래의 발전 방식과 연료 전지의 비교

종래의 발전 설비는 연료를 연소시켜 터빈 등을 회전시켜 회전한 터빈으로부터 전력을 얻는 행정이 있다. 석탄이나 석유 등을 정제한 연료를 연소시키거나 원자력에 의한 반응을 이용하는 등 외부로부터의 에너지 도입이 필요하지만, 연료 전지에 의한 발전에서는 연료의 화학 반응에 의해 발전을 실시하는 시스템이며, 터빈 의 회전을 거치지 않고 직접 전기 에너지로 변환할 수 있다.

 

연료 전지는 규모에 따라 효율이 변화하지 않는 것이 큰 특징이다. 터빈의 회전에 의한 발전 설비는 대규모가 될수록 효율이 향상되는 특성이 있고, 소형 발전기에서는 효율이 저하되어 비용 성능이 나빠진다. 그러나 연료 전지는 소형이든 대형이든 효율이 일정하기 때문에 가정용이나 소규모 업무용 등 작은 규모로 연료 전지를 필요로 한 경우에도 비용 성능 저하를 억제할 수 있다.

 

▲배열 이용에 의한 효율 향상

연료 전지 발전 설비에서는, 전기의 생성 외에, 수소와 산소의 반응에 의해 열을 취출하는 것이 가능하다. 이 배열을 회수함으로써 열의 재이용이 가능해져 코제네레이션 시스템(cogeneration system)으로서 운용할 수 있다. 급탕이나 난방에 열교환시키면, 급탕 부하·난방 부하를 경감할 수 있다.

연료 전지 본체로 발전하고, 또한 배열을 이용하여 발전기의 터빈을 돌리면 콤바인드 사이클 발전(combined cycle power generation)으로서 운용할 수도 있다.

 

▲수소 인프라의 필요성

연료 전지를 널리 보급하기 위해서는 수소를 공급하는 구조를 구축하는 것이 전제가 된다. 국내에 정비되고 있는 인프라로서, 수소 단체를 공급하는 시스템은 확립되어 있지 않다. 수소를 단독으로 공급할 수 없는 이상, 수소를 발생시키는 대체 연료로부터 수소를 추출해야 하는데, 이것은 도시가스의 천연가스가 유력자원으로 된다.

 

천연가스에 포함된 메탄을 연료에 대하여 「개질」이라고 불리는 행정을 거쳐 수소를 발생시키는 방법이 공업용도로서 이미 실용화되고 있다. 천연가스는 이미 인프라가 충분히 정비되어 있어 용이하게 입수가능하다. 이를 가정에 활용하는 제품을 각사 메이커가 개발하고 있다.

 

현재, 연료전지용 수소를 생성하기 위해서는 천연가스로부터 수소를 꺼내기 위한 장치를 새롭게 설치할 필요가 있고, 수소의 안정공급과 안정수송이 과제가 된다.

 

수소와 산소의 반응만이라면 전기, 물, 열을 발생시키는 '청정한 발전설비'이지만, 수소를 정제하는 과정에서는 CO나 CO2 등 환경에 악영향을 미치는 물질이 방출된다. 이것을 얼마나 작게 하는지에 대해서도, 연료 전지를 알기에 중요한 요소가 된다.

 

 

▲연료전지 탑재 자동차(FCV)의 사례와 특징

가솔린이나 경유를 내연시켜 구동하는 자동차로부터 전기 에너지를 주로 하는 전기 자동차, 둘 다를 탑재하는 하이브리드 자동차 등 다양한 연료원의 자동차가 보급되고 있지만, 연료 전지를 탑재한 「FCV 라고 불리는 자동차의 생산이 개시되고 있다.

 

연료 전지 자동차는 수소와 산소의 화학 반응에 의해 발생한 전기 에너지로 모터를 회전시켜 구동한다. 연료에는 수소가 사용되지만, 순수한 수소는 보관이나 운반이 어렵기 때문에, 차량 내부에 「수소 이외의 연료로부터 수소를 꺼낸다」라고 하는 기능을 가지는 「개질기」를 탑재해차상에서 수소 를 정제하면서 달리는 시스템도 연구되고 있다.

 

순수한 수소로 구동하는 연료 전지 자동차라면, 차량으로부터 배출되는 것은 물만이며, 이것은 수증기가 되어 배출된다. 화석연료를 연소시켜 주행하는 자동차는 배기 가스에 이산화탄소나 일산화탄소, 탄화수소 등 유해물질이 다수 포함되어 있어 환경에의 영향이 우려되지만 연료전지자동차에서는 유해물질의 배출이 원칙적으로 없다. 그러나 천연가스나 에탄올, 가솔린을 차상에서 개질하는 시스템에서는 정제과정에서 유해물질을 포함한다.

 

▲가정용 연료 전지 시스템

가정용으로 소형 연료전지 발전설비를 설치해 상용전원과 계통연계한다는 방법이 보급되기 시작하고 있다. 도시가스를 연료전지에 연결하여 발전하면서 열을 발생시킨다. 가정용 연료 전지의 경우, 연료 전지로부터 생성되는 「열」과 「전기」의 어느 것을 우선하는가의 판단에 대해서는, 기본적으로 「열」을 우선한다.

 

요리를 하는 시간이나, 목욕을 끓이는 시간에, 필요한 열과 함께 전력을 만들어 사용하는 스타일이 되기 때문에, 전력의 발생 시간이나 전력량은 제어되지 않는다. 열의 이용에 따라 발생하는 제어되지 않은 전력은, 전기를 많이 사용하는 시간이면 그것에 충당되고, 다 사용할 수 없는 전력은 전력 회사에 판다.

 

열을 사용하는 부하가 비교적 대용량이 아니면, 연료 전지를 채용하는 장점이 거의 없다. 바닥난방, 에어컨, 급탕 등 많은 열부하를 필요로 하는 주택이라면 큰 장점을 만들어낼 수 있다.

 

◆에너지 농장이란?

가정용 연료전지 시스템은 에네팜이라는 명칭으로 통일되어 있다. 에네팜은 '연료전지'의 유닛과 '저탕조'의 유닛이 일체화된 시스템으로 '도시가스를 공급하여 수소를 만들어 내고 수소와 산소의 화학반응에 의해 전기와 열이 만들어져 열 에 의해 탕을 이해한다」라고 하는 일련의 행정을 패키지화하고 있다.

 

에네팜에는 연료전지유닛과 저탕조유닛을 연결하는 '열회수장치'가 설치되어 있어 발생하는 열을 회수하여 약 60℃의 온수를 만들어 내고 저탕탱크에 물을 모은다. 만들어낸 탕은 급탕이나 난방에 이용할 수 있으므로, 이로써 일반적인 가정의 전력의 60% 전후를 에네팜으로 잡는 것이 가능하다고 한다.

 

에네팜의 부가가치로서 도입에 의해 가스회사의 계약 메뉴에 의하여 할인을 받는 것이 가능하고, 광열비를 삭감할 가능성이 있다. 연료 전지로부터의 전력 공급을 행할 수 있기 때문에, 전력 회사로부터 사는 전력량을 삭감할 수 있다.

 

가정용 연료 전지는 연료 전지의 종류로서 「고체 고분자형(PEFC)」이 채용되고 있어 도시 가스를 연료로서 구동한다. 도시가스의 연소에 의해 전기와 탕을 동시에 만들어 전기는 가정내의 조명이나 에어컨의 전력으로서 사용되고, 탕은 목욕이나 샤워, 키친, 각종 난방기구에 공급된다. 도시가스의 연소에 의해 전기를 생산하는 경우의 효율은 40% 정도이지만, 배열 회수를 수반하는 경우는 50% 정도까지 효율이 향상된다.

 

▲에너지 팜의 자립 운전

에네팜은 전력회사의 전력을 이용해 가스에서 수소와 산소를 꺼내 반응시켜 발전하지만 전력회사의 전원이 끊어지면 발전할 수 없다.

 

내장하는 축전지로부터 전원 공급하는 방법이나 자립 운전 전환 장치가 개발되어 전력 회사로부터의 전원 공급 없이 운전하는 「자립 운전」이 가능한 제품이 판매되고 있다. 자립운전 없는 기종보다 비용 상승으로 이어지지만, 비상시의 전원으로 할 수 있기 때문에 방재설비로서 이용 가능하다.

 

통상, 에네팜은 전력회사의 전기계통에 연계하기 때문에, 전력회사로부터의 전원공급이 정지한 경우, 발전기능을 정지해야 한다. 통상은 비상 전원으로서의 기능은 가지고 있지 않지만, 자립 운전 가능한 제품도 판매되고 있다. 전력회사로부터의 전원이 중단된 경우, 자동적으로 전력계통에의 접속을 차단하는 보호장치를 내장함으로써 연료전지로부터 일정량의 전력을 공급할 수 있다.

 

자립 운전으로 동작하는 전원은, 가정내에 있는 조명이나 에어컨, 콘센트를 그대로 사용할 수 있게 되는 것은 아니고, 자립 운전 전용 콘센트만 동작한다. 자립운전으로 건물의 전력을 그대로 사용할 수 있는 것은 아니기 때문에 주의가 필요하다.

 

자립 운전으로 꺼낼 수 있는 전력은 작고, 대체로 300W 정도로 되어 있다. 드라이어나 에어컨 등 큰 전력을 필요로 하는 부하는 운전할 수 없고, 에네팜이 긴급 정지하므로, 최대 사용 전력을 확인해 가능 범위 내에서의 이용에 머무른다.

 

전력은 축전지로부터 일정 시간의 전원 공급을 행하는 것이나, 도시 가스를 연소시키는 방식 등이 있다. 도시 가스의 연소에 의해 자립 운전을 행하는 기종에서는, 정전시에 가스의 공급이 끊어지지 않는 것이 운전의 조건이 된다.

 

▲에너지 농장 도입의 단점

연료 전지 도입의 단점으로서, 도입에 의해 비용 부담이 커지는 요소가 몇 가지 있다. 연료 전지는 발전의 배열을 이용하여 물을 가열하는 방식이기 때문에, 저탕 탱크가 필요하다.

 

저탕 탱크는 장기간의 물의 저장에 의해, 물총이 모아 부위생이 되기 때문에 정기적인 청소가 필요하다. 저탕조는 설치 비용이 높고, 달리기에 의해 원가상각한다고 하는 생각은 매우 곤란하다.

 

에너지 팜은 발전 설비로서 운용되는 것이므로, 태양광 발전 설비를 설치한 경우의 잉여 전력 매입에 있어서, 이중 발전에 의한 발전량의 압상이 발생하기 때문에 매입 가격의 감소가 적용된다. 태양광 발전을 설치하고 있는 경우, 상각 기간이 길어질 가능성이 있어, 이쪽에도 주의가 필요하다.