Eco-Tech Talk  2022.06.09

#1. SOFC
자, 이제 수소경제사회
대표선수 출전!
세계 최초 열공급형 SOFC
석탄∙석유 시대, ‘증기 터빈’이 인류의 모습을
바꾸어 놓은 것처럼 수소경제 시대에는
‘연료전지’가 그 역할을 담당할 것이다.
친환경 기술 토크, ‘에코테크토크’의
첫 번째 시간으로 연료전지 기술의 중심에 서 있는
*고체 산화물 연료전지 ‘SOFC’ 기술에 대해 이야기 해보자.
전승민 기자
과학기술분야 전문 저술가
자, 이제 수소경제사회 대표선수 SOFC 출전

전기를 만드는 방법 중 가장 전통적인 방법은 물을 펄펄 끓이는 것이다. 어려운 말로 ’증기터빈‘ 방식이라고 한다. 물은 끓이면 수증기로 바뀌면서 부피가 팽창한다. 이때 생긴 압력이 터빈을 회전시키고, 그 속에 들어있는 자석이 *코일 속에서 빠르게 회전하면서 전기가 생겨난다. 증기기관차의 원리와 크게 다르지 않다. 기차 바퀴를 굴리는 대신, 전기를 만들 뿐이다.

이 구닥다리 방법은 지금도 대형 발전소를 지을 때 가장 먼저 고려된다. 열에너지에서 전기를 얻어내는 가장 손쉬운 방법이기 때문이다. 이때 어떤 연료로 물을 끓이느냐에 따라 발전소의 이름이 바뀔 뿐, 기본적인 원리는 대동소이하다. 석탄을 이용하면 석탄화력발전소, 석유를 이용하면 석유화력발전소, 우라늄을 이용하면 원자력발전소가 된다. 드물게 수증기 대신 연료를 불태울 때 생겨나는 가스를 이용하는 경우도 있다. 이는 주로 천연가스를 이용하기 때문에 그대로 ‘가스터빈’ 방식이라고 부른다.

 

* 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell): 전극과 전해질 모두 고체로 이루어져 높은 온도에서 운전되는 연료전지
*코일(Coil): 고리 모양으로 여러 번 감은 금속선

 

전기를 만드는 새로운 방법, 연료전지

수소 연료 전지차의 개념과 수소연료자동차의 구동 원리(자료 출처: 한국과학기술기획평가원)

그렇다면 물을 끓이는 것 말고 전기를 만드는 다른 방법은 없을까? 그 새로운 방법이 최근 우리 주변에서 가장 흔히 볼 수 있는 ‘연료전지(FC, Fuel Cell)’다. 친환경 붐을 타고 부쩍 그 수가 늘어난 수소자동차 덕분이다. 모든 수소자동차는 작은 발전장치가 달려있는데, 수소를 싣고 달리면서 화학반응을 이용해 즉시 전기를 만든다. 이렇게 생겨난 전기를 이용해 전기모터를 회전시키면, 바퀴가 굴러가면서 자동차는 앞으로 나아간다.

연료전지는 이처럼 수소나 알코올, 천연가스 등의 연료를 즉시 전기로 변환하는 장치다. 연료전지가 개발되기 전에는 전기를 만들 때 반드시 물을 끓여야 했고, 이 과정에서 적잖은 기계장치가 필요하니 소형화에 한계가 있었다. 하지만 연료전지 기술이 발전하면서 최근 소규모 발전장치는 연료전지로 대체되는 추세다. 크기를 작게 만들 수 있어 자동차 등에 주로 사용되며, 필요하다면 개인용 초소형 배터리 등으로 만들 수도 있다. 알코올 등을 충전해 전기를 쓸 수 있는 개인용 초소형 발전장치인 셈이다.

무조건 작게만 만들 수 있는 것은 아니다. 물론 대규모 발전소라면 여전히 증기터빈 방식이 효율면에서 유리하겠지만, 중소규모 발전소는 연료전지 방식을 검토하는 경우가 적지 않다. 더욱이 불을 붙이는 연소과정 없이 화학반응을 통해 즉시 전기를 만들기 때문에, 미세먼지나 이산화탄소가 발생하지 않아 친환경적이라는 장점이 있다.

연료전지의 단점을 극복한 친환경 발전 기술, SOFC

기존 연료전지는 단점이 하나 있는데, 화학 에너지를 전기로 변환하는 일종의 배터리라는 것이다. 때문에 수명에 한계가 있을 수밖에 없다. 연료전지 내부에는 ‘전해질’이라는 배터리액이 들어있어, 이 전해질이 줄어들어 보충해 주어야 하는 문제, 내부 부품이 부식되는 문제 등이 불거지곤 했다. 교체가 손쉬운 소형 장치는 큰 문제가 없지만 많은 시설 투자가 필요한 중소규모 발전시설을 만드는 데는 무리가 따랐다.

이 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 ‘고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)’다. 고체의
*세라믹을 전해질로 대신한 다음, 700~1000℃ 정도의 높은 온도에서 동작하도록 만든 것이다. 과거에는 전지 표면에서 ‘스트론튬’이란 원소가 새어 나오는 ‘석출 현상’이 일어나며 성능이 급격히 낮아지는 등의 문제가 실용화의 걸림돌이 돼 왔는데, 최근엔 기술 향상으로 이런 문제가 대부분 해결됐다. 기존 연료전지보다 효율이 훨씬 높은 데다 수명이 긴 것이 장점이다. 최근 소규모 발전시설 건설에 SOFC를 적용한 곳이 부쩍 늘고 있는 것은 이 때문이다.

 

*세라믹(Ceramics): 금속, 비금속, 혹은 중금속 등이 열처리에 의해 서로 결합하여 만들어진 고체 재료

세계 최초 ‘열공급형 SOFC’ 등장

SOFC 방식도 단점은 있다. 고온에서 동작하기 때문에 열 공급을 위해 처음부터 고온의 가스를 사용해야 하는데, 이 가스가 그대로 배출되면서 낭비되는 에너지가 생긴다. 이 열을 이용해 2차로 가스터빈 방식이나 증기터빈 방식으로 추가적인 발전이 가능하도록 설계할 수는 있겠지만 이렇게 하면 연료전지만의 장점인 ‘소형화’가 불가능해진다.

이 문제를 해결한 것이 SK에코플랜트가 6월 8일 준공식을 가진 4.2MW 규모의 ‘북평레포츠센터 연료전지 발전소’다. 이 발전소는 기존 SOFC에 SK에코플랜트가 개발한 ‘열 회수 모듈’을 탑재했다는 점이 차별화된 특징이다. 이를 통해 발전에 사용된 가스가 외부로 배출하기 전 열을 회수해 고압 상태에서 105℃의 온수를 생산할 수 있다. 즉 전기는 그대로 생산하면서, 추가로 온수까지 생산할 수 있게 된 것이다. 열과 전기를 모두 공급할 수 있기 때문에 ‘열공급형 SOFC’라고 부르고 있다. 전력은 약 7,000여 가구에, 열은 약 300여 가구에 공급이 가능한 규모다. 발전소에서 생산되는 열은 북평레포츠센터에 공급되어 건물 및 수영장의 난방과 급수용으로 사용될 계획이다.

이번 발전소는 특히 세계 최고 수준의 발전효율은 물론, 대기오염물질 배출이 거의 없는 친환경 발전소라는 점에서 SOFC의 장점을 극대화하고, 전력 생산만 가능했던 한계를 기술 개발을 통해 극복했다는 점에서 의미가 있다.

석탄을 이용하면서 인류는 산업혁명을 시작했고, 석유를 이용하면서 화학산업을 거머쥐었다. 에너지 기술의 진보는 인류의 급격한 발전을 가지고 온다. 다가오는 미래는 수소경제사회라고 한다. 이 시대에 가장 적합한 연료시스템은 누가 뭐래도 연료전지 기술이 아닐까. 특히 SOFC는 기존 연료전지 시스템의 단점을 해소할 수 있어 차세대 발전시스템으로 주목받고 있다. SK에코플랜트의 열공급형 SOFC 기술과 같이 더 진일보한 첨단 기술들의 등장을 기대해 본다.

전승민 기자는 동아일보 과학팀장, 과학동아 기자, 동아사이언스 수석기자를 역임했다. 현재 과학기술분야 전문 저술가로서 다수의 매체에 칼럼을 기고하고 있다.