연료전지를 대형발전용으로 준비하는 나라는 한국이 유일
전영환 홍익대 전기공학부 교수 (전기위·탄소중립위 위원)
[이투뉴스/전영환] 현재 화석연료를 대체할 수 있는 수단은 재생에너지와 재생에너지를 저장하여 사용하는 방법이 있다. 에너지저장 방식으로는 양수발전, 배터리저장, 플라이휠, 고압압축공기저장 등이 연구돼 왔고, 특히 양수발전과 배터리는 그 역할이 점점 증대되고 있다.
전 세계적으로 탄소중립 목표가 대두되면서, 전력 뿐 아니라 산업, 교통, 건물 등에서도 화석연료를 대체하는 수단으로 수소가 한창 논의되고 있다. 재생에너지를 이용해 수소를 생산하고 이를 활용하는 방안에 대해 각국이 많은 관심을 기울이고 있다. 특이한 점은 산업통상자원부‧에너지경제연구원을 중심으로 한 우리나라의 접근이다. 기술적 제약에 대한 여러 우려에도 불구하고 유독 우리나라만 전력망용으로 연료전지를 확대하고 있다.
정부가 만든 수소 로드맵에 의하면 연료전지는 앞으로도 그 용량이 크게 늘어날 전망이다. 연료전지가 우리 계통에서 점하는 위치와 앞으로 어떤 영향을 끼칠지 살펴볼 필요가 있다.
1. 현재 시점
현재 연료전지는 천연가스를 연료로 사용하고 있다. 현재 건설 중이거나 건설 예정인 설비들은 천연가스에서 수소를 뽑아 발전하는 형식을 취하고 있어 탄소감축에 전혀 도움이 되지 않는다. 신재생에너지 공급의무를 이행하기 위해 신축건물에 설치한 연료전지는 전기요금 대비 경제성이 나오지 않아 무용지물 신세다. 발전용으로 건설되는 연료전지는 REC(신재생공급인증서) 가중치 2.0을 받아야 상업성을 확보한다. 발전사들이 이들 사업에 목을 매는 이유는 신에너지로 분류돼 있고 연중 가동돼 RPS(신재생공급의무화) 의무를 채우기 용이하기 때문이다.
2. 에너지전환과정 (2030년 전‧후)
2030년 탄소감축량을 법에서 정한 최소한도(2018년 대비 35%)로 줄이더라도 그해 재생에너지 비중은 최소 30%가 된다. 이 경우, 100GW이상의 재생에너지 설비가 필요하므로 초과발전 현상이 불가피하다. 여기에 2030년 원자력발전기 설비용량이 여전히 20GW정도 되는 점, 계통 안정성을 유지하기 위한 석탄발전기 최소운전설비, 유연성을 제공하기 위한 최소 LNG 발전기를 감안하면, 훨씬 전부터 재생에너지 출력을 제한해야 하는 상황에 직면하게 될 것이다. 제주도는 작년에 16%의 재생에너지 비중에도 출력제한이 빈번했다.
이러한 상황에 연료전지가 계통에 물려 있다면 어떻게 될까. 변동비(연료비)가 없는 재생에너지 출력제한을 최소화하기 위해 연료전지를 멈춰 세울 수밖에 없다. 그만큼 연료전지 가동률이 줄게 되고, 연료전지 핵심부품인 스택의 안정성을 고려하면 수명에도 큰 영향을 미치게 된다. 연료전지가 대량으로 도입되면 전력거래소 EMS와 연계 운영해야 하는데, 현재 그런 준비도 되어 있지 않다. 일각에선 연료전지도 출력제어가 가능하다고 주장하는데, 계통에서 원하는 속도에 한참 못 미치는데다 관성도 제공하지 못한다. 연료전지가 분산전원으로 기능하려면 그 용량이 적어 다른 주력전원으로 충분히 제어가 가능할 때로 한정된다.
3. 탄소중립상황 (2050년 전‧후)
전력분야에서 탄소중립을 달성한 경우라도 탄소 중립 시나리오를 발표한 영국이나 중국, 일본 모두 기계적 관성의 필요성을 인정하고 있다. 그리고 가상관성 기술이 구현되어 100% 인버터 전원으로 운영할 수 있다고 가정하더라도, 연료전지 인버터 자체로 에너지저장 없이 가상관성을 구현하는 것은 어렵다. 가상 관성 역할을 하려면 순간적인 에너지 출력 증가와 감소가 필요한데, 연료전지만으로는 이러한 조건을 충족할 수 없다. 따라서 연료전지를 운전하기 위해서는 필요한 관성을 물리적 관성이든, 가상관성이든 보조서비스에서 확보해야 하는데, 이는 연료전지도 보조서비스 비용을 지불해야 한다는 것을 의미한다.
이러한 상황에서 매일 낮에 재생에너지 초과전력을 저장하면서 수소를 생산하는 순간에 연료전지를 가동하는 것은 경제성 측면에서 이치에 맞지 않다. 한 쪽에서는 수소를 생산하고 다른 한 쪽에서는 그 수소를 연료로 전력을 생산하는 상황이 발생하기 때문이다. 그리고 필요한 경우 저장한 에너지를 쓰게 된다면 훨씬 효율이 좋은 다른 저장장치가 경제성을 갖는 것은 자명한 일이다. 수소는 산업용, 교통용으로 효용성이 높지만, 재생에너지가 주력전원인 미래계통에서 연료전지자체로는 경제성을 확보하기 어렵다. 전 세계적으로 GE, 지멘스, 도시바가 수소터빈을 개발하고 있는 이유가 여기에 있다. 수소터빈은 관성을 제공할 수 있기 때문에 무탄소 전원으로서 물리적 관성을 제공할 수 있는 수단이 되므로 에너지시장 뿐 아니라 보조서비스 시장에서도 관성을 제공하여 수익을 창출할 수 있다.
우리가 2050 탄소중립 시나리오를 발표하든, NDC 계획을 발표하든 전 세계가 주목하고 있고, IEA는 그 자료를 전 세계에 공유할 것이다. 대한민국의 국가 계획은 전 세계 어떤 전문가와도 설명할 수 있어야 하고 비전이 있어야 한다. 우리 국가 계획이 부끄럽지 않았으면 한다.
글. 전영환 홍익대 교수 (전기위원회·탄소중립위원회 위원)