■ 탄소중립의 시대적 의미
21세기에 들어, 인류는 지구의 온난화와 기후변화의 문제를 심각하게 인식하게 되었다. 이러한 문제의 주요 원인 중 하나는 화석연료의 과도한 사용으로 인한 이산화탄소 등 온실가스의 배출이다. 이를 해결하기 위한 대안 중 하나가 바로 '탄소중립'이다.
탄소중립이란, 사회 전반에서 발생하는 이산화탄소 배출량과 이를 흡수 또는 제거하는 양이 같아져서 탄소 배출이 없는 상태를 의미한다. 즉, 인류 활동으로 인해 발생하는 탄소 배출량을 최소화하고, 어쩔 수 없이 발생하는 부분은 탄소 흡수를 통해 중립화하는 것이 탄소중립의 목표다.
2020년, 유엔 기후변화협약 측은 2050년까지 '글로벌 탄소중립'을 달성하는 것을 목표로 세웠다. 이를 향한 노력으로, 세계 각국은 탄소중립 실현을 위해 다양한 정책을 수립하고 실행하고 있다.
이렇게 탄소중립은 단순히 환경 문제 해결의 한 수단이 아니라, 인류의 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 전환을 의미한다. 따라서 우리는 탄소중립을 실현하기 위한 다양한 기술과 전략에 대해 깊이 있게 이해하고 연구해야 한다. 여기에는 수소 연료전지, 특히 SOFC(Solid Oxide Fuel Cells) 연료전지와 같은 첨단 에너지 기술이 중요하게 작용하게 될 것이다.
■ 연료전지가 필요한 이유
현재 우리 사회의 에너지 공급의 대부분은 화석 연료에 의존하고 있다. 이는 대량의 탄소 배출을 유발하며, 이로 인해 온난화와 기후 변화 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 지속 가능하면서도 탄소 중립을 실현할 수 있는 에너지 대안을 찾아야 한다. 에너지 대안으로 수소 연료전지가 큰 가능성을 가지고 있다.
수소 연료전지는 전기화학적인 반응을 통해 수소와 산소를 직접 전기로 변환하는 장치다. 이 과정에서 발생하는 부산물은 순수한 물 뿐이며, 탄소 배출이 전혀 없다. 따라서 수소 연료전지는 온실가스 배출을 크게 줄일 수 있는 탁월한 에너지 변환 기술이다.
연료전지 중 특히 SOFC(Solid Oxide Fuel Cells)는 고온에서 작동하는 연료전지로, 수소 뿐 아니라 메탄 같은 탄화수소 연료도 이용할 수 있다. 이는 기존의 화석 연료 인프라를 활용하여 저탄소 사회로의 전환을 돕는데 기여할 수 있다. 또한 SOFC는 발전 효율이 매우 높아, 동일한 연료로 더 많은 전기를 생산할 수 있다. 이는 에너지 사용 효율성을 높이는데 기여하며, 이를 통해 탄소 중립을 실현하는 데 필수적이다.
■ 연료전지 종류와 원리
연료전지는 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치로, 다양한 종류가 있다. 원리는 유사하지만, 각각이 작동하는 온도, 사용하는 연료, 효율, 내구성 등에 있어서 차이가 있다. 그중에서도 SOFC는 특별한 장점들을 가지고 있다.
- 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC)
널리 알려진 연료전지로, 고분자 전해질을 사용하며 수소와 산소를 전기와 물로 변환하는 과정에서 에너지를 얻는다. 작동 온도가 낮고 응답 시간이 빠르기 때문에 자동차나 휴대용 장치에 이상적이다. 그러나 순수한 수소를 필요로 하고, 복잡한 수소 공급 인프라를 필요로 하는 단점이 있다. - 직접 메탄올 연료전지 (DMFC)
작동 온도가 낮고, 이동성이 뛰어나 portable devices에 적합하다. 그러나 에너지 밀도가 상대적으로 낮고, 메탄올의 효율적인 공급 방법이 필요하다. - 알칼리 연료전지 (AFC)
우주 비행에 사용되었다. 높은 효율과 저렴한 비용이 장점이지만, 산소와 이산화탄소에서의 효율적인 분리가 필요하여 실용적인 사용에는 제한이 있다. - 고체산화물 연료전지 (SOFC)
고온에서 작동하는 장점을 가지고 있다. 이로 인해 여러 가지 연료를 사용할 수 있으며, 원가 절감 및 화석 연료 인프라를 활용할 수 있다. 또한 고온에서의 작동은 발전 효율을 높이고, 연료 전환의 부산물을 열로 활용하여 복합 발전을 할 수 있어 전체 시스템의 에너지 효율을 향상할 수 있다. 그러나 SOFC는 고온에서 작동하므로 내구성과 장기 안정성에 도전이 될 수 있다.
따라서, 각 연료전지는 그 자체의 장점과 단점을 가지고 있지만, SOFC는 다양한 연료 사용 가능성과 높은 에너지 효율성으로 두각을 나타낸다. 또한, 복합 발전의 가능성과 화석 연료 인프라를 이용하는 능력으로 인해 SOFC는 환경적 가치와 산업적 효용성을 동시에 추구하는 현대 에너지 시장에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다.
다만 SOFC는 고온에서의 작동으로 인한 장기 안정성과 내구성 문제를 개선할 필요가 있다. 이러한 문제점은 소재 공학, 화학 공학, 전기화학 등 여러 학문 분야에서의 연구와 개발을 통해 해결해야 한다. 이는 SOFC가 이상적인 에너지 전환 장치로서의 잠재력을 완전히 발휘하기 위해 필요한 과정이다.
따라서, SOFC의 연구와 개발은 탄소 중립 사회의 구현을 위해 중요한 과제다. SOFC는 그 고유한 장점을 바탕으로 탄소 중립화에 기여할 수 있는 실질적인 방안을 제시하며, 이에 따라 우리의 에너지 시스템은 더욱 지속 가능하고 효율적으로 변화할 것이다.
■ SOFC 연료전지의 구성과 원리
- STACK (스택)
연료전지의 핵심적인 부분으로, 연료(보통 수소)와 산소(공기)의 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 역할을 한다. 각 셀들이 쌓여 있는 형태에서 이름이 유래되었다.
연료전지 스택은 연료전지의 핵심이다. 이곳에서 산소와 수소의 반응이 일어나며 이로 인해 전기가 생성된다. 이 반응은 전기화학적 원리를 기반으로 한다. 수소가 양극에서 산소와 반응하여 전기를 발생시킨다.
STACK은 연료전지의 핵심 부분으로, 여러 개의 연료전지 셀을 쌓아올린 형태다.
각 셀은 일반적으로 세 가지 계층으로 구성되어 있다.
- Anode(음극)
수소와 산소이온이 반응하여 전기와 물을 생성한다. 이때 쓰이는 수소는 보통 가스 형태로 공급되며, 이때 일어나는 반응식은 다음과 같다.
→ H2 + 2O2- → H2O + 2e- - Electrolyte(전해질)
양극과 음극 사이에 위치하며, 전자를 차단하고 산소 이온만을 통과시킨다. 이 역할을 위해 전해질은 고체 형태의 이온 전도체로 만들어진다. - Cathode(양극)
대기 중의 산소와 전자가 결합하여 산소 이온을 생성한다. 이때 일어나는 반응식은 다음과 같다.
→ 1/2O2 + 2e- → O2-
- 개질기 (Reformer)
연료를 처리하여 연료전지에서 사용가능한 형태로 변환시키는 장치다. 이 때, 가스화된 연료를 추가로 처리하여 수소 가스를 추출한다. 이런 과정을 통해 연료의 효율을 향상할 수 있다.
개질기는 연료(보통 메탄이나 메탄올 등)를 적절한 온도에서 증기와 반응시켜 수소, 이산화탄소 등으로 변환시키는 과정을 담당한다. 이 과정은 화학반응의 원리를 이용하며, 고온에서의 촉매 작용을 통해 이루어진다.
개질기의 스팀 개질 반응은 개질기에서 가장 핵심적인 반응 중 하나다. 이 반응은 천연가스의 주 성분인 메탄 (CH4)을 증기 (H2O)와 함께 반응시켜 일산화탄소 (CO)와 수소 (H2)를 생성합니다. 이 과정의 화학반응식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
→ CH4 + H2O → CO + 3H2
이 반응은 보통 고온 (700-1000℃)에서 일어나며, 이를 위해 촉매가 필요하다. 촉매는 이 반응을 촉진시키는 역할을 하며, 통상적으로는 니켈 (Ni) 기반의 촉매가 사용된다.
다음으로, Water Gas Shift (WGS) 반응이 일어난다. 이 반응은 개질 과정에서 생성된 일산화탄소 (CO)와 증기 (H2O)가 반응하여 이산화탄소 (CO2)와 수소 (H2)를 생성한다. 이는 수소의 순도를 높이는 과정이며, 이 과정의 화학반응식은 다음과 같다.
→ CO + H2O → CO2 + H2
WGS 반응은 보통 중온 (200-400℃)에서 일어나며, 이 역시 촉매가 필요하며 주로 철 (Fe) 또는 구리 (Cu) 기반의 촉매가 사용된다. - 인버터 (Inverter)
연료전지 시스템은 직접 전류 (DC)를 생성하지만, 대부분의 가정용 장비와 상업용 장비는 교류 (AC)를 사용한다. 이 때문에, 인버터는 연료전지에서 생성된 DC를 AC로 변환하는 역할을 수행한다. - M-BOP (Mechanical Balance of Plant)
시스템의 기계적인 부분을 담당하며, 열역학의 원리를 따른다. 이에는 연료 공급, 냉각시스템, 압력 및 온도 조절, 열관리 시스템 등이 포함된다. - E-BOP (Electrical Balance of Plant)
시스템의 전기적인 부분을 담당하며, 전자공학의 원리를 따른다. 전력 변환과 제어, 보호 장치, 모니터링 시스템 등이 포함됩니다.
■ SOFC 연료전지의 기술개발 현재 상황과 동향
SOFC는 높은 에너지 전환 효율과 연료의 다양성으로 크게 주목받고 있다. 기존의 다른 타입의 연료전지에 비해 효율이 높으며, 연료로 수소뿐만 아니라 메탄 등 다양한 가스를 사용할 수 있다. 이러한 특징 때문에 공공 및 상업적 에너지 시스템에서의 사용이 기대되고 있다.
현재, 기술 개발은 SOFC의 작동 온도를 낮추는 방향으로 진행되고 있다. 기존의 SOFC는 800-1000℃의 작동 온도로 인해 재료의 내구성과 안정성에 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 낮은 온도에서도 작동할 수 있는 낮은 온도 SOFC(LT-SOFC) 개발이 활발히 진행되고 있다. LT-SOFC는 600℃ 이하에서 작동 가능하며, 이를 통해 재료의 내구성을 높이고 시스템의 안정성을 향상할 수 있다.
또한, 재료 연구도 활발히 진행되고 있다. 전해질과 전극 재료의 성능을 높이는 연구가 주를 이루고 있다. 특히, 새로운 나노 기술을 도입하여 전극의 반응 활성을 높이고 전해질의 이온 전도도를 향상시키는 연구가 진행되고 있다.
또한, 연료전지 스택의 내구성과 안정성을 높이는 연구도 중요한 부분을 차지하고 있다. 스택의 성능과 수명을 향상시키기 위한 연구가 계속 이루어지고 있다.
마지막으로, 전체 시스템의 효율성을 높이는 연구도 활발하게 진행되고 있다. BOP(Balance of Plant)와 같은 보조 장치의 개선과 함께, 효율적인 열 관리와 에너지 회수 기술 개발이 이루어지고 있다.
이처럼 SOFC의 기술개발은 매우 활발하게 진행되고 있습니다. 앞으로 이러한 연구 개발이 SOFC의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
■ SOFC 연료전지의 세계 동향
- 미국
SOFC 연구 개발의 선두 주자다. 상업적으로 성공한 SOFC 회사로는 "Bloom Energy"가 있으며, 미국 정부 또한 연료전지 기술에 대한 연구 개발을 적극 지원하고 있다. "U.S. Department of Energy"는 SOFC 기술에 대한 대규모 재정 지원을 제공하며, 다양한 연구 프로젝트를 지원하고 있다. - 일본
연료전지 분야에서 세계적인 선두주자로, SOFC 연구 개발에 많은 투자를 하고 있다. 주요 회사인 토요타, 히타치, 토코 등은 SOFC 기술 개발에 큰 관심을 가지고 있으며, 정부 또한 이 분야에 많은 지원을 하고 있다. - 유럽
유럽에서는 여러 나라가 연료전지 개발에 힘을 쏟고 있다. 독일의 Siemens, 이탈리아의 SOLIDpower, 영국의 Ceres Power 등이 SOFC 연료전지 기술 개발에 앞장서고 있다. 또한, EU는 "Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking"과 같은 연료전지 개발 프로그램을 통해 지원을 확대하고 있다. - 한국
수소경제 사회를 위한 정부 정책이 진행되면서, 연료전지 개발에 많은 관심을 가지고 있다. 대표적인 회사로는 도시바 연료전지, 포스코 에너지 등이 있으며, 정부에서는 수소연료전지 발전 시스템 등에 대한 R&D 투자를 적극적으로 지원하고 있다. - 중국
대기환경 개선을 위해 녹색에너지 기술에 큰 투자를 하고 있다. SOFC 연구 개발은 이 중 하나로, 정부의 적극적인 지원과 함께 다양한 기업들이 이 분야에 진출하고 있다.
■ SOFC 연료전지의 기술개발의 전망과 기대효과
◎ 기술개발의 전망
- 고효율과 대용량에 적합
동작 온도가 600-1000°C 정도로 다른 연료전지에 비해 높지만, 이로 인해 높은 전기 효율을 제공한다. 이 특성은 대용량 발전 시스템에 적합하다는 장점이 있다. - 연료 유연성
수소 뿐만 아니라, 메탄(CH4) 및 탄화수소(CxHy) 등 다양한 연료를 이용할 수 있다. 이는 기존의 자연가스 인프라를 활용해 탄소중립 목표에 크게 기여할 수 있다는 의미다. - 친환경적인 특성
대기 중에 오염물질을 배출하지 않거나 매우 적은 양만 배출하는 친환경적인 특성이 있다. 이는 탄소중립 시대에 맞춰 환경 보호에 기여하는 방법 중 하나다.
따라서, SOFC 연료전지의 개발과 활용은 효율적이고 지속 가능한 에너지 시스템 구축에 필수적이다. SOFC 연료전지 기술의 개선과 확산은 또한 전 세계적으로 환경 문제 해결에 기여할 것으로 예상된다.
◎ 기술개발의 기대효과
- 탄소중립 도달
SOFC 연료전지의 사용은 탄소중립 목표 달성에 중요한 역할을 한다. 다양한 연료의 활용과 높은 효율로 인해 SOFC는 화석 연료를 대체하고 기후 변화를 완화하는데 중요한 도구가 될 것으로 예상된다. - 에너지 안정성 강화
에너지 공급의 다양성을 높여 에너지 안정성을 강화하는데 기여할 것이다. 이는 에너지의 지리적인 제약을 줄이고 에너지 공급의 안정성을 증가시킨다. - 경제적 효과
기술의 개발과 상용화는 새로운 일자리 창출과 산업 분야의 경제적 활력을 촉진하는데 기여할 것이다. 특히, SOFC 연료전지와 관련된 기업들은 이를 통해 새로운 시장을 개척하고, 기술 우위를 확보할 수 있을 것이다. - 전력네트워크 강화
분산형 발전 시스템의 핵심 기술 중 하나로 볼 수 있다. 탄소중립 시대에는 전력망의 안정성과 신뢰성이 중요해지며, 이를 위해 분산형 발전이 중요한 역할을 한다. SOFC를 통해 개별 건물이나 지역 공동체 등에서 독립적으로 전력을 생산하는 것이 가능해져, 전력망의 안정성을 강화하고 전력 공급의 신뢰성을 높일 수 있다. - 지속가능한 에너지 체계 구축
지속가능한 에너지 체계의 구축에 기여한다. 향후에는 수요와 공급이 복잡하게 얽혀있는 스마트 그리드 환경에서 SOFC 같은 분산형 발전 시스템이 중요한 역할을 하게 될 것으로 예상된다.
이와 같은 맥락에서, SOFC 연료전지는 탄소중립 시대의 중요한 도구로서의 위치를 확보하고 있다. 현재 국가와 기업들은 이러한 가능성을 인식하고, SOFC 기술의 연구 및 개발에 많은 투자를 하고 있다. 이런 투자와 노력이 SOFC 기술의 발전을 가속화하고, 그 결과로 우리의 에너지 체계와 환경에 미치는 긍정적인 영향을 더욱 확대시킬 것으로 기대된다.
