[혁신적 그린기술] <3> 고효율, 친환경의 가정용 연료전지 시스템

전기, 집에서 만들어 사용… 폐열로 난방·온수까지 해결

오염물질 배출 획기적 감축 에너지 효율은 80% 달해 환경 살리고 가계부담 덜어

日기술력·보급 한발 앞서 '에네팜' 올해부터 상용화

가정용 연료전지 시스템은 전기는 물론 전기생산 과정에서 발생하는 폐열로 난방과 온수까지 해결할 수 있다. 게다가 오염물질 배출량도 획기적으로 줄일 수 있다.

연료전지는 수소연료가 갖고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전기다.

수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 것이다. 가정용 연료전지 시스템은 이 같은 연료전지를 차세대 주택용 동력원으로 개발한 것으로 전기생산 과정에서 발생하는 폐열로 난방과 온수까지 해결할 수 있어 에너지 효율이 80%에 달한다.

게다가 오염물질 배출량도 획기적으로 줄일 수 있다. 일본을 비롯한 전세계가 가정용 연료전지 시스템 개발에 경쟁적으로 나서고 있는 것도 바로 이 때문이다.

일본 도쿄 근교에 거주하는 A씨는 지난 40년간 살아온 주택을 올해 개축하면서 가정용 연료전지 시스템인 '에네팜(Ene-Farm)'을 설치했다.

적지 않은 비용이 들었지만 리모컨으로 발전량과 전력사용량을 확인할 때면 소비전력의 대부분을 내 집에서 만들어 사용한다는 사실에 뿌듯하기만 하다. 목욕이나 설거지를 할 때도 광열비에 신경 쓰지 않고 마음껏 온수를 사용할 수 있게 됐다.

전기를 생산할 때 발생하는 폐열로 데운 물이 전체 온수 사용량의 70%를 웃돌아 비용부담이 크게 줄었기 때문이다.

올 초 세계 최초로 가정용 연료전지 시스템의 상용화에 나선 일본에서는 A씨처럼 일찌감치 가정용 연료전지 시스템을 도입해 새로운 에너지 패러다임을 실천하는 가정이 속속 늘어나고 있다.

가정용 연료전지 시스템이란 도시가스나 LPG 등의 연료에서 추출한 수소와 공기 중의 산소 간 화학반응을 일으켜 전기와 열에너지를 생산하는 열병합 발전장치다. 전력회사에서 사서 쓰던 전기를 집에서 직접 생산하는 일종의 가정용 발전소인 셈. 게다가 전기가 생성될 때 발생하는 폐열은 집안의 난방 및 온수용 에너지로 활용할 수 있다.

기존 전력생산 시스템에서는 화력발전소에서 생산한 전기 중 5%가량이 송전과정에서 누락되고 폐열로 빠져나가는 손실분도 55~60%에 달해 실제 가정에서 쓸 수 있는 전기에너지는 석탄ㆍ석유가 지닌 총에너지의 35~40%에 불과하다.

하지만 가정용 연료전지 시스템은 전기를 각자 개인의 집에서 생산하고 폐열을 난방ㆍ온수용 에너지로 재활용할 수 있기 때문에 에너지 효율이 무려 80%까지 높아진다. 연료가 되는 도시가스나 LPG에서 전기에너지와 열에너지를 각각 35%, 45%씩 뽑아 쓸 수 있는 것.

이산화탄소 배출량도 일반 보일러 대비 40%가량 줄어든다. 또한 연소에 의한 화력발전과 달리 수소와 산소의 화학반응으로 전기를 일으키기 때문에 대기오염 물질도 거의 발생하지 않는다. 그야말로 환경은 살리고 가계부담은 덜어주는 일석이조의 차세대 발전 시스템인 것이다.

이 같은 고효율ㆍ친환경 발전효과 때문에 가정용 연료전지 시스템에 대한 각국의 열기는 뜨겁다. 그중에서도 기술 수준과 보급 면에서 단연 앞선 나라는 일본. 700W급 가정용 연료전지 시스템을 선보이고 있는 도시바의 경우 연료전지 기술력의 주요 기준이 되는 내구성 에서 4만시간 가동이 가능하다는 분석 결과를 제시하고 있다.

나가타 유지 도시바연료전지시스템㈜ 기술책임자는 "독일을 포함해 4만 시간이라는 목표를 내걸 수 있는 나라는 없다"며 "현재까지는 전세계에서 일본의 기술이 압도적으로 앞선 수준"이라고 단언했다.

보급에서도 일본은 한 발 앞서 속도를 내고 있다. 국가 주도로 일반 가정에 가정용 연료전지 시스템을 설치하는 대규모 실증사업을 지난 3월 완료하고 올해부터는 에네팜이라는 이름으로 고체고분자형(PEFC) 연료전지의 본격적인 상용화 단계에 진입한 상태다.

대규모 실증사업이란 2005년부터 정부가 파나소닉ㆍ도시바ㆍ도요타자동차ㆍ산요ㆍ에바라발라드 등 5개 제조업체의 제품을 일반 가정에 보급해 상품화 가능성을 타진한 모니터링 사업을 말한다.

일본 정부는 본격적인 양산화에 앞서 이 모니터링 사업을 통해 지난 4년간 총 3,307가구에 가정용 연료전지 시스템을 설치, 운용했다. 그리고 충분한 모니터링 끝에 본격 상용화가 시작된 올해 1kW급 가정용 연료전지 시스템의 보급 목표는 총 5,000대 수준이다. 가격은 최대 140만엔의 정부 보조금을 포함해 300만엔대.

물론 지금은 부담스러운 가격 탓에 환경에 대한 인식이 강한 일부 부유층에 의존할 수밖에 없는 실정이다. 하지만 기술보완과 대량양산을 통해 가격이 60만엔대로 낮아지는 오는 2015년에는 정부 보조금 없이 일반 소비자들도 가정에 연료전지 시스템을 설치하는 대중화 시대가 열릴 것으로 전망된다.

특히 지난 30년 동안 꾸준히 연료전지 사업을 전개해온 도시바는 에네팜 사업에 거는 기대가 남다르다. 도시바는 1978년 인산형 연료전지로 발전 시스템 개발에 나섰다. 미국 UTC사와 손잡고 11㎿, 200㎾급 등을 꾸준히 선보이다가 이후 고체고분자형으로 방향을 전환해 2000년대부터 가정용으로 기술개발 노력을 집중시켜왔다.

30년간의 경험으로 도시바가 주안점을 두게 된 것은 가격이다. 나가타 책임자는 "제품이 좋고 효율성이 높아도 상용화의 관건은 역시 가격"이라며 "현재 이산화탄소 절감효과나 열효율 등은 경쟁사마다 크게 다르지 않지만 도시바가 경량 제품으로 차별화에 나선 것도 가격경쟁력을 감안한 것"이라고 설명했다.

같은 이유로 앞으로의 기술보완에서는 발전효율 제고보다 가격 인하가 우선이다. 그는 "5년 전과 비교할 때 발전효율은 당시와 비슷한 수준임에도 가격은 8분의1로 낮췄다"면서 "발전효율을 유지하며 가격을 낮추는 것이 바로 기술력"이라고 강조했다.

그는 이어 "이처럼 가격에 우선순위를 두고는 있지만 현재 35%인 발전효율을 40%까지 높일 계획도 갖고 있다"고 덧붙였다.