경직성 전원은 오해, 인산형 연료전지(PAFC)는 양수발전보다도 출력조절 시간 짧아

그동안 원자력 발전과 함께 출력을 맘대로 조절할 수 없는 경직성 전원으로 분류돼 온 연료전지가 전해질 타입에 따라 계통안정도 확보에 기여할 수 있는 것으로 나타나 향후 계통보조서비스 역할도 가능할 것으로 전망된다.

두산퓨얼셀에 따르면 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)는 LNG발전보다도 빠른 응동 시간과 제한 없이 운전 시간을 유지할 수 있어 주파수제어, 회복 예비력 및 속응성 자원으로 효율적인 계통운영 기여가 가능한 것으로 전해졌다.

그동안 전력계통 전문가들은 원자력발전과 함께 연료전지발전을 대표적인 경직성 전원으로 분류해 주파수 제어와 전압 제어가 거의 불가능한 것으로 판단해 왔다.

예전처럼 원자력과 석탄, LNG발전이 대부분의 전력을 생산할 때는 경직성 전원을 늘려도 계통운영에 별 문제가 되지 않았다.

하지만 간헐성과 변동성이 큰 태양광과 풍력발전이 증가하면서 과도한 변동성에 신속하게 대응하고 계통안전을 위해선 경직성 전원보다 출력 조절이 가능한 유연성 전원의 필요성이 점점 커지고 있다.

그래서 탈원전을 반대하는 측에서는 원자력발전과 재생에너지를 동시에 늘리는 게 바람직하다고 주장하지만, 계통운영 측면을 고려하면 불가능하다는 게 전문가들의 지적이다.

같은 이유로 계통전문가들은 태양광, 풍력과 달리 연료전지 보급에 대해서는 부정적인 입장을 견지해 왔다.

하지만 두산퓨얼셀 측은 이러한 우려는 절반만 사실이라고 항변하고 있다. 용융탄산염을 전해질로 하는 반고체산화물 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)나 세라믹을 전해질로 하는 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 고온(600~1000℃)에서 운전되는 특징으로 인해 출력을 조절하는 게 사실상 불가능하다.

반면 저온(150~200℃)에서 운전하는 인산형 연료전지(PAFC)는 출력을 낮추거나 높여도 온도 증감이 10℃ 이내에서 변동하고, 열 팽창이 거의 없어 출력 급변에도 셀의 수명 감소 문제도 없다.

현재 발전원 중 주파수 제어 능력이 가장 빠른 양수발전도 응동 시간이 5분이지만, 유지 시간이 30분 정도로 짧아 태양광·풍력 등 재생에너지가 확대될 경우 계통운영에 어려움이 클 것으로 전망된다.

하지만 인산형 연료전지(PAFC)는 응동시간이 이보다도 빠른 44초에 불과하고, 연료만 투입되면 무한정 운전할 수 있는 장점이 있다. 그래서 향후 연료전지는 운영 예비력 및 속응성 자원으로 활용 가능할 것으로 기대된다.

이미 미국에서는 코카콜라 등 기업에서 연료전지를 계통보조서비스의 일환으로 활용하고 있다.

문상진 두산퓨얼셀 상무(신사업본부장)는 “발전용 연료전지는 전해질에 따라 3가지 타입인데 전기효율만 놓고 보면 PAFC가 가장 떨어지지만, 열생산량, 계통안정 기여도 등의 장점도 있어 어느 하나의 타입이 아닌 적절한 비중으로 보급을 늘리는 게 바람직하다”며 “마찬가지로 발전원도 각각의 장단점이 있어 적정하게 전원믹스를 구성하는 게 국가적으로 바람직하다고 본다”고 말했다.

(인터뷰) 김경덕 두산퓨얼셀 R&D 신사업본부 과장

“터빈을 돌려 전기를 생산하는 일반 기계식 발전기와는 달리 연료전지는 화학적인 반응으로 전기를 생산하는 방식이어서 전기 전문가들이 말하는 ‘관성’이란 게 없어도 출력을 조절할 수 있는 특징이 있습니다. 물론 연료전지 중에서도 고온에서 운전해야 하는 MCFC나 SOFC는 출력을 조절할 경우 셀의 수명이 급격히 줄어드는 문제점이 있지만, 인산형 연료전지(PAFC)는 저온 운전으로 온도 증감이 10℃ 이내에서 변동하기 때문에 이런 우려가 전혀 없죠.”

김경덕 두산퓨얼셀 과장은 “그동안 발전용 연료전지가 대량 설치돼 운영되면, 원자력처럼 전력계통 내 경직성 전원 비중이 증가해 에너지전환의 핵심수단인 태양광·풍력 등 재생에너지 확산을 가로막을 것이란 지적이 많았다”며 “하지만 두산이 제작·공급하는 인산형 연료전지(PAFC)는 출력조절이 가능한데다 기존의 석탄, LNG뿐만 아니라 양수발전보다도 응동시간이 빠르다”고 강조했다.

“국내 신재생에너지 보급은 태양광·풍력발전을 중심으로 이뤄지고 있습니다. 각종 정책 추진에 따라 전력계통에 연계되는 태양광·풍력발전 설비용량의 증가의 가속화가 예상되고 있죠. 그래서 계통운영부담을 줄이고 전력품질 확보를 위해 재생에너지 변동성에 대비하는 발전기 확보가 시급한 상황이에요. 응동 시간만 놓고 보면 ESS가 가장 빠르지만, 화재가 연달아 발생하면서 아직까지는 양수발전과 LNG발전이 그 역할을 담당하고 있죠.”

김 과장에 따르면 전력품질은 주파수와 전압을 얼마나 일정하게 유지하느냐가 관건이다. 주파수는 태양광·풍력 등 계통연계 재생에너지의 출력변동 취약성에 의한 주파수 안정도 저하 리스크가 점점 커지는데 LNG나 석탄발전은 빈번한 출력 증감발에 따른 발전효율 및 설비수명 저하, 그리고 그 과정에서 이산화탄소와 미세먼지 등이 더 많이 배출될 우려가 있다.

전압은 무효전력 공급능력에 따라 안정도가 확보되는데 가스터빈과 석탄화력은 무효전력공급성능(역률)의 보유수준이 0.9다. 역률이 낮을수록 전압안정도에 기여하는 게 크다는 설명이다.

“인산형 연료전지(PAFC)는 출력 조절을 통한 주파수 제어능력뿐만 아니라 역률이 0.85로 낮아 전압안정도 확보에도 기여할 수 있는 장점이 있습니다. 미국 코네티컷주정부 철도사업 적용을 위한 기술 검증에서도 PAFC의 이러한 빠른 응동 기능이 확인됐죠. 코카콜라 같은 기업에서는 계통백업 자원으로도 활용하고 있구요. 우리나라도 유연성 전원으로서 연료전지를 더 많이 활용했으면 하는 바람입니다.”