수소로 주행하는 연료전지 자동차가 증가하면, 석유 소비량과 이산화탄소 배출량은 감소한다. 버스 및 포크 리프트의 실용화도 눈앞이다. 한편 전력을 공급하는 연료전지는 가정용인 에네팜이 지속적으로 보급되고 있으며, 업무용으로 사무실 및 공장에 확대되고 있다. 2020년대에는 양산효과로 수소 및 연료전지도 저렴해진다.
지금부터 수소에너지가 어느 정도의 속도로 확대될 것인가. 연료전지 자동차에 운명이 걸려 있다. 도요타 자동차가 2015년 초에 시판 자동차를 발매하는 것을 계기로 유럽, 미국, 일본의 주요 제조사가 전략상품을 투입할 예정이다. 대량의 연료를 소비하는 자동차가 휘발유에서 수소로 전환된다면 세계 에너지 시장을 한 번에 변한다.
당분간은 차량 가격이 높으나, 휘발유 자동차와 동등한 항속거리와 연료의 보급시간을 생각하면, 전기자동차보다도 실용적이다. 정부도 전기자동차를 상회하는 보조금을 지급하여 구매를 촉진해 나간다. 그리고 연료를 보급하는 수소스테이션의 설치사업자에도 보조금을 주어 2015년도 중에 대도시권의 수소스테이션을 100개소 이상으로 증가시킬 계획을 추진해 나갈 것이다. 처음에는 승용차로 시작하여 버스와 포크리프트 등 상용차까지 적용범위를 넓힌다. 환경선진공항을 목표로 한 간사이 국제공항에서는 여러 가지 운송수단에 연료전지 자동차를 채용할 방침이다. 공항 속을 달리는 마이크로 버스와 공항 간을 연결하는 리무진버스를 시작으로 화물을 운반하는 포크리프트와 트랙터도 연료전지 타입으로 전환해 나갈 것이다.
연료전지자동차는 전기자동차와 같이 유해한 배기가스를 배출하지 않는다. 외부로부터 공기를 유입하여, 발전한 후에 물을 배출할 뿐이다. 연료의 수소는 휘발유와 같이 탱크에 격납하는 방식으로 승용차라면 3분 정도에 가득 채울 수 있다. 그리고 연료전지로 발전하면서 달리기 때문에 전력을 소비하는 전기자동차보다도 항속거리가 길다. 도요타가 2015년에 시판하는 승용차의 항속거리는 500킬로미터 이상이 된다. 예를 들면 동경–나고야 간은 도중에 수소를 보급하지 않고도 완주할 수 있다. 전기자동차의 대표격인 닛싼의 “리프”는 현재 항속거리가 200킬로미터 정도에 머물러 있다.
이 외에 이산화탄소 배출량도 중요한 지표가 된다. 일본자동차연구소의 계산에 의하면 연료전지자동차의 이산화탄소 배출량은 가솔린자동차의 약 반 정도로 전기자동차보다 약간 많다. 현재 수소는 거의 100%를 화석연료에서 제조하는 데 비하여 전력은 수력발전 등 이산화탄소를 배출하지 않는 방식으로도 만들고 있기 때문이다. 장점이 많은 연료전지이지만, 보급을 위한 최대 과제는 비용은 낮추는 것이다. 도요타자동차는 2015년에 발매하는 시판 자동차의 가격을 700만 엔 정도로 설정할 방침으로 국가의 보조금을 사용하여도 이용자의 부담액은 500만 엔 전후가 될 예정이다. 시장의 확대에 따라 가격이 낮아질 것이라고 하나, 당분간은 시간이 걸릴 것이다.
정부가 말하는 목표에서는 2025년을 목표로 하이브리드자동차와 동등한 가격경쟁력을 발휘할 수 있도록 한다. 그 전제로서 연료가 되는 수소의 가격을 처음부터 저렴하게 억제할 수 있을 것으로 예상한다. 2015년 시점에 휘발유 자동차의 연료비와 동등 이하로 2020년에는 하이브리드자동차의 연료비와 동등 이하로 낮아질 것이다. 각각 수소 1입방미터당 가격을 150엔과 80엔으로 예상한다.
연료전지의 가격이 양산효과로 낮아지는 상황은 가정용 “에네팜”을 보면 알 수 있다. 에네팜은 연료전지자동차와 동일하게 세계에 선도적으로 일본 국내에서 발매된 제품이다. 2009년 발매 초기의 가격은 1대가 300만~350만 엔이었다. 그것이 4년 후인 2013년 시점에 200만 엔으로 거의 반액 수준까지 낮아졌다. 그리고 2016년에는 1대당 70~80만 엔까지 저하되어 보조금이 없어도 보급되는 “자립화”를 실현하는 것이 정부의 목표이다. 일본 국내에서 140만대까지 보급시킬 것으로 예상되는 2020년에는 50~60만 엔까지 낮출 필요가 있다.
연료전지자동차의 경우는 에너팜 보다도 구조가 복잡하므로 이정도의 가격 저하는 어려울 것이다. 그래도 2020년대에 당초의 반액정도까지 저하시키는 것은 충분히 가능하다. 에네팜은 연료전지자동차와 기본적 구조가 달라서 장치의 내부에서 도시가스와 LP가스로 수소를 만든다. 그 수소를 연료전지에서 외기의 산소와 반응시켜 발전하는 구조이다. 발전과 동시에 발생하는 열을 회수하여 급유에도 이용할 수 있도록 전력과 열을 합한 종합적인 에너지효율이 높아진다.
연료전지의 본체도 기술개혁이 추진된다. 연료전지의 실현방법은 몇 가지 있으나, 현재 주류는 고체고분자형(PEFC: Polymer Electrolyte Fule Cell)과 고체산화물형(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 두 종류이다. 각각의 방법에서 수소를 산소와 반응시키기 위해서 필요한 전해질의 소재 등에 차이가 있다. 에네팜과 연료전지자동차도 고체고분자형의 연료전지를 탑재한다. 이 방식의 연료전지는 저온에서 작동하기 때문에 가정 등에서 이용하는 장치에 적합하다. 또 다른 방식인 고체산화물형은 700도 이상의 고온으로 작동하여 대용량의 전력을 고효율로 만들 수 있다.
앞으로는 발전사업의 용도에서도 연료전지의 도입이 추진될 것이다. 그 중에서도 실현성이 높은 것은 연료전지와 가스화력발전을 조합한 “트리플 콤바인드 사이클발전”이다. 통상의 가스터빈과 증기터빈에 의한 컴바인드 사이클에 추가로 가스터빈의 전단계에 연료전지를 넣어 3단계로 발전할 수 있다. 3단계의 발전효율을 합하면 70%에 달한다. 발전효율이 높은 만큼 연료가 적고, 이산화탄소 배출량도 줄어든다. 화력발전 플랜트 제조사인 미쓰비시중공업의 계획에서는 출력이 수 십 만kW급의 트리플 콤바인드 사이클 발전플랜트를 2020년대에 실용화할 수 있을 것으로 예상하였다.
다음 단계로는 수소만을 연료로 하여 발전하는 “전용 연소발전”에 대한 기대도 크다. 수소를 재생가능에너지로 만들 수 있다면 연료를 포함하여 이산화탄소를 배출하지 않는 발전소가 된다. 해외에서는 전용 연소발전의 실증실험이 시작되었으며, 이탈리아의 전력회사에서는 발전능력이 1만 2,000kW인 상용레벨의 수소 전용 연소발전플랜트를 운전 중이다.
수소발전에서도 비용이 과제가 된다. 2011년에 정부의 위원회가 정리한 전원별 예측에 따르면 연료전지의 발전비용은 2030년에 가스 코제너레이션보다도 낮았다. 전력 1kWh당 비용은 19엔 전후가 되어, 발전과 동시에 배출하는 열의 이용가치를 고려하면 11엔대까지 낮아진다. 이 비용예측에서는 화력발전이 연료비의 증가로 2030년을 향해 상승해 나갈 것이다. 석탄화력과 가스화력은 1kWh당 6엔 전후가 10엔대로 증가하고, 석유화력은 2030년에 38엔대까지 급등할 것이다. 그렇게 되면 연료전지를 사용한 수소발전의 실용성이 한 단게 높아져서 화석연료의 저감에 박차를 가하게 될 것이다.
그림 1. 간사이 국제공항이 목표로 하는 “수소그리드 에어포트”의 전체상
그림 2. 연료전지화 화력발전을 조합한 “트리플 콤바인드 사이클 발전”의 구조
그림 3. 열병합발전과 연료전지의 발전 비용
키워드 : 연료전지,수소,신재생에너지
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문:
http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1408/07/news019.html 제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2014.08.26 10:55
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