전력 수급 안정성을 위한 대안으로서 분산형 전원설비의 필요성과 연료전지의 특성 및 환경적 편익에 관한 연구 doc_id PCY_201704260440230891_2

대규모 전력생산설비의 지속적 증설에 대한 불확실성이 점차 커져 가고 있는 상황에서 분산형 전원설비 공급확대는 앞서 언급했던 주요 문제점을 해결할 수 있는 대안으로 볼 수 있다. 분산형 전원 생산설비는 대부분 소규모의 전력생산설비로 전력수요가 높은 수요지 인근에 설치가 용이하며 발전규모가 작기 때문에 대규모 송전설비 역시 필요하지 않은 장점이 있다. 또한 대표적인 분산형 전원 생산설비인 신재생에너지발전은 친환경적인 설비로 앞서 언급되었던 대규모 발전설비로 인해 나타났던 주요 문제들이 상대적으로 거의 발생되지 않는 주민 수용성이 높은 설비라고 할 수 있다. 신재생에너지 발전 사업은 단순히 전력공급의 차원을 넘어서 에너지신산업으로까지 발전하고 있으며 전력산업의 미래, 향후 나아갈 방향이라고 할 수 있을 것이다. 그러나 분산형 전원설비는 대규모 발전설비에 비해 높은 전력 생산 비용이 든다는 단점도 가지고 있어 상대적으로 공급설비 확대 속도는 더디게 진행되고 있는 실정이다. 국내 발전설비는 미래의 전력수요를 예측하여 중앙정부에서 수립한 발전설비 건설 계획에 따라 증설되고 있다. 과거 국내 전력설비 증설과 공급예비율을 살펴보면 일종의 순환적 연결고리가 있음을 발견하게 된다. 예측된 수요에 맞게 적절한 공급 예비율을 산출하고 설비건설 계획을 수립하지만 정확한 전력수요예측은 현실적으로 어려운 작업이며 여러 가지 미래 상황을 가정하여 추정하는 전력수요전망치 역시 높은 정확도를 확보하기에는 상대적으로 어려운 측면이 있다. 공급예비율은 전력수요 전망치 보다 높은 실제 전력수요 때문에 계획 대비 낮아지는 상태에 도달하고 결국에는 매년 높은 증가율을 보이며 늘어나는 전력수요에 비해 공급능력의 증가가 따라가지 못해 수급안정성에 문제가 생기는 경우가 발생한다. 수급안정성에 문제가 발생하면 공사기간이 짧은 LNG복합화력 위주로 급속하게 다시 발전설비를 증가시켜 공급설비가 필요이상으로 많아지는 상태에 다시 도달하게 된다. 1994년부터 1997년까지 공급예비율은 10% 이하를 기록하였으며 이 기간은 공급예비력이 매우 부족한 시기로 볼 수 있다. 반면에 동일 시기의 발전설비증가율은 급격하게 늘어난 것을 확인할 수 있는데 이는 지속적으로 부족했던 공급예비율을 개선시키기 위한 계획이 반영된 것으로 보인다. 1995년부터 1997년까지 매년 10%이상의 설비증가율을 기록하면서 1998년의 공급예비율은 15%까지 상승하였고 급격한 설비증설이 마무리되면서 1998년부터는 설비증가율이 점차 감소하는 형태를 보인다. 이후 2010년까지 발전설비증가율은 지속적으로 4~6% 정도를 기록하였으며 이에 따라 2003년 17%까지 증가했던 공급예비율은 2007년부터 2012년까지 다시 10% 미만으로 하락하였다. 즉 1997년까지 단기간에 공급설비를 급격하게 증가시킴으로써 높은 공급 예비율을 기록할 수 있었고 공급예비율이 높았던 시기에는 발전설비를 더 이상 증가시킬 필요가 없었던 것이다. 본 연구는 여러 분산형 전원 발전설비 중 특히 수소와 산소의 결합으로 발전하는 연료전지라는 신기술을 활용한 분산형 전원 활성화 방안을 연구하는데 그 목적이 있다. 연료전지는 태양광, 풍력과 같은 타 신재생에너지원과는 다르게 자연환경의 제약 없이 연중 가동이 가능하다는 장점이 있으며 설치면적도 작은 편이어서 전력수요가 높은 대도시 인근에 설치 가능한 최적의 친환경 분산형 전원 설비라고 할 수 있다. 또한 수소를 이용한 연료전지 발전은 수송용으로도 활용될 수 있어 미래의 새로운 에너지 산업을 대비하는 측면에서도 매우 중요한 신재생에너지원이라는 점이 본 연구에서 연료전지를 중심으로 분산형 전원을 분석하는 배경이라고 할 수 있다. 그러나 앞서 언급한 장점에도 불구하고 연료전지 발전의 문제점은 발전연료인 수소 생산을 위해 천연가스를 사용한다는 점이다. 친환경적인 수소생산을 위해서는 물 전기분해 등의 기술이 존재하지만 높은 비용을 유발하기 때문에 현재는 천연가스를 개질하여 수소를 생산하여 연료전지 발전에 사용하고 있다. 이때 이산화탄소가 발생하여 온실가스 감축, 친환경적이라는 신재생에너지의 장점이 희석되는 것이다. 연료전지의 종류는 연료전지에 사용되는 전해질의 종류에 따라 구분되는 것이 가장 일반적이며 연료전지의 출력 규모와 적용분야 또한 매우 다양한 편이나 본 연구에서는 간단하게 작동온도를 기준으로 저온형과 고온형으로 분류하여 설명하려고 한다. 먼저 저온형 연료전지는 고분자 전해질과 인산염을 전해질로 사용한 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)와 인산염 연료전지(PAFC)로 구분될 수 있으며 주요 용도로는 가정 건물용 및 수송용에 주로 사용되고 있다. 고분자 전해질 연료전지는 가정용과 수송용으로 사용되며 인산형 연료전지는 건물용으로 사용되는 것이 일반적이다. 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 대부분 발전용으로 사용되고 있으며 고체산화물 연료전지(SOFC)는 상용화 단계 이전의 기술개발 및 실증단계에 있다. 국내에서 발전용으로는 주로 사용되는 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 인산형 연료전지(PAFC)가 사용되고 있으며 가정용으로는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 주로 사용되고 있다. 연료전지 발전에 필요한 수소를 생산하는 방법은 다양하게 있으나 이상적인 것은 물 전기분해를 통해 생산된 수소를 사용하는 것과 바이오가스를 개질하여 수소를 생산하는 것이며 이 경우 연료전지는 매우 환경 친화적인 발전장치가 될 것이다. 그러나 현재 연료전지 발전을 위한 수소는 경제성 및 편의성을 고려하여 화석에너지인 천연가스 개질을 통해 생산된 수소를 주로 사용하고 있으며 천연가스를 원료로 사용하는 수소생산은 이산화탄소를 배출시키기 때문에 연료전지의 이산화탄소 저감 및 친환경성에 대한 의문이 지속적으로 제기되어 온 것이 사실이다. 연료전지의 편익은 분산발전자원으로 활용될 때 얻을 수 있는 편익을 가장 큰 편익으로 볼 수 있을 것이다. 먼저 연료전지는 타 신재생에너지원과 비교하여 같은 용량을 설치한다고 가정할 때 상대적으로 적은 설치면적을 차지하기 때문에 수요지 인근에 설치하는데 매우 용이하다. 또한 자연환경 상태에 민감한 타 신재생에너지원과 달리 이용률이 높아서 안정적으로 전기와 열을 수요처에 공급할 수 있는 특징이 있다. 대형 송전설비가 필요하지 않으며 기존에 설치되어 있는 주변 배전망에 직접 연결해서 사용할 수 있다는 것도 송전망 설비 최소화를 목표로 하는 분산형 전원 활성화의 근본 취지에 부합한다. 오히려 친환경 측면에서 연료전지의 강점을 논한다면 이산화탄소 배출 감소보다는 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이 배출되지 않는다는 점에서 보다 환경 친화적인 부분을 언급할 수 있다. 연료전지는 연소과정을 통해 전기를 생산하는 화력발전에 비해 낮은 온도로 전기를 생산하고 천연가스를 주연료로 사용하기 때문에 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이 거의 발생되지 않는다는 장점이 있다. 황산화물은 천연가스를 주연료로 사용하는 가스발전에 비해서 연료전지 발전의 환경적 편익으로 이야기하기는 쉽지 않은 측면이 있으나, 질소산화물 같은 경우는 환경적 편익이 상대적으로 크다고 할 수 있을 것이다. 미세먼지 발생의 주범으로 질소산화물이 지목되고 있고, 지속적으로 논란이 되어 왔던 미세먼지를 감소시키기 위해 정부는 2016년 7월 미세먼지 감소 정책으로 노후 석탄화력 발전소 중 30년 이상 가동한 10기를 폐지하고 20년 이상 운영된 8기의 대대적 성능개선을 시행하는 방안을 수립한 만큼 연료전지 발전이 제공하는 환경적 편익으로는 미세먼지 감소가 언급될 수 있을 것이다.