[가스신문=최인영 기자] 지난해 7월 충청남도 서산시 대산산업단지에는 세계 최초의 초대형 부생수소 연료전지발전설비가 들어섰다.

연간 40만㎿h의 전력을 생산하는 이 발전설비는 충남지역 약 16만 가구에서 한 해 동안 사용하는 전기를 생산하고 있다. 서산시 전력소비량의 5%에 해당한다.

특히 기존 연료전지발전설비와 달리 석유화학 공정에서 나오는 부생수소를 쓰고 있다는 점이 주목할 부분이다. LNG에서 수소를 추출할 때보다 순도가 더 높아 연료전지를 안정적으로 가동할 수 있다. 기존에는 태워버리던 부생수소를 재활용하기 때문에 대기오염도 줄일 수 있다.

지난해 6월 상업운전…98% 고효율 기록

대산연료전지발전설비는 한화토탈 인근에 자리한 친환경발전소로 기존 탄소 기반 발전설비보다 약 50% 높은 발전효율을 내고 있다.

사업비 총 2550억원을 투입해 지난 2018년 6월부터 24개월 간의 공사기간을 거쳐 지난해 6월 상업운전을 시작했다. 대산산업단지 내 2만㎡ 부지에 지어진 이 발전설비에는 두산퓨얼셀의 440㎾급 PAFC(인산형 연료전지)시스템 114기가 들어서 있다. 한화토탈 대산공장의 방향족 공정에서 나오는 부생수소를 활용한 50.16㎿ 규모의 수소연료전지발전설비다.

지난 2018년 1월 한화에너지(49%)와 한국동서발전(35%), 두산(10%)이 공동출자해 특수목적법인(SPC)을 설립하면서 발전설비 건설을 추진했다. 설비는 한화건설이 시공했다.

동서발전은 신재생에너지 공급인증서(REC) 매입을, 한화에너지는 전력생산에 필요한 수소 공급과 발전설비 운영을, 두산퓨얼셀은 연료전지 유지보수를 맡고 있다. 두산퓨얼셀과는 향후 20년간 장비공급과 설비 유지보수를 보증하는 LTSA(장기서비스계약)를 체결했다. 계약금액은 매년 145억원 수준으로 책정했다.

대산연료전지 관계자는 “사업 시작 당시 LNG를 개질하는 방식의 연료전지발전설비는 국내뿐 아니라 해외에도 많이 있었지만 수소를 직접 공급하는 방식은 없었다”며 “대산 산업단지에서 나오는 부생수소를 이용해 보자는데 많은 투자자들의 의견이 모아져 사업을 시작하게 되었다”고 설명했다.

대산연료전지는 △수소이송 △필터 스테이션 △연료전지 △1차 변압기(저압) △2차 변압기(고압) △전력망 등으로 이뤄져 있다.

한화토탈에서 나오는 부생수소를 파이프라인으로 공급받은 후 수소에 포함된 1미크론 이상의 먼지를 필터스테이션에서 걸러낸다. 순도 99.99%의 수소는 총 114대의 440㎾ 연료전지 내부 스택으로 들어가 전기화학반응을 거쳐 전기와 물을 만들어낸다. 연료전지에서 나온 480V의 전기는 1차 변압기에서 6900V로, 2차 변압기에서 154㎸로 승압된다. 154㎸의 전기는 지하선로를 통해 한전 전력망으로 연결된다.

버려지던 수소로 가동

탄소중립 시대를 맞아 수소의 가치는 커지고 있지만 이송의 어려움으로 인해 현재 수소는 대부분 튜브트레일러나 파이프라인을 통해 공급하고 있다.

대산연료전지는 대산 산업단지에서 나오는 부생수소에 주목했다. 파이프라인으로 수소를 공급받은 후 연료전지설비에서 나오는 전기와 온수를 인근 공장에 사용하기 위해서다.

수요공급 측면에서 여분의 수소가 충분하다면 사업 확장가능성도 높다고 판단한 사업 관계자들은 LNG개질형 모델보다 효율도 높은 부생수소 방식에 적극 투자했다.

대산연료전지 관계자는 부생수소를 어떻게 활용할지 경제성을 놓고 현재 로드맵을 구상하고 있다고 설명한다.

당시 발전용 연료전지시스템은 PAFC와 PEMFC(고분자형 연료전지) 두 가지뿐이었다. 연료전지를 가동하기 위한 작동온도와 시스템 설계 문제를 고려해 최종적으로 PAFC제품을 선택했다. LNG 개질기를 떼어낸 후 몇 가지 테스트를 거쳐 부생수소에 적합한 시스템을 만들어 낸 것이다.

수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기와 열을 생산하는 연료전지는 대기오염물질인 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx) 등을 배출하지 않을 뿐 아니라 소음발생도 적어 도심 속 친환경 분산전원으로 꼽힌다. 연료전지 내부의 미세먼지 필터를 통해 1미크론의 초미세먼지도 걸러낸다.

대산연료전지는 부생수소를 활용해 99.99%의 고순도 수소를 연료전지에 공급하기 때문에 스택(Stack) 등 부품 고장률을 낮추는 동시에 발전효율도 높일 수 있다. 현재 전기는 한국전력의 계통과 연계해 송전하고 있으며, 60~80℃에 이르는 온수는 한화토탈에 공급해 공업용 냉각수로 쓰이고 있다.

수소연료전지시스템은 에너지집약시설로도 볼 수 있다. 설치면적 당 발전용량이 88㎿로 축구장 크기로 지을 수 있다. 연료 운반‧저장장치와 배기가스 처리시설 등이 필요 없기 때문이다.

태양광이나 풍력 등 다른 친환경 발전설비보다 설비이용률도 높다. 평균적으로 태양광은 17%, 풍력은 26%인데 반해 수소연료전지는 98%를 기록한다.

대산연료전지 관계자는 “오는 2022년 시행되는 HPS(수소발전의무화제도)에서도 부생수소를 이용한 연료전지발전사업에 충분한 지원책을 마련해주길 바라고 있다”고 강조했다.

이어 그는 “정부가 추진하는 그린뉴딜의 핵심축이자 수소경제의 핵심기술인 수소연료전지를 통해 친환경 발전과 분산전원으로서의 가치를 높이는 데 기여하도록 최선을 다할 것”이라고 말했다.