제17장 연료전지, 열병합 발전기
대부분의 화력발전소나 원자력 발
전소는
규모가 크다. 그곳으로부터 전기가 집까지 들어오려면 복잡한 과정을 거
쳐야 한다. 이들 발전소에서는 전기가
만들어질 때 나오는 열은 모두 버려진다. 작은 규모로 집안에 설치할
수 있고, 거기에서 나오는 전기는
물론 열까지도 쓸 수 있는 장치는 없을까? 연료전지와 소형 열병합 발전
기가 이러한 장치이다.

연료 전지로 작동하는 휴대전화기. 전기
충전기를 쓰지
않고 작은 메탄올 통을 갈아끼우기만 하면된다.
|
1. 연료전지
요즈음에는 연료전지가 미래의 에너지 생산장치로 관심을 끌고 있다. 연
료전지는 수소와 산소를 반응하게
해서 전기와 열을 만들어내는 장치로 재생가능 에너지를 내놓는 것은 아
니다. 그러나 태양에너지나 풍력
같은 재생가능 에너지로 만든 수소를 이용할 수 있는 장치라는 점에서
종종 재생가능 에너지와 함께 언급되고
있다. 현재 사용되는 연료 전지용 수소는 거의 모두 천연가스를 분해해
서 생산한다. 그런데 이 분해과정에서
이산화탄소가 배출되기 때문에 연료전지 자체는 지구온난화를 억제할
수 있는 기술은 아니다.
연료전지는 한 번 쓰고 버리는 보통의 전지와 달리 연료(수소)가 공급되
면 계속해서 전기와 열이 나오는
반영구적인 장치이다. 연료전지는 다른 전지와 마찬가지로 양극(+)과 음
극(-)으로 이루어져 있는데,
음극으로는 수소가 공급되고, 양극으로는 산소가 공급된다. 음극에서 수
소는 전자와 양성자로 분리되는데,
전자는 회로를 흐르면서 전류를 만들어낸다. 전자들은 양극에서 산소와
만나 물을 생성하기 때문에 연료전지의
부산물은 물이다. 연료전지에서는 물이 수소와 산소로 전기분해되는 것
과 정반대의 반응이 일어나는 것이다.
연료전지에서 만들어지는 전기는 자동차의 내연기관을 대신해서 동력을
제공할 수 있고, 전기가 생길 때
부산물로 발생하는 열은 난방용으로 이용될 수 있다. 자전거에 부착하
면 전기 자전거가 생긴다. 연료전지로
들어가는 수소는 수소 탱크로부터 직접 올 수도 있고, 천연가스 분해장
치를 거쳐서 올 수도 있다. 수소
탱크의 수소는 석유 분해 과정에서 나온 것일 수도 있다. 그러나 어떤
경우든 배출물질은 물이기 때문에,
수소의 원료가 무엇인지 따지지 않으면 연료전지를 매우 깨끗한 에너지
생산 장치로 볼 수 있다.
연료전지는 규모를 크게 만들 수도 있지만, 가정용의 소형으로도 만들
수 있다. 가스를 분해해서 쓰는
소형 연료전지는 이미 개발되었는데, 앞으로 몇 년 후면 상용화될 것이
다. 이 연료전지는 전기생산과 난방을
동시에 하는 장치로 쉽게 설치할 수 있기 때문에, 추운 지방에 널리 보
급될 것으로 전망된다.
일부 에너지 연구자들은 인류가 앞으로 화석연료를 사
용하는 경제 구조로부터
수소를 사용하는 구조로 나아갈 것으로 전망하는데, 이때는 연료전지가
그 핵심역할을 할 것으로 본다.
연료전지는 거의 모든 곳의 동력원과 열원으로 기능할 수 있다는 잇점
을 가지고 있기 때문이다. 전기자동차의
수송용 동력을 제공할 수 있고, 전기를 생산함과 동시에 열도 생산하기
때문에 소규모의 것은 주택의 지하실에
설치해서 난방과 전기생산을 동시에 할 수 있다. 조금 큰 규모로 설치
할 경우에는 큰 건물의 전기와 난방을
담당할 수 있다. 대규모로 설치하면 도시공급용 전기와 난방열을 생산
할 수 있다. 그러나 수소는 폭발성이
강한 물질이고 섭씨 -253도에서 액체로 변환되기 때문에 다루기에 어려
운 점이 있다.

소형 열병합 발전기 내부
|
2. 열병합 발전기
보통 화력발전소나 원자력발전소에서는 전기를 생산할 때 발생하는 열
을 버린다. 발전을 위해 들어간 에너지
중에서 전기로 바뀌는 것은 35% 정도밖에 안되기 때문에 나머지는 모두
쓰지 못하는 폐열이 되어서 밖으로
버려지는 것이다. 이렇게 버려지는 폐열은 에너지를 허비하는 것일 뿐
만 아니라, 바다로 들어가면 어장이나
바다 생태계를 망치기도 한다. 열병합 발전기는 보통 화력발전소에서는
버리는 열까지도 이용할 수 있도록
만든 발전기인데, 규모는 큰 것부터 작은 것까지 다양하다.
작은 규모의 열병합 발전기는 주택이나 작은 건물 한 곳의 전기와 난방
용 열을 충분히 공급할 수 있다.
작은 열병합 발전기는 유럽 여러 지역에 널리 보급되어 있지만, 우리나
라에서는 보급되지 않고 있다. 규모가
큰 것은 우리나라에서도 가동되고 있는데, 복합화력 발전소라고 불리는
것이 바로 전기와 열을 동시에 생산해서
공급하는 시설이다. 서울의 목동 아파트에는 이러한 발전소에서 만들어
진 열이 난방열로 공급되고 있다.
열병합 발전소 중에는 투입된 에너지의 대부분을 전기
와 열로 이용하는 것도
있다. 독일의 베를린에는 가스를 태워서 전기를 만들고 이때 발생하는
열을 난방열과 온수용 열로 주변
지역에 공급하는 열병합 발전소가 있다. 이 발전소에서는 가스 속에 담
겨 있는 에너지의 90%를 전기와
열로 바꾸어서 이용한다. 이 발전소에서는 먼저 천연가스를 연소시켜 가
스터빈을 통과시킴으로써 한차례 전기를
생산한다. 이때 터빈을 통과한 연소 가스는 온도가 여전히 높은데, 이
연소 가스로는 물을 증기로 변환하여
증기터빈을 돌리는 데 이용한다. 이 과정에서 또 한차례 전기가 생산된
다. 증기터빈을 통과하고 나온 증기의
열은 기존의 화력발전소에서는 더 이상 이용하지 않고 공중이나 바다로
버려지고 만다. 그러나 이 증기는
여전히 수백도의 열을 지니고 있기 때문에, 발전용으로는 사용할 수 없
지만 난방용으로는 얼마든지 이용
가능하다. 베를린의 열병합발전소에서는 마지막으로 이 증기를 다시 한
번 열교환기를 통과시켜서 난방.온수용
물을 만들어서 이용한다. 에너지의 90% 이용은 이렇게 세차례에 걸쳐 에
너지를 최대한 이용함으로써 얻어지는
것이다.
자료제공 : 에너지대안센터
|