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.

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