[월간수소경제 이종수 기자] 국내 건물용 연료전지의 수요가 크게 확대될 것으로 예상된다. 연료전지는 열과 전기를 동시에 생산하기에 주거시설, 숙박시설, 병원 등의 건물에 적용할 경우 제로에너지건축물을 위한 설비 기술로 활용 가능성이 높기 때문이다.
또 태양광·태양열·풍력 등의 재생에너지는 설치할 수 있는 지역과 면적 등에 한계가 많고, 기상 조건에 따른 전력생산의 불안정성(간헐성)이 있지만, 연료전지는 설치 공간에 대한 제약이 없어 도심지에 수월하게 설치할 수 있고, 상시 발전도 가능해 제로에너지건축물에 적합한 에너지시스템으로 평가된다.
이에 따라 건물용 연료전지 보급이 증가세이지만 당초 정부가 계획한 목표 수치에는 한참 못 미친다. 연료전지를 설치해놓고도 경제성이 부족해 가동하지 않는 건물도 많다. 이러한 상황에서 건물용 연료전지 보급 확대를 위한 유의미한 연구 결과가 나와 주목된다.
<월간수소경제>는 대한설비공학회가 올해 1월 17일부터 4월 16일까지 3개월간 수행한(총괄책임자: 박진철 중앙대학교 건축학부 교수) ‘제로에너지건축물 적용을 위한 건물용 연료전지 확대 방안 연구’에 대한 최종보고서를 입수해 주요 내용을 총정리했다.
이번 연구는 향후 연료전지의 신규 사업모델 발굴을 위한 기초연구 단계로, 건물 분야의 연료전지 보급 확대를 위해 관련 정책 현황과 제로에너지건축물 인증 등급별 에너지자립률에 따른 연료전지의 적용성을 검토했다.
정부 정책 현황
정부 정책을 보면 건물용 연료전지 보급 확대 가능성이 드러난다.
정부는 지난 2022년 10월 26일 발표한 ‘탄소중립·녹색성장 기술 혁신 전략’을 통해 ‘한국형 탄소중립 100대 핵심기술’에 무탄소 신전원 분야의 ‘고효율 연료전지 열병합시스템 기술’, 에너지통합시스템 분야 ‘전력-열-수소 하이브리드 시스템 기술’, 제로에너지건물 분야 ‘연료전지 기반 융합 시스템 기술’, 친환경자동차 분야 ‘연료전지 시스템 내구성 향상 기술’ 등 발전·수송·건물 분야 연료전지 기술을 포함했다.
국토교통부는 지난 2021년 12월 23일 발표한 ‘국토교통 2050 탄소중립 로드맵’을 통해 건물의 제로에너지화 확대와 함께 주거·산업·교통 등에 사용되는 도시의 주 에너지원을 수소로 전환한 수소도시를 확산해 나갈 계획임을 밝혔다.
정부는 2023년 4월 6일 연료전지 관련 2개 기술을 국가 핵심기술로 신규 지정했는데, 발전·건물용으로 사용되는 고정형 연료전지 설계·제조·진단·제어 기술을 포함했다.
이미 정부는 지난 2019년 1월 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 구체적인 목표 수치도 제시했다. 가정·건물용 연료전지를 2040년까지 94만 가구 보급에 해당하는 2.1GW 수준까지 확대한다는 계획이다.
이에 따라 TechNavio는 ‘Global Fuel Cell Market(2019~2023)’을 통해 국내 연료전지 시장 규모가 2018년 2,661억 원에서 2030년에는 2조5,718억 원까지 10배 이상 성장할 것으로 전망했다.
건물용 연료전지 보급 ‘저조’
그러나 현실은 녹록하지 않다. 통계청 자료에 따르면 국내 건물용 연료전지 보급량은 지난 2018년 대비 2021년 누적증가율이 약 1.8배 증가했지만 2021년 보급량은 약 12MW로 ‘수소경제 활성화 로드맵’상 정부의 계획치인 50MW 대비 24% 수준에 그쳤다.
이미 설치된 연료전지의 가동률이 저조한 것도 큰 문제다. 2019년 기준 전국 공공시설에 설치된 건물용 연료전지는 총 664개소로, 이 중 416개소가 가동중지 상태인 것으로 나타났다. 한국에너지공단의 2021년 6월 기준 자료를 보면 정부 보조금을 받아 일반건물, 빌라, 복지시설 등에 설치된 건물용 연료전지도 총 417개소 중 정상가동 중인 비율은 51.4%(241개소)로 나타났다.
연료전지의 가동률이 떨어지는 가장 큰 이유는 연료전지의 연료인 도시가스요금 상승으로 인한 운영비 증가 때문으로 분석된다.
정부는 연료전지의 보급 활성화를 위해 연료전지용 요금을 도입해 초기에는 일반요금보다 낮은 가격을 책정했지만 지난 2021년 8월부터 올해 4월까지 기준으로 연료전지용 요금이 주택용과 일반용 요금보다 비싸 연료전지가 일반 가스보일러 대비 경제성이 떨어지는 것으로 분석된다. 올해 4월 기준 연료전지용 요금이 주택용과 일반용보다 각각 약 30%, 65% 높은 것으로 나타났다.
가까운 일본은 가정용 연료전지인 에네팜(ENE-FARM) 보급 정책을 추진해오고 있는데, 2030년까지 530만 대, 2050년까지 5,300만 대를 공급할 계획이다. 지난 2020년 누적 보급 대수는 약 35만 대로 꾸준한 증가추세에 있다. 특히 일본은 가정용 연료전지 사용 시 일반 가스요금 대비 3~13% 저렴한 요금을 책정하고 있다.
또 연료전지의 경제성에 영향을 주는 요소인 전기요금의 경우 국내보다 일본이 약 2.5배 높다.
대한설비공학회는 연구보고서에서 “일본은 한국에 비해 연료전지 도입 시 경제성이 확보되지만 아직 한국은 그러지 못해 정책적인 추가 지원이 필요한 실정”이라며 “연료전지 보급 활성화를 위해 연료전지용 도시가스 요금제에 대한 전반적인 검토가 필요한 시점”이라고 강조했다.
또 대한설비공학회는 “현재 건물용 연료전지가 도시가스를 개질한 그레이수소를 이용하기에 건축물에 적용 시 탄소가 배출되므로 건축물의 탄소중립을 위해 이용되는 재생에너지 시스템을 대체하기에는 어려움이 있지만 정부가 청정수소 공급량을 확대하기로 한 만큼 향후 청정수소를 이용하는 건물용 연료전지 시스템 도입 시 기존 시스템의 탄소배출 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
건물 부문 연료전지 제도 문제점
건물 부문 연료전지 적용 관련 정책으로는 ‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법’(이하 신재생에너지법)과 ‘녹색건축물 조성 지원법(이하 녹색건축법)’이 있다.
신재생에너지법은 신재생에너지 설치의무화제도 및 연료전지 등 신재생에너지설비의 KS규격 내용과 건축물에 신재생에너지 적용 시 취득세 감면 내용을 규정하고 있다.
정부는 신재생에너지의 이용 활성화를 위해 2004년부터 공공기관의 건축물을 대상으로 신재생에너지 설치를 의무화하고 있다. 현재는 국가, 지자체 등의 공공기관이 신축·증축·개축하는 건축면적 1,000㎡ 이상의 건축물에 대해 연도별 공급의무 비율에 따라 의무적으로 신재생 에너지설비를 설치해야 한다. 2020년 30%에서 2년 단위로 2%씩 상향해 2030년에는 에너지원의 40%를 신재생에너지로 대체해야 한다.
신재생에너지 공급의무비율은 건축물의 실제 에너지소비량을 산정해 평가하는 녹색건축법의 제로에너지건축물 인증의 에너지자립률 평가 방식과는 달리 공공기관의 설치를 장려하기 위해 단순히 건축 연면적과 설치된 신재생에너지 설치 용량만을 가지고 산정된 값으로, 한국에너지공단 신재생에너지센터에서 제공하는 신재생에너지설비별 단위에너지생산량 및 원별 보정계수를 곱해 산정하도록 되어 있다.
현재 지원 정책 하에서는 동일 용량 설치 시 시스템별 단가를 고려한 가격당 보정생산량이 높을수록 신재생에너지 보급률 확보에 더 유리한 값으로, SOFC는 태양광보다 1.6배 더 유리한 것으로 나타났다.
녹색건축법은 녹색건축 인증, 건물 에너지효율등급 인증, 제로에너지건축물 인증 등 3가지를 규정하고 있다. 3가지 인증제도 모두 건물의 에너지성능향상과 밀접한 관계가 있어 신재생에너지의 적용에 따라 비중은 다르지만 인증 점수에 영향을 준다.
‘녹색건축 인증’은 건축물의 종합적인 성능평가를 통해 친환경건축물을 조성하는 것을 목표로 하고 있는데, 평가는 부문별 건물 적용 여부에 따라 획득한 점수를 합산하는 방식이다. 이 경우 신재생에너지 관련 사항은 에너지 및 환경오염 분야의 필수항목인 에너지 성능, 신재생에너지 이용 항목에 포함된다. 그러나 전체 건물에 대한 평가로 이루어져 있어 신재생에너지 활용 자체는 배점 획득에 미치는 영향이 적다.
‘건축물 에너지효율등급 인증’은 건물에 사용되는 에너지 관련 건축·설비 정보를 통해 난방·냉방·급탕·조명·환기의 단위면적당 1차 에너지 소요량 평가로 이루어지므로 신재생에너지에 대한 평가는 단독으로 평가되는 것이 아니라 건물 전체의 에너지통합 성능평가 결과로 등급이 결정된다.
평가에는 ‘ECO2’ 프로그램을 반드시 이용하도록 하고 있다. 그러나 ECO2 프로그램의 연료전지 적용에 대한 입력 매뉴얼이 별도로 제공되지 않고 있고, 상세한 계산 방법과 알고리즘에 대한 것이 공개되어 있지 않아 결과값에 대한 정확성 검토가 어렵다.
또 신재생에너지 설치의무화제도의 공급의무비율 산정과 같이 별도의 신재생에너지원별 보정계수를 제공하고 있지 않아 신재생에너지설비의 순수한 에너지 생산량과 그에 따른 절감률로 평가되므로 현재 가스를 사용하는 연료전지의 특성상 태양광과 같은 화석연료를 사용하지 않는 순수 재생에너지원에 비해 1차 에너지 절감률 산정에 불리함이 있다.
‘제로에너지건축물 인증’은 건축물에 필요한 에너지 부하를 최소화하고 신재생에너지를 활용해 에너지 소요량을 최소화하는 건축물 보급 확산을 위해 신재생에너지 부문을 특화한 제도이다. 이에 따라 건물의 전체 에너지 사용량 대비 신재생에너지 생산량의 비교 평가를 통해 에너지자립률을 산정한다.
제로에너지건축물(ZEB)은 건축물 에너지효율등급 1++이상, 에너지자립률 20% 이상, BEMS(건물에너지관리시스템) 또는 원격검침 전자식 계량기 설치를 만족하는 건물로 에너지자립률에 따라 등급을 나눈다.
기본적으로 제로에너지건축물은 건축물 에너지효율등급 1++이상이어야 하므로 건물에너지 해석 프로그램(ECO2) 평가에 따라 1차 에너지 소요량이 주거용은 90kWh/㎡·년 미만, 비주거용은 140kWh/㎡·년 미만을 만족해야 한다.
제로에너지건축물 인증은 건축물 에너지효율등급 인증과 마찬가지로 ECO2 프로그램을 이용해 평가해야 하는데, 신재생에너지원별 보정계수가 반영되어 있지 않아 1차 에너지 절감률 산정에 태양광 등 별도의 화석연료를 사용하지 않는 에너지원과 비교해 결과 산정에 불리함이 있다.
대한설비공학회는 연구보고서에서 “향후 그린수소로 전환되기 전까지 화석연료를 일부 사용해야 하는 연료전지의 적용 시 1차 에너지 산정의 불리함 때문에 태양광, 풍력 등에 비해 건축주의 선호도가 떨어질 가능성이 높다”라며 “연료전지의 보급 활성화를 위해 건축물 에너지효율등급·ZEB 인증 평가프로그램(ECO2) 개선, 원별 보정계수 제공 등을 검토할 필요가 있다”고 지적했다.
또 대한설비공학회는 “점차 그레이수소에서 블루수소와 그린수소로 사용이 확대될 텐데, 이에 따른 연료전지의 1차 에너지 생산량 변화에 대한 부분도 고려되어 있지 않아 향후 이 부분에 대한 추가적인 검토가 필요한 실정”이라고 밝혔다.
ECO2 입력방법·결과 검토
지난 2013년 5월 국토교통부와 산업통상자원부 공동으로 ‘건축물 에너지효율등급 인증에 관한 규칙’을 통해 현재 신축·기존 건축물을 대상으로 1차 에너지 소요량 평가 시 ‘건축물 에너지효율등급 인증평가 프로그램(ECO2 프로그램)’을 사용하도록 하고 있어 건축물 에너지효율·ZEB 등급 산출 시 ECO2를 반드시 사용해야 한다.
이 프로그램은 ‘건축물 에너지효율등급 및 제로에너지건축물 인증 제도운영 규정’에 따라 건물 용도별 보정계수(난방·냉방·급탕·조명·환기)를 적용하고 있지만 신재생에너지에 관한 보정계수는 정의하고 있지 않다.
ECO2에서 연료전지 시스템 적용은 태양광, 태양열 등과 달리 별도의 입력창이 없고, 열병합발전과 동일한 계산방식으로 평가되고 있다.
가스열병합과 연료전지의 구분은 ‘신재생에너지 적용 여부’의 단순 체크 여하에 따르고, 연료전지 종류(PEMFC, SOFC)에 따른 구분이 없다.
또 열병합설비(연료전지)는 일반적으로 독립적 열원으로 활용되지 않기 때문에 난방기와 연결하지 않을 경우 연료전지로 인한 에너지 생산량이 계산되지 않음에 따라 반드시 난방·급탕기기와의 연결이 필요해 난방·급탕 기기의 설비용량, 운전 스케줄 등에 영향을 받을 것으로 보인다. 그러나 프로그램의 알고리즘 미공개로 인해 그 영향 정도에 대한 판단이 어렵다.
연료전지의 경우 연료로 가스 이외에 청정수소를 이용할 수 있으나 현재 ECO2에서는 화석연료를 사용하는 연료전지 시스템만 입력이 가능하다는 문제도 있다.
아울러 사례를 통해 동일한 기저부하를 충당할 수 있는 용량으로 연료전지 및 태양광 발전 시스템을 각각 적용했을 때 ECO2 분석 결과를 비교했다.
먼저 1차 에너지 소요량 평가 결과 현재 화석연료(천연가스)를 사용하는 연료전지의 특성상 태양광에 비해 1차 에너지 소요량 절감률이 적게 나타났다. ZEB 등급 확보를 위한 에너지자립률은 연료전지보다 태양광이 높게 나타났다. 에너지자립률 1%를 확보하기 위한 비용을 단순 비교해도 태양광이 연료전지보다 경제적인 것으로 나왔다.
그러나 이를 신재생에너지 원별 보정계수가 제공되는 신재생에너지 설치 의무화 제도의 공급의무비율과 비교할 경우 연료전지가 태양광보다 높게 나타났다.
대한설비공학회는 연구보고서에서 “건물에 연료전지를 적용하는 경우 신재생에너지 설치 의무화 제도에서는 신재생에너지 공급의무비율 확보에 유리하지만 ZEB 등급 확보로 이어지지 못하는 결과가 발생해 기준 간 혼란을 일으킬 수 있다”라며 “따라서 연료전지의 활성화를 위해서는 ECO2 평가프로그램에 연료전지 설비 종류, 사용 연료, 시스템 운전 스케줄 등 다양한 옵션을 추가해 현재보다 정확성이 향상된 에너지 생산량 평가가 이루어져야 하고, 신재생에너지 설치 의무화와의 통일성을 위해 보정계수 도입 등을 검토할 필요가 있다”고 지적했다.
ZEB 등급 연료전지 적용 단계 검토
이번 연구보고서는 마지막으로 소규모 건축물과 공동주택을 대상으로 ZEB 등급 확보를 위한 등급별 연료전지의 적용 단계와 기여도를 검토했다.
먼저 ‘소규모 건축물(CASE-1)’의 경우 일반적으로 신재생에너지 설치 비용이 연료전지, 지열, 태양광 순으로 높음에 따라 국토교통부는 제로에너지건축물의 에너지자립률 최대화를 위해 태양광 용량 최대화, 지열 열량 최적화, 연료전지 용량 최적화 순으로 계획할 것을 제안한다.
CASE-1은 건물의 지붕 면적이 충분해 태양광만으로 ZEB 1등급 달성이 가능하지만 도심지에 위치할 경우 저층 건물은 주변에 높은 건물로 인해 음영이 발생할 가능성이 높음에 따라 연료전지와 같이 주변 환경의 영향이 적은 신재생에너지원의 설치를 고려할 필요가 있다.
연료전지를 소규모 건축물의 급탕 시스템과 연결할 경우 급탕 운전 스케줄과 사용량에 따라 ECO2 시뮬레이션상 적용이 가능한 최대 설치 용량도 결정되는데, 그 용량이 크지는 않다. 소규모 건축물의 ZEB 1등급 달성을 목표로 설계할 경우 태양광이 우선적으로 고려되고, 연료전지의 경우 ZEB 1~2등급 단계에서 적용이 가능하다는 얘기다.
‘500세대 규모 공동주택(CASE-2)’의 경우 15층 건물 3개 동으로 구성된 소형 공동주택 단지로, 건물의 1차 에너지 소요량이 기본적으로 높고, 태양광 설치면적의 한계로 태양광 발전만으로는 에너지자립률 100%를 달성할 수 없는 사례이다.
이 경우 5등급 달성을 위해 계획 초기부터 태양광 이외에 추가적인 신재생에너지를 고려해야 한다. 연료전지의 경우 신재생에너지 보급지원 정책에 따라 보조금을 받을 수 있는 설치용량한도를 단독주택 3.3kW 이하, 공동주택 30kW 이하, 상가·공장 등 건물·시설물은 200kW로 제한하고 있어 이 범위 내에서 계획된다.
또 연료전지는 지열이나 풍력 등에 비해 상대적으로 시공비가 높아 CASE-1과 마찬가지로 1~2등급에서 연료전지의 설치가 고려되는 것이 적절할 것으로 판단된다.
이에 따라 ZEB 등급 확보를 위해 신재생에너지 적용 시 경제성을 고려한 에너지자립률 최대화를 위해 보편적으로 연료전지, 지열, 태양광 순으로 계획되고, 연료전지는 1~2등급과 같은 상위 등급에서 고려된다.
대한설비공학회는 연구보고서에서 “설치 공간에 대한 제약이 적고, 시공의 편의성 등 연료전지의 활용 가능성이 매우 높음에도 불구하고 상대적으로 높은 단가로 인해 건물에너지의 상당 부분을 신재생에너지로 대체해야 하는 높은 수준의 에너지자립률을 요구하는 프로젝트에 일부 활용되고 있다”라며 “연료전지의 활성화를 위해서는 ECO2 프로그램 개선 및 보정계수 도입과 함께 태양광과 지열과 같은 수준의 가격경쟁력을 확보할 수 있도록 업계의 자구적인 노력이 필요하다”고 밝혔다.
이번 연구의 총괄책임자인 박진철 중앙대학교 건축학부 교수는 “건축물의 신축과 리모델링에 있어 반드시 고려되어야 하는 건축물의 효율등급과 ZEB 인증의 평가방법을 중심으로 다른 신재생에너지 시스템과의 비교 경쟁력을 확보하기 위해 연료전지의 적용 현황과 문제점을 파악하는 기초적인 연구로서 의의가 있다”라며 “추후에는 더 다양한 사례와 적용 시스템의 비교를 통해 ECO2 시스템의 개선과 적정한 보정계수 산출에 관한 연구가 진행되어야 할 것”이라고 밝혔다.
