기본연구보고서 11-11

차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구 :

가정용 연료전지의 에너지 효율성 및

경제성 분석 연구

유 동 헌

협동연구총서일련번호

연구보고서명 연구기관

11-02-17 녹색성장 에너지산업의 고용창출 및 전문인력 양성 방안 연구

에너지경제연구원

11-02-18배출권 할당이 거래가격에 미치는 영향 분석 : EU-ETS를 중심으로

11-02-19 배출규제가 탄소누출에 미치는 영향 분석 및 전망

11-02-20온실가스 감축행동의 국내적 측정·보고·검증(MRV) 체계 연구

11-02-21신재생에너지의무할당제와 온실가스감축규제 정책믹스방안 연구

11-02-22 스마트그리드 시범사업 성과 평가기준 설정 연구

11-02-23 신재생에너지 지역별 지원정책 개선방안 연구

11-02-24 신재생에너지 활용 집단에너지사업 활성화 방안 연구

11-02-25차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구: 수소인프라 투자행태의 예측 - 에이전트 기반 모델링

11-02-26차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구: 미래 수소경제 경쟁력 확보를 위한 수소 공급가격 및 공급방안 연구

11-02-27차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구: 가정용 연료전지의 에너지 효율성 및 경제성 분석 연구

11-02-28 에너지이용효율을 촉진하는 에너지요금의 설계

11-02-29 친환경·고효율자동차 보급정책 평가

2011년 경제·인문사회연구회 녹색성장 종합연구 총서

차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구 :

가정용 연료전지의 에너지 효율성 및 경제성 분석 연구

1. 녹색성장 종합연구 총서 시리즈

협동연구총서일련번호

연구보고서명 연구기관

11-02-30 원자력발전의 신규 원전건설 투자재원 확보방안 연구

에너지경제연구원

11-02-31 한국의 에너지빈곤 규모 추정에 관한 연구

11-02-32에너지부문의 기후변화 대응과 연계한 녹색성장 전략 연구 : 녹색성장 정책수단의 성장동인화 방안 연구

11-02-33에너지부문의 기후변화 대응과 연계한 녹색성장 전략 연구 : 녹색에너지산업의 국제경쟁력 강화 방안

11-02-34에너지기술 수출산업화 전략 연구 : 그린에너지산업 육성전략 연구

11-02-35에너지기술 수출산업화 전략 연구 : 전력기술 부문의 동남아 지역 진출 전략 사례연구

11-02-36저소비·고효율 경제사회 구축을 위한 국가 에너지효율화 추진전략 연구: 제조업 업종별 에너지효율 평가 및 에너지 절감잠재량 추정Ⅱ

11-02-37시장친화형 에너지가격체계 구축 종합 연구: 탄소세·배출권거래제 도입의 에너지가격 파급효과

2. 참여연구진

연구기관 연구책임자 참여연구진

주 관연구기관

에너지경제연구원

유동헌 연구위원

협 력연구기관

아주대학교 김수덕 교수

요약 i

<요 약>

1. 연구 필요성 및 목적

국내의 가정용 연료전지 보급은 2020년까지 10만 대를 목표로 하고

있다. 정부의 녹색 성장 정책 안에서 연료전지의 추가적인 보급을 예

상할 수 있는 대목이다. 연료전지는 배기열을 열병합발전 시스템에서

회수한다면 효율이 더욱 높아질 수 있는 높은 발전 효율을 갖고 있다.

이러한 점 때문에 국가 에너지 정책은 연료전지의 보급을 위한 장기

목표를 설정하고 있다.

이에 본 과제를 통해 정부의 가정용 연료전지 보급 정책 동향을 살

펴보고 기존의 에너지 이용 방식과 대비하여 경제성을 확보할 수 있

는 것인지 그리고 에너지 효율성은 어느 정도인지 등을 판단해보고

정부의 녹색 성장 정책 틀 내에서 지원 정책이 필요하다면 지원 방식

에 대해 살펴보고자 함.

2. 내용 요약

일반적으로 연료전지의 에너지 효율성이 기존 에너지 공급 방식에

비해 우수하다는 평가이다. 국내 가정용 연료전지의 발전 효율은 최대

39%, 열 회수효율은 최대 55%로 일본의 가정용 연료전지에 비해서는

약간 낮은 수준을 보이고 있다.

가정용 연료전지의 경제성 분석은 에너지경제연구원(2010) 모델을

적용하였다. 시간대별 열과 전력 수요 부하 분석은 다계층 모형(the

multi-level model or the hierarchical model)을 이용하고 있다. 추정된

ii

열과 전력 수요량에 대해 가정용 연료전지의 B/C 분석을 이용하여 경

제성을 분석하고 있다. 연료전지 운용은 전기추종 방식(power load

following)과 열추종 방식(heat load following)으로부터 각각 시간대

별 비용을 산정하여 복합추종 방식(combined strategy)을 통한 최소비

용과 기존 시스템 운영비용을 비교하여 최소비용 운용방법을 선택하

는 것으로 가정하고 있다.

분석 결과 가정용 연료전지는 경제성을 확보하지 못하는 것으로 나

타났다.

3. 연구결과 및 정책제언

본 과제에서는 PEM 타입의 가정용 연료전지에 대한 에너지 효율성

및 경제성을 분석하고 있다. 경제성 분석 결과 연료전지 시스템 가격

을 500만 원으로 하고 전력 가격을 현재 가정용 전력 가격에 비해

15% 인상하는 경우에도 B/C 분석 결과 0.3～0.4 수준을 나태내고 있

다. B/C 분석 결과가 1 이상이 되려면 연료전지 시스템 가격이 최소

65% 이상 감소해야 하는 것으로 분석 결과 나타났다. 다시 말해서 연

료전지 시스템 가격이 320만 원 이하가 되고 스택 비용도 현재의 절

반 이하 수준으로 낮아져야 함은 물론 전력가격이 현재보다 15% 인

상되어야 경제성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

이미 상당한 기술을 보유하고 있는 가정용 연료전지의 상업화를 위

한 정부 지원이 필요한 이유이다. 가정용 연료전지의 상업화는 녹색

성장 전략 중 하나로 해외시장을 겨냥한 상업화로 정책방향이 맞추어

져야만 정부 지원의 합리성을 부여할 수 있을 것이다. 이를 위해 지금

보다는 체계적인 모니터링과 기술 개발 지원이 필요하다.

Abstract i

ABSTRACT

1. Research Purpose

The Ministry of Knowledge Economy established a goal which is

supplying a hundred thousand units of household fuel cell until 2020.

Thus, it reflects the government’s intent to supply the additional fuel

cells based on the Green Growth Policies. The residential fuel cell has a

possibility of far higher efficiency, power generation and heat recovery

efficiency, when the exhaust heat is recovered in the micro-CHP system.

In this way, the national energy policy set the long-term policy objective

to disseminating the fuel cells.

Then, on this study, it could be examined the current policy for

disseminating fuel cell, demonstrated the economic feasibility, measured

the energy efficiency of fuel cell and if it is needed, the type of incentive

policy which is support the fuel cell is searched in the realm of Green

Growth Policy.

2. Summary

In general, the fuel cell is superior in energy efficiency than

conventional method of supplying energy in residential sector. The

generation efficiency rate of the domestic residential fuel cell is the

maximum 39%, and the heat recovery rate of it is the maximum 55%.

ii

That is considered lower then compared with Japanese’s.

The economic feasibility study of the residential fuel cell is applied in

Model of KEEI(2010). Especially, The analysis of time-based heat and

electricity load is applied in the multi-level model or the hierarchical

model. And, using the estimated demand of heat and electricity of the

household, fuel cell are applied the method of B/C analysis for the

economic feasibility analysis. Using the method of power load following

and heat load following, the operation of the fuel cell is calculated

time-based cost. Also the operation mode of the least expense is chosen

by the combined strategies and conventional method

The result of the analysis could not demonstrated the economic

feasibility of the fuel cell for residential.

3. Research Results and Policy Suggestions

In this study, the efficiency and economic feasibility of the household

fuel cell whose type is PEM(polymer electrolyte membrane) are

examined. As the result of the economic feasibility of the fuel cell, in

case of the price of the system set five million korean won and the price

of the electricity increased the 15% than the current electricity tariff for

household, B/C analysis is represented the level of 0.3~0.4. If the price

of residential fuel cell system is decreased at least more than 65%, in

short, the price of the residential fuel cell system should be less than 3.2

million won, the cost of stack also should be lowered under half and the

electricity price also should be increased 15% than current levels, it

Abstract iii

could said that the result of the B/C analysis is at least 1.

In this way, the support of the government for commercialization of

household fuel cell which is have considerable advanced technology is

actually needed. And the commercialization of household fuel cell will

be targeted at overseas market to give a suitable reason related to the

policy of government support. After all, it is strongly needed more

systematic monitoring and technical development support than the

government’s current supports.

차례 i

제목 차례

제1장 서 론 ·························································································· 1

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 ·················· 4

1. 연료전지 개요 ················································································ 4

2. 연료전지 시장 전망 및 국내 기술 로드맵 ·································· 5

가. 국내 연료전지 시장동향 및 특성 ············································ 5

나. 국외 시장 동향 및 전망 ·························································· 6

3. 국내 기술로드맵 ··········································································· 14

4. 한국과 일본의 연료전지 시스템 시범사업 ································ 15

가. 한국의 모니터링 사업 ···························································· 15

나. 일본의 현황 및 평가 ······························································ 17

5. 연료전지의 에너지 효율성 ·························································· 29

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 ··························· 32

1. 열과 전기부하 추정 ····································································· 32

가. 열과 전기부하 추정 방법 ······················································· 32

나. 시간대별 열과 전기 수요 추정 결과 ···································· 34

2. 가정용 연료전지 경제성 분석 모형 ··········································· 37

가. 운전 전략별 비용 추정 방법 개요 ········································ 37

나. 기존 설비 및 연료전지 이용 시 비용 산정 방법 ················ 39

다. 기존 시스템과 연료전지 운용 시 비용 분석 방법 ·············· 41

ii

3. 분석 결과 ······················································································ 43

가. 변동비 기준 연료전지 도입의 편익 분석 ··························· 43

나. B/C ratio와 NPV 추정 결과 ················································· 46

제4장 가정용 연료전지 상업화 전략 ··········································· 58

1. 연료전지 시스템 보급의 장애 요소 ··········································· 58

2. 상업화 가능성 및 전략 ································································ 61

가. 상업화를 위한 과제 ································································ 62

나. 정부지원 ·················································································· 65

제5장 결론 및 정책 제언 ······························································ 69

참고문헌 ······························································································ 72

< 약어 정리 > ··················································································· 76

부록 ······································································································· 79

차례 iii

표 차례

<표 2-1> 2010년 연료전지 판매 및 시장 전망 ···································· 9

<표 2-2> 미국 연료전지 생산량 추이 (2005～2010) ························· 13

<표 2-3> 가정용 연료전지 모니터링 사업 개요 ································· 16

<표 2-4> 에너지 공급업체별 설치․가동증인 시스템 수 ·················· 20

<표 2-5> 제조업체별 설치․가동 중인 시스템 수 ····························· 21

<표 2-6> 연료 형태별 설치․가동 중인 시스템의 수 ······················· 21

<표 3-1> 주택용 전력(저압) 요금 ······················································ 42

<표 3-2> 주택용 전력(고압) 요금 ························································ 42

<표 3-3> 2011년 서울 주택난방용 도시가스 요금 ···························· 42

<표 3-4> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금) ··············· 43

<표 3-5> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금+5%) ········ 44

<표 3-6> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금+10%) ······ 44

<표 3-7> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금+15%) ······ 45

<표 3-8> 연료전지 도입의 편익 ··························································· 45

<표 3-9> 가정용 1kW 연료전지 시스템의 총 비용 ··························· 47

<표 3-10> 가정용 1kW 연료전지 시스템의 경제성 분석 결과 1 ···· 47

<표 3-11> 가정용 1kW 연료전지 시스템의 경제성 분석 결과 2 ···· 48

<표 3-12> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 현재 기준) ··················· 50

<표 3-13> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 현재 기준) ··················· 51

<표 3-14> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 현재 기준) ··················· 52

iv

<표 3-15> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 현재 기준) ·················· 53

<표 3-16> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 2015 기준) ·················· 54

<표 3-17> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 2015 기준) ·················· 55

<표 3-18> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 2015 기준) ·················· 56

<표 3-19> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른

B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 2015 기준) ·················· 57

<표 4-1> FY 2008년 설치 시스템의 예상하지 못한

가동중지에 관한 상세한 사항들 (일본) ······························ 60

<표 4-2> 가정용 연료전지 보급 및 상업화 접근 방식 ······················ 63

차례 v

그림 차례

[그림 2-1] 연료전지별 응용분야 ····························································· 8

[그림 2-2] 국내 연료전지 전략 로드맵 ················································ 14

[그림 2-3] 가정용 연료전지 기술 로드맵 ············································ 15

[그림 2-4] 대규모 시연 프로젝트 현황 ·············································· 18

[그림 2-5] PEFC 시스템 설치와 데이터 수집 개략도 ······················· 19

[그림 2-6] 설치 주택의 지역별 분포 ················································· 22

[그림 2-7] 가구 구성원 수와 주거 넓이에 따른 가구 분포 ·············· 23

[그림 2-8] 가동성과: 전력 발전 효율의 분포 ····································· 24

[그림 2-9] 가동성과: 전력과 열의 활용률 ··········································· 25

[그림 2-10] PEFC 시스템의 에너지 절약 효과 ································ 27

[그림 2-11] PEFC 시스템의 CO2 감축 효과 ······································ 28

[그림 2-12] 가정용 연료전지 시스템 구성도 ······································ 30

[그림 2-13] 가정용 연료전지 시스템 효율 ·········································· 31

[그림 3-1] 봄 대표일의 열과 전기 부하 ·············································· 35

[그림 3-2] 여름 대표일의 열과 전기 부하 ·········································· 35

[그림 3-3] 가을 대표일의 열과 전기 부하 ·········································· 36

[그림 3-4] 겨울 대표일의 열과 전기 부하 ·········································· 36

[그림 3-5] B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 현재 기준) ··················· 50

[그림 3-6] B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 현재 기준) ··················· 51

[그림 3-7] B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 현재 기준) ··················· 52

[그림 3-8] B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 현재 기준) ··················· 53

[그림 3-9] B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 2015 기준) ··················· 54

vi

[그림 3-10] B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 2015 기준) ················· 55

[그림 3-11] B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 2015 기준) ················· 56

[그림 3-12] B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 2015 기준) ················· 57

제1장 서론 1

제1장 서 론

연료전지는 미국 제조업과 독창성 회복에 도움을 줄 뿐 아니라 고

객의 비용 지출과 온실가스 배출 저감을 도우면서 미국 연료전지 업

계를 2배 성장시키고 있다(Fuel Cells 2000, 2011). 석유 중심의 화석

에너지자원 고갈과 기후변화에 대한 관심이 늘어나면서 연료전지 기

술은 연료전지의 높은 에너지 효율과 온실가스 저배출 특성으로 인해

최근 들어 많은 관심을 받아왔다. 연료전지의 효율은 60%에 이를 정

도의 전력 에너지 전환 효율과 80%에 이르는 전력과 열을 포함하는

전체 효율 그리고 주요 오염물질 90% 이상 저감 등이 가능하다

(Papageorgopoulos, 2010). 연료전지는 운전 시 부수적으로 발생되는

열을 사용할 수 있기 때문에 가정용 전원 공급용으로 고려되었었다.

하지만 고분자전해질 연료전지의 높은 가격은 여전히 가정용으로 광

범위하게 적용하지 못하게 하는 장애요인으로 남아있다(Wang et al.,

2011).

우리나라에서 가정용 연료전지 모니터링 사업에서 채택된 PEM1)

연료전지는 자동차용, 고정형 및 휴대용 기기의 차세대 전원 장치로써

유망한 대안이다(Wang et al., 2011). 이러한 기대는 상대적으로 낮은

운전 온도, 높은 에너지 밀도 및 손쉬운 용량 확대 등에 기인한다. 또

한 가정용 연료전지 시스템은 일반적으로 기존 가정용 에너지 공급

시스템과 비교하여 에너지 절약과 이산화탄소 저감 면에서 우수하다

1) 고분자전해질 연료전지는 PEFC(polymer electrolyte fuel cell) 혹은 PEMFC(polymer electrolyte membrane fuel cell) 혹은 PEM(polymer electrolyte membrane)로 표기됨.

2

는 평가를 받고 있다(前田 외, 2010; Ren & Gao, 2010).

前田 외(2010)의 연구결과에서 기존 가정용 에너지 공급 시스템을

기존 가스보일러 혹은 콘덴싱 가스보일러 혹은 CO2 히트펌프와 화력

발전으로 상정하고 있는 가운데 가정용 PEMFC 열병합 실증테스트

결과를 보면, 평균 에너지 절약률 13.9%, 이산화탄소 배출 저감률

16.5%를 보이는 것으로 분석하고 있다. 한편 CO2 히트 펌프 시스템

의 평균 에너지 절약률은 13.7%이며 평균 이산화탄소 배출 저감률은

10.0%로 보고하고 있다. Ren과 Gao(2010) 연구 결과를 보면, 가정용

연료전지 시스템이 경제적 및 환경적 관점에서 더 나은 대안으로 평

가하고 있다.

이러한 연료전지 시스템에 대해 우리나라는 2011년까지 3차년도의

과정을 통해 420억 원을 투입하여 가정용 연료전지 모니터링 사업을

진행하였다. 지난 2006년 8월부터 2007년 11월까지 진행된 1차년도

모니터링 사업의 목표는 시스템의 안정적인 운전이었다. 처음 실행한

연료전지 모니터링 사업이었음에도 사업 시작 후 1년이 지나기 전에

연료전지 40기 전부가 발전효율 30%, 열효율 40% 이상을 유지하며

안정적인 운전을 기록한 바 있다. 한편, 일본은 2008년까지 3,000여

대의 가정용 연료전지를 보급하는 실증 사업을 수행해왔다. 일본 역시

실증 사업을 위해 정부 보조금을 지급해왔으며 이 과정에서 품질 개

선을 위한 기초 자료 획득 및 획득한 자료를 통한 연료전지 신뢰도 향

상 등 일련의 과정을 진행시켰다.

가정용 연료전지가 기후변화협약 대응을 위한 좋은 대안이라는 인

식을 가지고 국내적으로 기술 개발과 시범 보급, 국외적으로는 새로운

시장 개척을 목표로 가정용 연료전지 기술 확보와 상업화 노력을 기

제1장 서론 3

울이고 있으나 아직 몇 가지 문제점을 가지고 있음은 물론 설비 단가

가 높은 현실적이지 못한 요인이 있음을 부인하기 어려운 실정이다.2)

이에 본 과제에서는 가정용 연료전지에 대한 에너지 효율성과 경제성

분석을 통해 보급과 시장 창출을 위한 전략을 제시하고 있다.

본보고서는 다음과 같이 구성되어 있다. 제2장은 가정용 연료전지

시스템에 대한 기본적인 개념과 함께 연료전지 시장 현황 및 전망에

대해 연료전지 종류별․국가별로 살펴보고 가정용 연료전지의 에너지

효율성을 분석하고 있다. 제3장에서는 가정용 연료전지 시스템의 경

제성 분석을 위해 열과 전기부하를 실제 자료에 기반을 두어 시간대

별로 추정하고 있고 그리고 경제성 분석 모형을 정립한 다음 연료전

지 추종방식을 고려하여 가정용 연료전지의 경제성을 분석하고 있다.

제4장에서는 앞에서의 분석 결과와 외국 사례 분석을 기초로 연료전

지 상업화 가능성과 전략을 제시하고 있다. 제5장에서는 경제성 확보

에 한계가 있는 가정용 연료전지 상업화에 대한 연구결과를 정리하여

정책 건의를 제시하고 있다.

2) Paepe et al.(2006)

4

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지

효율성

1. 연료전지 개요

연료전지는 전력과 열을 생산하기 위해 수소와 산소를 결합하는 전

기화학 장치이다.3) 배터리와 달리 연료전지는 연료가 공급되는 한 지

속적으로 전력을 생산한다. 연료전지의 특징은 화석연료를 연소하지

않는다는 점이다. 연료전지는 오염물질을 배출하지 않으며, 연소에 비

해 높은 효율을 낼 수 있는 장점을 가진다. 다시 말해서 연료전지 시

스템은 기존의 에너지 연소 방식과 비교할 때, 고효율, 고출력, 무공해

및 무소음의 특징을 갖는 열병합 발전 시스템으로서 다양한 연료를

사용할 수 있다.4) 이러한 점에서 연료전지 시스템은 앞으로 예상되는

급격한 전력 및 에너지 소비 증가에 따른 에너지 고갈과 점점 더 심각

해지는 환경 문제를 해결할 수 있는 청정에너지원으로써 부각되고 있

는 상황이다.

연료전지 시장은 크게 3개(고정전원(stationary power), 수송전원, 휴

대용 전원)의 시장으로 구분할 수 있다. 고정 전원은 1차 전원 혹은

백업전원 혹은 열병합 용도로 운용할 수 있는 형태로써 가정용 연료

3) 물의 전기분해는 전기 에너지를 써서 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는

반응이나 이것의 역반응, 즉 수소와 산소가 화합하여 물이 생기는 반응을 이용해

전기 에너지를 만드는 것이 연료전지임. 4) 천연가스용 연료전지를 보급하는 우리나라와는 달리 일본에서는 천연가스, LPG,

등유를 연료로 사용하는 가정용 연료전지 시스템을 사용하고 있음.

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 5

전지가 여기에 속한다.

고정전원 즉 고정형 연료전지의 폐열은 공간난방, 온수, 냉방, 에어

컨 및 냉장고 등의 용도로 사용할 수 있다. 일부 연료전지는 물을 절

약 할 수 있도록 설계되기도 하는데 이렇게 설계된 400kW 연료전지

시스템은 미국 전력망과 비교하여 연간 160만 갤런의 물을 절약할 수

도 있다.5) 대부분의 연료전지는 천연가스 혹은 순수수소를 이용하여

작동하지만 프로판, 혐기성발효가스(anaerobic digester gas) 혹은 바이

오가스와 같은 신재생 연료원6) 등으로도 운용할 수 있으므로 다양한

제조업 분야에서 이용이 가능할 것이다. 고정형 연료전지 중 고온연료

전지인 MCFC와 SOFC의 경우 2030년까지는 천연가스와 바이오가스

가 주종 에너지원이 될 전망이다.7) 수소는 PEMFC, AFC 및 PAFC의

연료로 사용된다. 저온 PEMFC와 AFC는 고순도 수소를 필요로 하는

데 반해 저순도 수소는 PAFC와 고온 PEMFC에서 이용할 수 있다.

2. 연료전지 시장 전망 및 국내 기술 로드맵

가. 국내 연료전지 시장동향 및 특성

국내에서도 가정용 연료전지 시제품 개발을 완료하고 2006년부터

2009년까지 이미 210대의 가정용 연료전지가 설치되어 모니터링 사

업을 수행하였으며, 2011년 11월 30일 종료되었다.8)9)

5) Fuel Cells 2000, 2011.6) 하수도가스, 바이오메탄올 등(JRC Scientific and Technical Reports, 2011).7) JRC Scientific and Technical Reports, 2011.8) 서울경제신문 2010.10.13.9) 한겨레 2011.9.13. 20:49.

6

2010년부터 친환경 주택(그린 홈) 100만 호 보급사업의 일환으로

200대의 가정용 연료전지 시스템으로 시범 보급 사업이 착수되었다.

2011년에는 10월 초 현재 보급 목표량 300대 가운데 266대가 설치되

었다.10) 정부에서는 향후 2020년까지 보다 적극적인 투자를 계획하여

총 10만 호의 가정용 연료전지 시스템을 보급할 예정이다.

또한 연료전지의 실용화와 보급을 위해 기술 개발과 더불어 객관적

이고 표준화된 설비 심사 기준에 따른 성능평가를 수행하기 위한 신

재생 에너지 설비 심사 세부 기준 고분자연료전지시스템(NR-FC 101

2008)을 지난 2008년 제정하고 국가 인증 사업을 시작하였다. 기존의

가정용 에너지 공급 설비 내지 방법을 대체할 연료전지 시스템은 퓨

얼셀파워, GS퓨얼셀, 효성 등의 기업이 R&D를 주도하고 있으며, 자

체 개발한 가정용 연료전지 시스템의 인증을 획득하였다.

나. 국외 시장 동향 및 전망

1) 종류별 동향 및 전망

연료전지 시스템의 세계 시장은 지난 최근 5년간 20배 성장 하였다.

2010년 연료전지 판매량은 전년대비 40% 성장하여 전체 보급 대수는

230천 대로 추정된다. 이 가운데 95%가 휴대용 연료전지로 추정된다.

2010년 전 세계 연료전지 판매량 중 97% 이상이 PEMFC 타입이며,

2011년 연간 연료전지 출하량은 전년에 비해 25% 성장하여 285천 대

에 이를 것으로 기대 된다.11)

연료전지는 다양한 분야에서 활용12)되고 있는데 휴대용 연료전지는

10) 서울경제신문, 2011.10.13.11) Platinum Materials Rev., 2011.

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 7

2007년 이후 매년 75%씩 성장해 왔다. 휴대용은 아직 상업화에 이르

지 못하였음에도 불구하고 외부 배터리 충전기로 연료전지를 사용하

는 주목할 만한 개발이 이루어져 왔다. 소형화 및 시스템 통합 문제는

연료전지를 휴대용 전자기기로의 직접통합을 저해하고 있다.

고정형 연료전지는 2010년에 2009년 대비 10% 성장하였다. 미국과

아시아(특히 일본)가 주도하고 있는 고정형 연료전지 시장은 전원으로

사용되는 MW급 연료전지, 무정전전원장치(Uninterruptible Power

Supply; UPS) 및 가정용 소형 열병합(micro-CHP)의 3가지 범주로 나

눌 수 있다.13) 이 중 MW급은 주로 PAFC 타입이 보급되는데 슈퍼마

켓, 건물 등에서 사용 된다.14)15) 현재 건물용 연료전지 분야는 안정적

이며 지속적인 성장률을 보이고 있다. 제조업체는 생산 능력을 증대시

키기 위하여 신규 생산 장비 투자를 확대하는 추세에 있다. 2008년부

터 일본의 제조업체(파나소닉, 도시바, ENEOS)는 만 대 이상 양산 설

비를 구축하였다.

고정형 연료전지 시장은 주거용, 상업용 열병합발전과 산업용, 군사

용 및 농업 응용 분야와 같은 다양한 제품이 산업 성장을 주도할 것으

로 예상된다. 건물용 연료전지는 UPS와 CHP 수요 증가로 2015년 약

260천 대에 도달할 것으로 예측된다.

고정형 연료전지의 발전효율은 45%까지 현재 가능하며, 하이브리

드(연료전지와 터빈) 타입의 경우 발전 효율 70% 이상의 실현 잠재력

12) 미국의 38개 회사가 비용․연료 및 시간 절약, 신뢰성 및 효율 향상, 공공 인식

개선, 탄소발자국 저감 등을 목적으로 연료전지를 사용하고 있음(Fuel Cells 2000, 2011).

13) 일본은 건물용 연료전지 실증 프로그램으로 CHP 수요가 꾸준히 성장하고 있는

반면 북아메리카는 UPS 수요증대 정책의 영향으로 UPS가 크게 성장하고 있음.14) Platinum Materials Rev., 2011.15) 연료전지의 기업 이용 사례는 Fuel Cells 2000(2011)을 참조 바람.

8

을 가진다. 실험실 수준에서의 평균 내구성은 8,000시간을 기록하였

다. 유럽의 다년 이행 계획(Multi-Annual Implementation Plan)에 의

한 2020년 천연가스 사용 MCFC 발전 효율은 52% 이상(2010년

42%)이며, 내구성은 스택기준 40,000시간이다.16)

수송용 연료전지 시장은 2010년에 20% 성장하여 총 보급 대수는

2.4천 대로 추정된다. 수송용 연료전지는 일반적으로 자동차, 버스 등

에 적용되고 있으나 페리, 지게차, 무인공중차량(unmanned aerial

vehicle; UAV), 군용 수중차량 등에도 적용된다. 세계 자동차 선도 기

업 8개사는 2015년까지 연료전지 자동차를 선보일 계획이며, 2010년

에는 영국 택시에 수소 연료전지가 탑재되었다. 연료전지는 이륜차에

도 적용하고 있다.

[그림 2-1] 연료전지별 응용분야

자료: www.gsfuelcell.com/page.php?Main=1&sub=1

16) JRC Scientific and Technical Reports, 2011.

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 9

특징 2010 세계 판매 시장전망

고정형PEMFC

-통신업 전원(off-grid)-상업용(호텔, 병원 등) 전원-1차전원-백업용

-9,200대, 이 중 5천대 이상 일본

-63MW 이 가운데20MW 이상 한국

2017년 9.5십억 달러

고정형 MCFC, AFC, SOFC -대규모발전+열병합

휴대용PEMFC, DMFC

-무선모니터링장치-외부전력충전기-소형가전(노트북, 스마트폰)-군용

-보급대수의 22%-매우 낮은 MW

2017년 9.5십억 달러

수송용PEMFC

-경량차량(LDV)-버스-무인공중차량(UAV)

-보급대수의 33%-27MW

2020년 390천L D V ( 경량차량)

수송용 SOFC -APU(Auxiliary Power Unit)

<표 2-1> 2010년 연료전지 판매 및 시장 전망

자료: JRC Scientific and Technical Reports, 2011.

2) 주요국별 동향 및 전망

일본은 가정용 연료전지 개발 및 시장을 주도하고 있으며, 2009년

도부터 가정용 연료전지 「ENE-FARM」(2008년 6월부터 명칭 통일)

의 판매를 시작, 미래 일본 주택의 표준을 목표로 보급 촉진에 적극

나서고 있으며, 2009년도 판매대수는 5,050대(판매 단가 약 340만 엔

(약 4천만 원)), 2010년도에는 15,410대를 예상했었다. 가정용 연료전

지 보급 확대를 위해 구입 보조와 전용 도시가스 요금제를 시행하고

있다. 2011년(FY 기준) 보조 대상 연료전지 대수는 8,000대였으며, 기

한은 2012년 3월말까지였으나 2011년 7월 초에 다 소진하였다. 이는

2011년 3월 일본 동북지역 지진과 쓰나미로 인한 전력 공급 중단의

10

두려움이 연료전지 수요를 부추긴 결과로 해석하고 있다.17) 그러나

모니터링 사업을 통해 성능이 개선되고 가격이 하락된 부분도 크게

작용한 것으로 보인다.18)

일본 간나오토 총리는 G8 정상 회담 발언에서 재생에너지 확대 필

요성과 제한된 에너지 여건에서 조차도 삶을 즐길 수 있는 새로운 라

이프스타일을 만들 필요가 있음을 제시하였다.19) 이러한 점에 착안할

때 향후 일본에서는 연료전지를 이용한 분산형 전원 구성을 기대해

볼 수 있을 것이다.20) 일본의 연료전지 제조사인 JX(ENEOS)는 2020

년 연간 ENE-FARM 판매량을 600천 대 수준으로 전망하고 있으며,

2015년 이후로 예상되는 정부의 가정용 연료전지 목표 가격은 완전

상업화 이후 공장도 가격 기준 8천 달러 수준이다. 2015년 JX사의 가

정용 연료전지 목표 수준을 보면, 가격은 6～8.4천 달러, 내구성은 10

년 이상, 고장률은 연간 1% 이하, 저 발열량 기준 발전 효율은 35%

(총효율 85%) 이다.

일본은 NEDO/NEF 지원 아래 SOFC 타입 연료전지에 대해서도 상

업화를 위한 테스트 기회를 2007년～2010년 기간에 가졌으며, 2011

년에 일본 시장에 출하하고 향후 수출하는 계획을 가지고 있다.

독일은 가장 큰 가정용 연료전지 실증 프로젝트인 Callux를 진행하

고 있다.21) Callux는 수송, 건물 및 도시 개발성(Federal Ministry of

17) FuelCellToday (http://www.fuelcelltoday.com/news-events/news-archive/2011/july/ japanese-fy2011-residential-fuel-cell-funding-expended).

18) 파나소닉과 동경가스가 보급한 2세대 모델은 1세대 모델 대비 가격은 20% 하락(31,500 유로에서 25,100 유로로 하락)하고 발전효율(저발열량 기준)은 37%에서

40%로 상승하였음. 내구성은 4만 시간에서 5만 시간으로 늘어남(Kani, 2011). 19) http://www.kantei.go.jp/foreign/kan/statement/201105/27G8naigai_e.html20) Yamaguchi (2011).

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 11

Transport, Building and Urban Development; BMVBS)의 지원을 받

는 에너지․열 공급 파트너에 의해 공동으로 조직된 프로젝트이다. 동

프로젝트는 수소와 연료전지 기술을 위한 국가 혁신 프로그램의 일부

분으로써 총 투자 규모는 86백만 유로이며 조정 역할은 NOW Gmbh

(국립수소․연료전지기술기구)가 수행한다.

Callux 프로젝트의 목적은 기술적 완성도 실현, 상업화를 위한 추가

개발 지원, 대량 생산을 위한 공급 체인 개발, 시장 및 고객에 대한 요

구 검증, 산업 부가가치 창출 촉진 등이다.

2012년까지인 1단계 프로젝트는 이미 많은 연료전지가 전국에 보급

설치되어 시장준비 단계인 2단계를 시작할 수 있게 되었다. 동 프로젝

트에는 3개의 연료전지 제작사(Baxi Innotech, Hexis, Vaillant)22)와 5

개의 에너지 공급사(EnBW, E.ON Ruhrgas, EWE, MVV Energie,

VNG)가 참여한다. 프로젝트 단계에서의 조정 업무는 태양에너지․수

소연구센터(the Center for Solar Energy and Hydrogen Research;

ZSW)가 맡고 있다. 에너지 공급사는 매년 연료전지를 가정에 설치․

운영하고 있으며, 결과 정보를 공동으로 관리한다.

Callux 구조는 실증 사업과 지원 조치로 구성된다. 실증 사업은 가

정을 대상으로 3단계로 이루어질 것이며, 지원 조치는 시장 파트너,

시장 연구, 인프라스트럭처, 커뮤니케이션, 과학적 지원, 프로젝트 조

정 등 6가지의 work packages로 구분된다.23) 동 프로젝트는 2015년까

지 지속될 계획에 있는데 2012년까지 대략 800대의 연료전지가 보급

21) www.callux.net22) 건물용 연료전지 분야에 해당하는 PEMFC와 SOFC(1kWe)에 기초한 연료전지 개

발 노하우를 가지고 있으며, 100 응용 예 이상의 경험을 가진 회사임(Ramesohl, 2011).

23) Ramesohl (2011).

12

될 전망이다.

유럽은 건물용 보일러 대체 시장으로 연료전지 시장이 형성되고 있

으며 2010년 이후 아시아 다음으로 최대 규모의 시장이 될 전망이다.

EU는 2012년 건물용 보일러를 대체하는 연료전지 시스템을 양산하여

2015년 연간 20만 대 시장 판매를 목표로 하고 있다. 영국은 2016년

까지 14개 타운에 4백만 탄소 중립형 건물을 도입할 것으로 보인다.

2008년 GDP 당 연료전지 및 수소기술 투자 최고 수준을 기록했던

덴마크는 연료전지 기반 소형 열병합 실증 프로젝트를 통해 100대의

PEMFC 및 SOFC 연료전지를 운영 중이다.24)

EU의 연료전지 및 수소 기술 RD&D 활동은 FCH-JU25)에 의해 조

정된다.26) 동 활동 관련 다년도 이행계획은 SET-Plan(Strategic Energy

Technologies-Plan)의 유럽 산업 이니셔티브(EII)의 기술 로드맵과 유

사하게 수정되었으며, 2010년～2020년 동안의 기술 로드맵도 정리되

었다. 유럽의 연료전지 관련 일련의 활동은 저탄소 에너지 기술 로드

맵 안에서 이루어지는 것으로 보인다.

미국 연료전지의 주요 초기시장은 PEMFC, DMFC 기술을 이용한

백업 전원용, 자재 취급용, 휴대용 전원용 등이며, 가정 및 상업용 연

료전지는 향후 5년간 개발할 계획이다.27) 2010년 미국의 PEMFC 타

24) JRC Scientific and Technical Reports, 2011.25) Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking(연료전지 및 수소 공동사업)26) 2011년 11월 FCH-JU 프로그램 검토와 4차 이해당사자 총회가 브뤼셀에서 개

최되었는데 60여개의 프로젝트가 검토되었으며, 총회에서는 연료전지와 수소기

술의 유럽경제 탈탄소화 기여에 대한 토론이 있었음(http://www.fch-ju.eu/news/ fuel-cells-and-hydrogen-joint-undertaking-programme-review-and-4th-stakeholders-general-assembl).

27) Greene et al.(2011).

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 13

입 연료전지 생산량은 2,200대(5kWe 기준) 이상으로 추정되며 2006

년 이후 급격한 성장세를 나타냈다. 급격한 연료전지 보급은 ARR

A28)에 의한 보조금에 기인한다. 보조금과는 별도로 R&D 투자를 통

해 연료전지 가격을 2010년 현재 51달러/kW(수송용 기준) 수준으로

낮추었으며 2015년 수송용 목표 가격은 30달러/kW 이다.29)30) 2011

년 고정형 연료전지 내구성 목표는 40,000시간 이었으나 현재 일부에

서 10,000시간 이상을 보이는 수준이다.31)

2005 2006 2007 2008 2009 2010PEMFC (5kWe 대수)

PEMFC 자재취급 0 0 123 211 477 803PEMFC 백업 전원 135 158 219 435 594 1,221PEMFC 열병합 71 71 71 71 71 250

대형 non-PEMFCPAFC (400kWe 대수) 10 10 10 10 50 75MCFC (MWs) 6 5 12 24 32 32

<표 2-2> 미국 연료전지 생산량 추이 (2005～2010)

자료: Greene et al.(2011)

미국 연방정부는 가정용 신재생 에너지에 대한 세금 공제 제도를

시행하고 있다.32) 연료전지에 대해서는 0.5kW 이상 규모를 대상으로

최대 $500/0.5kW를 공제해 준다. 동 제도는 2016년 까지 유지되는 제

28) 미국의 2009 경제회복 및 재투자법(The American Recovery and Reinvestment Act of 2009)은 청정에너지(에너지효율, 재생에너지 및 열병합) 프로그램 이행

을 통한 새로운 에너지 절약, 온실가스 감축 및 직업창출 기회를 주정부와 지

방정부에게 제공했음.29) 2002년 이후 80% 이상, 2008년 이후 30% 이상 가격 저감.30) Satyapal(2011).31) Wang et al.(2011) p.98832) 세금공제 대상은 태양전지, 태양열, 풍력, 지열히트펌프, 연료전지임(DSIRE).

14

도로써 세금공제 대상 연료전지는 반드시 전력만(electricity-only)을

생산해야하며 효율은 30% 이상이어야 한다.

3. 국내 기술로드맵

[그림 2-2]에 국내 연료전지 전략 로드맵, 그리고 [그림 2-3]에 가장

상업화에 근접한 기술인 가정용 연료전지 기술 로드맵을 제시하고 있

다. 한국에너지기술평가원에서 제시한 전략 로드맵을 보면 PEM 타입

연료전지의 경우 2012년까지 정부주도로 일반 부품(BOP)33) 및 핵심

소재 기술을 개발하고 동시에 건물용 연료전지 1만 호 보급 사업을

진행하는 것으로 예정되어 있다.

[그림 2-2] 국내 연료전지 전략 로드맵

자료: 신미남(2011)

33) Balance of Plant(BOP)로 주변 보조 기기를 일컬음. 주변 보조 기기로는 연료전

지 스택을 제외한 연료, 공기, 열 회수, 급수 등을 위한 펌프류, blower, 센서, 필터 등이 있음.

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 15

이후 2020년까지는 민간주도로 양산 기술개발을 마치며 건물 연료

전지 보급 규모를 50만 호로 확대할 예정이다. 가정용 연료전지에 국

한해서 보면, [그림 2-3]에서와 같이 전력 효율 38%, 열효율 48%를

2012년까지 달성하는 것으로 예정되어 있다.

[그림 2-3] 가정용 연료전지 기술 로드맵

자료: 한국에너지기술평가원, ‘연료전지 정책 및 기술동향’, 2010

4. 한국과 일본의 연료전지 시스템 시범사업

가. 한국의 모니터링 사업34)

우리나라의 가정용 연료전지 모니터링 사업은 가정용 연료전지의

내구성 확보와 초기 시장 형성을 위한 사업으로 2011년까지의 3차년

도 과정을 통해 정부예산 205억 원과 민자 215억 원 등 총 420억 원

이 투입될 예정으로 시작되었다. 모니터링 사업의 마지막 단계인 제3

차년도 사업은 2008년 12월 착수된 이후 2011년 11월 사업이 종료되

34) 김재동 외(2011) 내용을 바탕으로 변경된 부분을 업데이트하여 재편집.

16

었다.

가정용 연료전지 시범 사업 주관 기관인 한국가스공사가 시스템 성

능, 내구성, 환경 평가 등의 자료 확보를 위해 1차년도 40기를 시작으

로 2차년도 70기, 3차년도 100기 등 총 210기의 1kW급 가정용 연료

전지를 전국에 설치하여 운영하고 있다. 지난 1～3차년도 가정용 연

료전지 모니터링 사업의 성과 및 현황은 <표 2-3>에서 정리하고 있다.

1차년도(‘06.8～’09.7)

2차년도(‘07.12～’10.11)

3차년도(‘08.12～’11.11) 계

총사업비 113 143.7 164.1 420.8

보급규모(기) 40 70 100 210

기준가격(억 원) 1.3 1 0.8 -

국산화율(%) 55 70 80 -

효율전기 30%이상전체 70%이상

전기 32%이상전체 75%이상

전기 33%이상전체 78%이상

-

운전목표(kWh) 3,000 5,000 10,000 -

참여기관도시가스

10개사지자체

도시가스사에너지사일반가정

-

<표 2-3> 가정용 연료전지 모니터링 사업 개요

지난 2006년 8월부터 2007년 11월까지 진행된 1차년도 모니터링

사업의 목표는 시스템의 안정적인 운전이었다. 처음 실시한 연료전지

모니터링 사업이었음에도 사업 시작 후 1년이 지나기 전에 연료전지

40기 전부가 발전효율 30%, 열효율 40% 이상을 유지하며 1차년도의

발전목표인 3,000kW를 초과 달성하는 기록을 보였다. 1차년도 모니

터링 사업의 가장 큰 성과라면 국내에서 개발된 연료전지 시스템의

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 17

실제 운전 가능성을 확인한 것을 비롯해 연료전지의 고장 원인이 주

요 핵심 부품인 개질기 및 스택의 이상보다는 펌프나 필터와 같은 일

반 부품에서 발생한다는 것을 파악했다는 점이다. 또한 모니터링이 보

다 체계적이고 공정하게 이루어질 수 있도록 전기 효율 및 열효율을

포함하여 발전량, 열 회수량 등 연료전지의 모든 상태를 자동 점검해

주는 평가 장비를 구축하였고 또한 평가 장비를 통하여 수전 전력 및

발전 전력을 측정하였다.

1차년도 모니터링 사업과 달리 2차년도 모니터링 사업은 서울시를

비롯해 경기도, 대구시 등 6개 광역 단체가 참여하면서 실외에 설치하

여 운영하였으며, 특히 혹한기에 안정적으로 운영하기 위한 데이터를

확보하기 위해 4계절 운전을 실시하였다. 또한 실제 일반 가정에서 사

용을 모사하여 3단계 부하 변동 운전을 실시하여 부하 변동 시 고장

원인 및 주요부품의 성능 변화를 파악하였다.

2008년 12월부터 추진된 3차년도 가정용 연료전지 모니터링 사업

에서는 강화되었다. 온수를 이용하지 않을 경우 외부로 방출하지 않도

록 수랭식에서 공랭식으로 제품 사양을 변경하고 겨울철 동파 방지 및

효율 향상을 위한 시스템 설계가 보완되었다. 또한 아파트 실내에 시스

템을 설치하였을 때, 소음이나 배가스 등 환경 조건을 평가하기 위해

아파트 시뮬레이션 장소에 설치하여 환경 평가를 진행하였다.

나. 일본의 현황 및 평가35)

가정용 연료전지의 기술이 세계에서 가장 앞서있는 일본의 경우,

2005년 총 480대의 가정용 시스템을 도입하여 실증 사업을 시작하였

35) NEF (2009) 내용을 중심으로 재편집.

18

으며 이어 2006년에는 777대를 2007년에는 930대를 추가로 도입하여

2008년까지 총 3,307대의 가정용 연료전지 시스템이 도입된 상태이

다. 정부의 전폭적 지원 아래 연료전지 스택 등 핵심 장비와 부품·소

재를 100% 국산화하고 2009년 5월 일반 보급을 시작으로 본격적인

상용화 시대를 맞았으며 현재까지 매년 3,000여대의 가정용 연료전지

를 일반 가정집에 보급해 오고 있다(일본 가스에너지신문, 2009).

2010년까지 1만5,000대를 설치했으며 2011년은 8,000대가 목표다.36)

[그림 2-4] 대규모 시연 프로젝트 현황

일본은 연료전지 보급을 위해 보조금을 지급해왔다. 프로젝트의 자

금 지원은 FY 2005년 6백만 엔에서 2006년에는 4.5백만 엔, 2007년

에는 3.5백만 엔, 2008년에는 2.2백만 엔 등으로 점차 감소되었다. 이

는 주택용 PEFC 시스템 제조업체에서 발생하는 제조비용의 감소가

반영된 것이다. 즉, 소비자 비용 부담이 일정하다고 가정한다면 본 시

36) 서울경제신문 2011.10.13.

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 19

연 프로젝트 시작 이후 3년 만에 60% 이상의 비용 감소가 이루어졌

음을 알 수 있다.

[그림 2-4]는 "세계 최초의 전면 시장화"가 2009년에 이루어진다는

것을 보여주고 있으나 이는 단순히 FY 2009년 주택용 PEFC 시스템

의 예정된 시장화를 반영한 것이다.

[그림 2-5] PEFC 시스템 설치와 데이터 수집 개략도

일본에서 시범 보급한 PEFC 타입 연료전지 시스템의 구성 및 자료

수집 개략도는 [그림 2-5]와 같다. PEFC 시스템은 도시가스, LPG, 혹

은 등유를 사용한다. 도시가스를 사용하는 시스템은 5개 제조업체 모

두에서 제공되었으며, LPG를 사용하는 시스템은 ENEOS Celltech

(산요)과 도시바 연료전지 전력 시스템에서 제공되었고, 등유를 사용

하는 시스템은 Ebara에서만 단독으로 제공되었다. 연료 형태에 따라

살펴보면, FY 2008년까지 도시가스를 사용하는 시설은 1,375개, LPG

를 사용하는 설비는 1,618개, 등유를 사용하는 시설은 314개였다.

20

에너지공급업체 연료 2005 2006 2007 2008 합계

도쿄 가스 도시가스 150 160 210 276 796

오사카 가스 도시가스 63 80 81 141 365

도호 가스 도시가스 12 40 38 34 124

사이부 가스 도시가스 10 10 13 10 43

홋카이도 가스 도시가스 - 10 10 5 25

니혼 가스 LPG/도시가스 - 10 10 10 30

니폰 석유 LPG/등유/도시가스 134 301 396 497 1,328

이데미쯔 고산 LPG 33 40 50 28 151

일본 에너지 LPG 30 40 34 40 144

이와타니 LPG 10 34 29 10 83

코스모 석유 LPG/등유 10 19 19 18 66

다이요 석유 LPG/도시가스 8 13 18 11 50

큐슈 석유 LPG 8 10 12 10 40

쇼와 셸 석유 LPG 6 10 10 10 36

레몬 가스 LPG 6 - - - 6

Eneurge LPG - - - 10 10

사이산 LPG/도시가스 - - - 10 10

총계 480 777 930 1,120 3,307

<표 2-4> 에너지 공급업체별 설치․가동증인 시스템 수

<표 2-4>와 <표 2-5>, 그리고 <표 2-6>는 운영업체별 (에너지 공급

업체), 제조업체별, 연료별로 설치되고 가동되고 있는 설비의 수를 보

여주고 있다

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 21

제조업체 LPG 도시가스 등유 합 계

ENEOS Celltech (산요) 1,062 191 0 1,253

Ebara 0 396 314 710

도시바 연료전지 전력 (FCP) 552 196 0 748

파나소닉 0 520 0 520

도요타 0 76 0 76

총 계 1,614 1,379 314 3,307

<표 2-5> 제조업체별 설치․가동 중인 시스템 수

연료 형태 2005 2006 2007 2008 합 계

도시가스 235 303 355 482 1,375

LPG 245 399 424 550 1,618

등 유 75 11 88 314

총 계 480 777 930 1,120 3,307

<표 2-6> 연료 형태별 설치․가동 중인 시스템의 수

[그림 2-6]은 FY 2005년과 2008년 사이에 시스템이 설치된 3,307

개 장소의 지역 분포를 보여주고 있다. 프로젝트는 성공적으로 설치되

었고, 일본의 47개 현 모두에서 시스템이 가동되고 있다. 북쪽의 홋카

이도에서 남쪽의 오키나와에 이르는 광범위한 지역 분포는 따뜻한 지

역과 추운 지역이라는 모든 기후대에 걸쳐 가동 데이터를 수집하고

있음을 보여준다.

22

[그림 2-6] 설치 주택의 지역별 분포

[그림 2-7]은 참여 가구의 구성원 수와 주택의 면적에 따라 참여한

가정을 구분한 상황을 보여주고 있다. 이와 같은 정보는 FY 2006년에

설치된 777개 주택을 설문 조사한 결과 440 곳에서 답을 얻은 결과

이다.

참여 가구의 가족 구성원 수는 한 명에서 일곱 명 이상으로 다양한

데, 그 중 세 명에서 다섯 명이 전체의 72.3%를 차지하고 있다. 주택

의 면적 역시 50m2에서 300m2로 다양한데, 100m2에서 200m2 사이가

전체의 66.7%를 차지하고 있다.

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 23

[그림 2-7] 가구 구성원 수와 주거 넓이에 따른 가구 분포

주: FY 2006년에 설치된 장소를 대상으로 한 설문 조사를 기준으로 함. FY 2007년과 2008년은 비슷한 양상을 보임.

가정용 연료전지는 열부하 제어(heat oriented control)를 채택하여

가정의 난방 및 온수 사용에 따른 열부하를 추종하도록 운전되는 반

면 가정에서 사용하는 전기는 가정용 연료전지와 기존 계통 전원을

통해 충당된다. 즉 연료전지가 가동되어 생산되는 전기는 1차적으로

가정의 전기 수요를 충족하고 그 잉여분은 계통을 통해 송전하고 반

대로 가정의 전기 수요가 연료전지로부터 생산되는 전기보다 많으면

그 부족분은 계통을 통해 수전 받는다.

이하에서는 실증 사업을 통해 얻은 결과를 살펴보고자 한다. 실증을

통한 연료전지 시스템의 전기 효율 결과는 다음 [그림 2-8]과 같다.

[그림 2-8]은 FY 2007년에 설치된 장소에서의 2008년 1월부터 2008

년 12월까지 전력 발전 효율의 분포를 보여주고 있다. 평균 효율은

31.0%로 FY 2006년의 효율에 비하여 0.9%포인트 증가하였다.

24

[그림 2-8] 가동성과: 전력 발전 효율의 분포

주: 2008년 1월에서 12월까지 456개 장소에서의 데이터 사용 (도시가스 및 LPG 사용)

[그림 2-8]에서의 발전 효율은 시간에 따른 가정의 전력 소비량 변

화를 감안한 수요 중심의 평균값이다. 이 값은 규격화된 발전량에서

안정 단계 가동 시의 효율과는 다르다. 즉 부분 부하 가동 시간이 길

어질수록 효율은 떨어지게 되며, 특히 규격화된 가동 상태에서 성취된

결과와는 반대가 된다. 그러나 가장 효율이 낮은 시스템이 있는 설비

도 26%의 효율을 나타내는데, 이는 규격화된 부하 상태에서의 효율과

비교할 때 대규모 고정형 시연 프로젝트의 주택용 PEFC 시스템이 부

분 부하 상태에서도 상대적으로 높은 효율을 나타낸다고 할 수 있다.

시스템 효율 데이터에서 관찰된 높은 다양성은 시스템 간의 성능의

차이라기보다는 낮은 부하 가동률에서의 장소 간의 차이로 인한 것으

로 판단된다.

[그림 2-9]는 전력과 열의 활용률에 대한 분포를 보여주고 있다. 전

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 25

력의 활용률은 다음과 같이 계산 된다. PEFC 시스템에서 생산된 전력

(부분 부하 가동을 포함한 누적 값)에서 가동 중단 상태에서의 PEFC

시스템에서 소비되는 예비 전력과 발전기 시동 시 소비되는 시동 전

력, 시스템에서 전력 계통망으로 가는 역방향 전력뿐만 아니라 역방향

흐름 억제 가열기의 전력 소비량을 차감한 후, 연료 유출률의 통합 값

으로 나눈다. 이 결과는 가정의 궁극적인 전력 소비량을 기준으로 한

유효한 효율로 간주될 수 있다.

[그림 2-9] 가동성과: 전력과 열의 활용률

주: 2008년 1월에서 12월까지 456 장소에서의 데이터 사용 (도시가스 및 LPG 사용)

회수 열에 대한 활용률 역시 온수 저장소에서 화장실과 부엌으로

가는 온수 공급의 형태로 사용하는 가정의 실제 열 소비에 기초한다.

활용률은 연료전지에서 회수하고 온수 저장소에 저장된 열에서 온수

저장소에서 방출되는 열과 같은 열 손실을 차감하여 계산한다.

26

따라서 전력과 열(가정의 실제적이고 효과적인 에너지 소비를 기초)

의 활용률은 PEFC 시스템 자체의 효율성으로 나와 있는 시스템 발전

효율과 열 회수 효율에 비하여 3에서 5%포인트 정도 낮은 것이 일반

적이다([그림 2-8]에서의 시스템 발전 효율 31.0%와 비교할 때, [그림

2-9]에서의 전력 활용률 27.7%는 3.3%포인트 낮아졌음을 의미한다).

27.7%라는 전력 활용률은 FY 2006년의 수치보다 1.3%포인트 높

다. 이러한 전력 발전 효율의 향상(0.9%포인트)은 연료전지의 성능 개

선 이외에도, 시동 및 예비 전력 소비의 감소와 향상된 가동 프로토콜

(AI 컨트롤 시퀀스를 사용하는 소프트웨어) 등 많은 요소들이 크게 기

여했다고 판단된다.

[그림 2-10]은 도시가스와 LNG를 사용하는 PEFC 시스템으로 인한

일차에너지 감소를 보여주고 있다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이,

에너지 절약은 열 수요에 크게 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 열 수

요가 적은 장소일수록 일차에너지 감소량도 적었다. 매월 500MJ 이하

의 열 수요를 가진 가정은 에너지 절약의 실질적인 혜택이 거의 없는

것으로 나타났다.

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 27

[그림 2-10] PEFC 시스템의 에너지 절약 효과

주: 2008년 1월에서 12월까지 456 장소에서의 데이터 사용 (도시가스 및 LPG 사용)

[그림 2-10]에서 오른쪽 위로 올라간 점선은 최고 성능 모델37)의 근

사치를 나타낸다. 일차에너지 감소와 같은 일부 성과 파라미터 중에서

최고 성능 모델과 일반 모델 간의 차이는 시간이 지나면서 신규 모델

이 도입됨에 따라 점차 줄어들고 있다.

월평균 1,570MJ의 열 수요를 기준으로 하면 연료전지 시스템 당 일

차에너지의 평균 감소량은 최고 성능 모델의 경우 월 1,015MJ로, 이

는 일 년 동안 등유 18리터들이 18개통과 같다(년 12,180MJ). 모든

시스템을 일반화하면 월 693MJ, 즉 일 년 동안 12.6통과 동일하다.

[그림 2-11]은 PEFC 시스템을 설치함으로써 얻어지는 CO2 배출량

감축 효과를 보여주고 있다. 일차에너지 수요 감소 효과와 마찬가지로

열 수요가 CO2 배출량에 크게 영향을 미치고 있음을 [그림 2-11]은

37) 최고 성능 모델이란 프로젝트에 참여한 모든 모델 중에서 장비와 가동 모든 면

에서 최고의 성능을 나타내는 것을 의미.

28

보여주고 있다.

[그림 2-11] PEFC 시스템의 CO2 감축 효과

주: 2008년 1월에서 12월까지 456 장소에서의 데이터 사용 (도시가스 및 LPG 사용)

CO2 배출량의 평균 감축량은 월 75.1kg으로, 이는 숲 1,670m2의

CO2 흡수량과 동일하다. 최고 성능 시스템은 월 평균 100.1kg을 감축

시켰는데, 이는 2,200m2의 CO2 흡수량과 동일하다. 일본 환경청이 내

건 “Team Minus 6%”는 “개인당 날마다 1kg의 CO2를 감축시키자”라

는 것으로써 3인 가족의 경우 한 달 동안 약 90kg의 CO2를 감축시키

는 것이다. 이러한 캠페인은 가정용 PEFC 시스템을 설치함으로써 실

질적으로 실현시킬 수 있는 목표라는 것이 일본 연료전지 시스템 실

증 사업에서 얻은 결과 중 하나이다.

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 29

5. 연료전지의 에너지 효율성

연료전지의 발전 효율은 기존 화력 발전에 비해 매우 우수하다. 운

전 온도가 섭씨 약 550도의 증기를 사용하는 화력발전의 이론적 최고

발전 효율은 약 60% 정도로 매우 낮다. 하지만 연료전지의 경우 실온

에서 운전되는 고분자 연료전지의 경우에도 이론상 최대 발전 효율은

80%를 상회한다. 이렇게 연료전지가 화력 발전보다 효율이 높은 이유

는 전구와 발광 다이오드의 원리에서 쉽게 찾을 수 있다. 전구는 필라

멘트에서 일차적으로 전기에너지를 열에너지로 변환한 이후 이차적으

로 열에너지를 빛에너지로 전환시킨다. 이때 발생되는 열에너지는 대

부분 주위로 빠져나가기 때문에 에너지 전환 효율이 매우 낮아진다.

반면 발광 다이오드의 경우 전기에너지를 빛에너지로 직접 전환하여

에너지 손실이 발생하는 경로를 반으로 줄여 더욱 높은 효율을 보이

게 된다.

화력 발전과 연료전지의 관계도 이와 유사하다. 화력발전에서는 ‘먼

길’을 돌아 발전한다. 우선 화석 연료를 태워 열로 물을 끊이고, 수증

기의 힘으로 터빈을 돌려 발전을 한다. 결국 화학에너지를 열에너지로

변환하고, 다시 그것을 전기에너지로 변환하는 셈이다. 그러나 열에너

지를 전기에너지로 효율적으로 변화하기는 어렵다. 일반적으로 화력

발전소에서는 평균 약 60%의 에너지가 열로 빠져나가고 있다. 그러나

연료전지는 열에너지를 거치지 않고 발전한다. 연료전지에 연료를 공

급하면 연료가 가진 전자를 빼앗음으로써, 연료전지에 연결된 도선을

타고 전자가 이동한다. 결국 연료가 가진 화학에너지를 직접 전기에너

지로 변환한다. 열에너지를 거치지 않고 전기에너지를 만들기 때문에,

발전할 때 일어나는 에너지의 손실이 이론적으로 적다.

30

[그림 2-12] 가정용 연료전지 시스템 구성도

가정용 연료전지 시스템은 상기 언급한 고효율의 연료전지 스택을

주요 부품으로 연료 개질기, 전력 변환기, 일반 부품(blower, 펌프, 밸

브, 제어기 등)으로 구성된다. [그림 2-12]는 가정용 연료전지 시스템

구성도로서 개질기를 제외하고는 연소과정이 없으므로 공해 가스의

배출이 상대적으로 적으며 작동 온도가 낮아 NOx의 배출이 거의 없

으며 황의 경우도 개질기 전단의 탈황기에서 흡착제로 흡수하여 SOx

의 배출이 거의 없다. [그림 2-13]과 같이 전력망에서 독립되어 열을

최대로 이용하면서 전기를 발생하는 경우, LNG 화력별전과 비교하면

일차에너지 소비량을 약 30% 정도 절감할 수 있으며, 이와 더불어

CO2도 30% 정도의 절감 효과를 기대할 수 있다. 최근 가정용 연료전

지 시스템 기술이 지속적으로 발전하면서 시스템의 발전 효율 및 열

제2장 가정용 연료전지 시스템 및 에너지 효율성 31

회수 효율이 지속적으로 높아지고 있다. 세계 최고 기술력을 지닌 일

본의 파나소닉사의 경우, 발전 효율은 최대 39%, 열 회수 효율은 최

대 55%를 보인다. 반면 국내 가정용 연료전지 시스템은 전기 효율 최

대 37%, 열 회수 효율 최대 53%를 보인다.

손실 24

(전기효율 36%) 36

(열이용 효율40%) 40

연료 100

NOx 5ppm

36 (수전단 효율 36%)

40 (열이용 효율80%)

10 손실

보일러연료50

NOx60ppm

64 손실

LNG화력연료100

NOx10

ppm전기 36

열 40

연료전지 코제너레이션 시스템 (연료 100)

기존 시스템 (연료 150)

[그림 2-13] 가정용 연료전지 시스템 효율

32

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석

본 연구의 분석 방법은 기본적으로 에너지경제연구원(2010)의 모형

을 적용하였다. 본 모형은 국내에서 생산되는 가정용 연료전지의 운용

시뮬레이션을 위한 것으로서 다계층 모형을 기반으로 GS파워에서 제

공받은 서울지역 열과 전력 수요 대표 가구의 열과 전력 수요 실적 자

료를 기반으로 대표 가구의 시간대별 열부하 및 전기부하를 추정하도

록 구성된다. 본 과제에서는 에너지경제연구원(2010) 모형에서 추정된

열 및 전력 부하를 연료전지의 열추종, 전력추종 및 복합추종 운용을

통해 대응할 때 경제성을 확보할 수 있는지를 살펴보고 민감도 분석

을 통해 할인율, 시스템 비용 및 전력 가격 변화에 따른 경제성 변화

정도를 제시하고 있다.

1. 열과 전기부하 추정

가. 열과 전기부하 추정 방법

열과 전력수요의 시간대별 부하를 사용하기 위해서 기본적으로

CES 소형 열병합 사업 타당성 분석 프로그램(GS파워, 2006)을 이용

하였다. 분석 자료가 열과 전력을 사용하는 가구 패널자료이므로 일반

적으로 계량경제학에서 사용하는 확률 모형이 아닌 통계학적 모형인

다계층 모형(the multi-level model or the hierarchical model) 또는 선

형 혼합 효과 모형(the linear mixed-effects model)을 선택하였다.

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 33

다계층 모형은 위계 모형(the hierarchical model)이라고도 하며, 다

음과 같은 다계층 구조를 가진다.38)

′ ′

다계층 모형은 다음과 같은 가정을 필요로 한다.

≡ 단, 는 양정방 행렬

⋯ ≡

단, 는 양정방 행렬

위의 다계층 모형은 다음과 같은 선형 혼합 효과 모형으로 다시 표

현 할 수 있다.39)

′ ′

′ ≡ ′ ′

′ ≡ ′

≡

38) 다계층 모형(the multi-level model or the hierarchical model) 또는 선형 혼합

효과 모형(the linear mixed-effects model)에 대한 자세한 설명은 문춘걸 외

(2007, pp.806-808)와 Frees(2004, p.86, p.169, pp.174～175) 참조 바람.39) 자세한 설명은 문춘걸 외(2007, pp.808-809)와 Frees(2004, p.169, pp.174～175) 참조 바람.

34

선형 혼합 효과 모형으로 다시 표현하기 위해서는 다계층 모형의

가정이 다음과 같이 다시 표현되어야 한다.

′ ≡

위에서 제시한 다계층 모형/선형 혼합 효과 모형의 추정 방법은 최

우추정법(MLE) 계열인 EM기법(Wu and Zhang, 2006, pp. 22～25)과

일반화 최소 자승 추정법(GLS)이 있다(Frees, 2004, pp. 94～97, pp.

117～118 [Ex 3.9]).

본 연구에서는 문춘걸 외(2007)에서 보고된 연산 가능한 일반화

최소 자승 추정법(FGLS)을 적용하여 개발된 GS 파워의 사용자 편의

프로그램을 이용하여 해당 열, 전기부하를 산출한 후 분석에 활용하

였다.

나. 시간대별 열과 전기 수요 추정 결과

본 연구에서는 류승현 외(2011)의 분석에서 사용한 대표 가구의 시

간대별 열부하 및 전기부하 추정 결과를 그대로 사용하였으며, 이를

[그림 3-1]～[그림 3-4]에서 제시하고 있다. 편의상 계절별 대표 일을

봄 4월 1일, 여름 7월 1일, 가을 10월 1일, 그리고 겨울은 1월 1일로

가정한다.

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 35

[그림 3-1] 봄 대표일의 열과 전기 부하

[그림 3-2] 여름 대표일의 열과 전기 부하

36

[그림 3-3] 가을 대표일의 열과 전기 부하

[그림 3-4] 겨울 대표일의 열과 전기 부하

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 37

2. 가정용 연료전지 경제성 분석 모형

가. 운전 전략별 비용 추정 방법 개요

가정 및 상업용 연료전지 시스템은 기본적으로 전력을 생산할 때

발생하는 폐열을 회수하여 난방과 온수를 공급 할 수 있는 소형 열병

합(micro-CHP) 시스템이다. 그러므로 한 번의 운전으로 두 종류의 에

너지 공급이 가능하기 때문에 매 시간대 전력 부하와 열부하를 동시

에 고려하여 가장 경제성 있는 운전 전략을 선택할 수 있다.

연료전지 시스템에서 선택할 수 있는 운전 전략으로는 전력부하를

추종하는 전기추종 방식(power load following)과 열부하를 추종하는

열추종 방식(heat load following) 그리고 이 두 가지 운전 전략의 비

용을 계산 후 비교하여 더 저렴한 비용으로 전기와 열부하를 만족시

킬 수 있는 운전 방식을 선택하는 복합추종 방식(combined strategy)

이 있다.

하지만, 항상 연료전지 시스템이 운전되는 것은 아니며 기존설비를

이용하여 에너지 수요를 충족시킬 수도 있다. 이 경우에 전력은 전력

망에서 공급받고, 열은 연료전지 내 보조 보일러(27Mcal)를 이용하여

열부하를 충족시킬 수 있다. 이러한 경우에 만약 기존 설비를 이용한

에너지 비용이 연료전지 운전 시의 연료비용보다 저렴하다면 최소비

용 원칙에 따라 연료전지 시스템 가동을 중단하게 될 것이다.

또한 가정용 연료전지 시스템은 단위시간당 전력 공급 용량은 1kW,

공급열량은 1.098Mcal로 제한되어 있기 때문에 시스템을 최대로 가동

하더라도 가정의 겨울철 열 수요나 여름철 전력 수요를 만족하게 하

지 못할 수도 있다. 이런 경우, 전력 수요는 전력망으로부터 수전하고

38

열 수요는 연료 전지 내에 내장되어 있는 27Mcal의 보조 보일러를 운

영하여 충족시키는 전략을 사용하여야 한다.

한편 열추종 방식(heat load following) 운전 전략을 따를 때 연료전

지 시스템에서 발생하는 전력 공급량이 가정의 전력 수요보다 클 수

있는데 이때는 한전과 상계 거래를 계약하여 소비전력에서 잉여분의

전력을 상계하여 거래함으로서 연료전지를 이용한 이익을 극대화할

수도 있다. 상계 거래란 ‘소규모 대체에너지 발전 전력의 거래에 관한

지침’에 근거하여 ‘발전설비 용량 3kW 이하는 검침일의 소비 전력에

서 발전전력을 상계하여 거래할 수 있다’는 산자부고시에 의거하여

법적인 효력이 있는 거래 방법이다. 그렇지만 전기추종 방식(power

load following)을 선택하는 경우 연료전지 가동으로 발생 할 수 있는

잉여 열은 연료 전지 내 온수탱크(60℃, 150ℓ)에 저장되며 온수탱크

의 열저장 용량(9Mcal) 이상으로 발생하는 열은 버려야 한다. 따라서

경제성 평가 시 열 저장 용량 이상의 잉여 열에 대해서는 소실되는 것

으로 가정하고 있음을 밝혀둔다.

본 분석에서는 가정용 연료전지 시스템에 시간대별 최적화를 가능

하게 하는 제어장치가 확보되어 있는 것으로 가정하고 운전비용을 산

정하였다.40)

분석은 우선 기존 설비 운용 시의 비용 산정 방법에 따라 비용을 추

정하고, 연료전지를 이용하는 경우에는 전기추종 방법과 열추종 방법

으로부터 각각 시간대별 비용을 산정하여 복합추종 방법을 통해 각

추종 방법에서 나타난 비용 중 최소비용이 되는 방법을 선택한다. 이

후, 기존 설비의 시간대별 비용과 복합추종 방법의 시간대별 비용을

40) 아직은 시간대별 최적화운전을 위한 제어장치가 개발되어 있지 않음.

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 39

비교하여 최종적으로 기존 설비 또는 연료전지를 선택하게 된다.

나. 기존 설비 및 연료전지 이용 시 비용 산정 방법

기존설비 이용 시 비용은 난방비용과 전력비용으로 구성되며 전력

가격은 2011년 8월 1일 개정 요금, 도시가스 요금은 2011년 9월 1일

개정 요금을 적용하고 있다.

연료전지 운용 시 비용 산정 방법은 추종 방법 별로 상이할 수 있으

며, 비용 산정 방법은 류승현 외(2011)에 기초하고 있다. 다만 열추종

시 연료전지 시스템의 총비용 산정 식에서 기의 열수요량과 기에

연료전지가 공급할 수 있는 열 최대량과 기에 저장한 열 저장량

의 합, 즉 이용 가능한 열과 열 수요량의 크기를 고려하여 보조 보일

러 가동 여부를 결정해야 함에도 불구하고 류승현 외(2011)는 기의

열수요량이 기에 연료전지가 공급할 수 있는 열 최대량과 기에

저장한 열 저장량의 합보다 클 경우 무조건 연료전지와 보조 보일러

를 동시에 가동하는 것으로 가정하고 있어 비용이 과대 계상되는 문

제를 갖고 있다. 따라서 이를 수정하여 열추종 총비용을 산정하고 있

다. 수정한 열추종 시 연료전지 시스템 총 에너지 비용 산정 식은 아

래와 같다.

×

×

× ×

min×

×

××

41)

여기서,

40

: 시점의 열 추종할 때 연료전지 시스템의 총 에너지 비용

: 시점의 열 수요 (kcal)

: 시점의 단위 도시가스 가격 + 단위시간당 기본요금 (원/m3)

: LNG의 단위 부피당 발열량 = 10,500 (kcal/m3)

: 시점의 연료전지의 열효율

: 시점에 연료전지가 공급하는 열 공급량 (kcal)

: 시점의 열저장 설비에 저장되어 있는 열량 (kcal)

: 보일러의 열효율 = 0.85

i f

여기서,

복합추종 방식(combined strategy)은 모형에 들어가 있는 열과 전력

수요에 대응하는 가정용 연료전지의 최적 운전방안을 찾기 위해서

전기추종 운전과 열추종 운전의 시뮬레이션을 수행한 뒤 두 가지 결

과를 시간대별로 비교함으로써 최소비용 원칙에 따라 시간대별 최적

운전 방식을 선택하는 방식이다. 즉 매시간 = Min[

, ]

42)인 전략을 선택하여 운전하는 것으로 가정한다.

41) 류승현 외(2011)는

×

×

×

×

×

××

로

열추종 시 운전비용을 정의하고 있음.42)

: 시점의 전기 추종할 때 연료전지 시스템의 총 에너지비용

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 41

다. 기존 시스템과 연료전지 운용 시 비용 분석 방법

연료전지 시스템의 최적비용은 복합추종의 결과 인 로 얻어지

며, 기존 시스템의 비용()은 류승현 외(2011)에서와 같이 얻어진다.

따라서 연료전지 시스템 내에 있는 보조 보일러와 수전 전력을 이용

하는 기존 시스템 비용과 연료전지 시스템 최적 비용을 비교하여 매

시간 Min[ ,

] 인 전략을 따라가는 것이 최적 운전방식이 될

것이다.

매시간 비용을 비교하는 이유는 주택용 전력 가격이 누진제 체계이

기 때문이며, 전력 가격은 누적 수전량에 따라 일정 구간에서 점프하

게 된다. 즉 전력 가격은 동일한 재화임에도 불구하고 시간에 따라 다

른 가격을 가지게 된다. 이로 인해 월초에는 누진제에 따른 전력가격

이 가장 저렴할 때 이므로 기존 설비를 이용한 전력과 열의 비용이 연

료전지 시스템의 전기추종 운전이나 열추종 운전 보다 저렴하므로 복

합추종 방식에서는 기존설비를 활용하여 전력과 열 수요를 충당하게

된다. 하지만 누적 수전량이 증가함에 따라 누진제가 적용되어 전력가

격이 비싸 지면 기존 설비를 이용한 에너지 비용과 연료전지 시스템

의 전기추종 운전이나 열추종 운전 시의 에너지 비용이 역전된다. 따

라서 복합추종 방식에서는 전력과 열 수요를 충당하기 위한 에너지

비용을 최소화 하기위해 매시간 마다 기존시스템, 전기추종, 열추종

방식의 에너지 비용을 비교하여 가장 저렴한 비용의 운전 전략을 선

택하여 동작한다.

42

기 본 요 금 (원/호) 2011.8.1 개정전 력 량 요 금

(원/kWh) 2011.8.1 개정

100kWh이하 사용 390 처음 100kWh까지 57.30

101～200kWh사용 860 다음 100kWh까지 118.40

201～300kWh사용 1,490 다음 100kWh까지 175.00

301～400kWh사용 3,560 다음 100kWh까지 258.70

401～500kWh사용 6,670 다음 100kWh까지 381.50

500 kWh초과 사용 12,230 500 kWh초과 670.60

<표 3-1> 주택용 전력(저압) 요금

기 본 요 금 (원/호) 2011.8.1 개정전 력 량 요 금

(원/kWh) 2011.8.1 개정

100kWh이하 사용 390 처음 100kWh까지 54.50

101～200kWh사용 690 다음 100kWh까지 93.0

201～300kWh사용 1,190 다음 100kWh까지 137.80

301～400kWh사용 2,950 다음 100kWh까지 200.20

401～500kWh사용 5,580 다음 100kWh까지 300.40

500 kWh초과 사용 10,170 500 kWh초과 543.10

<표 3-2> 주택용 전력(고압) 요금

자료 : 한국전력공사

2011년 9월1일 기준

기본요금 840원/호

주택 난방요금 790.88원/m3

<표 3-3> 2011년 서울 주택난방용 도시가스 요금

자료 : 서울도시가스(http://inews.seoul.go.kr/hsn/popupdata/20110915_news01.html)

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 43

3. 분석 결과

가. 변동비 기준 연료전지 도입의 편익 분석

누진제 요금에서 사용량 요금이 기준요금인 경우, 기준 대비 +5%인

경우와 +10%, 그리고 +15%인 경우에 대해 각각 운전 전략별 변동비

용을 추정하고, 이를 통해 변동비 기준 연료전지 도입의 편익 분석을

시도하고 있다.

아래는 기존 시스템을 그대로 사용하는 경우(기존 설비)의 비용과

연료전지를 이용하여 복합추종의 최적화를 진행하는 경우를 서로 비

교 정리한 것이다.

기존설비전기추종 열추종 복합추종

총액 전력비용 열비용

1월 255,440 72,483 182,957 216,508 227,726 216,5082월 198,305 52,454 145,852 174,273 183,475 174,2733월 176,869 54,276 122,593 151,900 163,292 151,9004월 110,339 41,457 68,882 94,189 102,240 94,1895월 67,933 29,085 38,848 59,057 61,723 58,9286월 48,352 31,821 16,531 43,517 40,661 43,1717월 55,362 41,790 13,572 48,970 44,878 48,5768월 61,001 51,435 9,566 52,426 49,465 51,9039월 52,902 36,490 16,412 46,958 43,152 46,517

10월 93,430 41,816 51,614 76,227 82,280 76,22511월 139,986 45,303 94,683 121,097 130,046 121,09712월 216,100 62,394 153,706 185,402 196,919 185,402총합 1,476,018 560,802 915,215 1,270,525 1,325,858 1,268,688

<표 3-4> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금)

(단위: 원)

44

기존설비전기추종 열추종 복합추종

총액 전력비용 열비용

1월 258,929 76,051 182,879 219,196 244,253 216,7042월 200,830 55,041 145,789 176,990 201,224 174,4873월 179,494 56,953 122,540 154,729 183,762 152,1234월 112,357 43,505 68,852 97,129 120,349 94,4375월 69,355 30,524 38,831 62,072 73,230 59,2036월 49,919 33,395 16,523 51,623 32,066 43,1057월 57,420 43,854 13,566 59,612 26,327 49,5628월 63,534 53,972 9,562 66,157 18,556 53,2539월 54,706 38,294 16,412 56,034 31,850 46,829

10월 95,496 43,882 51,614 79,054 95,284 76,51611월 142,223 47,540 94,683 124,019 151,767 121,38312월 219,175 65,469 153,706 188,235 215,080 185,688총합 1,503,440 588,482 914,958 1,334,849 1,393,748 1,273,290

<표 3-5> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금+5%)

(단위: 원)

기존설비전기추종 열추종 복합추종

총액 전력비용 열비용

1월 262,498 79,619 182,879 219,196 244,253 216,9902월 203,418 57,629 145,789 176,990 201,224 174,7733월 182,171 59,630 122,540 154,729 183,762 152,4104월 114,406 45,553 68,852 97,129 120,349 94,7235월 70,794 31,963 38,831 62,072 73,230 59,5016월 51,493 34,969 16,523 51,623 32,066 43,2227월 59,485 45,919 13,566 59,612 26,327 50,3228월 66,072 56,510 9,562 66,157 18,556 54,1709월 56,511 40,099 16,412 56,034 31,850 47,088

10월 97,562 45,948 51,614 79,158 95,291 76,79711월 144,460 49,777 94,683 124,019 151,767 121,67012월 222,250 68,545 153,706 188,235 215,080 185,975총합 1,531,119 616,161 914,958 1,334,952 1,393,755 1,277,641

<표 3-6> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금+10%)

(단위: 원)

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 45

기존설비전기추종 열추종 복합추종

총액 전력비용 열비용

1월 266,066 83,188 182,879 219,196 244,253 217,2762월 206,006 60,217 145,789 176,990 201,224 175,0593월 184,848 62,308 122,540 154,729 183,762 152,6964월 116,454 47,601 68,852 97,129 120,349 95,0095월 72,233 33,402 38,831 62,072 73,230 59,7996월 53,067 36,544 16,523 51,623 32,066 43,4157월 61,549 47,983 13,566 59,612 26,327 50,9668월 68,610 59,048 9,562 66,157 18,556 55,0499월 58,315 41,903 16,412 56,034 31,850 47,367

10월 99,628 48,014 51,614 78,979 95,269 77,08011월 146,697 52,014 94,683 124,019 151,767 121,95612월 225,326 71,620 153,706 188,235 215,080 186,261총합 1,558,798 643,840 914,958 1,334,773 1,393,732 1,281,934

<표 3-7> 운전 전략별 변동비용 결과 (기준 사용량 요금+15%)

(단위: 원)

기존 설비 대비 비용 감소의 크기를 연료전지 도입의 편익으로 삼

는 경우, 이를 정리하면 다음과 같다.

운전전략별 변동비용 결과 기존설비 복합추종편익

(기존설비-복합추종)

Case A:기준사용량요금

1,476,018 1,268,688 207,330

Case B:기준사용량요금대비+5%경우

1,503,440 1,273,290 230,149

Case C:기준사용량요금대비+10%경우

1,531,119 1,277,641 253,477

Case D:기준사용량요금대비+15%경우

1,558,798 1,281,934 276,864

<표 3-8> 연료전지 도입의 편익

(단위: 원)

46

나. B/C ratio와 NPV 추정 결과

1) 개요

연료전지 시스템의 B/C ratio와 NPV 분석을 위한 전제는 류승현

외(2011)와 동일하다. 즉 설비 수명 20년, 할인율 5.5%를 가정하고 있

다. 분석은 전략별 연료전지 운영비용 결과를 이용하고 있다. 이때 편

익은 기존 설비 대비 연료전지 시스템을 도입함으로써 얻어지는 편익

차이(기존설비-복합추종)를 의미하며, 비용이라 함은 연료전지를 채택

함으로써 기존 에너지 공급방식 대비 발생되는 추가비용을 의미한다.

변동비()는 연료전지 시스템으로 인해 유발되는 변동성 추가비

용으로써 소모품 교환 비용43)(스택 교환 비용 포함)이 해당한다. 이를

식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서,

: 기 연료전지 시스템의 추가 편익

: 기 연료전지 시스템의 추가 운영비

: 할인율(5.5%)

: 연료전지 시스템의 추가 고정비

연료전지를 채택함으로 발생되는 추가비용은 <표 3-9>와 같다. 현

재의 연료전지 비용이 매우 높은 수준이므로 대량생산으로 인한 연료

43) 스택교환 비용은 2007년 발간된 한국에너지기술연구원의 신재생에너지 경제성

평가 보고서를 인용하였으며 스택의 수명은 5년, 교체비용은 1000만 원이나 5년마다 30%의 비용 하락을 전제하였음(류승현 외, 2011).

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 47

전지 가격 하락이 2015년에 가능해진다는 전제하에 초기 설치비용을

500만 원으로 가정하고 있다.44)

항목현재

기준

2015년기준

비고

연료전지를 추

가함으로써 발

생되는 비용

초기 설치비용 1,200 500

초기 스택교환비 1,000 417*-5년마다 교체하며 30%씩 할인

-첫회 교환비는 면제

(초기설치비용에 포함되어있음)

<표 3-9> 가정용 1kW 연료전지 시스템의 총 비용

(단위: 만원)

* 현재 기준 비율대로 나눔.

<표 3-10>과 <표 3-11>은 연료전지 설치에 따른 현재 기준과 2015년

기준 총 비용을 적용한 경제성 분석 결과를 보여주고 있다. 두 가지

경우 B/C ratio가 1에 미치지 못하여 경제성을 가지지 못함을 알 수

있다.

항목기준요금

Case A:기준요금대비+5%

Case B:기준요금대비+10%

Case C:기준요금대비+15%

Case D:

총비용 21,760,961 21,760,961 21,760,961 21,760,961

총편익 2,477,673 2,750,369 3,029,147 3,308,631

B/C Ratio 0.114 0.126 0.139 0.152

NPV -19,283,288 -19,010,592 -18,731,814 -18,452,330

<표 3-10> 가정용 1kW 연료전지 시스템의 경제성 분석 결과 1

(단위: 현재기준, 20년 총현재가치, 원)

44) 에너지기술연구소 연료전지 전문가 자문에 근거함.

48

항목기준요금

Case A:기준요금대비+5%

Case B:기준요금대비+10%

Case C:기준요금대비+15%

Case D:

총비용 9,067,067 9,067,067 9,067,067 9,067,067

총편익 2,477,673 2,750,369 3,029,147 3,308,631

B/C Ratio 0.273 0.303 0.334 0.365

NPV -6,589,394 -6,316,698 -6,037,920 -5,758,436

<표 3-11> 가정용 1kW 연료전지 시스템의 경제성 분석 결과 2

(단위: 2015년 기준, 20년 총현재가치, 원)

2) 경제성 평가 민감도 분석

가정ㆍ상업용 연료전지 시스템의 경제성 평가 결과 현재 형성되어

있는 고가의 시스템 비용과 스택 교환 비용으로 인해 경제성을 확보

하기 어려운 실정이다. 하지만 연료전지 시스템을 이용한 에너지 비용

(변동비)은 기존 설비를 이용한 에너지 비용과 비교하여 경제성을 가

지며, 에너지 사용량 저감 측면에서도 상당한 이점을 가지고 있다. 따

라서 기술개발과 대량생산으로 인해 고가의 시스템 비용이 현재 대비

일정 비율로 감소함을 가정하고 B/C ratio에 대한 민감도 분석을 수행

하였다. 여기서 시스템 비용에는 연료전지와 스택 교환 비용을 묶어

산정하였다. 아래는 이러한 방법으로 연료전지를 설치함으로써 발생

하는 편익과 비용의 비율인 B/C ratio가 할인율과 시스템 비용 감소

비율에 따라 어떻게 달라지는지를 정리하여 관련 민감도 분석을 진행

하였다.

관련 민감도의 분석은 기존 시스템 대비 연료전지의 편익 4가지 경우

(가정용 전력의 사용량 요금이 1. 기준인 경우, 2. 기준대비 +5%, 3.

기준대비 +10%, 4. 기준대비 +15%) 와 시스템 비용이 2가지 경우 (1.

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 49

현재기준, 2. 2015년 기준)의 조합으로 확인하여 볼 수 있다. 민감도

분석을 위해 할인율은 3%부터 10%까지, 그리고 시스템 비용 감소율

은 0%부터 95%까지의 범위에 대해 수행한다.

민감도 분석 결과는 경우에 따라서 모두 다르게 나타났지만, 기존

시스템 대비 연료전지의 편익은 가정용 전력 요금(여기서는 사용량

요금)이 높아질수록, 또 시스템 비용이 저렴해질수록 B/C ratio가 1을

상회하는 구간이 많아짐을 알 수 있다.

특히 스택 교환 비용을 포함한 시스템 비용이 2015년 기준으로 낮

아지고 가정용 전력 요금이 15% 이상 상승하는 경우, 상당한 영역에

서 연료전지는 경제성을 확보하게 됨을 확인할 수 있다.

50

할인율(%)시스템

비용감소율(%) 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0

0 0.13 0.12 0.12 0.11 0.11 0.10 0.10 0.10 0.10 0.09 0.09 5 0.14 0.13 0.12 0.12 0.11 0.11 0.11 0.10 0.10 0.10 0.10

10 0.14 0.14 0.13 0.12 0.12 0.12 0.11 0.11 0.11 0.11 0.10 15 0.15 0.14 0.14 0.13 0.12 0.12 0.12 0.12 0.11 0.11 0.11 20 0.16 0.15 0.15 0.14 0.13 0.13 0.13 0.12 0.12 0.12 0.12 25 0.17 0.16 0.16 0.15 0.14 0.14 0.13 0.13 0.13 0.13 0.12 30 0.18 0.18 0.17 0.16 0.15 0.15 0.14 0.14 0.14 0.14 0.13 35 0.20 0.19 0.18 0.17 0.16 0.16 0.16 0.15 0.15 0.15 0.14 40 0.22 0.20 0.19 0.19 0.18 0.17 0.17 0.16 0.16 0.16 0.15 45 0.23 0.22 0.21 0.20 0.19 0.19 0.18 0.18 0.18 0.17 0.17 50 0.26 0.25 0.23 0.22 0.21 0.21 0.20 0.20 0.19 0.19 0.19 55 0.29 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22 0.22 0.22 0.21 0.21 60 0.32 0.31 0.29 0.28 0.26 0.26 0.25 0.25 0.24 0.24 0.23 65 0.37 0.35 0.33 0.32 0.30 0.30 0.29 0.28 0.28 0.27 0.26 70 0.43 0.41 0.39 0.37 0.35 0.35 0.34 0.33 0.32 0.32 0.31 75 0.52 0.49 0.47 0.44 0.42 0.41 0.40 0.40 0.39 0.38 0.37 80 0.65 0.61 0.58 0.56 0.53 0.52 0.51 0.49 0.48 0.47 0.46 85 0.86 0.82 0.78 0.74 0.71 0.69 0.67 0.66 0.65 0.63 0.62 90 1.29 1.23 1.17 1.11 1.06 1.04 1.01 0.99 0.97 0.95 0.93 95 2.58 2.45 2.33 2.22 2.12 2.07 2.02 1.98 1.94 1.89 1.85

<표 3-12> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석

(Case A, 현재 기준)

[그림 3-5] B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 현재 기준)

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 51

[그림 3-6] B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 현재 기준)

할인율(%)시스템

비용감소율(%) 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0

0 0.14 0.14 0.13 0.12 0.12 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 0.10 5 0.15 0.14 0.14 0.13 0.12 0.12 0.12 0.12 0.11 0.11 0.11

10 0.16 0.15 0.14 0.14 0.13 0.13 0.12 0.12 0.12 0.12 0.11 15 0.17 0.16 0.15 0.15 0.14 0.14 0.13 0.13 0.13 0.12 0.12 20 0.18 0.17 0.16 0.15 0.15 0.14 0.14 0.14 0.13 0.13 0.13 25 0.19 0.18 0.17 0.16 0.16 0.15 0.15 0.15 0.14 0.14 0.14 30 0.20 0.19 0.19 0.18 0.17 0.16 0.16 0.16 0.15 0.15 0.15 35 0.22 0.21 0.20 0.19 0.18 0.18 0.17 0.17 0.17 0.16 0.16 40 0.24 0.23 0.22 0.21 0.20 0.19 0.19 0.18 0.18 0.18 0.17 45 0.26 0.25 0.24 0.22 0.21 0.21 0.20 0.20 0.20 0.19 0.19 50 0.29 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22 0.22 0.21 0.21 0.21 55 0.32 0.30 0.29 0.27 0.26 0.26 0.25 0.24 0.24 0.23 0.23 60 0.36 0.34 0.32 0.31 0.29 0.29 0.28 0.27 0.27 0.26 0.26 65 0.41 0.39 0.37 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0.31 0.30 0.29 70 0.48 0.45 0.43 0.41 0.39 0.38 0.37 0.37 0.36 0.35 0.34 75 0.57 0.54 0.52 0.49 0.47 0.46 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 80 0.72 0.68 0.65 0.62 0.59 0.57 0.56 0.55 0.54 0.53 0.51 85 0.96 0.91 0.86 0.82 0.78 0.77 0.75 0.73 0.72 0.70 0.69 90 1.43 1.36 1.30 1.23 1.18 1.15 1.12 1.10 1.07 1.05 1.03 95 2.87 2.72 2.59 2.47 2.35 2.30 2.25 2.20 2.15 2.10 2.06

<표 3-13> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석

(Case B, 현재 기준)

52

[그림 3-7] B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 현재 기준)

할인율(%)시스템

비용감소율(%) 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

0 0.16 0.15 0.15 0.15 0.14 0.14 0.14 0.13 0.12 0.12 0.11 5 0.17 0.16 0.16 0.15 0.15 0.15 0.14 0.14 0.13 0.12 0.12

10 0.18 0.17 0.17 0.16 0.16 0.15 0.15 0.14 0.14 0.13 0.13 15 0.19 0.18 0.18 0.17 0.17 0.16 0.16 0.15 0.15 0.14 0.13 20 0.20 0.19 0.19 0.18 0.18 0.17 0.17 0.16 0.15 0.15 0.14 25 0.21 0.21 0.20 0.20 0.19 0.19 0.18 0.17 0.16 0.16 0.15 30 0.23 0.22 0.21 0.21 0.20 0.20 0.19 0.19 0.18 0.17 0.16 35 0.24 0.24 0.23 0.23 0.22 0.21 0.21 0.20 0.19 0.18 0.17 40 0.26 0.26 0.25 0.24 0.24 0.23 0.23 0.22 0.21 0.20 0.19 45 0.29 0.28 0.27 0.27 0.26 0.25 0.25 0.24 0.22 0.22 0.21 50 0.32 0.31 0.30 0.29 0.29 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 55 0.35 0.34 0.33 0.33 0.32 0.31 0.30 0.29 0.27 0.26 0.25 60 0.39 0.38 0.37 0.37 0.36 0.35 0.34 0.32 0.31 0.30 0.28 65 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 0.40 0.39 0.37 0.35 0.34 0.32 70 0.53 0.51 0.50 0.49 0.48 0.46 0.45 0.43 0.41 0.39 0.38 75 0.63 0.62 0.60 0.59 0.57 0.56 0.54 0.52 0.49 0.47 0.45 80 0.79 0.77 0.75 0.73 0.71 0.70 0.68 0.65 0.62 0.59 0.57 85 1.05 1.03 1.00 0.98 0.95 0.93 0.91 0.86 0.82 0.79 0.75 90 1.58 1.54 1.50 1.46 1.43 1.39 1.36 1.30 1.24 1.18 1.13 95 3.16 3.08 3.00 2.93 2.85 2.78 2.72 2.59 2.47 2.37 2.26

<표 3-14> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석

(Case C, 현재 기준)

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 53

[그림 3-8] B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 현재 기준)

할인율(%)시스템

비용감소율(%) 3.0 4.0 5.0 5.5 6.0 7.0 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0

0 0.17 0.16 0.16 0.15 0.15 0.14 0.14 0.13 0.13 0.13 0.12 5 0.18 0.17 0.16 0.16 0.16 0.15 0.14 0.14 0.14 0.13 0.13

10 0.19 0.18 0.17 0.17 0.16 0.16 0.15 0.15 0.14 0.14 0.14 15 0.20 0.19 0.18 0.18 0.17 0.17 0.16 0.16 0.15 0.15 0.15 20 0.22 0.20 0.19 0.19 0.19 0.18 0.17 0.17 0.16 0.16 0.15 25 0.23 0.22 0.21 0.20 0.20 0.19 0.18 0.18 0.17 0.17 0.16 30 0.25 0.23 0.22 0.22 0.21 0.20 0.19 0.19 0.18 0.18 0.18 35 0.27 0.25 0.24 0.23 0.23 0.22 0.21 0.20 0.20 0.19 0.19 40 0.29 0.27 0.26 0.25 0.25 0.24 0.23 0.22 0.22 0.21 0.21 45 0.31 0.30 0.28 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 0.23 0.22 50 0.34 0.33 0.31 0.30 0.30 0.28 0.27 0.26 0.26 0.25 0.25 55 0.38 0.36 0.35 0.34 0.33 0.31 0.30 0.29 0.29 0.28 0.27 60 0.43 0.41 0.39 0.38 0.37 0.35 0.34 0.33 0.32 0.32 0.31 65 0.49 0.47 0.45 0.43 0.42 0.40 0.39 0.38 0.37 0.36 0.35 70 0.57 0.55 0.52 0.51 0.49 0.47 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 75 0.69 0.66 0.62 0.61 0.59 0.57 0.54 0.53 0.52 0.51 0.49 80 0.86 0.82 0.78 0.76 0.74 0.71 0.68 0.66 0.65 0.63 0.62 85 1.15 1.09 1.04 1.01 0.99 0.94 0.90 0.88 0.86 0.84 0.82 90 1.72 1.64 1.56 1.52 1.48 1.42 1.35 1.32 1.29 1.26 1.24 95 3.45 3.28 3.12 3.04 2.97 2.83 2.70 2.64 2.58 2.53 2.47

<표 3-15> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석

(Case D, 현재 기준)

54

[그림 3-9] B/C ratio 민감도 분석 (Case A, 2015 기준)

할인율(%)시스템

비용감소율(%) 3.0 3.5 4.0 5.0 6.0 7.0 7.5 8.0 9.0 9.5 10.0

0 0.31 0.30 0.29 0.28 0.27 0.25 0.25 0.24 0.23 0.23 0.22 5 0.33 0.32 0.31 0.29 0.28 0.27 0.26 0.26 0.24 0.24 0.23

10 0.34 0.34 0.33 0.31 0.30 0.28 0.28 0.27 0.26 0.25 0.25 15 0.36 0.36 0.35 0.33 0.31 0.30 0.29 0.29 0.27 0.27 0.26 20 0.39 0.38 0.37 0.35 0.33 0.32 0.31 0.30 0.29 0.28 0.28 25 0.41 0.40 0.39 0.37 0.36 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.30 30 0.44 0.43 0.42 0.40 0.38 0.36 0.36 0.35 0.33 0.32 0.32 35 0.48 0.46 0.45 0.43 0.41 0.39 0.38 0.37 0.36 0.35 0.34 40 0.52 0.50 0.49 0.47 0.44 0.42 0.41 0.40 0.39 0.38 0.37 45 0.56 0.55 0.54 0.51 0.48 0.46 0.45 0.44 0.42 0.41 0.40 50 0.62 0.60 0.59 0.56 0.53 0.51 0.50 0.49 0.46 0.45 0.44 55 0.69 0.67 0.65 0.62 0.59 0.57 0.55 0.54 0.52 0.50 0.49 60 0.77 0.76 0.74 0.70 0.67 0.64 0.62 0.61 0.58 0.57 0.56 65 0.89 0.86 0.84 0.80 0.76 0.73 0.71 0.69 0.66 0.65 0.64 70 1.03 1.01 0.98 0.93 0.89 0.85 0.83 0.81 0.77 0.76 0.74 75 1.24 1.21 1.18 1.12 1.07 1.02 0.99 0.97 0.93 0.91 0.89 80 1.55 1.51 1.47 1.40 1.33 1.27 1.24 1.21 1.16 1.14 1.11 85 2.07 2.01 1.96 1.87 1.78 1.70 1.66 1.62 1.55 1.51 1.48 90 3.10 3.02 2.94 2.80 2.67 2.54 2.49 2.43 2.32 2.27 2.22 95 6.20 6.04 5.89 5.60 5.33 5.09 4.97 4.86 4.64 4.54 4.45

<표 3-16> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석

(Case A, 2015 기준)

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 55

[그림 3-10] B/C ratio 민감도 분석 (Case B, 2015 기준)

할인율(%)시스템

비용감소율(%) 3.0 4.0 5.0 5.5 6.0 7.0 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0

0 0.34 0.33 0.31 0.30 0.30 0.28 0.27 0.26 0.26 0.25 0.25 5 0.36 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.28 0.28 0.27 0.27 0.26

10 0.38 0.36 0.35 0.34 0.33 0.31 0.30 0.29 0.29 0.28 0.27 15 0.40 0.38 0.37 0.36 0.35 0.33 0.32 0.31 0.30 0.30 0.29 20 0.43 0.41 0.39 0.38 0.37 0.35 0.34 0.33 0.32 0.32 0.31 25 0.46 0.44 0.41 0.40 0.39 0.38 0.36 0.35 0.34 0.34 0.33 30 0.49 0.47 0.44 0.43 0.42 0.40 0.39 0.38 0.37 0.36 0.35 35 0.53 0.50 0.48 0.47 0.46 0.43 0.41 0.41 0.40 0.39 0.38 40 0.57 0.54 0.52 0.51 0.49 0.47 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 45 0.63 0.59 0.57 0.55 0.54 0.51 0.49 0.48 0.47 0.46 0.45 50 0.69 0.65 0.62 0.61 0.59 0.56 0.54 0.53 0.52 0.50 0.49 55 0.76 0.73 0.69 0.67 0.66 0.63 0.60 0.59 0.57 0.56 0.55 60 0.86 0.82 0.78 0.76 0.74 0.71 0.67 0.66 0.64 0.63 0.62 65 0.98 0.93 0.89 0.87 0.85 0.81 0.77 0.75 0.74 0.72 0.71 70 1.15 1.09 1.04 1.01 0.99 0.94 0.90 0.88 0.86 0.84 0.82 75 1.38 1.31 1.24 1.21 1.18 1.13 1.08 1.05 1.03 1.01 0.99 80 1.72 1.63 1.55 1.52 1.48 1.41 1.35 1.32 1.29 1.26 1.23 85 2.29 2.18 2.07 2.02 1.97 1.88 1.80 1.76 1.72 1.68 1.65 90 3.44 3.27 3.11 3.03 2.96 2.82 2.70 2.64 2.58 2.52 2.47 95 6.88 6.54 6.22 6.07 5.92 5.65 5.39 5.27 5.16 5.04 4.94

<표 3-17> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석

(Case B, 2015 기준)

56

[그림 3-11] B/C ratio 민감도 분석 (Case C, 2015 기준)

할인율(%)시스템

비용감소율(%) 3.0 4.0 4.5 5.0 6.0 7.0 7.5 8.0 9.0 9.5 10.0

0 0.38 0.36 0.35 0.34 0.33 0.31 0.30 0.30 0.28 0.28 0.27 5 0.40 0.38 0.37 0.36 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.29 0.29

10 0.42 0.40 0.39 0.38 0.36 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 15 0.45 0.42 0.41 0.40 0.38 0.37 0.36 0.35 0.33 0.33 0.32 20 0.47 0.45 0.44 0.43 0.41 0.39 0.38 0.37 0.35 0.35 0.34 25 0.51 0.48 0.47 0.46 0.43 0.41 0.41 0.40 0.38 0.37 0.36 30 0.54 0.51 0.50 0.49 0.47 0.44 0.43 0.42 0.41 0.40 0.39 35 0.58 0.55 0.54 0.53 0.50 0.48 0.47 0.46 0.44 0.43 0.42 40 0.63 0.60 0.59 0.57 0.54 0.52 0.51 0.49 0.47 0.46 0.45 45 0.69 0.65 0.64 0.62 0.59 0.57 0.55 0.54 0.52 0.50 0.49 50 0.76 0.72 0.70 0.68 0.65 0.62 0.61 0.59 0.57 0.56 0.54 55 0.84 0.80 0.78 0.76 0.72 0.69 0.68 0.66 0.63 0.62 0.60 60 0.95 0.90 0.88 0.86 0.82 0.78 0.76 0.74 0.71 0.69 0.68 65 1.08 1.03 1.00 0.98 0.93 0.89 0.87 0.85 0.81 0.79 0.78 70 1.26 1.20 1.17 1.14 1.09 1.04 1.01 0.99 0.95 0.93 0.91 75 1.52 1.44 1.40 1.37 1.30 1.24 1.22 1.19 1.14 1.11 1.09 80 1.89 1.80 1.76 1.71 1.63 1.55 1.52 1.48 1.42 1.39 1.36 85 2.53 2.40 2.34 2.28 2.17 2.07 2.03 1.98 1.89 1.85 1.81 90 3.79 3.60 3.51 3.42 3.26 3.11 3.04 2.97 2.84 2.78 2.72 95 7.58 7.20 7.02 6.85 6.52 6.22 6.08 5.94 5.68 5.55 5.44

<표 3-18> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석

(Case C, 2015 기준)

제3장 가정용 연료전지 시스템 경제성 분석 57

[그림 3-12] B/C ratio 민감도 분석 (Case D, 2015 기준)

할인율(%)시스템

비용감소율(%) 3.0 3.5 4.0 5.0 6.0 6.5 7.0 8.0 9.0 9.5 10.0

0 0.41 0.40 0.39 0.37 0.36 0.35 0.34 0.32 0.31 0.30 0.30 5 0.44 0.42 0.41 0.39 0.37 0.37 0.36 0.34 0.33 0.32 0.31

10 0.46 0.45 0.44 0.42 0.40 0.39 0.38 0.36 0.34 0.34 0.33 15 0.49 0.47 0.46 0.44 0.42 0.41 0.40 0.38 0.36 0.36 0.35 20 0.52 0.50 0.49 0.47 0.45 0.43 0.42 0.41 0.39 0.38 0.37 25 0.55 0.54 0.52 0.50 0.47 0.46 0.45 0.43 0.41 0.40 0.40 30 0.59 0.58 0.56 0.53 0.51 0.50 0.49 0.46 0.44 0.43 0.42 35 0.64 0.62 0.60 0.58 0.55 0.54 0.52 0.50 0.48 0.47 0.46 40 0.69 0.67 0.66 0.62 0.59 0.58 0.57 0.54 0.52 0.51 0.49 45 0.75 0.73 0.71 0.68 0.65 0.63 0.62 0.59 0.56 0.55 0.54 50 0.83 0.81 0.79 0.75 0.71 0.70 0.68 0.65 0.62 0.61 0.59 55 0.92 0.90 0.87 0.83 0.79 0.77 0.75 0.72 0.69 0.67 0.66 60 1.03 1.01 0.98 0.93 0.89 0.87 0.85 0.81 0.78 0.76 0.74 65 1.18 1.15 1.12 1.07 1.02 0.99 0.97 0.93 0.89 0.87 0.85 70 1.38 1.34 1.31 1.25 1.19 1.16 1.13 1.08 1.03 1.01 0.99 75 1.66 1.61 1.57 1.50 1.42 1.39 1.36 1.30 1.24 1.21 1.19 80 2.07 2.02 1.97 1.87 1.78 1.74 1.70 1.62 1.55 1.52 1.48 85 2.76 2.69 2.62 2.49 2.37 2.32 2.26 2.16 2.07 2.02 1.98 90 4.14 4.03 3.93 3.74 3.56 3.48 3.40 3.24 3.10 3.03 2.97 95 8.28 8.07 7.86 7.48 7.12 6.96 6.79 6.49 6.20 6.07 5.94

<표 3-19> 시스템비용 감소율과 할인율에 따른 B/C ratio 민감도 분석

(Case D, 2015 기준)

58

제4장 가정용 연료전지 상업화 전략

가정용 연료전지 분야 세계 선두 주자인 일본은 연료전지 스택 등

핵심 장비와 부품 소재를 100% 국산화하고 대중 보급 단계에 있음에

비해 우리나라는 아직 정부 보급 단계에 있다. 일본 시스템과 국산 시

스템 간 내구성을 보면, 일본은 5만 시간 우리 시스템은 4만 시간으로

1만 시간의 격차가 있으나 실질적인 시스템 기술 수준은 이미 대등하

다는 것이 전문가의 지적이다. 다만 부품의 내구성이 문제이다.

모니터링 사업 결과에서 서술한 바와 같이 일반 부품의 내구성이

문제가 됨은 물론 시스템의 원가 절감과 관련하여 가격 인하 가능성

을 엿보는 수준이었으며, 완성도를 제고하는 과정에서 원가 절감 여지

를 확인하는 단계에 있다.

1. 연료전지 시스템 보급의 장애 요소

부품의 내구성 열위는 기술력 보다 국내 시장의 협소함에 기인한다

는 것이 전문가의 견해이다.45) 이는 국내 시장이 지금보다 충분히 커

져서 상업화가 되면 장애 요인이 상당히 감소할 것이란 기대를 하게

만든다. 그러나 일본의 경우에서 보면, 우리의 시범 보급 규모에 비해

15배 정도 큰 모니터링 사업을 벌여왔다. 우리나라 보급 규모와 비교

하면 충분히 큰 규모일 것이지만 2007년에 보급된 가정용 연료전지의

45) 서울경제신문 2011. 10. 13.

제4장 가정용 연료전지 상업화 전략 59

예상치 못한 고장발생 빈도는 가동 이후 1년 정도 지나는 시점에 1에

가까운 고장 빈도를 나타내고 있다. 이는 기 설치된 연료전지 시스템

이 일 년에 한 번 정도 고장으로 가동이 중단되었음을 의미한다. NEF

(2009)에 따르면 일본에서 기대하는 고장 빈도는 0.3 이하를 상업화에

서 요구하는 최대 허용치로 보고 있는데 이러한 점에서 볼 때 일본의

경우도 아직은 본격적인 상업화에 들어가기는 고장이 잦다는 것으로

해석된다. 우리나라의 모니터링 사업에서는 고장 빈도에 대한 결과 값

을 찾아볼 수 없어 단정적으로 이야기할 근거는 없지만 일본과 유사

하거나 높은 수준에 있다면 가정용 연료전지의 보급 장애 요인이 시

장 규모만의 문제는 아닐 것이라는 판단이다.

고장 부품 면에서 보면, 우리나라의 모니터링 사업 결과에서 고장을

유발하는 부품이 스택이나 개질기 등의 주요 부품이 아닌 펌프나 필

터 같은 일반 부품(BOP)인 것으로 평가하고 있는데 일본의 경우도 연

료 처리장치, 공기 주입장치, 물 주입장치, 컨트롤러 등 일반 부품인

것으로 제시하고 있어 우리와 유사한 것으로 보인다. 다시 말하면 일

본에서도 가정용 연료전지 상업화를 위해서 필수적인 개선이 요구되

는 부품을 일반 부품으로 지적하는 것처럼 우리도 이에 대한 개선이

반드시 이루어져야 할 것으로 보인다.

또한 우리나라 3차년도 모니터링 사업이 2011년 11월 완료되었지

만 결과 정보를 아직 접할 수 없어 다른 문제점이 무엇인지 구체적이

진 않지만 가정용 연료전지의 보급 장애 요인으로 지적되는 것으로

화재 위험성, 소음 그리고 시스템의 크기 등도 있다.46) 우리의 주택

구조상 아파트 비율이 다른 나라에 비해 상대적으로 높은 점을 감안

46) 한겨레 2011.9.13. 20:49

60

하다면 소음 문제는 다른 어떤 요인 보다 중요할 수 있다.47) 가정용

연료전지는 특성상 24시간 가동되어야 하는데 아파트에서 지속적으로

높은 수준의 소음을 유발한다면 이웃의 거센 항의는 물론 소비자 자

신도 힘든 상황 하에서 지내야 할 것이기 때문이다.48)

한편 연료전지 가동을 위해서는 상수도에 연결해야하는데 연료전지

에 들어가는 수질이 좋지 않은 경우 스택의 막 가습기 오염이나 개질

기 오염 등의 유발 가능성이 높기 때문에 장기 운전 안정성 확보를 위

해서는 연료전지 시스템 내부로 부유물이 들어가지 못하도록 차단해

주는 필터장치 개선도 필요해 보인다.49)

하위 시스템 예상하지 못한 가동중지 빈도

연료 처리 연료 흐름의 미터기와 센서의 기능 불량 3

물 관리 변형된 월터펌프의 고장 4

열 회수 열 교환기 난방기기의 기능 불량 1

인버터 인버터의 기능 불량 1

컨트롤러

음극 송풍기의 파라미터 변화

차단 밸브의 파라미터 변화

온수 탱크의 투입/산출 온도 조정

5

합 계 14

<표 4-1> FY 2008년 설치 시스템의 예상하지 못한 가동중지에 관한 상세한

사항들 (일본)

주: 2008년 10월부터 12월까지 도시가스와 LPG를 사용하는 193개 시스템에서 얻

은 데이터

47) 일본 파나소닉사 기준으로 38db이며, 내연기관엔진 소음은 43db 임(Kani, 2011).48) 전국 400여 가구 중 30% 정도가 소음문제를 지적 (한겨레 2011.9.13.)49) 박달영(2009)

제4장 가정용 연료전지 상업화 전략 61

한편 높은 설치비 역시 장애 요소로 작용한다. 현재는 정부가 보조

금을 지급하고 있어 실제 비용보다 현격히 낮은 가격에 연료전지를

설치할 수 있으나 정부 보조 하에서도 300만 원 이상을 들여야 한다

는 점을 지적할 수 있다. 만약 상업화 과정에서 가격이 인하되지 않는

다면 고정비 부담도 크고 운영비 측면에서도 천연가스 가격 변화에

따른 변동 요인이 반영되는 부담을 가질 수밖에 없다.

2. 상업화 가능성 및 전략

앞의 장애 요소에서 지적한 바와 같이 현재 여건에서 가정용 연료

전지는 많은 경쟁력 저해 요인을 가지고 있어 상업화를 단정적으로

논하기는 한계가 있다. 다만 국내 시장이 아닌 우리의 에너지 소비 패

턴과는 상이한 외국 시장을 바라보고 상업화를 한다면 상업화 가능성

이 커지겠지만 국내 시장만으로는 한계가 뚜렷해 보인다.

따라서 연중 기온 변이 폭이 상대적으로 적으면서 전력과 열 소비

가 지속적으로 발생할 수 있는 지역을 대상으로 한 상업화를 염두에

둔 개발이 되어야 할 것이다. 또한 가정용 연료전지의 뛰어난 에너지

효율성을 바탕으로 기후변화협약에 따른 온실가스 감축 옵션 중 하나

로 인식시키는 노력도 요구된다.

우리나라의 연료전지 업계가 상용화로 이행하기 위해서는 모니터링

사업에서 지적된 여러 가지의 문제점50)을 반드시 해결해야 할 것인데

우선은 국내 모니터링 사업을 통해 확보한 국내 상업화 기반을 보다

50) 한국가스공사 주관으로 3차 년도에 걸쳐 시행되었던 가정용 연료전지 모니터링

사업이 2011년 11월30일에 종료되었음. 3차의 모니터링 사업에는 연료전지 사, 도시가스사, 지방자치단체 및 일반가정이 참여하였음. 국내 모니터링 사업결과

분석 자료가 공개되지 않아 과제에서는 세부적인 분석을 하지 못하고 있음.

62

확장하고 탄탄히 하는 노력이 요구된다. 모니터링 사업을 통해 얻은

수익은 크게 두 가지로 볼 수 있는데 하나는 연료전지 생산자와 부품

공급자간 네트워크를 구축했다는 점이다. 네트워크는 개발 및 적용을

위한 유기적인 관계를 가능케 하는 것으로서 가까운 미래에 연료전지

를 보급하기 위한 기반을 마련했다는 점이다. 두 번째는 일본의 경우

와 마찬가지로 보급 사업을 통해 국산화율, 시스템의 안정성 및 성능

을 높일 수 있었다는 점이다.

가. 상업화를 위한 과제

연료전지 상업화를 위해서는 몇 가지 해결과제가 있다. 우선은 소재

문제이다. 현재 우리나라 연료전지는 상업화 이전단계에 있어 기업이

소재개발 투자를 하기에는 적절치 않아 일부 부품을 수입에 의존하고

있는 실정이다. 소재개발을 통한 가격인하의 전제가 대량생산이라면

기업 스스로 해결하기 어려운 형국이다. 따라서 정부가 최소한의 양산

체제에 이를 수 있는 정도까지는 지원해줄 필요가 있겠다.

두 번째, 가정용 연료전지 상업화는 건물용 연료전지 틀 안에서 고

려되어야 한다는 점이다. 건물용은 본 과제에서 분석대상으로 상정한

연료전지 보다 발전용량이 큰 10kW～100kW급이지만 건물용 연료전

지 상용화가 바로 가정용으로 이어진다는 점에 연유한다. 다시 말해서

건물용 연료전지 상업화를 위해서는 하드웨어 문제가 해결되어야 함

은 당연한 것이고 사용 환경이 조성되어야 함을 의미한다. 우리나라는

LNG를 연료로 사용하는 연료전지를 보급 대상으로 하는데 연료전지

가 상용 보급되려면 경제성을 확보해야 하고 경제성 확보는 연료전지

생산단가 하락 이외에 결국 전력요금과 도시가스 요금문제로 귀결된

제4장 가정용 연료전지 상업화 전략 63

다. 전력요금이 현실화되고 연료전지용 도시가스 요금제가 신설된다

면 가장 좋은 여건이라 할 수 있다.51)52)

독일 일본 비고

정책지원

필요성

-에너지 공급과 지구환경보호에 기여할 수 있으므

로 연료전지 기술에 대한 적절한 추가지원 필요-

기술적

관점

-가정용 연료전지로 PEMFC과 SOFC 모두 가능

-PEMFC 타입은 상업화에 근접

-SOFC 타입은 몇 년 후 기대

-

상업화

접근

-개별 브랜드 접근

-상업화하기엔 아직 기술수

준이 부족

-공동브랜드 필요성 인식

-공동 브랜드(Ene- Farm)제 도입

공동브랜드는 정

치적 가시성을 돋

보이게 함은 물론

고객의 인식과 신

뢰도 향상에 기여

비용저감

전략

-우선 효율개선 및 R&D를

통한 비용저감 실현 후 설

치량 확대 계획

-규모의 경제를 통

한 비용저감 실현

을 목적으로 대규

모 보조금 지원

-

시장요구

-모든 난방기기 실내에 위치

-설치 시 EC 인증(EN IEC 62282(TC 105))과 가스품질

에 대한 DVDW 규제 적용

-난방기기를 주택

외부에 설치

-가스품질규제만적용

다양한 기술적 고

려와 규제여건차

이로 인해 발생

인증-모든 부품과 시스템은 CE 인증을 받아야 함

-시스템에 대한

인증은 요구되나

부품은 제외

-

표준화-가스설비에서 오직 금속소

재 부품만 허용

-가스설비에서 플

라스틱 소재 부

품 사용 가능

가스안전규격 검

토 필요

<표 4-2> 가정용 연료전지 보급 및 상업화 접근 방식

자료: NEDO & NOW (2011) 발췌 정리

51) 일본은 정부보조를 통해 전용 요금제를 시행하고 있음(수소에너지정보 33호).52) 영국은 연료전지 설치 운용 시 FIT 제도 안에서 10p/kWh를 10년간 지급하며,

연료전지를 이용하여 발전된 전력을 집에서 사용하지 않고 전력망으로 송전하

는 경우 추가로 3p/kWh를 지급함.(http://news.bbc.co.uk/2/hi/8563928.stm)

64

건물용 연료전지는 무정전전원공급장치로서의 역할도 할 수 있을

뿐 아니라 전력과 열 수요를 기존의 네트워크에 전적으로 의존하지

않아도 되는 장점이 있는데 도시가스 요금이 장애요인으로 작용될 수

도 있다. 연료전지를 통해 전력을 자급하게 되면 분산형 전원 개념이

되어 기존의 전력망에 전적으로 의존하지 않아도 되므로 국가적으로

는 발전소 건설 회피비용 만큼의 절약효과가 생긴다.53)

기존 모니터링 사업에서의 성과인 성능 및 신뢰성 향상부분에 대한

지속적인 투자와 국산화 비율 확대를 위한 연구개발이 동시에 요구된

다. 향후 가정용 연료전지 시스템이 실제 생활 속에서 활용되기 위해

서는 부품 수를 줄이는 컴팩트화 노력과 함께 생산단가를 낮추어야

할 것이다.54)55) 일본은 소재비용 절감과 컴팩트화를 위한 재설계 그

리고 대량생산을 통해 생산단가를 낮추었다.56)57)

상업화는 수출시장 확보를 기대하는 것이라는 관점에서 국제적인

협력 내지는 공조가 필요할 것으로 생각된다. 가정용 연료전지 시장을

선도하는 일본은 독일과 연료전지 시장 창출과 보급 확대를 위해 양

국 간 정보 교류를 하고 있다.58) 독일과 일본 양국은 워크숍을 통해

53) 국가적 순절약 비용은 개념적으로 발전소 건설 회피비용에서 추가로 소비하는

도시가스로 인한 LNG 도입․공급 비용을 차감하고 에너지 절약량 만큼의 비용

절감액을 더해야 함.54) 일본의 경우 가정용 연료전지 가격이 2002년 800만 엔에서 2010년 320만 엔으

로 낮아졌음. 2015년의 목표 가격 수준은 50～70만 엔이며, 장기 목표 가격은

40만 엔 임(DOE ,2011). 55) Wang et al.(2011)은 연료전지의 추가적인 장애요인 극복과 보급을 위해서는

기본적인 돌파구가 필요함을 지적하면서 소재개발, 기초지식 습득, 분석 모델

개발이 요구됨도 지적하고 있음. 그리고 두 가지의 상업화 저해 요인인 내구성

과 가격 문제 해결을 위해서는 촉매, 고분자전해질 막-극 접합체(MEA) 부품및 양극판(bipolar plates) 개선이 특히 중요하다고 강조(pp.1002-1003).

56) DOE(2011)57) 기업의 연료전지 시스템 가격저감 노력은 신기술 개발, 시스템 단순화, 저비용

소재개발, 일반 부품(BOP) 비용저감 등임(Kani, 2011).

제4장 가정용 연료전지 상업화 전략 65

연료전지의 상업화를 위해서는 많은 도전과제에 아직 직면해 있고 양

국의 연료전지 시장에 대한 유사점과 상이점을 같이 인식하고 있음을

확인하였다. 우리나라 연료전지의 수출화를 위해서도 국제 표준화와

기술 안정화, 부품 공용화 등에 대한 노력이 필요하며 동시에 세계에

서 가장 큰 연료전지 시장인 일본, 독일, 미국, 한국59)이 공동으로 참

여하는 포럼과 같은 공유 네트워크를 만들어 운영할 필요가 있다.

나. 정부지원

미국 연방정부는 연료전지에 대해 세금 공제제도를 운영하고 있으

며, 일본 정부는 연료전지를 고려한 가스표준과 규제를 통해 저황/고

탄화수소(heavy hydrocarbon), 연료전지 성능규격 단일화, 가스누출

탐지를 위해 혼입하는 부취제 균일화 등을 유도하여 연료전지 가격저

감을 계획하고 있다. 독일 정부도 연료전지 프로젝트인 Callux를 통해

체계적으로 시장을 만들어 가고 있다.

연료전지 4대 시장 중 3개국은 정부 지원을 통한 연료전지 상업화

를 목표로 설정하고 다양한 지원책을 도입․운영하고 있다. 국가별로

목표 시장 및 지원 스킴은 상이해 보인다. 미국은 현재 상업 영역 혹

은 수송용(자재취급 포함) 연료전지 시장을 목표로 2009 회복 및 재

투자법과 세금 공제 등의 조치를 채택하고 있다. 일본은 대규모 보조

금 지원을 통한 대량생산 여건 조성 접근 방식인 반면 독일은 연료전

58) 일본과 독일 양국은 NEDO(신에너지․산업기술종합개발기구)와 NOW(국립수

소․연료전지기술기구)를 통해 2011년 6월 수소와 연료전지실연 워크숍을 개최

하였음. 정부 및 업계 전문가가 참여하여 수송용 및 가정용 연료전지에 대해

양국의 실연상황, 상업화 전략, 정책규제 및 표준화 이슈를 다루었음(NEDO & NOW, 2011).

59) Greene et al.(2011)

66

지 기초 확보를 위한 연구개발 투자지원을 통해 가격 인하를 유도하

여 대량생산으로 이어가는 접근 방식을 취하고 있다. 양국 모두 가정

용 연료전지를 대상으로 한다.

우리나라는 연료전지 모니터링 사업 종료 이후 평가결과가 나오지

않아 가정용 연료전지 시장 창출에 대한 정책방향 변경 여부를 판단

하기 어렵다. 따라서 기존의 정책을 바탕으로 상업화 전략을 제시하고

자 한다.

우선 정부의 지원 정책을 통해 가정용 연료전지를 설치한 가구에

대한 연료전지 활용도 조사와 연간 에너지 절약으로 인한 지출 절감

액이 어느 정도 실현되고 있는지에 대한 조사가 필요해 보인다. 막대

한 정부 지원을 통해 연료전지가 보급된 이후 당초 기대했던 만큼의

비용절감이 실현되지 않는다면 추가적인 연료전지 보급 혹은 시장 형

성을 기대하기 어렵기 때문이다. 설치 이전에 기대했던 비용 절감 수

준과 실현된 비용 절감 부분 간 차이가 있다면 이에 대한 분석을 통해

정부지원 방식 변경이 필요한 것인지 여부를 검토해볼 필요가 있다.

그리고 앞에서 지적한 바와 같이 연료전지가 도시가스를 연료로 사

용하므로 도시가스 요금 혹은/그리고 전력요금 개정에 대해 질문해 볼

필요가 있다. 가정용 연료전지 시장은 건물용 연료전지 시장의 부분집

합이라는 개념으로 접근할 필요가 있다. 건물용 연료전지 시장을 통해

하드웨어 문제를 해결하고 대량 생산을 위한 기반을 만든다면 가정용

연료전지가 현재 안고 있는 문제는 자연스레 해결될 것이라 판단된다.

전향적이고 다각적인 검토가 우선되어야 할 것이다.

외국 시장을 염두에 둔 개발의 필요성은 앞에서 언급한바 있다. 국

가별 시장 규제와 연료 규격이 상이할 수 있으며, 생활 패턴 및 주택

제4장 가정용 연료전지 상업화 전략 67

구조 차이 등 여러 변수들에 사전적으로 대응하기 위해서는 미국, 일

본, 독일 등과의 교류가 필수적이며, 이 과정에서 표준화를 이끌 수

있다면 제품 신뢰성 확보에 유리할 것이다.

정리하면 국내시장을 위한 상업화에는 한계가 있으므로 수출을 염

두에 둔 상업화를 지향해야 할 것이나 본격적인 상업화 기반 마련 차

원에서의 국내 시범 보급 사업이 정상적으로 당초의 기대와 부합하는

지 여부를 검토하는 것과 정부 지원 하에서 지속적인 연구 개발 투자

를 통한 부품의 신뢰도 및 내구성 향상, 부품 수 축소를 통한 컴팩트

화60), 현지화를 대비하는 국제 교류 그리고 제품 표준화 등을 동시에

진행하는 전략적 접근이 요구된다.61)

21세기는 환경의 세기라고 불리어 질 정도로, 환경에 관련된 기술

력의 차이가 기업 경쟁력에 큰 영향을 줄 것이기 때문에, 연료전지의

기술개발 및 상용화는 장래 우리나라 국가 경쟁력과 직접 관계될 수

있다. 연료전지는 미래의 성장 동력이라는 관점에서 세계적으로 연료

전지에 대한 연구 개발이 치열하게 진행되고 있다. 연료전지 상업화는

전기기기 산업, 소재산업, 에너지 산업 등 광범위한 산업에 걸친 기술

이 필요하기 때문에 국가 산업 전체에 미치는 영향이 크고, 새로운 기

술의 진전에 의해 산업 부가가치 증대 및 고용 확대의 가능성도 매우

크다. 특히 대부분의 에너지원을 국외로 부터 수입하는 우리나라의 경

60) 연료전지의 크기 축소는 절대적으로 중요한 요소임. 일본은 주택과 주택 사이가

좁음에도 불구하고 난방시설을 외부에 설치하기 때문에 크기가 중요하며, 독일

은 난방기기를 실내에 두어야 하며, 우리나라 역시 아파트 선호도가 높기 때문

에 실내 두는 것을 선호할 것이라는 점에서 공간 활용도가 높아야 할 것임.61) 일본 파나소닉은 유럽의 선도 발전사들과의 밀접한 협력 하에서 일본과 유럽

간 운영 조건 차이와 천연가스 조성 차이 극복을 통한 유럽 시장 진출 기반을

마련하고자 가정용 연료전지 유럽 R&D 센터를 20011년 7월 오픈했음(http:// news.panasonic.net/archives/2011/0704_5825.html)

68

우 연료전지와 같이 에너지 이용 효율이 높은 에너지 기술의 보급 및

확대가 더욱 중요하다고 할 수 있다.

제5장 결론 및 정책 제언 69

제5장 결론 및 정책 제언

본 과제에서는 PEM 타입의 가정용 연료전지에 대한 에너지 효율성

및 경제성을 분석하고 있다. 경제성 분석 결과 연료전지 시스템 가격

을 500만 원으로 하고 전력요금을 현재 가정용 전력 가격에 비해

15% 인상하는 경우에도 B/C 분석 결과 0.3～0.4 수준을 나태내고 있

다. 즉 경제성을 갖지 못하는 것이다. B/C 분석 결과가 1 이상이 되려

면 연료전지 시스템 가격이 최소 65% 이상 감소해야 하는 것으로 나

타났다. 다시 말해서 연료전지 시스템 가격이 320만 원 이하가 되고

스택 비용도 현재의 절반 이하 수준으로 낮아져야 함은 물론 전력 가

격이 현재보다 15% 인상되어야 경제성을 확보할 수 있는 것으로 나

타났다.

현재 여건에서 가정용 연료전지가 경제성을 갖기 위해서는 전력 사

용량이 월 400kWh가 넘는 165m2 이상의 주택에 설치해야 하는 것으

로 정부가 판단하는 것으로 보도된 바 있다.62) 2010년 통계청 조사에

의하면 전국 주택 가운데 165m2 이상 주택은 4.3%에 지나지 않는다.

단독주택 중 165m2 이상 비중은 13.8%로 비교적 높은 수준이다. 정

리하면 우리나라 주택 중 4.3%에 해당하는 주택이면서 동시에 전력

소비가 400kWh 이상 되는 경우에만 이라는 전제가 성립하는 경우만

이 연료전지 시장이라면 정부가 정책적으로 지원해야 하는지 의문시

된다. 이것은 현재 여건만을 고려한 결과이다. 즉 연료전지 시스템 가

62) 한겨레 2011.9.13

70

격 인하를 통한 시장 확대는 필수적이다.

정부는 가정용 연료전지 시스템에 대한 R&D 개념인 모니터링 사

업을 종료하였으며, 이제는 상용화 단계로 보아야 할 시점이다. 그러

나 연료전지 시스템 가격이 다른 에너지 공급 시스템에 비해 월등히

높은 점을 고려하여 2011년까지는 시스템 비용의 80%를 보조해 왔

다. 가정용 연료전지가 이미 상용화 단계에 들어섰다고 판단하면서도

정부가 보조 제도를 유지하는 것은 일본을 필두로 전 세계가 연구 개

발과 상업화를 서두르고 있는 새로운 시장이라는 점이 고려된 것이라

판단된다. 정부는 가정용 연료전지 보조금 수준을 약간 낮게 조정할

계획이다. 즉 2012년에는 kW당 5,200만 원 기준가격 대비 최대 75%

까지를 지원할 예정이다. 또한 가정용 연료전지에서 생산된 전력에 대

한 상계거래 허용은 유지될 전망이다. 가정용 연료전지 시장에 대한

정부의 의지는 충분한 것으로 판단된다. 즉 소비자 측면의 정부 지원

은 이미 상당한 수준을 유지하고 있다. 외국과 같은 세금공제 혹은 운

영비 보조 등이 명시적으로는 없지만 기존의 설치 보조금 제도, 잉여

전력의 상계거래 허용 그리고 발전차액 지원 제도 등이 외국과 유사

하거나 그 이상의 지원 역할을 하고 있는 것으로 생각된다.

한편, 우리나라의 가정용 연료전지 기술이 상대적으로 취약하지 않

다는 연료전지 전문가들의 판단을 수용하고 동시에 세계 4대 시장 중

하나인 우리나라 연료전지 시장 규모를 고려할 때 지속적인 투자 필

요성은 있다고 판단된다.63)64) 이를 위해서는 녹색 성장 전략 중 하나

63) 지식경제부에 의하면 연료전지의 공통 핵심 기술, 연료 다변화 기술, SOFC 시스템, 수송용 고밀도 스택 개발, 선박용 연료전지 개발 등을 단기 전략 품목으

로 정하였으며, 대형발전용 연료전지 및 IGFC를 장기 전략 품목으로 지정하여

2030년까지 정부 주도로 기술개발을 유도할 계획임(신미남, 2011).64) 유럽, 독일, 미국 등의 정부지원에 대해서는 JRC Scientific and Technical

제5장 결론 및 정책 제언 71

로 해외시장을 겨냥한 상업화로 정책방향을 정하고 국내 시범 사업

강화를 통한 완성도 제고 측면의 접근이 필요해 보인다.

지금까지의 정부 투자가 연료전지 시스템 중심이었다면 앞으로는

기술의 공급 사슬(supply chain)을 고려하여 기술측면의 전주기적 지

원체제와 함께 부품 및 소재 중심의 기술개발을 대기업 중심만이 아

닌 중소기업이 참여하는 컨소시엄 형태의 기술개발 관점으로 전환하

여 지원체제를 구축할 필요가 있다. 또한 정부는 업계와 전문가의 의

견을 청취하여 표준화와 단순화․소형화 목표를 충족하도록 하는 기

술개발 지원 방안을 마련할 필요가 있다.

연료전지의 해외 수출 상품화를 위해서는 세계 최고 수준의 기술을

보유한 일본을 극복해야 하는 문제가 있다. 일본의 연료전지 기술을

극복하기 위해서는 단순한 따라잡기 전략(catch-up strategies)만으로는

부족하며, 다른 외국과의 공동개발 혹은 세계 표준화 주도 등 우리나

라가 외국의 연료전지 제작사를 포용하면서 세계시장을 창출해 나가

는 리더십 전략도 필요해 보인다.

Reports(2011), Ramesohl(2011), Greene et al.(2011) 참조.

72

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http://news.panasonic.net/archives/2011/0704_5825.html

76

< 약어 정리 >

AFC : Alkaline Fuel Cell

AI : Artificial Intelligence

APU : Auxiliary Power Unit

ARRA : The American Recovery and Reinvestment Act of 2009

BMVBS : Federal Ministry of Transport, Building and Urban Development

BOP : Balance of Plant

CES : Community Energy System

CHP : Combined Heat and Power

CO2 : Carbon Dioxide

db : Decibel

DMFC : Direct Methanol Fuel Cell

DOE : Department of Energy

DSIRE : Database of State Incentives for Renewables & Efficiency

EC : European Commission

EII : European Industrial Initiatives

EU : European Union

FCH-JU : Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking

FGLS : Feasible Generalized Least Squares

FIT : Feed in Tariff

FY : Fiscal Year

약어 정리 77

GLS : Generalized Least Squares

IEC : International Electrotechnical Commission

kcal : Kilocalorie

kg : Kilogram

kW : Kilowatt

kWe : Kilowatt Equivalent

kWh : Kilowatt Hour

LDV : Light Duty Vehicles

LNG : Liquified Natural Gas

LPG : Liquefied Petroleum Gas

Mcal : Megacalorie

MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell

MEA : Membrane Electrode Assembly

MJ : Megajoule

MLE : Maximum Likelihood Estimation

MW : Megawatt

NEDO : New Energy and Industrial Technology Development Organization

NEF : New Energy Foundation

NOW : Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie　

GmbH

NPV : Net Present Value

PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell

PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell

PEM : Polymer Electrolyte Membrane

78

PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

ppm : Parts per Million

R&D : Research & Development

RD&D : Research, Development & Demonstration(or Deployment or

Dissemination)

SOFC : Solid Oxide Fuel Cell

UAV : Unmanned Aerial Vehicle

UPS : Uninterruptible Power Supply

ZSW : Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung(Center

for Solar Energy and Hydrogen Research)

부록 79

<부록>

일본의 가정용 연료전지 시스템 시범 운용

결과65)

1. 일본의 시스템 운영 현황

가. 목적

지구 온난화 문제를 검토하기 위하여 1997년에 열린 지구 온난화

방지 교토회의(COP3)에서 의결한 교토 의정서에 따르면 일본은 이산

화탄소 배출량을 일차 의무기간(2008년～2012년) 동안 1990년 기준

으로 6%까지 감축시키도록 되어있다. 그러나 FY 2007년까지 에너지

사용으로 인한 이산화탄소 (CO2)배출량은 1990년을 기준으로 14% 증

가하였으며, 특히 가정부문의 배출량은 41.2%라는 엄청난 증가를 보

였다. 따라서 일차 의무기간 동안의 목표인 6% 감축을 이행하기 위해

서는 가정 부문에 대한 강력한 감축 대책을 필요로 한다.

연료전지는 배기열이 병합발전 시스템에서 회수된다면 효율이 더욱

높아질 수 있는 높은 발전 효율을 갖고 있다. 이러한 이유로 일본의

65) NEDO (2009) 중 일부를 전제함.

80

국가 에너지 정책은 연료전지의 보급을 위한 야심 찬 목표를 설정하

고 있다.

가정 부문의 전력과 열 수요를 감당하기 위하여 집 안에 설치된 가

정용 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cell; PEFC)는

가정 부문의 에너지 소비 절약을 실현하고 이산화탄소를 감축시키는

열병합 발전(CHP) 시스템으로 자리 잡고 있다. 일본은 이를 위한 기

술 개발뿐만 아니라 기술의 상업화와 시장 창출을 위한 사전 시장 기

반 시설을 개발하고 있다.

이러한 사정을 배경으로 한 "대규모 고정형 연료전지 시연 프로젝

트66)"를 통해 FY 2005년 이후 실제 사용에 대한 가동 데이터를 수집

하기 위하여 전국적으로 수많은 가정에 고분자 전해질 연료전지

(PEFC) 시스템을 설치하였다. PEFC 시스템은 다양한 주택형태를 가

진 가정에서 다양한 활용 패턴으로 가동된다. 수집된 가동 데이터는

신뢰성과 내구성에 대한 개선 여지를 파악하고 실제적인 조치를 취하

기 위하여 상업화와 대량 생산 및 비용 감소를 위한 단계 설정이라는

목표를 갖고 제조업체로 보내진다. 프로젝트의 목적은 상업화에 필요

한 기술적 성숙도 수준을 결정하고 앞으로의 연구/개발 노력을 위한

논쟁을 확인하기 위하여 수집된 데이터 분석을 통해 PEFC 시스템에

대한 가정용 시장이 나아가야 할 길을 설정하는데 있다. 또한 프로젝

트는 일반 대중에게 PEFC 시스템을 소개하고 보여주는 한편 이들 가

동 데이터를 발표함으로써 가정용 PEFC 시스템에 대한 대중의 인식

을 고양시킬 것으로 기대된다.

66) 본 프로젝트의 창립 기구인 신에너지 산업기술 종합개발기구(New Energy and Industrial Technology Development Organization; NEDO)는 본 프로젝트를 "시장 창조를 위한 주택용 PEFC 시스템의 시연"이라고 부름.

부록 81

나. 프로젝트 구성

대규모 고정형 연료전지 시연 프로젝트는 FY 2005년에 시작하였으

며, FY 2008년이 4년째다.

[부록 그림 1]의 프로젝트 구성도에서 볼 수 있는 바와 같이, 신에

너지 기금(New Energy Foundation; NEF)은 연료전지 제조업체로부

터 주택용 PEFC 시스템을 구입하고 이들 시스템을 일반적인 단독 주

택에 설치하고 가동시키는데 자금이 필요한 프로젝트 운영 업체들(도

시가스와 석유회사들과 같은 에너지 공급 업체)에게 자금을 제공한다.

프로젝트에 참여하는 가정(이하 "장소")에서 PEFC 시스템은 매일 소

비하는 전력과 열(온수)을 생산한다. 본 시스템을 가동하면서 나오는

데이터(전력 공급, 열 공급, 연료소비 등)는 모두 분석과 평가를 위하

여 프로젝트 운영 업체를 통하여 신에너지 기금(NEF)이 수집한다. 이

들 데이터는 기술 성숙도를 결정하고 연구/개발 영역을 식별하는데 활

용된다.

[부록 그림 1] 프로젝트 구성도

82

또한 [부록 그림 1]은 본 프로젝트에서 프로젝트 운영 업체가 한 곳

이상의 제조업체로부터 PEFC 시스템을 구입/설치하고 가동할 수 있

으며 설치와 가동을 다른 운영업체(협력 운영업체)와 함께 할 수 있는

등 여러 가지 선택권을 사용할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

일반 주택에서 설치할 수 있도록 설계된 약 1kW PEFC 시스템은

기금의 사용이 가능하다. 기금을 사용할 수 있는 시스템의 조건은 다

음과 같다.

￭ 성능 조건: 전력 발전 효율 30% 이상(가동등급; HHV 기준)과

27% 이상(50% 부하에서); 총 효율 65% 이상(가동등

급; HHV 기준)과 54% 이상(50% 부하에서)

￭ 제조업체 자격: 프로젝트 실시 기간 동안 30개 이상의 시스템 공급

가능

￭ 운영 자격: 프로젝트 기간 동안 10개 이상의 시스템 설치 가능

￭ 보고 조건: 2년 동안 FY 2008년에 설치되는 시스템의 경우는 1년)

시스템을 가동하고 분기마다 월별 데이터 보고

앞의 필요조건에서 설명한 바와 같이, 데이터 수집에 요구되는 기간

은 FY 2007년까지 설치된 시스템의 경우는 2년이며 FY 2008년에 설

치된 시스템의 경우는 1년이다. FY 2007년에 설치되고 가동에 들어

간 장소에서 수집된 가동 데이터 이외에도, 프로젝트는 FY 2006년과

FY 2008년에 자리 잡은 장소에서도 일부 데이터를 얻었다. 3년에 걸

쳐 설치된 시스템에서 수집된 이들 데이터는 내부 시스템의 비교와

전력 효율 및 고장 빈도와 같은 신뢰성과 같은 영역에서의 성능 개선

에 대한 평가를 가능하게 한다.

부록 83

[부록 그림 2]는 PEFC 시스템의 설치와 데이터 수집에 대한 개략도

이다. 데이터가 수집되는 지점은 ⊙로 표시되어 있다. 연료전지 시스

템은 상업용 전력 계통망으로 연결되고, 시스템에서 생산된 전력과 열

은 가정용으로 소비된다. 설치 장소에서의 연료의 흐름, 전력의 산출

과 입력, 회수열, 전력과 열 소비량이 측정된다.

[부록 그림 2] PEFC 시스템 설치와 데이터 수집 개략도

2. 가동 성과

가. 대상 주택에서의 전력과 온수 수요

[부록 그림 3]은 FY 2007년에 시스템이 설치된 930개 장소 중 도

시가스와 LPG를 사용하는 456개 장소에서 2008년 1월부터 2008년

12월까지 제공한 월별 데이터를 기초로 한 전력과 열 수요를 보여주

84

고 있다. [부록 그림 3]은 1년 동안 각 장소에서의 평균 전력과 열(온

수) 수요의 상관관계를 도표화하여 전력과 열 수요의 분포를 나타내

고 있다.

[부록 그림 3] FY 2007년에 설치된 주택에서의 전력 및 열의 분포

주: 2008년 1월에서 12월까지 456개 장소에서의 데이터 사용 (도시가스 및 LPG 사용)

나. PEFC 시스템이 공급한 전력과 온수

[부록 그림 4]는 FY 2007년도에 시스템이 설치된 장소에서 2008년

1월에서 12월까지 생산된 월별 전력과 온수에 대한 PEFC의 성과를

나타낸 것이다.

부록 85

[부록 그림 4] 가동성과: 전력과 열 공급 분포

주: 2008년 1월에서 12월까지 456개 장소에서의 데이터 사용 (도시가스 및 LPG 사용)

PEFC 시스템에서 공급된 전력과 열(온수)은 모두 설치된 장소의 수

요량에 따라 다양하며, 평균 전력 공급은 월별 238kWh인 반면 평균

온수 공급은 월별 1,143MJ 이었다.

분포와 평균 공급량은 FY 2006년과 비슷하나, 전력 공급은 5% 증

가한 반면 온수 공급은 단 0.6%만 증가했다. [부록 그림 3]에서 보여

주는 것과 같이 FY 2006년과 비교한 전력의 수요가 3% 감소한 점을

감안하면 [부록 그림 4]는 PEFC 시스템의 전력 생산 효율이 개선되었

음을 반영한다.

[부록 그림 5]는 전력의 수요와 연료전지에서의 전력 공급 및 열(온

수) 수요와 온수 공급의 월별 변화를 나타내고 있다.

그림에서와 같이, 전력 수요 곡선은 여름철의 에어컨 사용으로 인한

수요 증가와 겨울철 난방으로 인한 수요 증가라는 뚜렷한 두 개의 정

점을 보여주고 있다. 반면, 열 수요는 계절별 온도 변화에 따라 겨울

86

철에는 증가하는 추세고 여름철에는 감소하는 추세로 V자형을 나타

내고 있다.

[부록 그림 5] 가동성과: 전력 및 열 수요와 공급의 월별 변화

주: 2008년 1월에서 12월까지 456개 장소에서의 데이터 사용 (도시가스 및 LPG 사용)

전력과 열을 효율적으로 공급하기 위하여 많은 주택용 PEFC 시스

템은 일일가동정지(Daily Start and Stop; DSS)방식으로 운영된다. 시

스템은 아침에 가동되기 시작하여 낮 시간 동안 계속 가동되다가, 온

수가 탱크에 가득 차는 저녁 시간의 적절한 시기에 정지된다. 따라서

연료전지 전력 생산은 열 수요에 크게 의존된다. 여름철에는 열 수요

가 감소함에 따라 전력이 생산되는 시간과 발전량이 감소하므로, 전력

수요가 계절적으로 증가함에도 불구하고 일반적으로 연료전지의 전력

생산 비율이 감소한다.

[부록 그림 5]가 일 년 동안 모든 설치 장소의 평균치를 보여주고

있다는 점과 일본의 평균 기후 조건에 따른 변화를 보여주고 있다는

것에 주목하도록 한다. 다른 기후 조건에서는 이와 다른 변화 추세가

관찰될 수 있다. 예를 들어 에어컨의 작동이 이루어지지 않는 추운 기

부록 87

후에서 전력 수요 곡선은 WW자 보다는 V자에 가까울 것이다. 동시

에 [부록 그림 5]에서와 같은 여름철 열 수요의 감소도 추운 지역에서

는 나타나지 않는다.

전력 수요와 열 수요와의 이와 같은 상관관계는 [부록 그림 6]과 같

이 일차에너지와 이산화탄소 배출량 감축에서도 관찰된다. 일차에너

지와 CO2 배출량은 열 수요가 적은 여름철에 감소한다. 이는 PEFC

시스템으로 열 수요가 가장 적은 8월 달에도 일정 수준의 에너지 절

약과 이산화탄소 배출량 감소가 이루어짐을 확인하는 것이다.

[부록 그림 6] 가동성과: 일차에너지와 CO2 배출량 감소에 대한 월별 변화 추이

주: 2008년 1월에서 12월까지 456개 장소에서의 데이터 사용 (도시가스 및 LPG 사용)

[부록 그림 7]는 [부록 그림 5]에 나와 있는 전력 공급량과 열 공급

량을 전력 수요와 열 수요로 각각 나누어서 얻어진 월별 공급 비율을

보여주고 있다.

88

[부록 그림 7] 가동성과: 전력 및 열(온수) 공급 비율에서의 월별 변화 추이

주: 2008년 1월에서 12월까지 456개 장소에서의 데이터 사용 (도시가스 및 LPG 사용)

전력 공급 비율은 11월에서 5월까지 9개월 동안은 35% 이상을 유

지하다가 8월에는 17.7%로 떨어진다. 한편 열(온수) 공급 비율은 여

름철(6월에서 8월까지)에는 80에서 85%로 높다가 겨울철(1월과 2월)

에는 66에서 70%로 낮아진다. 일 년 동안의 평균을 보면 전력에 대한

공급 비율은 36%이고 열(온수)에 대한 공급 비율은 73%다. PEFC 시

스템이 설치된 장소의 전력 수요는 약 1/3을, 열(온수) 수요는 3/4을

담당하였다. FY 2006년과 비교하면 전력 공급율이 3%포인트 정도 개

선되었는데, 이는 주로 PEFC 시스템의 발전 효율 개선에 따른 것이

다.

PEFC 시스템이 열 수요를 기준으로 전력을 생산하기 때문에 열 공

급 비율은 열 수요가 낮은 여름철에 올라가는 경향이 있다. 그러나 아

직도 100%에는 못 미치고 있는데, 이는 PEFC 시스템의 열 공급 용량

을 초과하고 있는 높은 열 수요로 인한 것이다.

부록 89

다. 연도별 시스템 성능 개선

주택용 PEFC 시스템 제조업체는 가동 성능이 개선됨에 따라 매년

비용을 절약할 뿐만 아니라 그들의 설비도 향상시키고 있다. [부록 그

림 8]은 FY 2005년에서 FY 2008년까지 설치된 PEFC 시스템의 가동

상의 특징을 보여주고 있다.

[부록 그림 8] 연도별 시스템 성능 개선

주: 연도별 성능 데이터 비료 (도시가스와 LPG)

그림이 보여주는 바와 같이 가동 성능은 시스템의 발전 효율이

29.4%에서 32.2%(FY 2008년 데이터는 잠정 수치임)로 증가함에 따

라 매년 개선되었다.

일차에너지 감소율과 CO2 배출량 감축률 모두 각각 13.6%에서

19.9%, 25.8%에서 32.5%로 상당히 개선되었다. 이와 같은 시스템 발

전 효율의 향상은 연료처리 장치와 연료전지 스택 하드웨어의 개선으

로 인한 것이다. 또한 가동 조정 기술의 발전도 일차에너지와 CO2 배

90

출량 감소의 상승효과를 산출하는데 공헌한 것으로 믿어진다.

라. 연료 형태별 비교

대규모 시연 프로젝트에서는 도시가스, LPG(프로판), 그리고 등유

등 3가지 연료를 사용하는 주택의 PEFC 시스템을 참여시켰다.

[부록 그림 9]는 FY 2007년에 설치된 LPG 시스템과 도시가스 시스

템 간의 시스템 발전 효율성을 비교한 것이다. 실제로 관찰 상 큰 차

이는 없다(앞에서 말한 세부 항목별로 나타낸 LPG 효율과 같은 연도

별 평가 데이터가 도시가스와 LPG 시스템의 움직임을 설명하는 것으

로 인식되었다).

[부록 그림 9] LPG와 도시가스 PEFC 시스템 간의 비교

주: FY 2007년에 설치된 장소에서의 2008년 1월부터 12월까지 평균한 실질 가동성능

[부록 그림 10]과 [부록 그림 11]은 기체 연료 시스템(도시가스와

부록 91

LPG)과 등유 시스템을 비교하여 그 결과를 나타낸 것이다. 등유 시스

템은 도시가스와 LPG 시스템의 발전 효율보다 몇 %포인트 낮은 것

으로 나타났으나, 열 회수 효율에서는 몇 %포인트 우수한 것으로 분

석되었다.

[부록 그림 10] 등유 시스템과 도시가스/LPG PEFC 시스템 간의 비교(1)

주: FY 2007년에 설치된 장소에서 2008년 1월부터 12월까지 평균한 실질 가동성능

[부록 그림 11] 등유 시스템과 도시가스/LPG PEFC 시스템 간의 비교(2)

주: FY 2007년에 설치된 장소에서의 2008년 1월부터 12월까지 평균한 실질 가동성능

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등유 시스템의 발전 효율이 낮은 것은 다음과 같은 두 가지 이유가

있는 것으로 판단된다. 우선 탄화수소 함량이 많은 등유는 탄화수소

함량이 적은 도시가스와 LPG에 비하여 형질 전환이 어려워 화학 처

리가 근본적으로 다르다. 그리고 등유 시스템에서는 등유가 액체라는

사실로 인하여 도시가스와 LPG 시스템에서는 필요 없는 기화기와 액

체 가압 펌프가 필요하므로 시스템의 설계가 다르다.

총 효율과 일차에너지 절약이라는 면에서 보는 한, 등유 시스템은

도시가스와 LPG 시스템과 동등하다고 입증된 바 있다. 그러나 등유

시스템은 등유에 다량 함유된 탄화수소로 인하여 다른 시스템에 비하

여 CO2 배출량 감축 성과가 낮다. 그러므로 등유 시스템을 다른 시스

템과 비교할 수 없고, 이런 이유로 운용 결과 보고서에서는 CO2 배출

량 감축 데이터를 포함하지 않았다.

마. 내구성

FY 2006년에 설치된 시스템은 시스템에서 요구하는 2년간의 가동

데이터 수집을 FY 2008년에 완료하였다.

[부록 그림 12]는 2년에 걸친 가동 기간 동안의 도시가스 시스템의

시스템 발전 효율의 변화를 보여주고 있다. 제조업체 A와 B의 PEFC

시스템은 가동 초기부터 한 해 두 해를 거치면서 효율의 하락이 거의

없이 사실상 동일한 발전 효율 분포를 가졌다.

[부록 그림 13]은 2년의 가동 기간 동안의 제조업체 C가 만든 LPG

시스템의 발전 효율과 제조업체 D가 만든 등유 시스템의 발전 효율의

변화를 보여주고 있다. 여기서도 효율 감소 현상은 발견되지 않았다.

두 그림 모두 2년 동안 연료 처리 장치나 연료전지 스택이 성능 면

부록 93

에서 어떤 저하 현상이 일어나지 않았음을 보여주고 있다. 따라서 본

프로젝트의 가동 조건에서는 시스템의 내구성이 성공적으로 입증된

셈이다.

[부록 그림 12] 시스템 효율의 변화(2년 동안의 도시가스 시스템)

주: FY 2006년의 설치 장소

[부록 그림 13] 시스템 효율의 변화(2년 동안의 LPG와 등유 시스템)

주: FY 2006년의 설치 장소

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바. 장소의 조건에 대한 토론

다음은 본 프로젝트에 참여한 모든 장소의 평균화된 조건에서 수행

된 분석과 평가에 초점을 맞추어 토론을 한 결과다. 개별 장소를 자세

히 살펴보면, 일부 장소는 다른 장소에 비하여 에너지 절약(일차에너

지 감소)에서 우월하거나 CO2 배출량 감축에서 우월한 것으로 관찰된

다.

[부록 그림 14] 일차 에너지 감축량과 에너지 수요와의 관계

주: FY 2007년에 설치된 장소에서의 2008년 1월부터 12월까지 평균한 실질 가동성능

[부록 그림 14]는 x축에 전력 수요를 y축에 열 수요를 표시하도록

하여 각 장소들을 배치한 것이다. 동시에 각 데이터 점은 색깔과 모양

으로 각 장소의 일차에너지 감소분을 나타내고 있다. 데이터의 원천은

FY 2007년에 설치된 장소에서 2008년 1월부터 12월까지의 평균된

가동 데이터다.

부록 95

[부록 그림 14]는 어느 정도 차이는 있으나 전력 수요와 열 수요의

크기와 일차에너지 감소량 사이에 강한 상관관계가 있음을 표시하고

있다. 이는 우리가 가정의 전력과 열 수요를 이해한다면 특정 장소에

서의 주택용 PEFC 시스템을 설치함으로써 얻을 수 있는 어느 정도의

이익(일차에너지 감축, CO2 배출량 감축, 그리고/혹은 비용 감소)을

추정하는 것이 가능하다는 것을 지적하는 것이다. 이것은 연구해 볼만

한 주제다.

[부록 그림 15] 연료전지 설치로 얻게 되는 혜택 추정을 위한 실질 데이터

주: FY 2007년에 설치된 장소에서의 2008년 1월부터 12월까지 평균한 실질 가동성능

일차에너지 저감과 [부록 그림 3]에서 보여주는 에너지 수요와의 관

계가 [부록 그림 15]에서 면적도형 형태로 만들어졌다. 이 그림에서 x

축은 월별 가정용 전력 소비량을, y축은 도시가스로 환산한 월별 가정

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용 열에너지(온수) 소비량을 나타낸다. 예상되는 일차에너지 감축량은

색깔로 보여 지고 있는데, 따뜻한 색일수록 감소 효과가 크다는 것을

말해주고 있다.

일반적으로 가정에서의 전력 수요와 열에너지 수요가 클수록 에너

지 절약양이 많다. 가족 구성원 수와 집의 크기가 평균인 가정(일반적

으로 전력 소비가 400에서 800kWh/월이고 도시가스 소비가 25에서

60m3/월이거나 LPG 소비가 11에서 26m3/월인 가정)은 월 500에서

1,500MJ의 일차에너지를 절약할 수 있을 것으로 기대된다.

이는 또한 전력 수요나 열에너지 수요가 일정한 수준 미만인 가정

은 수요 증가가 있더라도 에너지 절약 효과에 변화가 거의 없다는 것

을 보여준다. 특히 월 도시가스 소비량이 20m3(LPG 사용량의 경우

월 9m3)이하를 소비하는 가정은 주택용 PEFC 시스템으로 의미 있는

에너지 절약을 실현하지 못한다.

기본연구보고서 2011-11

차세대 에너지공급시스템 기반 구축 연구 : 가정용

연료전지의 에너지 효율성 및 경제성 분석 연구

2011년 12월 29일 인쇄

2011년 12월 31일 발행

저 자 유 동 헌

발행인 김 진 우

발행처 에너지경제연구원

- 경기도 의왕시 내손순환로 132

전화: (031)420-2113(代) 팩시밀리 : (031)422-4958

등 록 1992년 12월 7일 제7호

인 쇄 상문상사

ⓒ 에너지경제연구원 2011 ISBN 978-89-5504-329-7 93320

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유 동 헌

現 에너지경제연구원 연구위원

<주요저서 및 논문>

국가 온실가스 배출량 산정 및 보고 표준(안) 개발,

지식경제부, 2010.

스마트그리드의 에너지 절약 및 온실가스 감축효과 분석 연구,

지식경제부, 2009.

『한국 제조업에 대한 에너지절약 투자의 에너지 원단위 개선효과 분석』,

자원․환경경제연구 16-3, 2007 (공저)