신에너지, 자연에너지의 기술개발 역사와 전망

신에너지 기술개발의 개요 일본의 신에너지는 1973년 제1차 석유쇼크, 1978년 제2차 석유쇼크가 계기가 되어 적극적으로 도입이 이루어지게 되었다. 이에 따라, 탈석유를 목적으로 원자력, 석탄, 천연가스와 함께 자연에너지의 이용 촉진을 위해, 1979년 ‘석유대체 에너지의 개발 및 도입의 촉진에 관한 법률’ (대체에너지법)이 제정되었다. 그러나 석유위기가 종식되자, 일시적으로 신에너지에 대한 사회적 관심이 낮아지면서 코스트면 등에서 많은 문제를 가지고 있는 신에너지의 기술개발 및 보급의 속도가 저하되었다. 1990년대에 들어, CO2로 대표되는 온실효과 가스에 의한 지구온난화가 전세계적으로 문제가 제기되자 일본에서도 그 대응책을 마련하게 되었다. 또한 1997년에 환경적인 측면도 배려한 ‘신에너지 이용 등의 촉진에 관한 특별조치법’(신에너지법)이 제정되었으며, 2002년에는 일반 전기사업자에게 일정한 비율의 재생가능한 재생에너지 도입을 의무화하도록 한 ‘전기사업자에 의한 신에너지 등의 이용에 관한 특별조치법’(RPS법)이 제정되기에 이르렀다. 신에너지법에서 신에너지의 정의는 ‘기술적으로 실용화 단계에 있지만, 경제성의 측면에서 아직 보급이 충분하지 이루어지지 않았으며, 석유를 대체하는 에너지를 도입하기 위해 특별히 필요한 것’으로 되어 있다. 예를 들어, 수력이나 지열 등은 이미 실용화 단계에 있지만, 파력(波力) 등은 아직 연구단계에 있으므로 대상에 포함시키지 않는다. 또 천연가스를 이용하는 연료전지 등에 대해서는 기존 에너지의 새로운 이용형태로서 신에너지로 인정한다. 2005년에는 일본정부는 교토의정서 목표달성계획이 결정되어, 다음과 같이 2010년에 신에너지의 도입목표가 명확하여 현재 민관이 함께 보급 개발에 힘쓰고 있다. <2010년 도입목표> ● 태양광 : 482만 kW ● 풍력 : 300만 kW ● 바이오매스 + 폐기물 : 450만 kW ● 연료전지 : 220만 kW 위와 같은 사회현황, 법 정비 등과 함께, 기술개발 측면에서도 국가적으로 개발계획이 세워졌다. 1974년에는 태양광, 지열 등의 신에너지 기술에 대해서 ‘썬샤인(Sunshine) 계획’을, 1978년에 연료전지 개발기술, 히트펌프 기술, 초전도 전력응용기술 등의 에너지 절감 기술에 대해서는 ‘문라이트(Moonlight) 계획’이 각각 개시되었다. 1992년까지 썬샤인 계획에 4,400억 엔, 문라인트 계획에 1,400억 엔이 투입되었다. 1993년에는 에너지 환경기술개발의 효율적, 가속적 추진을 목적으로, 상기의 계획 등을 일체화시킨 ‘뉴 썬샤인(New Sunshine) 계획’을 발족, 2001년까지 진행되었다. 2001년 이후에는 2001년 1월의 중앙성청(한국의 중앙행정기관과 동일) 재편성을 계기로, 국제경쟁력 있는 산업기술 연구개발 추진을 위해, 종합적·효율적인 ‘연구개발 프로그램 방식’으로 연구개발을 실시하게 되었다. 이에 따라, 기존 ‘뉴 썬샤인 계획’ 연구개발의 테마는 이런 새로운 방식을 통해 이루어지게 되었다. 현재 일본이 추진하는 주 신에너지 기술개발 프로젝트는 연료전지 기술개발, 태양광발전 기술개발, 바이오매스 에너지 기술개발 등이다. 본장에서는 대표적인 발전방식으로 태양광발전, 풍력발전, 지열발전, 연료전지발전에 대해서, 그 개발의 역사 등을 소개한다. 태양광발전 1. 개요 태양전지는 2종류(P형, N형)의 반도체를 겹쳐놓은 것으로, 태양광을 쬐면 전자와 정공(正孔)이 발생하여 정공은 P형 반도체로, 전자는 N형 반도체측으로 이동하여 발전(發電)하는 것이다. 태양전지는 <표 1>과 같이 재료로 분류하면 실리콘계, 화합물 반도체계, 유기계가 있고, 단결정형, 다결정형 등으로 세분화할 수 있다. 2. 개발과 보급의 역사 태양전지는 1954년 미국의 벨 연구소에서 개발된 단결정 실리콘형 태양전지로 시작되었다. 그 태양전지의 발전효율은 몇 퍼센트 정도였다. 개발 당초에는 주로 인공위성에 적용되었으며, 그때까지 1차 전지를 이용해 온 인공위성에 태양전지를 적용하여 기기의 동작시간을 비약적으로 연장시키는 것이 가능해졌다. 그 후 무인등대 등으로 서서히 용도를 확대시켜 나가, 일본에서도 1960년대에 양산이 개시되었다. 그러나 전원으로서의 본격적인 개발이 이루어진 것은 1973년 제1차 석유쇼크 이후였다. 인공위성용 등대용으로 생산이 시작된 태양전지는 일반적으로 1970년대 후반 이후, 전기 계산기 등에 적용되어 인지되었다. 그 후 고효율화, 저코스트화 연구를 민관이 함께 진행시켜 1992년에는 가정용 태양광발전 시스템이 실용화되기에 이르렀다. 현재와 같이 보급이 진행된 원인으로, 태양광발전 자체의 기술진전 외에 보급촉진을 위한 각종 제도적인 요인을 들 수 있다. 그 중 국가의 도입보조제도(2005년도에 폐지)와 전력회사의 잉여전력매입제도가 크게 보급에 공헌하였다. 기술개발, 지원제도의 상승효과에 따라, 일반시장형 제품에서는 자원절약화와 저코스트화가 진행되어 시장이 급속도로 확대되었다. 태양전지의 생산량은 1980년대 초에는 불과 몇 MW밖에 안 되었지만, 2005년에는 전세계에서 약 1.7GW까지 성장하였다. 일본이 전 생산량의 약 절반에 해당하는 점유율을 차지하고 있으며, 매매시장에서는 독일이 58%로 톱을 차지하고 있다. 태양광발전의 일본 도입량의 추이를 <그림 1>로 나타내었다.

현재 생산량의 대부분을 차지하고 있는 것은 실리콘계 태양전지로, 특히 단결정 실리콘, 다결정 실리콘의 생산량이 많다. 최근 태양전지 생산량의 급격한 확대에 따라 실리콘 원재료의 수급이 부족해져, 실리콘 원료의 입수확보가 어려워진 상태이다. 또 실리콘 가격 자체도 크게 올라 태양전지의 저가격화를 진행시키면서 이 실리콘 원재료 문제를 해결해야 한다. 제조업체 각사는 실리콘의 사용량을 줄이기 위해 박막형의 개발을 적극적으로 진행시키고 있다. 3. 과제와 개발의 방향성 2004년 6월에 NEDO의 ‘2030년 태양광발전 로드맵(PV2030)’내용을 중심으로 기재한다. PV2030이란 2030년 태양광발전을 목표로 한 청사진으로, 경제성의 개선(2010년 종량전등전력요금 당 : 23엔/kWh 정도, 2020년 업무용 전력요금 당 : 14엔/kWh 정도, 2030년 범용전력 당 : 7엔/kWh 정도가 목표), 적용성 확대(전력계통에 과도한 부담을 주지 않는 새로운 시스템 형태로 전환)를 통해, ‘태양광발전의 제약 없는 이용확대’를 실현하여, 2030년까지 누적도입량 100GW 정도, 발전량으로서 가정용 전력의 1/2 정도(전 전력의 10% 정도)를 태양광발전으로 조달한다는 상당히 높은 목표를 세우고 있다. 또한 경제성의 개선에는 태양전지의 고성능화, 제조 프로세스의 혁신에 의한 모듈의 저코스트화 및 시스템 주변기기·설치공사 등의 저코스트화, 모듈을 포함한 시스템 기기의 내구성 향상 등이 중요시되고 있다. 이 가운데 최중요 과제는 모듈 제조 코스트를 줄이는 것으로, 2030년 50엔/W 이하를 목표로 하여 현상 기술의 연장선상에 없는 기술혁신이나 성능향상, 새로운 컨셉트의 태양전지 개발 등이 필요하다. 구체적인 기술개발 내용은 극박기판 Si 태양전지의 고효율 셀 제조기술, 실리콘 박막형 태양전지에서는 대면적 다접합 박막태양전지의 고생산성 제조 프로세스 기술, CIS계 화합물 반도체 태양전지에서는 다접합 구조 셀의 비(非)진공형 박막제조기술, 또한 새 컨셉트 태양전지로는 집적형 대면적 색소증감 태양전지의 저렴한 모듈 제조 기술 등이 열거되고 있다. PV2030에서의 수치 목표를 <표 2>, <표 3>으로 나타내었다. 풍력발전 1. 개요 풍력발전은 풍차에 의한 회전운동을 발전기로 전달하여 ‘전기’를 일으키는 것이다. 발전용 풍차는 다양한 형태가 있는데, 전세계적으로 풍력 에너지의 이용효율이 높다는 등의 이유 때문에 프로펠러형이 주류가 되어 있다. 풍력발전시스템은 주로 풍차, 증속기, 발전기, 탑, 제어계로 구성된다. 2. 개발과 보급의 역사 풍력은 19세기 말 미국에서 실험이 이뤄졌지만, 현재 풍력발전의 기초는 덴마크로 1891년에 최초의 풍력발전장치가 만들어졌으며 1987년에 직경 22.8m의 대형 풍력발전장치가 설치되면서 시작되었다. 그 후 덴마크 등에서 상업풍차가 어느 정도 성공을 이루었지만, 타 발전방식에 의한 계통전력의 보급에 따라 풍력발전은 점차 쇠퇴하였다. 그러나 1970년대 두 번의 석유 위기에 의해, 풍력발전은 다시 각광을 받게 되었다. 미국에서는 풍력발전에 대해서 세법상의 우대조치가 강화되었는데, 특히 캘리포니아에서 우대제도가 현저했기 때문에 풍력발전설비를 다수 설치한 풍력기지(Wind-farm)가 급성장했다. 그 후 석유위기가 종식되자 다른 신에너지처럼 개발보급의 속도는 저하되었다. 그러나 지구환경문제가 중요한 이슈로 떠오르게 된 최근에는 환경 부하가 적은 풍력발전이 다시 부활하여 세계적인 규모로 적극적으로 도입되고 있다. 풍력발전 도입량은 2007년 1월 독일(20,622MW)을 선두로, 유럽과 미국(11,698MW)이 그 다음을 차지하고 있으며 일본은 1,394MW(세계 제 13위)이다. (<그림 2> 참조) 유럽에 비교해 일본은 풍력발전설비 도입에 엄격하게 요구되는 조건이 많다. 구체적으로는 다음과 같은 것들이 있다.

● 평상시 평균 풍속이 낮지만, 태풍 시에는 강풍에 대응한다는 문제가 있다. ● 산지가 많고 풍속, 풍향의 변동이 크다 ● 일본 서쪽 해안과 인접한 곳에는 겨울에 많은 눈이 내린다. ● 설비 건설의 토지 확보가 어렵다. ● 산악부나 보도교(步道橋) 및 교차점이 있는 도시부에서는 대형 풍차의 수송에 어려움이 있다. 그러나 도입보급을 위한 기술개발 외에도 1995년에 ‘필드테스트 사업’, 1997년에 ‘도입촉진 사업’ 등이 시작되고, 또 1993년의 전기사업자에 의한 ‘잉여전력 구입메뉴’, 2003년에 시행된 RPS법에 의한 신에너지 가치 매입이 개시되었기 때문에 도입량은 급속도로 늘어날 가능성이 있다. (<그림 3> 참조)

일본의 풍력발전기술 개발은 1980년에 시험용 40kW 풍차가 설치된 것이 최초이다. 1980년대부터 전력회사 등에서의 시험·연구도 시작되었다. 1980년 이후 풍력발전은 대형화, 출력제어방식, 블레이드 개량 등에 의해 진전·진행되어 왔는데, 여기에서는 가장 현저하게 진전을 보인 대형화에 대해서 설명한다. 풍력발전시스템의 출력과 풍차 직경과의 관계는 kW ≒ 0.3 × (직경m)2로 표시되고, 또 상공(上空)만큼 바람이 강하기 때문에 풍차의 대형화가 추진되어 왔다. 1980년대 초에 100kW 정도였던 출력이 경제성을 추구하면서 1990년대 중반부터 MW기가 등장, 현재 출력 3MW이 넘는 풍차도 채용되고 있다. 다만, 장대한 날개나 대형기기의 수송, 건설공사에 필요한 대형 크레인 등의 반입경로의 제약 때문에 육상용 풍차는 3MW급이 한계라고 할 수 있다. 그러나 유럽에서는 이런 제약이 적은 해상풍력발전을 채용하여 대형풍차의 발전을 전망하고 있다. 일본에서도 미츠비시(三菱)중공업(주)가 2006년에 일본 최고 출력인 정격출력 2,400kW의 대형 풍력발전시스템을 개발하여 요코하마(橫浜)시에서 실증시험을 개시하였다. 이 시스템은 로터 직경 92m, 타워 높이 70m, 지면에서 날개 선단까지의 높이 116m로 일본 최대 수준에 달한다.(2006년 10월에 CEF 미나미아와지(南淡路) 윈드팜(주)가 GE Wind Energy의 2500kW 시스템을 설치하였으며, 현재 이것이 일본 최대 시스템이다.) 풍차의 대형화 외에 다수의 풍차를 한 지점에 설치하는 윈드 파크(Wind Park)의 설치도 진행 중에 있다. 1999년에 (주)도멘파워 도마마에( )가 일본에서 최초의 대규모 풍력발전시설로 1,000kW기(機) 20기(基)로 된 도마마에 그린필 윈드파크(Wind Park)를 건설하였다. 이후 각지에서 윈드파크의 건설이 진행되고 있다.(<표 4> 참조) 이러한 풍력발전의 도입은 일본에서도 진행되고 있긴 하지만, 여전히 코스트 측면에서는 충분한 레벨이 되었다고는 말하기 어렵다.(<표 5> 참조) 향후 보급 촉진을 위해서도 한층 더 저코스트화의 노력이 요구된다. 3. 과제와 개발의 방향성 풍력발전은 바람의 상태에 따라 발전출력이 변동하기 때문에 도입량이 증가할수록 연계되는 전력계통의 전력품질(특히 고주파)로의 영향이 우려된다. 따라서 풍력발전의 도입을 증가시키기 위해서는 풍력발전 측면에서 출력 안전화 기술의 개발이 꼭 필요하다. 현재 NEDO에서 향후 도입이 가속될 것으로 전망되는 풍력기지의 출력안정화 기술개발에 의해, 풍력발전의 도입추진을 목적으로 도마마에 와인빌라 발전소(홋카이도 도마마에군)의 설비에서 풍력기지의 총 출력을 대상으로 축전시스템을 병설하고, 코스트(축전용량, 종합효율 등)대 효과(출력안정화) 및 신뢰성 등을 종합적으로 평가하여 전력계통에 있어 부담이 큰 단주기의 출력변동을 억제하는 축적기술, 제어기술 등의 개발이 진행되고 있다. 또한 대규모 풍력발전시설이나 메가솔라 등에 대응하는 MW급의 축전 시스템의 실현을 위해, 출력변동을 극소화하는 기능을 가지고, 저코스트, 장수명, 안전·고성능 시스템의 실용화를 목적으로 그 중요한 요소인 축전부 본체 및 각종 구성부재 등의 요소기술, 제어기술 등의 시스템화 기술 및 차세대 축전기술 등의 연구 개발이 2006년도부터 개시되었다. 풍력발전 도입 시에는 환경에의 영향도 고려해야만 한다. 구체적으로 소음, 전파 장해, 경관이나 철새로의 영향 등으로, 이것은 대형풍차일수록, 풍력기지와 같이 한 군데에 집중 건설된 곳일수록 크다. 이렇게 제약이 많기도 하지만, 유럽에서 비교적 얕은 수역에서의 해상풍력발전이 활발히 이루어지고 있는 것에 영향을 받아 일본에서도 그 도입이 검토되고 있다. 현 단계에서 일본이 풍력발전시설을 항내에 2기 설치한 예는 있지만, 아직까지 먼 바다에 풍차를 설치한 예는 없다. 향후 본격적인 도입을 위해 해양의 바람 상태 데이터의 관측, 염해 대책, 보수점검, 어업보상 등의 관련과제의 적출, 법제상의 제어 등 기초 데이터를 정비·구축하는 것이 필요하다. 지열발전 1. 개요 일본은 세계적으로 많은 화산을 가지고 있는 화산국으로 방대한 지열에너지를 가지고 있다. 그 지열에너지를 이용하는 것은 에너지의 안전 확보라는 관점에서도 상당히 중요하다고 할 수 있다. 일본 지열에너지의 부재량(賦在量)은 NEDO의 추정에 의하면 천부(2000m 이하)에서 2,207만 kW, 심부(2000m 이상)에서 4,723만 kW 정도이다. 또 여기에 심부지열자원 등의 이용하지 않는 지열에너지를 더하면 더욱 방대한 자원량을 확보하고 있는 셈이다. <그림 4>에 지열발전의 개념도를 나타내었다.

지열발전은 코스트 측면에서 생산정(生産井)의 굴삭 등 플랜트 건설의 이니셜코스트가 크지만, 연료비가 불필요하므로 지금의 에너지 가격인상 등을 고려하면 향후 그 중요성이 증가할 것으로 보인다. 2. 개발과 보급의 역사 1904년에 이탈리아에서 세계 최초의 지열발전 시험이 성공하였다. 세계 최초의 지열발전소는 이탈리아에서 1913년에 완성되어 운전을 개시하였다. 일본에서도 전전(戰前)부터 연구가 진행되어 1919년 다이부(大分)에서 지열 이용을 위한 분기공(噴氣孔) 굴삭에 처음으로 성공하였으며, 1925년 일본최초의 지열발전(출력 1.12kW)에 성공하였다. 이후 일본 내 각 방면에서 실용화를 향한 연구개발이 꾸준히 진행, 1966년에 일본중화학공업(주)가 일본 최초의 지열발전소(마츠카와) 운전을 개시하였다. 1967년 큐슈(九州)전력(주)가 일본에서 처음으로 열수분리형 지열발전소인 오오타케(大岳)발전소의 운전을 개시한 후, 1996년에는 지열발전설비 50만 kW를 달성하기에 이르렀다. 최근 지열자원의 부재상황 조사를 위한 지열자원 심사기술의 개발이 진행되고 각종 심사기술의 유효성이 평가되어 그 결과에 기초한 지열심사기술이 체계화되었다. 또, 조사가 이루어짐에 따라 지열저유층 구조의 해명도 진행되었다. 고온, 고압의 환경 하에서 심사로 확인된 저유층을 향해 확실히 갱정(坑井)을 굴삭하는 기술 및 저유층의 능력을 충분히 끌어내는 지열유체의 채취기술 개발도 진전되어 굴삭, 갱정, 갱구 및 발전설비 등에서 고온, 고압, 부식성 환경과 같은 가혹한 환경에서의 사용을 견딜 수 있는 재료 개발도 진전되었다. 지금까지 일본에서는 도호쿠(東北), 큐슈지역을 중심으로 지열개발이 진행되어 18지점 20플랜트(출력 534.24MW)의 설비가 건설되었다. 한편, 전세계적으로 20개국에서 지열발전이 채용되었으며, 그 규모는 약 800만 kW 정도이다. 지열개발은 1990년대에 들어 약 31만 kW의 개발이 이루어졌으며, 그때까지의 22만 kW의 개발과 합쳐 약 53만 kW가 넘는 전원으로, 이제 겨우 본격적 도입 단계에 들어섰고 할 수 있다. 하지만 건설에 이르기까지의 소요시간이 길다는 점, 개발 코스트가 높다는 점 등으로 인해 그 후 보급은 그다지 진전을 보이지 않는 실정이다. 현재 지열을 이용한 발전설비에서 유일하게 RPS법의 대상이 되어 있는 것은 2004년 2월에 실증시험을 개시한 큐슈전력(주) 핫쵸바라(八丁原)발전소 구내의 핫쵸바라 바이너리(binary) 발전시설이다. 바이너리 발전방식은 비점이 낮은 매체를 열교환기로 가열, 증발시켜 그 촉매증기로 발전시키는 방식이므로, 기존의 지열발전방식에서는 이용할 수 없었던 저온도역의 증기·열수에서의 발전이 가능하다.(<그림 5> 참조)

핫쵸바라에서는 지열로 장기간에 걸친 증발의 생산에 의해 분출세력이 감쇠한 증기정(蒸氣井)을 효과적으로 이용하고 있다. 지열 바이너리 발전장치는 해외에 많은 건설된 설비이지만, 일본 내에서는 최초이다. 3. 과제와 개발의 방향성 일본의 개발가능한 지열자원은 기존 개발량의 5배 이상으로 추정되고 있다. 그러나 발전규모가 작고 굴삭비용도 높기 때문에 발전코스트가 높고, 개발 리스크가 크며, 개발가능지역이 자연공해법의 제약을 받는 지역에 많은 데다 온천에 영향 줄 수 있다는 이유 등에 의해 정체되는 경향에 있다. 하지만 기술적인 레벨로만 보면 이미 보급단계에 있다고 할 수 있다. 한편, 새로운 지열이용 시스템으로서 고온암체( ) 발전시스템의 적용도 기대된다. 이 시스템은 고온이지만 충분히 천연 유체(열수, 증수)를 포함하지 않은 암반(고온암체)을 이용하는 것으로, 갱정을 굴삭하여 고온암체에 압력을 가해 인공적으로 균열을 만들어 인공적인 저유층을 조성한다. 그 후 지상에서부터 갱정(주입정)을 사용하여 저유층 내에 물을 통과시켜 증수, 열수로 회수하고 발전을 행한다.(<그림 6> 참조) 이 시스템은 증기나 열수가 부족하기 때문에 이용하지 못하고 있는 고온의 암반을 이용하여 지열발전을 실행하는 차세대 기술이라고 일컬어지며 개발지역의 확대 및 자원양의 증대가 기대된다.

연료전지발전 1. 개요 연료전지는 간단하게 말하면, 수소와 탄소의 전기화학반응에서 발생하는 에너지를 직접 전기의 형태로 산출하는 장치로, 그 원리는 물의 전지분해와는 반대되는 전기화학반응을 이용하는 발전방법이다. 수소 또는 수소를 포함한 것(천연가스 등)을 연료로 하여 화학반응에 의해 직접 전기를 산출하는 연료전지는 원리적으로는 에너지 효율적인 이용 측면 및 환경 측면에서 우수하기 때문에, 오늘날의 에너지 문제 해결에 도움이 되는 중요 기술로 기대된다. 2. 개발과 보급의 역사 연료전지의 역사는 1839년에 영국의 W. Grove가 백금을 전극, 희유산(希硫酸)을 전해질로 한 그로브전지로, 수소와 산소에서 전기를 얻는 연료전지의 원리를 발명하였다. 그 후 보급은 진행되지 않았지만, 미국의 우주개발계획에서 연료전지가 전원, 식료수원으로 사용되는 등 특수한 분야에서의 이용은 진행되었다. 일본에서도 이런 연료전지의 연구에 자극받아 1950년대부터 산·관·학에서 연구개발이 시작되어 수소-공기연료전지와 알코올-공기연료전지 등이 개발되었다. 본격적 연구는 문라이트 계획 중에서 1981년부터 NEDO의 진행 하에서 시작되었다. 그 결과, 1990년대에 연료전지는 일부 상업화의 단계에 도달하였으며(PAFC), 지금도 연구개발이 계속 진행되고 있다. 현재 세계적으로 주로 개발·보급되고 있는 연료전지는 고체고분자형(PEFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC)의 4종류가 있다. 이런 연료전지는 전도이온, 전해질, 운전온도 등이 달라 각각 독자의 개발 경위를 밟아왔다. (<표 6> 참조) (1) 고체고분자형 연료전지(PEFC) PEFC는 1950년대에 GE사에서 개발을 시작하여 1960년대에 출력 1kW의 수소-탄소에 의한 연료 전지로 우주선에 채용되었다. 본격적으로 PEFC의 분산형 전원용 또는 자동차용으로의 적용에 현저한 성과를 올린 것은 캐나다의 배러드 파워시스템즈사였다. 이 회사는 1980년대에 독자적으로 연구를 시작하여 1987년 불소계 수지(Nafion)를 전해질막으로 이용한 PEFC를 개발하였다. 이 전해질막은 내구성이 우수하여 PEFC를 재조명, 세계적으로 활발한 기술개발에 공헌하였으며, 현재는 가정용 코제너레이션 시스템이나 연료전지 자동차형으로 연구개발이 계속 이루어지고 있다. 일본의 경산성(우리나라 산업자원부에 해당)은 2002년도부터 실용화·보급촉진을 위해 ‘정치(定置)용 연료전지 실증연구’를 개시하고 2005년도부터는 ‘정치용 연료전지 대규모 실증사업’을 시작하였다. 이에 따라 2,000대가 넘는 가정용 PEFC가 일본 전국에 설치되었다. NEF의 2006년도 보고에 의하면, 발전효율 평균 29.1%, 열회수 효율평균 40.7%, 시스템 가격 제조업체 평균 600만 엔, 고장빈도 3회/년·사이트 정도이다. (2) 인산형 연료전지(PAFC) PAFC는 연료전지 가운데 가장 활발하게 개발이 진행되어 운전 실적이 많다. 1960년대부터 미국에서 개발이 시작되어 1970년대부터는 일본에서도 연구개발이 시작되었다. 1991년에 도쿄전력(주)가 11MW 플랜트를, 1995년에 PAFC 연구조합이 5MW 플랜트를 건설하여 실증연구를 행하였다. 현재, 50~200kW를 중심으로, 한 기종이 실용단계에 들어가, 각소에서 운전되어 40,000시간이 넘는 운전실적도 있다. 발전효율이 비교적 높고 운전온도도 170~200℃로 낮으며, 소규모이기 때문에 코제너레이션용으로 이용될 것으로 기대된다. (3) 용융탄산염형 연료전지(MCFC) MCFC의 개발은 1921년에 독일에서 전해질로 용융탄산염을 이용하여 약 1,000℃로 실험을 진행, 시작되었다. 1970년대 후반부터 미국에서 그 개발을 진행하였으며, 일본에서도 1981년부터 국가의 문라이트 계획으로 채택되어 개발에 착수하였다. 그 후 연구개발은 국가의 뉴 썬샤인 계획 하에서, MCFC 연구조합이 실시 모체가 되어 진행되었다. 1993년도부터의 외부개질 1,000kW급 플랜트와 내부개질 200kW급 개발을 거쳐 주부(中部)전력(주)가와고에(川越) 화력발전소 구내에서 IHI사제 외부개질에 의한 300kW급 가압소형발전 시스템 출력의 발전시험이 개시되었으며, 2004년에는 5,000시간 정도의 발전시험을 통해 송전단 효율 43%(HHV), 전압 저하율 0.3%/1,000시간을 통찰하는 성과를 얻었다. 미국에서는 내부개질형 MCFC 기술을 이용한 FCE사가 250kW급 등의 MCFC 발전 유닛을 시장에 도입하기 시작하였고, 일본에서도 이 내부개질형이 이미 도입되었다. 도입선은 소화 가스부터의 메탄 또는 천연 가스를 연료로 하고 있다. (4) 고체산화물형 연료전지(SOFC) SOFC의 개발에 있어서는 미국의 SWP사가 20여 년 이상 동안 세계를 리드해 왔다고 할 수 있다. 이 회사는 1995년에 도쿄가스 등과 공동으로 실시한 25kW급 상압형 모듈의 발전시험 후, 1997년에 네덜란드에서 100kW급 상압형 코제너레이션 시스템의 실증 시험을 실시하였다. 그 후, 이 시스템은 2만 시간 이상의 축적운전 시간을 달성했다. 또, 2000년에는 미국 내에서 세계 최초의 200kW급 가압형 SOFC와 마이크로 가스터빈의 하이브리드 시스템의 실증운전에 성공하였다. 일본은 1981년도부터 문라이트 설계에 채택하여 연구 개발을 진행하었다. 1989년도부터는 NEDO의 연구개발계획으로 100W급 전지 본체의 연구개발이 진행되었다. 2001년도부터 4년간은 각종 방식에 의한 발전 모듈 개발이 진행되었으며, 2004년도부터 시장도입을 염두하여 각종 발전 시스템 개발을 진행하였다. 또한, 2007년도부터 NEDO의 ‘고체산화물형 연료전지 실증연구’ 사업이 개시되었다. 이 사업은 1kW급 이상의 SOFC가 대상으로, 설치보조액은 2,000만 엔/대이다. 3. 과제와 개발의 방향성 연료전지 전반에서 저코스트화, 내구성 향상이 요구되었다. PAFC는 내구성면에서 어느 정도의 실적이 가능하였지만, 여전히 고(高)코스트인 국가의 보조금이 없어 도입에는 이르지 못했다. 기술은 거의 완성된 상태지만 저코스트형 개발은 어려울 것이라는 예측도 있다. 그러나 바이오가스 등의 이용을 위한 주변기술개발은 기대되고 있다. PEFC 및 소형 SOFC에 대해서는 가정용 연료전지로 실증시험이 진행되고 있는 중이며 내구성, 코스트 측면에서 확실히 개선되고 있다. 다만, 보급단계 레벨에 이르기에는 아직 멀었으며, 국가의 주도에서 진행되는 보기(補機) 등 부품의 공통화에 의한 저코스트화, 노화 메커니즘의 해명에 의한 내구성 향상에 기대를 걸고 있다. MCFC, SOFC 등의 고온형 연료전지는 터빈과 결합하여 기존의 화력발전시스템 효율을 대폭적으로 상회하는 가능성을 간직하고 있어 개발의 진전이 기대된다. 더욱이 이런 고온형 연료전지는 CO도 연료로 할 수 있기 때문에 기존의 석탄가스화 가스를 연료로 하여 이용할 수 있을 것으로 예측, 에너지 안전 확보 효과가 기대된다. 마무리 모든 신에너지 기술은 저코스트화가 공통된 과제이다. 이 과제는 단순한 양산효과에서 해결할 수 있는 레벨이 아닌, 향후 에너지 가격의 불투명성을 고려하더라도 저코스트화를 달성하기 위한 혁신적인 기술개발을 기대하는 것이다. 지구온난화 방지, 에너지 안전 확보의 관점에서 자연 에너지의 이용 및 에너지의 고효율 이용은 점점 중요해질 것이며, 이런 과제를 극복하여 지구환경유지, 에너지 안전 확보에 일조할 수 있기를 기대한다.