월간전기

한국에너지기술연구원 울산 차세대전지연구개발센터 연구진이 고체산화물 연료전지의 전주기 환경영향을 정량적으로 분석하고, 친환경 제작을 위한 기준 데이터를 제시했다. 연료극지지형, 전해질지지형, 금속지지형 연료전지의 환경영향 핵심 지표 18개를 평가한 결과, 지구산성화와 해양 부영양화, 인체발암 독성의 3개 지표에서 부정적인 영향을 미치는 것으로 분석됐다. 해당 결과는 각 연료전지의 핵심 소재인 니켈, 이트리아 안정화 지르코니아, 스테인리스 스틸 사용에 기반한 것으로 나타났다.

탄소중립을 달성하기 위해서는 온실가스를 최소화할 수 있는, 대체 가능한 에너지 발전 기술이 필요하다. 환경 문제의 해결 방안으로 연료전지가 주목받고 있으며, 「청정수소 인증제」 등 수소에너지의 청정성에 대한 검증 또한 제도화되고 있다. 앞으로 연료전지 운전뿐 아니라 제작 과정에서의 환경영향 또한 주목할 필요가 있으며, 이를 통해 향후 「탄소국경조정제도(CBAM)」 등 글로벌 규제에 대한 대응이 필요하다. 더불어, 연료전지의 생산부터 사용과 폐기 등을 포함한 모든 과정에 대한 환경영향을 정확하게 평가하는 것도 필요하다.

에너지연 울산 차세대전지연구개발센터에서 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 전주기 환경영향을 정량적으로 분석하고 친환경 제작을 위한 기준 데이터를 제시했다. ‘환경영향’이란 어떤 활동이나 제품, 기술 등이 자연환경에 미치는 모든 영향을 말하며, 지구온난화, 지구산성화, 생태독성, 인체 발암 독성, 해양 부영양화 등 여러 종류의 환경영향이 지수 형태로 표준화되어 있다.

SOFC는 수소와 산소의 반응을 통해 전기를 생산하는 장치로, 발전 과정에서 탄소를 배출하지 않는 친환경 기술이다. 그러나 전지 생산 과정 중 토양산성화 등을 유발하는 물질이 배출될 수 있어, 궁극적인 친환경과 성공적인 산업화를 위해서는 전주기의 환경영향을 정확하게 평가하는 기준이 필요하다.

현재 유럽 등 일부 지역에서 “환경영향을 어떤 방식으로 실시해야 한다”는 가이드라인 정도만 제공되고 있을 뿐, 명확한 평가 기준과 규제가 마련되지 않은 실정이다. 또 상용화를 추진하는 기업으로서도 기준이 되는 데이터가 없어 개발한 제품의 환경적 장점을 강조할 수 없는 상황이다.

울산 차세대전지연구개발센터 강성민 박사 연구진은 <전과정평가(LCA)>를 이용하여, 최근 활발히 연구되고 있는 SOFC를 대상으로 원자재 채취부터 제작까지 전 과정에서 발생하는 환경영향을 분석해 문제가 되는 소재의 배출량을 정량화하는 데 성공했다. <전과정평가>는 제품 또는 시스템의 전과정에 걸쳐 필연적으로 발생하는 환경부하를 규명하고, 환경부하가 환경에 미치는 영향을 정량적으로 평가하여 이를 저감, 개선하고자 하는 기법이다.

SOFC는 전지의 셀을 지탱하고 안정성을 제공하는 지지체 종류에 따라 크게 연료극지지형, 전해질지지형, 금속지지형으로 분류된다. 지지체는 연료전지 셀의 구조를 물리적으로 지탱하고, 열 및 압력 변화에 대한 안정성 제공 등의 역할을 한다. 지지체의 종류에 따라 제작 에너지 소모 및 재활용성 등이 달라진다.

연구진은 1kW의 출력 조건을 가진 세 분류의 연료전지를 단위 전지/단위 전지를 묶은 스택 단위로 구분, 각각의 1kW 스택에 대한 ‘Cradle-to-Gate LCA 환경영향평가’를 수행했다. 해당 평가는 <전과정평가>에 필요한 범위(System boundary)를 정하는 것으로, 재료의 원료추출부터 원자재 운송, 생산 과정까지를 뜻한다. 이 연구에서는 재료의 원료추출부터 SOFC 제작까지인 것으로 표현할 수 있다.

지구온난화, 오존 형성 등 환경영향 핵심 지표 18개를 평가한 결과, SOFC 생산 시 대부분의 지표는 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. 반면, 지구산성화와 해양 부영양화, 인체발암 독성의 3개 지표에서는 상당히 부정적인 영향을 미치는 것으로 분석됐다.

연구진은 이 결과가 “각 연료전지의 핵심 소재인 니켈, 이트리아 안정화 지르코니아, 스테인리스 스틸 사용에 기반한다”고 밝혔다. 특히 현행과 같이 별도의 규제가 없는 경우, SOFC의 전면 상용화 시 대량생산으로 인한 환경문제가 야기될 것으로 전망했다.

이와 같은 환경영향을 최소화하기 위해 연구진은 니켈 생산 시 황산을 이용하지 않는 《건식 야금공법》, 스테인리스 스틸 생산 시 크롬을 회수하는 《바이오 침출 공정》 등 보다 친환경적인 핵심 소재 제작 기술을 제안했다.

또 각 물질의 생산 공정에서 발생하는 아황산가스(SO2), 크롬(Cr), 암모니아(NH3+)를 포집하거나 제거하는 공정을 도입하면 효과적으로 환경영향을 감축할 수 있다. 공통으로, 지지형태별 SOFC 스택은 전기화학적 성능을 개선하여 환경오염이 심한 재료의 사용을 최소화해야 한다고 권고했다.

연구책임자인 강성민 박사는 “이번 연구는 그간 고려되지 않은 SOFC 생산의 환경영향을 정량적으로 파악해 미래 친환경 연료전지 상용화를 위한 환경 기준을 제시한 것”이라며, “정부 차원에서는 환경영향을 고려한 규제를, 기업 차원에서는 핵심 소재에 따른 환경영향을 파악하고 대안을 찾는 설계가 가능해져, 궁극적인 탄소중립과 수소경제 실현에 큰 역할을 할 것으로 전망된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 산업통상부 『가상공학 플랫폼 구축사업』의 지원을 받아 수행됐으며, 저명한 환경공학 분야 국제 학술지인 《Journal of Environmental Chemical Engineering (IF 7.4)》 ’25년 2월호에 게재된 바 있다.