자연계열 I 3번

(다) 연료전지를 발전장치로 간주할 때, 그 가장 중요한 장점은 원리적으로 에너지 변환효율(열효율)이 높다는 점이다. 화력발전에서는 연료의 화학 에너지를 일단 열의 형태로 보일러에 공급하고, 보일러에서 발생하는 증기에 의해서 터빈을 가동하여 전기 에너지를 만들어 낸다. 이러한 화력발전의 열효율은 현재 40~50% 정도에 머물고 있다. 이에 비하면 연료전지에서는 화학 에너지를 열의 형태로 변환하지 않고 직접 전기 에너지로 변환하므로 이론적인 열효율이 높다.

연료전지의 또 하나 중요한 장점은 환경 적합성이다. 연료와 공기를 공급하기 위한 송풍기 이외에는 터빈과 같은 회전기를 필요로 하지 않으므로 소음과 진동이 적다. 또한 수소를 연료로 사용하면 배출되는 것은 물 뿐이며 $\displaystyle \mathrm{CO}_2$와 같은 지구 온난화 가스가 발생하지 않는다. 연료전지가 청정 발전장치로 평가 받는 이유도 바로 이 때문이다.

하지만 이 평가에 대해서는 좀 더 신중하게 생각할 필요가 있다. 연료전지의 연료로 사용되는 수소는 지구에 매장되어 있는 것이 아니다. 수소는 주로 석유나 천연가스의 부분 연소 반응으로 만들어지는데, 그 과정에서도 $\displaystyle \mathrm{CO}_2$가 배출된다. 따라서 지구 전체 환경의 차원에서 보면 $\displaystyle \mathrm{CO}_2$를 배출하는 과정을 통해 만들어진 수소를 원료로 사용하는 연료전지는 결과적으로 화력발전과 마찬가지로 지구 온난화 가스를 배출하는 셈이다. 다만 효율이 문제가 된다. 예를 들어, 메탄을 연료로 하는 화력 발전의 현실적 효율을 40%라고 하면, 전력 에너지 1kWh당 $\displaystyle \mathrm{CO}_2$ 배출량은 약 490g이다. 한편, 메탄으로 만들어지는 수소를 연료로 하는 연료전지의 효율이 이론상 최대값인 95%라면 전력 에너지 1kWh를 생산하기 위해 연료전지를 사용하면 약 340g의 $\displaystyle \mathrm{CO}_2$가 배출된다. 그러나 이와 같은 이론적인 최대 효율을 얻는 것은 불가능하다. 만약 연료전지의 효율이 60%라 하면, 전력 에너지 1kWh당 약 540g의 $\displaystyle \mathrm{CO}_2$가 배출된다. 즉, 연료전지의 효율이 낮으면, 같은 양의 전력을 생산하기 위하여 더 많은 수소 원료가 필요하고, 따라서 수소를 생산하는 과정에서 $\displaystyle \mathrm{CO}_2$ 배출량이 증가하게 된다.