Update2024.05.04 (토)
재생에너지에 대한 관심은 청정하고 지속가능한 에너지이면서, 인류가 필요로 하는 에너지를 공급해줄 수 있다는 가능성에 기인한다. 통상적으로 지구상에 도달되는 태양에너지는 인류가 필요로 하는 에너지(15 테라와트 수준, 1테라와트는 1x1012 와트)의 1만 배에 달한다고 말하고 있다.
하지만, 바람이 불거나 햇빛이 있는 시간만 발전이 가능하다는 간헐적 특성과 수요공급의 불일치 그리고 상대적으로 비싼 발전단가의 문제는 보급 확대를 방해하는 요인으로 작용해 왔다.
2011년 3월의 동일본 대지진에 의한 원자력 발전소 사고 발생은 새삼 풍력, 태양광 등 재생에너지에 대한 평가를 다시 한 번 되새기는 계기가 되었다. ‘기후변화에 대한 정부간 패널(IPCC)’은 지난 5월에 발표한 보고서를 통해, 적절한 정책이 뒷받침해준다면 2050년까지 재생에너지가 세계에너지의 80%를 공급할 수 있으리라는 전망을 내놓기도 하였다.
유럽 등 세계 곳곳에서 완급의 차이는 있지만 에너지 공급중 재생에너지가 차지하는 비율을 높이겠다는 정책을 채택하는 추세이다. 이는 대규모의 전기저장 설비가 뒤따르지 않는 한 , 애써 생산하고도 그리드전력에 공급할 수 없는 잉여전기(excess electricity)가 현저히 증대될 수도 있음을 의미한다.
전기 저장기술에는 여러 가지가 있는데, 각 기술의 특성이 적용처를 결정해준다. 짧게는 1000분의 1초 단위에서 몇 분 정도 저장하는 단기간 기술로는 초전도 코일, 슈퍼캐퍼시터, 플라이휠, 배터리 등이 사용되며, 분 단위에서 수 시간 단위 저장으로는 압축공기, 양수(pumped hydro)기술이 쓰인다. 몇 일에서 몇 달 단위의 에너지 저장은 수소와 같은 화학적 에너지로 저장하는 기술이 가능하다.
수소의 동굴저장법은 고밀도, 대량 저장이 가능하며, 적어도 TWh 규모의 장기저장기술로는 유일한 방법이며, 적합한 지형이 뒷받침해준다면, kWh당 투자비는 가장 싼 축에 속한다. 최근에는 금속수소화물을 이용한 수소저장방법도 메가와트 수준의 시설도 실증 수준에 와 있다.
■각국 H₂저장 연구 사례
재생에너지를 수소로 저장하거나 메탄으로 전환하여 저장하는 프로젝트를 진행하는 사례를 보자. 최근, 영국의 ‘에너지와기후변화부’(DECC, Department of Energy and Climate Change)는 메탄 합성에 대한 엔지니어링 가능성에 대한 1년간의 연구과제에 10만 파운드를 지원하기로 하였다고 보도하였다.
물분해에서 나오는 수소와 이산화탄소(CO₂)를 반응시켜 합성천연가스를 만드는 공정의 기술, 비용 및 운전가능성을 검토하는 것으로, 수전해 업체 (ITM Power)가 주도하고 가스업체 등 여러 에너지관련업체가 참여한다.
대표적인 수전해업체인 프로톤도 유럽을 중심으로 연구되고 있는 재생에너지저장 시스템을 목표로 하여, 2014년 1MW급 수전해 장치를 판매 시작할 것이라고 보도되었다. 이 시스템의 상업화를 위해 국제적인 풍력, 태양광, 바이오가스 에너지사와 협력하고 있다고 한다.
일본도 NEDO(신에너지산업기술총합개발기구)를 통하여 ‘재생가능에너지의 수소전력저장, 충방전 시스템에 대한 검토’에 대한 프로젝트를 공모하여 도시바가 수행하기로 10월에 결정하였다.
공급 초과시에는 저장하고, 수요 초과시에는 방출하는 전력저장, 충방전 시스템은 재생가능에너지의 유효이용을 위해 필수적인데, 연료전지기술을 응용한 전기화학셀에 의한 충방전기술과 물분해 수소제조및저장기술을 조합한 ‘수소전력저장 및 충방전시스템’은 대규모, 장기저장, 가격, 충방전효율 등에서 우위가 있다고 여겨진다.
향후 수소에너지시스템으로의 전환시에 고려해야할 ‘수소수급의 현황과 장래 전망에 대한 검토’도 미즈보정보총연주식회사가 진행하기로 하였다.
독일은 어느 나라보다도 일찍 실증 사업을 시작했다. 이산화탄소 저감이 이슈가 된 현실에서 수소기술로 재생에너지의 이용을 활성화하고 이산화탄소를 활용하기 위한 연구협력과제를 실시중이다. 독일의 연방교육연구부(German Federal Ministry of Education and Research)의 지원하에, 독일의 바이엘(Bayer), 지멘스(Siemens) 등 4개사는 간헐적인 재생에너지의 전기로 수소를 만들어 저장하는 실증 프로젝트인 CO2RRECT (CO2-Reaction using Regenerative Energies and Catalytic Technologies)에 1,800만유로(2,350만달러)를 투지하며, 총 14개의 협력연구기관이 참여하고 있다. 독일 연방정부는 3년 동안 1,100만 유로를 지원한다.
독일은 2050년까지 전기의 80%를 재생에너지에서부터 만드는 목표를 가지고 있는데, 독일 연방정부는 에너지 저장을 위한 60개의 혁신적 연구 프로젝트를 발표하였다. 이중 대표적인 내용은 ekolyser 프로젝트(서비스 수명 최적화와 가격 저감을 위한 PEM수전해장치의 부품개선), LastELSys 프로젝트 (풍력과 같은 부하변동이 심한 재생전원에 맞는 PEM 전기분해방식용 촉매와 전해질 개발) 등이 포함되어 있다.
수소를 다시 메탄으로 만든다면, 무슨 이득이 있을까? 메탄은 기존 천연가스에서 이용되는 저장기술, 파이프라인과 같은 수송인프라를 같이 쓴다는 장점이 있으며, 연료전지의 가격이 기존 엔진과 비교하여 높은 수준이기 때문에, 이용기기 가격과 내구성 등으로 보면 유형에 따라서는 다양한 평가가 나올 수도 있다.
즉, 상황과 지역에 따라서는 최적의 해법은 재생에너지-수소-연료전지, 재생에너지-수소-메탄/메탄올-엔진/연소기기 등이 될 수도 있고 이들의 융합이 될 수도 있다. 독일의 사례에서 보듯이, 이미 상용화되어 있는 재생에너지기술과 수전해기술, 메탄전환기술등의 조합은 단기간 안에 실행가능한 방법이며 중앙집중형 또는 분산형으로 이용가능하다.
■수소연료전지, 최적의 비상용 전원 ‘입증’
세계적으로 수소연료전지산업을 선도하고 있는 발라드사의 셰리단 회장은 캐나다에서 열린 세계수소에너지대회에서의 기조 강연을 통하여 2005년까지가 기존의 패러다임에 기초한 시기라면, 2009년까지는 이러한 패러다임이 변화하는 시기였고 지금은 새로운 패러다임에 의한 시기라고 진단했다. 환경적으로 우수한 신기술이라면 시장에서 받아들여 질것이라는 환상에서 벗어나, 시장에 이익을 주는 신기술이 되어야 한다는 것이다.
예를 들어보자면, 캐나다 앨버타 주의 캘거리에 있는 월마트에서 화물운반용 연료전지 지게차를 이용하고 있는데, 배터리 지게차와 비교하여 배터리 교체에 20분정도 소요되던 것이 3분 만에 수소충전이 가능하기 때문에 매우 효율적이며, 연간 운영비를 15만 달러를 절감할 수 있어, 정부 보조금이 없어도 이익 창출이 가능하다는 사례를 들었다.
이로 인한 이산화탄소배출 저감도 72%까지 가능했다고 말하고 있다. 이미 수소연료전지는 비상용 전원, 지게차 등의 틈새시장 진입에 성공하였다.
지난해 미국 뉴욕을 비롯한 동부 24개주에 영향을 준 허리케인 샌디는 역사상 가장 강력했고, 2005년의 카트리나에 이어 두 번째로 많은 피해(500억달러)를 입힌 것으로 전해진다. 뉴욕시는 10월 29일에 도로, 지하철, 터널 등이 물에 잠기고, 정전이 발생되었다.
발라드의 메탄올 연료전지시스템(LectraGen-ME)은 설계한 대로, 샌디의 영향으로 중앙에서의 전원공급이 끊긴 상태에서도 바하마 이동통신 네트워크에 전기를 성공적으로 공급하였다고 보도되었다. 10월25일 샌디로 인해 전원공급이 끊기자, 17대(1대당 5kW 공급가능)의 시스템이 자동으로 작동하기 시작하였으며, 바하마에 샌디가 통과했던 3일간 완벽하게 작동하여 허리케인 전후 7일간 1,200kWh의 전기를 공급하였다고 한다.
디젤발전기나 납축전지 시스템보다 높은 신뢰성, 낮은 유지비용을 보여주었다고 말하고 있다. 큰 재난이 백업파워로서의 연료전지에 대한 수요를 높이는 계기를 만들어준 셈이다.
오랫동안 투자하고 개발해온 신기술이 시장에 진입하는데 긴 시간이 요구된다고 하는 일반적인 상황은 달라지지 않았다. 하지만, 우리나라 현대기아자동차도 세계적인 기업이 되었고, 연료전지자동차에 관한한 세계적인 선두그룹으로 2015년 누적판매량 1,000대를 목표로 하고 있다.
시장이 요구하는 수준의 성능개선과 함께 새로운 시장을 찾는 노력에 동참할 파트너를 찾아 협력해 나가는 일을 지속해야 궁극적으로는 정부 도움 없이도 시장 확대가 가능해진다. 휴얼셀투데이는 2012년 11월 19일자 기사에서 핀란드의 노키아지멘스 네트워크사와 캐나다의 발라드사가 공동으로 통합형 연료전지 백업을 갖춘 이동통신 네트워크를 개발하고 있다고 보도하였다.
이동통신 네트워크는 자연재해가 발생했을 때 중요한 역할을 하며, 전원공급의 단절은 통신을 어렵게 만든다. 네트워크에 연료전지를 접목시키면 이미 샌디의 사례에서 입증된 바와 같이, 어려운 여건에서도 탄력성을 갖추게 되어 서비스의 질이 향상될 것이다. 동사가 개발한 시스템은 일본 METI의 법에 따른 승인을 받았으며, NTT 도코모사에 설치되었다고 한다. 이동통신업체들이 연료전지에 관심을 갖는 것은 연료전지 업체 입장에서는 청신호이다.
■H₂, 재생E 활용 극대화
최근 에너지캐리어로서의 현황을 되짚어보자. 32년 전에는 석탄이나 오일셰일을 이용한 합성연료, 27년 전에는 메탄올, 20년 전에는 전기(배터리자동차), 10년 전에는 수소연료전지, 6년 전에는 에탄올이나 바이오연료, 3년 전부터는 전기자동차나 플러그인하이브리드차량과 같은 전기에 관심이 집중되었다.
다음에는 어떤 전략을 들고 나올 것인가? 지속가능한 미래를 꿈꾸어 왔기에 궁극적으로는 재생에너지의 이용 활성화를 위한 기술개발에 집중이 되는 것이 추세가 될 것이다. 또한 태양에너지를 오랜 시간의 경과 없이도 바로 이용 가능하도록 할 수 있는 에너지기술과 이들간의 융합, 에너지 믹스가 화두가 될 것임에는 틀림없다.
이를 위해서는 아직 더 연구를 필요로 하고 있는 기술인, 직접 태양빛을 이용하여 수소를 발생시키는 방법 즉 광바이오나 광촉매에 의해 만들어진 수소를 연료전지와 연계한다면, 전체적으로 재생에너지 활용의 극대화를 이끌어낼 수 있을 것이다.
