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  • 기사등록 2018-07-17 15:05:28
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세계 각국이 직면한 환경문제는 각국의 에너지 패러다임의 변화를 불러오고 있다. 특히 온실가스 배출 저감을 위해 신재생에너지의 비중이 높아지며, 태양광, 풍력 발전의 설비용량이 급증하고 있다. 정부의 ‘신재생에너지 3020 이행계획(안)’에 따르면 신규 설비용량의 97%가 태양광·풍력으로 공급될 것으로 알려져 있다. 태양광·풍력 발전은 전력계통의 안정성과 유휴전력 문제로 ‘에너지 저장’이 필수적이다. 에너지 저장 방법으로 ESS 등이 있지만 비용과 저장용량의 확보, 저장기간 등의 문제가 여전히 존재하고 있다. 이에 최근 거론되고 있는 것이 신재생에너지로 물을 전기분해해 수소를 생산하고 연료전지로 발전하는 방법이다. 이를 통하면 신재생에너지 확대로 인해 예상되는 전력계통 문제의 해결과 유휴전력의 활용도를 제고할 수 있는 것으로 알려지고 있다. 이에 본지는 최근 KDB산업은행 미래전략연구소 산업기술리서치센터 이선화 선임연구원의 ‘‘신재생에너지 3020’을 위한 수소에너지의 역할’ 보고서를 바탕으로 신재생에너지의 수소 저장에 대해 알아보는 자리를 마련했다.

신재생에너지 저장 ‘수소’가 답


■ 신재생에너지 발전 확대에 에너지 저장 문제 대두


지난 2017년 10월 정부가 발표한 ‘신재생에너지 3020 이행계획(안)’에 따르면 2017년 현재 7.6%인 신재생에너지 발전량 비중을 2030년에 20%로 확대한다는 계획이다.


2017년 기준 15.1GW의 신재생에너지 설비용량(누적)을 2030년 63.8GW까지 보급할 계획으로, 신규 설비용량(48.7GW)의 97%를 태양광, 풍력으로 공급할 예정이다.


이에 신규 설비투자에 92조원이 투입될 것으로 추산되고 있다.


이런 가운데 태양광과 풍력발전 간헐성과 불확실성의 문제로 에너지 저장이 필수적이다.


풍력터빈은 바람이 불 때만, 태양광 시스템은 햇빛이 비출 때만 발전이 가능하다.


또한 일조량과 풍속 등이 시시각각 변화해 발전 출력에 영향(간헐성)을 미쳐 전력계통의 주파수와 전압에 변동을 초래해 전력 품질을 저하시킨다.


전압이 변동하면 수용가의 전압을 220V±6%(법정유지 범위) 맞추기 어렵고, 일정 전압이 필요한 산업체 가동 중단 및 전자기기 고장 발생 가능성이 증대된다.


더불어 발전 출력에 대한 정확한 예측이 어려워 실시간으로 전력 수요와 공급 간 균형 유지가 어려워 신재생에너지의 출력 감소량이 예비 전력을 초과할 경우 계통 붕괴 위험이 있으며, 수요가 적은 심야에 풍력발전기 가동으로 과잉생산 문제 발생 할 수 있다.


송·배전 제약 및 지역별 불균등한 자원 분포로 인한 유휴전력이 발생 할 수도 있다.


2013년 이후 신재생에너지 설비가 급격히 증가하고 있는 중국의 경우 전력망 인프라 부족과 지역별 수급 불균형 등으로 기 구축된 설비가 가동되지 못하거나 생산 전력이 유휴돼 전력손실이 발생했다.


중국 전력 손실률은 2016년에 풍력 17%(40.1TWh), 태양광 19.8%(13.1TWh)에 이르렀다.


독일도 2017년 4.65TWh의 전력이 계통에 연계되지 못하는 등 신재생에너지 비율이 높아질수록 유휴전력 또한 증가하고 있다.


2013∼2015년 가파르게 상승하던 독일의 신재생에너지 전력손실량은 2016년 소폭 감소했다가 2017년 다시 증가한 것으로 나타났다.


송전 전압이 낮은 태양광발전 대비 중·고압 송전 전압의 육상풍력에 의한 전력 손실이 큰 비중을 차지했다.


■ 신재생에너지 유휴전력 문제 해결, 수소에너지 저장 방식 대두


이에 신재생에너지의 전력계통 연계시 안정성 유지 및 유휴전력 문제 해결 위해 에너지 저장이 반드시 필요하다.


유휴전력을 저장했다가 전력이 부족할 때 공급하거나 주파수·전압을 일정 범위에서 유지시켜 전력품질 제고 및 계통 안정성을 향상시켜야 한다.


신재생에너지의 급격한 출력 변동을 에너지 저장장치의 충·방전으로 조정해 주파수 및 전압을 일정하게 유지해 전력품질 개선하고, 유휴전력을 충전했다가 최대 수요나 집중 수요 시간대에 활용해 전력부하 평준화로 신재생에너지 설비 효율을 개선해야 한다.


저장 방식별로 다양한 에너지 저장 장치가 존재한다.


대용량 에너지 저장 방식으로 양수발전과 압축공기에너지저장(CAES)이 있으나, 양수발전의 경우 설치 지역 한계, 낮은 변환 효율, 환경 파괴 등의 문제점이 있고, CAES는 폭발 등 위험성으로 인해 설치 가능 지역에 제한이 있다.


에너지 밀도와 효율이 높고 휴대폰 및 전기차용 생산 규모 확대와 더불어 성장하고 있는 리튬이온(Li) 2차 전지는 현재 주파수 조정용과 신재생에너지 저장용으로도 대규모로 보급되고 있으나 저장 용량 및 장기간 저장에 한계를 보이고 있다.


이에 새롭게 수소에너지를 활용한 저장 방식이 논의 되고 있다.


수소에너지를 이용한 저장방식은 신재생에너지를 수소 형태로 저장했다가 연료전지를 통해 전기에너지로 변환 시키는 것으로 대용량 및 장기 저장이 가능하다는 장점이 있다.


10시간 이내, 10MWh 이하 소규모 저장에 경쟁력을 갖는 2차 전지 대비 1GWh∼1TWh의 대용량 저장과 장기간(1∼1,000시간) 저장에 유리한 것으로 보고되고 있다.


유휴 전력 수전해로 수소 생산, 탄소 제로
美·獨·佛·덴마크, 수소저장 프로젝트 진행


■ 수소, 전기에너지 전환 쉽고 수송 매체 활용도 높아


수소는 직접 연소하거나 연료전지의 연료로 이용해 전기에너지로 쉽게 전환할 수 있으며 저장, 수송 매체로 활용도가 높은 것으로 알려지고 있다.


에너지를 수소 형태로 저장할 경우 높은 에너지 밀도를 보유할 수 있고, 가스 및 액체 형태로 수송 가능하며, 전력 대비 수송 손실이 1/10 수준이다.


수소에너지는 사용 과정에서 물만이 배출되는 친환경적 에너지로, 에너지의 탄소 수가 적어지는 탈탄소화의 궁극적 에너지로 평가되고 있다.


특히 신재생에너지 저장에 수소에너지를 활용하는 방법은 신재생에너지 확대로 인한 문제 해소와 함께 에너지 사용 전 과정에서 온실가스 배출 제로 달성이 가능하다는 점이다.


신재생에너지를 수전해에 사용해 수소를 생산하고 연료전지 시스템에 공급해 활용이 가능하다.


또한 신재생에너지의 발전 비중 증가로 야기될 수 있는 전력계통 문제를 해결하고 유휴전력의 활용도 제고된다.


수소 생산과 연료전지 발전을 통한 신재생에너지 변동성 제어 및 수급 균형을 해결 할 수 있으며, 대용량·장시간 저장으로 계절적 변동성까지 완화 가능하며, 연료 형태의 저장이기 때문에 수송 용이성으로 지역적 에너지 불균형 경감에도 활용이 가능하다.


연료전지 발전으로 전기뿐만 아니라 열에너지 이용으로 효율이 높다.


신재생에너지 유휴전력을 이용함으로써 경제적이고 친환경적인 수소 생산이 가능하며, 화석연료 사용 없는 연료전지 발전으로 온실가스 배출 제로를 달성할 수 있다.


특히 신재생에너지 비중이 높은 독일·프랑스·덴마크 등 유럽 국가 및 미국도 유휴전력으로 수소를 생산해 전력의 저장 수단으로 활용하는 P2G(Power to Gas) 프로젝트가 확대되고 있다.


독일의 경우 2022년까지 P2G 설비를 1,000MW까지 확대하는 것을 목표로 17억유로를 들여 P2G 전략 플랫폼 사업을 추진하고 있다.


풍력 발전 에너지로 수소를 제조해 활용하는 20개 이상의 프로젝트 진행 중으로 가스 망 이용 수소 및 메탄(CH₄)공급, 수송 연료화, 수소저장 등의 프로젝트가 자동차 업체 및 에너지 기업 등이 참여해 진행 중이다.


프랑스는 1MW급 신재생에너지 수전해 연계 장치로 수소를 생산해 배관으로 운송하는 ‘Jupiter 1000’ 프로젝트를 시행 중이다.


덴마크는 풍력 발전 에너지로 수소를 수전해로 생산해 에너지 시스템에 적용하는 ‘HyBalance’ 프로젝트를 진행 중이다.


네덜란드는 화학회사 AkzoNobel과 가스회사 Gasunie의 공동 프로젝트로 20MW 규모 신재생에너지-수전해 연계 프로젝트를 진행 중이다.


미국은 DOE(에너지부) 주관으로 풍력 발전 에너지로 수소를 생산해 천연가스 망을 통해 공급하는 ‘Wind2H2’ 프로젝트 진행 중이고, NREL(신재생에너지연구소)은 태양광 발전 에너지로 수소를 생산하는 ‘STH(Sloar To Hydrogen)’ 연구 개발 지속적으로 추진 하고 있다.


일본도 도시바에서 실증 연구를 진행하고 있다. 도시바는 태양광 발전으로 호텔에 전력을 공급하고, 2차전지 에너지저장시스템을 활용해 태양광발전의 간헐성 문제를 해결했으며, 잉여전력으로 수소 생산, 저장 및 연료전지 발전으로 전기 및 온수를 공급하고 있다. 연료전지 발전과정에서 생성된 물은 수전해 시스템에 공급하고 있다.


국내에서는 에너지 저장 기술개발과 보급 정책 등이 2차 전지 중심으로 이뤄져 수소 저장과 신재생에너지의 연계 연구는 시작 단계로 알려지고 있다.


이에 전문가들은 국내 상황에 맞는 신재생에너지 - 수전해 - 연료전지 연계 기술의 시나리오 작성 및 경제성 분석 등 체계적 연구가 신재생에너지 보급과 함께 진행돼야 할 것으로 보고 있다.


■ 액체 수소 저장 필요성 검토


한편 신재생에너지를 이용해 수소를 저장하는 방식으로 액체수소 방식도 거론되고 있다.


액체수소는 기체수소대비 밀도가 800배다. 일반적인 200bar의 고압수소 대비 4배의 저장효율을 가지며, 튜브트레일러에 의한 1회 운송량이 액체수소 3,500㎏으로 기체수소 300㎏ 대비 11배의 차이를 보인다.


이에 수소를 대량으로 저장·이송시 검토되고 있는 주요 선택지 중 하나다.


업계에 따르면 해외에서는 태양광발전이나 풍력발전시 유휴전력을 이용해 수소를 생산 저장 시 소형의 액화기와 수소 용기의 수요가 있는 것으로 알려지고 있다.


다만 액체수소의 경우 수소를 액화 할 때의 특별한 기술이 필요하며, 신재생에너지 수전해 수소 모델에 적용시 냉열 공급 소스가 없어 액화플랜트 효율이 저하되고, 높은 발전단가와 낮은 수전해 효율로 인한 경제성 부족이 단점으로 지적되고 있다.


반면에 향후 신재생에너지 발전 단지에서 생산된 수소를 수소충전시설에 공급시 한정된 물류비로 대량의 수소를 공급할 수 있다는 점에서 선택지의 하나로서 검토되고 있다.


▲ 수소 생산 방식


▲ 주요국 P2G 프로젝트 현황


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