Update2024.05.03 (금)
장시간·대용량 저장 가능 기술 ‘수소 뿐’
이차전지·연료전지기술 융합으로 車산업 선점해야
■에너지의 공급 전망과 과제
지난해 11월 24일 녹색성장위원회와 교육과학기술부가 주최한 녹색기술융합컨퍼런스가 서울에서 열렸다. 녹색기술간 융합을 중심으로 기술개발동향과 산업전망을 공유하겠다는 취지로 산학연 전문가 450명이 한자리에 모였다. 이 회의에서 다룬 주제중 하나가 신재생에너지 생산·저장 및 응용기술의 융합방향이었다. 제2의 조선이요 반도체라 일컫는 재생에너지 산업의 미래는 에너지저장 및 활용기술의 뒷받침을 필요로 한다.
원유에 거의 전적으로 의존해왔던 수송용 에너지의 경우 패러다임이 급변하고 있다. 세계 자동차 산업은 지구온난화와 자원고갈로 최대 격변기에 직면했으며 이를 타개하기 위한 노력을 기울이고 있다. 수송 부문의 온실가스 배출량은 모든 산업분야의 25%로 각국은 온실가스 배출억제를 위한 자동차 분야 규제를 강화하고 있다.
이러한 분위기 속에서 자동차 분야의 전기구동추세는 이른바 메가트렌드이다. 전기구동을 함으로써 에너지효율을 높여 에너지 소모량을 줄일 수 있으며, 특히 화석연료 의존을 줄일 수 있다. 전기는 점차 그 비중이 커질 재생에너지로부터 얻을 수 있기 때문에, 재생에너지에서 나온 전기의 활용은 궁극적으로는 이산화탄소(CO₂)배출 저감과 분진, 소음을 줄이는 효과를 가져온다.
수송분야는 전세계적으로 볼 때, 에너지 소비량의 20% (IEA World Energy Outlook 2010에 의하면, 2007년 기준 총에너지소비 495 Quadrillion Btu 중 98 Quadrillion Btu)를 사용하고 있고, 원유의존도가 절대적으로 높아 원유 중 61.2%를 차지하고 있으나, 실제 바퀴 구동에 쓰이는 에너지의 비율 즉 효율은 20% 수준에 불과하다. 원유는 화학공업원료로서 매우 중요한 역할을 하기에 한번 쓰고 사라질 수송용으로 쓰기에는 너무나 아까운 자원이다.
지금 일반 가정에서는 가스와 전기가 가장 중요한 에너지원이다. 그동안 전세계 각국이 재생에너지를 자원의 고갈, 에너지공급의 안보, 지구온난화 방지, 경제적인 기회를 제공해줄 분야로 여겨 태양광·풍력을 중심으로 많은 투자를 해온 덕에 비약적인 성장이 있었다. IEA는 전기에너지의 경우 2007년부터 2035년까지 재생에너지 비율이 연간 3%씩 늘어 2007년의 18%에서 2035년에는 35%에 이를 것으로 전망하고 있다. 또한, 석탄발전은 연 2.3%, 천연가스와 원자력은 각각 기준년도 대비 연간 2.1 및 2.0% 로 성장할 것으로 예상하고 있다.
주지하는 바와 같이, 햇빛을 쬐거나 바람이 불어야 발전이 되는 재생에너지의 특성상 생산과 소비가 반드시 일치하는 것은 아니어서, 재생에너지 비율이 커질수록 잉여전력의 양도 늘게 되므로 이를 적절한 방법으로 저장하는 것이 필요하다. 즉, 에너지저장기술과 스마트그리드로 재생에너지의 간헐적인 생산에 의한 전기공급의 불안정성 문제를 해결해야 재생에너지의 공급 확대를 기대할 수 있다.
■우리나라의 전력수급계획과 에너지저장기술
정부의 전력수급계획 발표에 따르면 ‘저탄소 녹색성장’ 정책을 전력부문에서 적극 구현하기 위해 원자력, 신재생 등 기후변화 대응형 전원을 대폭 확대하기로 했다. 신재생비중이 2024년까지 8.9%로 확대되고 화석연료근간의 발전량 비중은 축소될 전망이다. 이뿐만 아니다. 정부는 2030년 세계시장에서 태양광 30%, 풍력 30%의 점유율을 달성한다는 목표를 세웠다. 재생에너지의 비율이 높아지면 잉여전력도 늘어난다.
우선 우리나라보다 재생에너지의 비중이 높은 독일의 사례를 들어보자. 1990년대 이래 독일의 전력생산에서 재생에너지가 차지하는 비중이 커져 2005년 10%, 2008년 15%를 차지했다. 소요 전기의 1/6 가량이 재생에너지로 생산된 셈이다. 현재의 시나리오로 보면 재생에너지원에서 생산되는 전기가 2020년에는 115TWh, 2030년에는 190TWh로 2008년도 수치의 2~4배, 총발전량의 20~35%에 이를 것으로 전망되고 있다. 이에 따라 잉여전력이 상당히 발생하여 별다른 조치가 없다면, 2020년에는 재생에너지 전기량중 최대 13TWh까지 그리드로 공급을 못 할 수도 있다는 예측을 하고 있다.
에너지를 저장하는 방법은 어떠한 기술들이 있을까?
전세계적으로 전력품질 안정화를 위한 분산전원용 에너지저장시스템 개발은 kW에서 MW급에 이르기까지 연구 및 실증되고 있으며, 특히 kW급의 전지기술은 수송용으로서도 활용가치가 높아 시범 사업으로 개발기술의 신뢰성이 확보되고 있는 상태이다.
전기저장기술은 수 밀리초에서 분단위까지의 단기저장기술로는 초전도코일, 슈퍼커패시터, 플라이휠, 이차전지 등이 쓰이고, 분단위에서 시간단위의 중기저장기술로는 압축공기나 양수발전이 이용된다. 며칠 또는 몇 달간의 장기저장은 수소 혹은 합성가스로서 지하 저장하는 방법이 가능하다.
작은 규모의 경우 이차전지를 이용하는 전기저장법은 계통상태에 따라 MW급까지 신속한 대응이 가능한 기술이다. 납축전지, NaS전지, 슈퍼커패시터, 리튬이차전지 및 레독스플로우 전지가 이용 가능하며 장수명, 높은 안전성과 저가격이 요구된다. 이미 실증을 성공적으로 마친 일본 NGK社의 사례도 있지만, 국내에서는 이제 양산을 위한 준비를 하는 단계에 있다.
각각의 에너지저장기술은 소요비용과 기간, 저장규모면에서의 차이에 따른 장단점을 가지고 있으며, 장시간의 TWh급 저장이 가능한 기술은 수소뿐이다. 1TWh를 저장하는 데 필요한 부피는 양수발전의 경우 14억㎥, 압축공기인 경우 3억7,000만㎥, 수소인 경우 500만㎥ (지하동굴 이용시)이다. 동굴이용과 같은 지하저장은 지반구조가 이에 적합해야 가능하다.
■에너지 분야의 융합
재생에너지를 활용한 수소 생산, 수소와 이산화탄소를 반응시켜 화학물질을 생산함으로서 CO₂를 고정화시켜 CO₂발생 저감에 기여하고자 하는 국가 프로젝트가 독일에서 올해 9월에 시작됐다.
혼다는 올 1월부터 가정용의 차세대 태양광-수소충전소를 운전하기 시작했다. 수소는 이미 산업과 시장이 형성되어 있는 분야이다. CO₂와 수소의 반응을 이용하는 것은 이른바 C1화학의 한 분야로서 오래전부터 연구개발돼 온 바 있다. 새로운 것이 아닌 알려진 기술의 융합으로도 새로운 비전을 제시하고 또 고부가가치를 만들어 낼 수 있다.
토요타도 2012년까지 미국시장에 전기자동차를 출시하고, 이어서 2015년까지 연료전지자동차의 상업화 생산을 할 것이라고 선언한 바 있다. 국내 현대 및 기아자동차도 비슷한 계획을 가지고 있으며, 2단계 연료전지차량 모니터링 사업으로 울산과 서울지역에 100대의 연료전지차량을 운행할 계획을 2009년 12월에 시작했다.
국내 기업의 경우 용융탄산염 연료전지를 CO₂포집과 연관시켜 운용함으로써 효율의 손실없이 CO₂ 회수와 청정발전을 이루려는 계획도 이뤄지고 있다. CO₂ 저감이 이슈가 된 현실에서 재생에너지 또는 신에너지의 활용도를 높이고, CO₂고정화기술과 연계시켜 에너지 문제와 환경문제를 동시에 해결하고자 하는 기술이 경제성을 갖추어 새로운 비즈니스 모델로서 신성장동력기술의 틈새시장 전략으로 활용되기를 기대한다.
자동차 분야의 전기구동(electro-mobility) 추세는 전기분야에 있어서 재생에너지의 비율을 높여줄 것이며, 전기인프라는 경우에 따라서는 물전기분해와 결합하여 수소충전소 인프라로서도 활용이 가능하다.
전세계적인 재생에너지의 확대 및 새로운 자동차 산업의 추세를 우리의 기회로 삼기 위해서는 공동의 인프라를 가지고 있는 상호 보완적인 기술인 이차전지와 연료전지기술을 잘 융합하고 재생에너지를 효율적으로 저장 및 이용할 수 있는 기술의 연계로 에너지와 화학원료도 공급하는 시기가 올 것이다.
