KR 웹진 190호

전 세계적으로 COP21(Conference of the Parties 21) 이후 이산화탄소 저감 대책이 중요한 화두로 대두됨에 따라 온실가스 배출을 줄이는 근본적인 방법으로 신재생 에너지에 대한 투자가 급격히 높아지고 있다. 이와 함께 국내에서는 현 대한민국정부의 "재생에너지 3020 이행 계획"과 환경에 대한 국민들의 지대한 관심의

영향으로 태양광과 풍력을 비롯한 신재생 에너지 관련 다양한 관심과 투자가 폭발적으로 이어지고 있다.

 

2. 신재생에너지의 한계

 

하지만, 날씨, 바람 등의 외부 요인에 따라 출력 변동폭이 큰 재생에너지의 비율이 현격히 높아짐에 따라

전력 계통의 불안정성이 증가하고 이에 대한 대책이 필요한 것 또한 사실이다.

 

일례로 가까운 제주도 내 상황을 살펴보면, 제주도 내 소비 전력은 도내 생산되는 기저전력(45%)과 1~2 해저케이블로 전송되는 육지부 전력(40%), 신재생 에너지(15%)로 구성되어 있다. 하지만, 현 전력 공급 상황에서 당초 전력 소비량 대비 발전량 초과가 예상될 경우 기저전력(화력)은 발전을 멈출 수 없기 때문에 그리드

안정성을 위해 풍력발전의 출력제한이 주로 이루어지고 있다.

 

2015년 3회, 2016년 6회, 2017년 14회, 2018년 15회에 머물던 풍력발전 출력제한이 2019년 45회, 2020년 7월까지 46회로 지난해부터 급증하고 있으며, 비슷한 섬나라의 사례인 유럽의 아일랜드 상황을 참고할 때

풍력발전 연간 가동률에선 20% 가까운 출력제한이 이뤄질 것으로 예상된다.

 

풍력발전의 선진국인 중국, 유럽의 경우 우리나라와 비슷한 경험을 몇 년 앞서 벌써 경험하고 있으며, 이로 인해 적지 않은 손실이 방생하고 있는 현실이다. 2016년 기준 중국의 경우, 태양광과 풍력 발전의 출력제한

으로 발생한 손실이 205억 위안, 원화로 3조 5천억 원에 이른다. 유럽의 풍력 선진국 영국, 독일 또한 상황이 다르지 않아 중국과 비슷한 수준의 손실을 보고 있는 것으로 파악된다.

 

 

 

한국 또한 고유의 환경에 적합한 신재생 에너지와 다양한 하이브리드 시스템 개발의 요구가 증가하고 있으며, 수소를 활용한 하이브리드 시스템이 대표적인 대안으로 제안되고 있다.

 

청정에너지인 수소는 높은 에너지 밀도와 발전용/수송용 연료 등을 포함한 다양한 활용처가 있어 차세대

에너지원으로 각광받고 있으며, 최근 합의된 신 기후 변화체제에도 가장 효율적으로 대응할 수 있는 최적의 청정에너지원으로도 주목 받고 있다.

 

그러나 아직까지 이와 관련한 국내 기술수준은 성숙되지 않아, 이에 대한 핵심원천기술 개발과 상용화를

위한 실증이 필요하다. 대한민국 정부 정책에 따라 재생에너지원이 증가하면서 전력의 부하 안정성 저하를 방지하고 전기 에너지의 저장 용량 한계를 극복하며, 미활용 전력 활용을 위한 기술이 요구되고 있는 현실에서 미활용 전기에너지를 이용하여 수소로 전환하고 이를 이용한 열병합 발전, 차량과 선박 등의 수송연료 등으로 활용함으로써 에너지 믹스 그리드의 주요 에너지원 역할이 가능한 P2G(Power to Gas) 기술이 주목

받고 있다.

 

3. P2G(Power to Gas) 시스템

 

다양한 수소생산의 전과정적 차원에서 온실가스가 전혀 배출되지 않는 完全(완전)한 CO2-free 수소 생식방식은 재생에너지 발전의 전기를 활용한 수전해 수소 생산방식이 유일하고 이렇게 생산된 수소를 그린수소라

칭한다.

 

수전해(水電解, 물 전기분해) 방식은 물의 이온화에 활용되는 전해질(electrolyzer)에 전력을 공급하여 물을

수소와 산소로 분해하는 기술로서 전해질의 종류에 따라 알칼라인(Alkaline), 고분자 전해질막(PEM), 고체산화물(SOEC) 수전해 방식으로 구분되며, 이 중 알칼라인 수전해 방식이 현재 가장 상업적으로 이용되고 있다.

 

     
우선 알칼라인 수전해는 현재 수전해 기술 중 상용화가 가장 많이 진척되었다.

주로 알칼리 전해액을 이용하는 물을 전기 분해하는 기술로, 단위전지의 각 전극에서 발생하는 전기 반응에 기초한다. 기술의 성숙도 측면에서는 장기간 연구 개발되어 온 알칼라인 수전해 방식은 상용화 단계에 진입, 국내에도 관련 제품의 시판이 이루어지고 있다.

 

고분자 전해질막(PEM) 수전해는 이온전도성 고분자 전해질막(Polymer Electrolyte Membrane: PEM)을 전해질로 이용하여 물을 전기 분해하는 기술로 단위전지의 각 전극에서 발생하는 전기 반응에 기초한다. 이러한 고분자 전해질막 수전해 방식은 시스템을 소형화하거나, 유지, 보수 측면에 있어서 세 가지 수전해 방식 중 가장 우수한 것으로 알려져 있다.

 

고분자 전해질막 수전해 기술은 알칼라인 수전해 기술과는 달리 국내에서는 아직까지는 실증 단계에 있지만, 해외에서는 이미 일부 업체가 상용화에 성공, 제품 판매에 있다.

 

고체산화물 수전해(Solid Oxide Electrolyzer Cell: SOEC) 또는 고온 수증기 수전해는 고체산화물 전해질을

이용해 800°C 이상의 고온 수증기를 전기 분해하여 수소를 생산하는 기술로 수전해 기술 중 전력 사용량은 가장 작으나, 고온을 유지하기 위해 별도의 가열이 필요한 시스템이다.

 

고체산화물 수전해는 모든 소재가 세라믹 재질이어서 유지 보수 및 내구성 측면에서 다른 수전해 방식에

비해 열위에 있지만, 에너지 효율 측면에서 수소 생산에 필요한 전력이나 기타 에너지가 가장 적게 요구되는 특징으로 수소 제조 원가 또한 가장 낮을 것으로 예상되고 있어, 미래의 수전해 기술의 주류를 이룰 것으로 예상된다.

 

 

4. KR의 P2G(Power to Gas) 관련 연구

 

KR연구본부는 국내 기관 유일 풍력발전 국제인증(KAS: Korea Accreditation System) 시스템을 운영하고 있다. 이와 함께 11개의 민간 발전사업자들을 대상으로 정부에서는 신재생 에너지 의무 할당 발전 시스템(RPS: Renewable Portfolio Standard) 확대 운영에 따라 “중대형 풍력터빈KS인증”을 운영하고 있는데, 당사는 풍력발전 시스템의 설계평가 기관으로 지정되어 신재생 에너지 공급인증서 (REC: Renewable Energy Certificate) 발행의 중추적인 기관으로 활동하고 있다.

 

이런 활동 연장에서 신재생 에너지를 활용한 P2G 관련 연구에도 많은 노력을 기울이고 있다. 최근 이와 관련하여 “재생에너지 이용 극대화를 위한 2 MW 급 Power-to-Gas 시스템 엔지니어링 기술 및 비즈니스 모델

개발(책임자: 강문종)”이라는 정부 R&D를 수주하여 한국전력, 한국동서발전, 한국중부발전, 두산중공업, (주)지필로스, 고등기술연구원 등과 함께 3년간 연구를 수행하고 있다. 이와 별도로, 수소 에너지 관련 유수의

대기업들과의 협업을 통해 P2G 관련 실증 연구를 추진 중에 있으며, 조만간 결실이 있을 것으로 예상된다.

 

이런 다양한 연구 활동을 통해 축적된 기술 및 경험들을 바탕으로 KR 연구본부에서는 그린수소 인증제도(CertifHy Guarantee of Origin(GO))를 구축하고, 중·장기적으로 이를 수소 인증제 연계 발전용 연료전지 REC 가중치 조정 등과 연계하여, 추가적인 수익 창출을 도모할 예정이다. 이와 함께 이렇게 생산, 인증된 그린

수소를 활용하여 선박 배출 오염물질 저감을 위해 소형 선박에 수소 연료전지 동력 체계를 적용하는 ‘수소

연료전지 선박’ 등과 연결 등을 추진할 예정이다.

5. 결론

 

신재생 에너지, 수소, 선박…… 전혀 어울리지 않을 단어들의 조합이 정부의 “그린 뉴딜”과 이의 핵심인 "수소 경제 활성화 로드맵"이라는 거대한 정책의 영향으로 함께 움직이고 있다. 이는 에너지 정책적 측면과 함께

현 정부의 혁신성장 정책의 일환인 첨단산업 육성정책에 무게 중심이 있으며, 그만큼 수소 경제의 경제적

가치가 중요하게 고려되고 있다.

 

이와 더불어, 수소 경제 이행 추진의 정당성을 경제적 가치뿐만 아니라 수소 활용을 통한 에너지 소비의

탈 탄소화로 온실가스 감축과 미세먼지 저감 등 환경적 가치에도 두고 있음을 알 수 있다.

 

이러한 기술적 트렌드의 변화와 이에 대한 선제적 대응 차원에서 KR 연구본부는 수소 관련 다양한 연구를

계속 수행하고 있으며, 그중 하나로 신재생 에너지를 활용한 수소의 생산, P2G에 보다 집중할 예정이다.

신재생 에너지에서 생산된 수소가 선박의 연료로 사용되는 날이 길지 않은 시간 내에 올 것으로 예상되는

지금, 이를 위해 수소 관련 규칙, 기술 등에 대한 사전 대응이 KR 연구본부 내 다양한 분야에서 오늘도 준비하고 있다.