최근 환경문제는 각국의 에너지 패러다임의 변화를 불러오고 있다. 특히 각국은 온실가스 배출 저감을 위해 재생에너지의 비중을 높이는 ‘에너지 전환’ 정책을 펼치며 태양광, 풍력 발전 등의 설비용량이 늘어나고 있다.

국내에서도 지난해 신규원전 건설계획 백지화 등 원전의 단계적 감축과 재생에너지 확대 등을 내용으로 하는 ‘에너지 전환 로드맵’을 비롯해 2030년 재생에너지 발전 비중 20% 달성을 위한 ‘재생에너지 3020 이행계획(안)’을 발표했다.

정부의 ‘신재생에너지 3020 이행계획(안)’에 따르면 신규 설비용량의 97%가 태양광·풍력으로 공급될 것으로 알려져 있다. 태양광·풍력 발전은 기상·기후의 영향을 받아 전력계통의 안정성과 유휴전력 문제로 ‘에너지 저장’이 필수적으로 필요하다. 에너지 저장 방법에는 양수발전, 이차전지 등이 존재하지만 비용과 저장용량의 확보, 저장기간 등의 문제가 여전히 존재하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 거론되고 있는 것이 신재생에너지로 물을 전기분해해 수소를 생산(저장)하고 연료전지로 발전하는 방법(재생에너지-수전해-연료전지 연계)이다. 이를 통하면 재생에너지 확대로 인해 예상되는 전력계통 문제의 해결과 함께 유휴전력의 활용도를 제고할 수 있고 에너지 사용 전과정에서 온실가스 배출 제로를 달성할 수 있을 것으로 예측되고 있다.

이처럼 태양광풍력 발전 등 재생에너지 확대에는 에너지 저장이 필수적이며 수소에너지의 활용은 에너지 전환의 완성도를 높이고 재생에너지 산업이 자생력을 확보하는 방안이 될 것으로 전망된다.

이에 본지는 최근 KDB산업은행 미래전략연구소 산업기술리서치센터 이선화 선임연구원의 ‘신재생에너지 3020’을 위한 수소에너지의 역할’ 보고서를 바탕으로 신재생에너지의 수소 저장에 대해 살펴보기로 한다.

재생에너지 확대로 에너지 저장 문제 대두

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

정부는 2017년 기준 15.1GW의 신재생에너지 설비용량(누적)을 2030년 63.8GW까지 보급할 계획으로 신규 설비용량(48.7GW)의 97%를 태양광, 풍력으로 공급할 예정이다. 이를 위해 정부는 신규 설비투자에 92조원이 투입될 것으로 추산하고 있다.

하지만 일각에서는 이같은 재생에너지 발전 비중 증가는 전력계통 안전성을 저하시키고 유휴전력 문제를 야기 할 수 있는 우려를 나타내고 있다. 특히 태양광과 풍력발전은 간헐성과 불확실성의 문제로 에너지 저장이 필수적일 수밖에 없다.

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

뿐만 아니라 송·배전 제약 및 지역별 불균등한 자원 분포로 인한 유휴전력이 발생 할 수도 있다. 2013년 이후 재생에너지 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 재생에너지 전력손실량은 2016년 소폭 감소했다가 2017년 다시 증가한 것으로 나타났으며 송전 전압이 낮은 태양광발전 대비 중·고압 송전 전압의 육상풍력에 의한 전력 손실이 큰 비중을 차지했다.

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. 재생에너지의 급격한 출력 변동을 에너지 저장장치의 충·방전으로 조정해 주파수 및 전압을 일정하게 유지해 전력품질 개선하고 유휴전력을 충전했다가 최대 수요나 집중 수요 시간대에 활용(방전)해 전력부하 평준화로 신재생에너지 설비 효율을 개선해야 한다.

에너지 저장 장치에는 저장 방식별로 다양하게 존재하며 2030년 국내 발전비중 20%(125.8TWh)의 대용량 재생에너지 저장 방안으로 수소에너지 활용이 가능한 것으로 전망되고 있다.

먼저 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. 또한 앞서 밝힌 바와 같이 에너지 밀도와 효율이 높고 휴대폰 및 전기차용 생산 규모 확대와 더불어 성장하고 있는 리튬이온(Li) 이차전지는 현재 주파수 조정용과 신재생에너지 저장용으로도 대규모로 보급되고 있으나 저장 용량 및 장기간 저장에 한계를 보이고 있다.

하지만 수소에너지를 이용한 저장방식은 신재생에너지를 수소 형태로 저장(물의 전기분해로 수소생산)했다가 연료전지를 통해 전기에너지로 변환 시키는 것으로 대용량 및 장기 저장이 가능하다는 장점이 있다. 현재 10시간 이내, 10㎿h 이하 소규모 저장에 경쟁력을 갖는 이차전지 대비 1GWh∼1TWh의 대용량 저장과 장기간(1∼1,000시간) 저장에 유리한 것으로 보고되고 있다.

재생에너지-수전해-연료전지 시스템의 시너지

세계 각국, 수소저장 프로젝트 진행중

수소는 직접 연소하거나 연료전지의 연료로 이용해 전기에너지로 쉽게 전환할 수 있으며 저장, 수송 매체로 활용도가 높은 것으로 알려지고 있다. 이로 인해 에너지를 수소 형태로 저장할 경우 높은 에너지 밀도를 보유할 수 있고 가스 및 액체 형태로 수송 가능하며 전력 대비 수송 손실이 1/10 수준 밖에 안되는 것으로 전해진다. 특히 수소에너지는 사용 과정에서 물만이 배출되는 친환경적 에너지로 에너지의 탄소 수가 적어지는 탈탄소화의 궁극적 에너지로 평가되고 있다.

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

우선 재생에너지를 수전해에 사용해 수소를 생산(충전)하고 연료전지 시스템에 공급해 활용(방전)이 가능하다. 또한 재생에너지의 발전 비중 증가로 야기될 수 있는 전력계통 문제를 해결하고 유휴전력의 활용도 제고된다.

무엇보다 수소 생산과 연료전지 발전을 통한 신재생에너지 변동성 제어 및 수급 균형을 해결 할 수 있고 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 높은 것도 장점이다.

이와 함께 재생에너지 유휴전력을 이용함으로써 경제적이고 친환경적인 수소 생산이 가능하며 화석연료 사용 없는 연료전지 발전으로 온실가스 배출 제로를 달성할 수 있다.

특히 재생에너지 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 1,000㎿까지 확대하는 것을 목표로 17억유로를 들여 P2G 전략 플랫폼 사업을 추진하고 있다. 이어 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.

아울러 프랑스는 1㎿급 재생에너지 수전해 연계 장치로 수소를 생산해 배관으로 운송하는 ‘Jupiter 1000’ 프로젝트를 시행 중이며 덴마크는 풍력 발전 에너지로 수소를 수전해로 생산해 에너지 시스템에 적용하는 ‘HyBalance’ 프로젝트를 진행 중이다. 네덜란드는 화학회사 AkzoNobel과 가스회사 Gasunie의 공동 프로젝트로 20㎿규모 신재생에너지-수전해 연계 프로젝트를 진행 중이다.

미국은 DOE(에너지부) 주관으로 풍력 발전 에너지로 수소를 생산해 천연가스 망을 통해 공급하는 ‘Wind2H2’ 프로젝트 진행 중에 있으며 NREL(신재생에너지연구소)은 태양광 발전 에너지로 수소를 생산하는 ‘STH(Sloar To Hydrogen)’ 연구 개발 지속적으로 추진하고 있다. 일본도 도시바에서 실증 연구를 진행하고 있다. 도시바는 태양광 발전으로 호텔에 전력을 공급하고 2차전지 에너지저장시스템을 활용해 태양광발전의 간헐성 문제를 해결 했으며 잉여전력으로 수소 생산, 저장 및 연료전지 발전으로 전기 및 온수를 공급하고 있다. 연료전지 발전과정에서 생성된 물은 수전해 시스템에 공급하고 있다.

재생에너지 확대와 수소에너지 기술개발 지원 병행

국내에서는 에너지 저장 기술개발과 보급 정책 등은 이차전지 중심으로 이뤄져 수소 저장과 재생에너지의 연계 연구는 시작단계에 있다. 특히 재생에너지를 활용해 수소를 생산하는 대용량 수전해 기술의 경우 주요국들이 1990년대부터 관련 기술을 개발해온데 반해 국내에서는 2003년 수소에너지 사업단이 처음 프로젝트를 시작했다. 이로 인해 국내 수전해 관련 기업들의 경우 주로 해외기술에 의존하고 있으며 원천기술을 가진 국내기업은 극소수에 불과하다.

전문가들은 국내 상황에 맞는 재생에너지-수전해-연료전지 연계기술의 시나리오 작성 및 경제성 분석 등 체계적인 연구가 재생에너지 확대와 함께 진행돼야 한다고 입을 모은다. 이를 위해 지원 규모 확대와 함께 연구내용 및 수행기관의 다양성 확보는 물론 대규모 통합 실증연구과제 및 국내 시정에 맞는 연구 단계별 정략적인 기술 목표 등이 필요할 것으로 보고 있다.

액체수소 저장 방식 주목

한편 재생에너지를 이용해 수소를 저장하는 방식으로 액체수소 방식도 주목받고 있다.

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

때문에 수소를 대량으로 저장·이송시 액체수소 방식도 검토될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 업계에 따르면 해외에서는 태양광발전이나 풍력발전시 유휴전력을 이용해 수소를 생산·저장 시 소형의 액화기와 수소 용기의 수요가 발생한다.

액체수소의 경우 수소를 액화 할 때의 특별한 기술이 필요하며 재생에너지 수전해 수소 모델에 적용시 냉열 공급 소스가 없어 액화플랜트 효율이 저하되고 높은 발전단가와 낮은 수전해 효율로 인한 경제성 부족이 단점으로 지적되고 있다. 하지만 향후 재생에너지 발전 단지에서 생산된 수소를 수소충전시설에 공급하게 되면 한정된 물류비로 대량의 수소를 공급할 수 있다는 점에서 충분히 검토될 수 있는 시나리오로 볼 수 있다.