용도를제고하고전력시스템을안정화시키는많은장점을가지고있다. 따라서에너지저장장치는신재생에너지와기존전력시스템간의조화로운통합을위한수단으로중요성이부각되고있다. 본고에서는유럽에서실제적용되고있는에너지저장기술의하나인 P2G(Power To Gas) 기술과특징을소개하고, 독일사례를중심으

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철 부
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출력변동성이높은풍력, 태양광발전등의신재생에너지발전량이 10~15% 이상차지하게될경우전력계통의안정적운영에문제점을발생시키는것으로보고되고있다. 이러한현상은풍력및태양광발전량비중이높은독일을중심으로유럽지역전력계통시스템에서발생하고있다.

1 Power To Gas 기술개요및현황 Power To Gas 기술개요및현황 1. 개황 고경호한전전력연구원책임연구원 온실가스규제대응과지속가능한에너지시스템구축에대한국가 사회적요구가증가하고있다. 아울러그동안걸림돌이었던신재생에너지의경제성이지속적으로향상되면서신재생에너지보급확대도가속화되고있다. 그러나신재생에너지보급및확대는또다른문제점을발생시킨다. 출력변동성이높은풍력, 태양광발전등의신재생에너지발전량이 10~15% 이상차지하게될경우전력계통의안정적운영에문제점을발생시키는것으로보고되고있다. 이러한현상은풍력및태양광발전량비중이높은독일을중심으로유럽지역전력계통시스템에서발생하고있다. 국내의경우제주전력계통에서의한계접속용량설정과풍력발전소에에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage System) 을의무적으로설치하는법안을제정중에있는등신재생에너지보급에따른계통안정화수단을마련중에있다. 생산된에너지를저장하여필요할때사용하는에너지저장시스템은에너지의효율적이용과더불어신재생에너지의활 2014 December + 21

용도를제고하고전력시스템을안정화시키는많은장점을가지고있다. 따라서에너지저장장치는신재생에너지와기존전력시스템간의조화로운통합을위한수단으로중요성이부각되고있다. 본고에서는유럽에서실제적용되고있는에너지저장기술의하나인 P2G(Power To Gas) 기술과특징을소개하고, 독일사례를중심으로비즈니스관점에서의도입배경, 기술개발및사업화현황, 국내적용방안등에대하여간략히기술한다. 2.

2 용도를제고하고전력시스템을안정화시키는많은장점을가지고있다. 따라서에너지저장장치는신재생에너지와기존전력시스템간의조화로운통합을위한수단으로중요성이부각되고있다. 본고에서는유럽에서실제적용되고있는에너지저장기술의하나인 P2G(Power To Gas) 기술과특징을소개하고, 독일사례를중심으로비즈니스관점에서의도입배경, 기술개발및사업화현황, 국내적용방안등에대하여간략히기술한다. 2. P2G 개요및시장동향가. 기술정의및개념 P2G는전력계통에서수용할수없는풍력 태양광등의출력을이용, 물을전기분해하여수소 () 를생산하거나또는생산된수소를이산화탄소 () 와반응시켜메탄 (CH4) 등의연료형태로저장및이용하는 기술이다. 본기술이주목을받고있는이유는출력변동성이높은신재생에너지의보급확대때문이다. [ 그림 1] 은 P2G에대한기본적인운영방식에대한개념도이다. P2G 시스템은전기분해설비, 메탄화설비, 저장설비 ( 수소또는메탄 ), 계통연계설비등으로구성된다. P2G 시스템의운영방식은전력계통이여유가있을경우에는풍력및태양광발전량을계통으로투입하지만, 전력계통이포화될경우 ( 제약 ) 에는생산전력을 P2G에투입해물을전기분해하여수소를생산하거나이산화탄소와반응시켜메탄으로변환하여가스망 (Grid) 에주입하게된다. 또는생산된수소, 메탄을연료전지 (Fuel Cell) 또는가스터빈등의발전연료로사용하거나연료전지자동차나 CNG 등의수송연료로사용할수도있다. P2G의효율은실증결과를기준으로수소생산의경우는 63~73%, 메탄생산의경우는 42~65% 였으며, 투자비는약 250만원 /kw 수준인것으로알려져있다. Electricity grid Gas distribution system Wind Solar Power plant/ Combined heat & power < 전기분해 > 효율 : 60~80% 2O 2 + O2 H = 572kJ/mol Electrolysis/ buffer buffer POWER GENERATION ELECTRICITY STORAGE Methanation CH4 Gas storage < 매탄화반응 > 효율 75~85% 4 + CH4 + 2O H = kJ/mol 3 + CO CH4 + 2 H = kJ/mol < 수성화반응 > + CO + H = -41.5kJ/mol Electricity SNG Mobility Battery Electric Fuel Cell CNG * 출처 : Power to Gas Electrolysis and Recycling Production of Green Fuels, DONG energy, 2013 [ 그림 1] P2G 기본개념및주요반응식 22 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine

3 Power To Gas 기술개요및현황 [ 표 1] P2G 와 Li-ion 배터리비교 구분 P2G Li-ion Battery 비고 저장형태전력 연료전력 전력 재사용 (CCS 연계가능 ) 기능및역할 신재생출력안정화송전제약해소 신재생출력안정화주파수, 예비력 설비용량 (MW) 0.01~1, ~20 P2G : 단방향 ( 과잉출력 ) 배터리 : 양방향제어 ( 충방전 ) P2G : 대용량 배터리 : 소용량 효율 60~70% 85~95% CH4 기준 나. 기능및역할에너지저장기술로서 P2G는에너지저장형태, 이산화탄소를연료로사용한다는점 ( 메탄생산의경우 ), 전력계통운영기여방법측면등에서기존의배터리저장시스템과구별될수있다. 기존에너지저장방식이 전력 전력 으로저장하는방법이라면 P2G는 전력 연료형태 로저장하는방식이다. 그리고메탄생산을위해이산화탄소가사용된다. 이는화력발전에서분리한이산화탄소의재활용이가능하다는점에서시사하는바가크다. 또한, 전력계통운영측면에서신재생출력안정화라는공통적인기능이외에배터리는주파수안정화에중점을두는반면, P2G는송전제약해소를목적으로한다고할수있다. 다. 독일의 P2G 도입배경 P2G는최근유럽을중심으로급속히사업화가진행중인에너지저장기술중하나이다. 특히독일에서활성화되고있는데, 그이유는독일에서추진중인에너지정책이높은에너지저장능력, 전력분야외에가스 수송 화학분야등과호환될수있는높은유연성, 저장시간에구애받지않는장점등을갖고있는 P2G의특징과잘맞아떨어지기때문이다. 독일의에너지정책목표는총발전량대비신재생에너지발전량을 2020년 35%, 2050년에는 80% 를달성하고, 이산화탄소배출수준을 1990년대비 2050년까지 80% 감축하는것이다. 이에따라독일 의풍력발전설비용량은 2015년 5GW에서 2050년에는 26GW까지증가될전망이다. 이미독일은 2011년기준총발전량대비신재생에너지발전량이 22% 수준으로정책목표달성을위한실현성을높이고있다. 하지만그이면에는송전제약발생, 계통안정화를위한빈번한기저발전기의출력변동에따른효율저하및제약비발전 (COFF, Constrained Off) 비용발생등다른형태의문제점들이발생하고있다. [ 그림 2] 는독일지역의전력거래소인 EEX(European Energy Exchange) 의 2013년전일시장 (day-ahead market) 월간도매전력가격동향을분석한것이다. 월간최소가격을보면마이너스가격이하로거래되는것을알수있다. 이러한원인은해당기간대에과도한풍력발전으로지역적송전제약이발생, 전력공급계약자간의계약물량이행에문제가발생했기때문이다. 즉출력감발이쉽지않은화력발전사업자는계약불이행페널티와다음시간대계약이행을위해마이너스가격으로생산전력을계통에판매하고있는것이다. 독일의사업자는이러한전력시장상황에서 P2G 를전략적으로활용하여사업기회를포착하고있다. 풍력발전기와 P2G를연계하여잉여전력으로연료를생산하여추가수익을얻거나, 송전제약회피수단으로이용할수있다. 또한, 전력회사는신재생에너지이용률을향상시켜도매전력가격을안정화시키고제약비용을절감하는효과를얻을수있다 December + 23

MWh per day 600,000 500,000 400,000 70 60 50 40 30 20 10 Euro per MWh 300,000 200,000 100,000 0 2011 Q2 2011 Q3 2011 Q4 2012 Q1 (a) 독일전일시장의월간도매전력가격추이 (b) 풍력발전에따른도매전력가격영향

ON( 좌 ) 및 Audi( 우 ) P2G 시스템비교 라. 독일의 P2G 사업화동향독일전력회사인 E.ON사는풍력발전을이용하여수소생산을목적으로하는 2MW급 (2013.6), Audi 사는메탄생산을목적으로하는 6MW급 (2013.7) P2G 플랜트를상업운전중에있으며, 최근발표자료에따르면 E.

또한, 네덜란드, 영국, 프랑스, 스페인등유럽의주요국에서신재생에너지와 P2G를연계한실증플랜트를운전중에있다. 3. 전망유럽의사례에서알수있듯 P2G는신재생에너지확대와더불어우수한저장능력과유연성, 생산연료인수소와메탄의다양한활용성등의다양한기술적특징을고려해볼때에너지저장수단으로서하나의축을형성할것으로전망된다.

4 MWh per day 600, , , Euro per MWh 300, , , Q Q Q Q1 (a) 독일전일시장의월간도매전력가격추이 (b) 풍력발전에따른도매전력가격영향 (2011 년 ) [ 그림 2] 독일전일시장월간도매전력가격동향 (European Energy Exchange, 2013) 용량 2MW 용량 6MW 생산수소생산메탄 전원풍력전원풍력, 태양광 특징 세계최초, 풍력밀집지역 특징 세계최대, 자동차메이커 [ 그림 3] E.ON( 좌 ) 및 Audi( 우 ) P2G 시스템비교 라. 독일의 P2G 사업화동향독일전력회사인 E.ON사는풍력발전을이용하여수소생산을목적으로하는 2MW급 (2013.6), Audi 사는메탄생산을목적으로하는 6MW급 (2013.7) P2G 플랜트를상업운전중에있으며, 최근발표자료에따르면 E.ON사는 2015년함부르크인근에두번째 P2G 시스템을건설할계획임을밝히기도했다. 그외에도 RWE 등약 30개의실증플랜트들이화학적메탄화외에생물학적메탄화기술개발및생산된수소를열병합발전또는 연료전지 + 수소터빈 의연료로사용하는다양한개념의 P2G 플랜트를실증중에있다. 또한, 네덜란드, 영국, 프랑스, 스페인등유럽의주요국에서신재생에너지와 P2G를연계한실증플랜트를운전중에있다. 3. 전망유럽의사례에서알수있듯 P2G는신재생에너지확대와더불어우수한저장능력과유연성, 생산연료인수소와메탄의다양한활용성등의다양한기술적특징을고려해볼때에너지저장수단으로서하나의축을형성할것으로전망된다. 또한, P2G 사업확대에있어가장큰장애요인인낮은경제성도다양한실증프로젝트를통해개선될것으로전망된다. 특히메탄화공정의소형화및연계최적화를통한효율향상을통해 250 만원 /kw 의높은시스템가격도향후전기분해설비는 40만원 /kw, 시스템가격은 150 만원 /kw 수준으로낮아질것으로전망된다. 우리나라의경우는신재생에너지보급률이유럽에비해상당히낮아 P2G 도입이시기상조라생각할수 24 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine

Power To Gas 기술개요및현황 Power-to-Gas EON (Falkenhagen) P2G to store excess energy P2G to debottleneck the power grid RWE (Niederauβen) thüga (Frankfurt) Krajete, Viessmann AUDI, EWE (Werlte)

5 Power To Gas 기술개요및현황 Power-to-Gas EON (Falkenhagen) P2G to store excess energy P2G to debottleneck the power grid RWE (Niederauβen) thüga (Frankfurt) Krajete, Viessmann AUDI, EWE (Werlte) Wind-projekt (Werder/Kessin) CH4 P2G to feed biological methanation P2G to generate emission-free fuel P2G to recycle P2G to green gas P2G for island mode of wind parks [ 그림 4] 독일의주요 P2G 실증사업 있으나앞서언급한바와같이제주전력계통의신재생에너지한계접속용량설정과함께풍력발전소 ESS 설치의무화논의, 전남일부지역의태양광발전과다에따른연계용량기준상향사례등신재생에너지와전력계통과의조화로운연계통합을위한기술적 상업적대안준비가필요하다할것이다. 향후국내의경우제주지역에 2030년까지풍력발 전 2GW가건설될것으로전망되고있고, 2.5GW의서남해해상풍력단지도건설될예정으로있어대용량신재생에너지출력에대한계통안정화수단으로 P2G가고려가능한기술의하나라고판단된다. 또한, 독립계통인도서지역에전력과연료를동시에제공하는에너지자립섬을실현하는수단으로도 P2G를고려해볼필요가있다. [ 참고문헌 ] 1. 제주특별자치도, 제주특별자치도풍력발전종합관리계획, Thomas Grigoleit and Daniel Lenkeit, The Renewabel Energy Industry in Germany 3. EEX 홈페이지, 도매전력가격 Database 4. University of Munich, The impact of Wind Power Generation on the Electricity Price in German, DGC, Global screening of projects and technologies for Power to Gas and Bio-SNG, ZSW, Power to Gas construction and start-up of a 250kW research project, DNV KEMA, Systems Analyses Power to Gas, FuelCellToday, Water Electrolysis & Renewable Energy Systems, December + 25

+ 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 그림 3 지역 및 에너지원별 1차 에너지 수요 증가율 그림 4 최종 에너지 소비량 중 에너지원별 점유율 시장 전망에서 세계 GDP 성장률은 연평균 3.4% 인 증가를 선도하겠지만 이후에는 인도가 지배적인 역할 구는 0.9% 증

+ 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 그림 3 지역 및 에너지원별 1차 에너지 수요 증가율 그림 4 최종 에너지 소비량 중 에너지원별 점유율 시장 전망에서 세계 GDP 성장률은 연평균 3.4% 인 증가를 선도하겠지만 이후에는 인도가 지배적인 역할 구는 0.9% 증 Special Issues 특집 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 1 개황 국제에너지기구(IEA)는 매년 세계 에너지시장에 대한 중장기 전망을 발표해 오고 있다. 2014년 세계 에너지시장 전망은 분석기간을 2040년까지 확대해 장기 전망과 분석을 수행했고 에너지소비와 수급측면의 종합적인 동향과 석유 천연 가스 석탄 전력 신재생에너지 및 에너지효율 등의