전력저장을위한수소에너지이용및향후전망 1 개황 임희천 한전전력연구원수석연구원 수소는지구상에가장많이존재하는물로부터제조될수있어자원의제약이없고, 연소생성물이물밖에없는청정연료의특징을가지고있다. 또한, 수소는전기와같이타에너지원으로부터얻어지는 2차에너지원이기때문에전기에너지와아주유사한성격을가지고있다. 이러한수소를생산하는방법중가장이상적인방법은태양광, 풍력, 광촉매, 바이오등과같이재생에너지원을사용하여물로부터수소를생산하는방법이다. 생산된수소는직접연소하거나연료전지연료로활용하게되면가장고급에너지원이전기에너지로쉽게전환하여사용할수있다. 수소는가스나액체로만들어쉽게저장할수있는데저장시에는높은에너지밀도를가지고있으며, 전력에너지원의저장및수송매체로활용이가능하다. 때문에수소를우리가에너지매체 (energy carrier) 라고도부르고있다. 이 September 35
➍ Special Issues 러한수소를에너지저장매체로사용한다면간헐적전원인풍력등과같은재생에너지원과연계되어운용될때발생되는계통의불안정성을보완해줄수있는최선의방안이된다. 본고에서는수소의에너지저장능력과이를이용하는시스템그리고향후전망등에대하여간략히기술하고자한다. 2 현황 수소는지구상에서가장많은원소이지만 2차에너지원으로 1차에너지원으로부터얻어진다. 1차에너지원인화석연료, 원자력, 재생에너지원을이용하여수소를만드는것이가능하다. 그러나궁극적으로는지구온난화문제로인한화석연료의대체에너지원으로각광받고있는태양광, 풍력과같은재생에너지원에서발생된전기를이용해물을전기분해하는방식으로수소를만드는것이이상적이다. 재생에너지원에서얻은전기를이용하여수전해를통해물로부터수소를제조한후다시제조된수소를저장해필요시연료전지를통해전기로변환시키는수소에너지시스템이가능하게된다. 그림 1은이러한수소에너지시스템을보여주고있다. 가. 수소의에너지저장능력수소에너지시스템기술은크게수소의제조, 저장및운반그리고이용기술로크게나눌수있다. 이중수소저장기술로는고압수소저장기술, 액체수소저장기술, 금속수소화합물에의한저장방법이있다. 표 1 수소와타기체연료와의물리적특성비교표 2에서는수소의에너지저장능력을표시하고있다. 밀도가높은액체수소저장방법이기체로수소를저장하는것보다약 400배이상의저장능력을가지고있음을알수있다. 지상에서압력용기에수소를저장하는경우, 용기의크기에따라다르겠지만전형적으로 200bar로가압한다. 고정식으로저장하거나 12~16bar의저압력으로대용량 (15,000m 3 이상 ) 을저장하는예도있다. 고압기체의저장은인장강도가크며수소투과성이작은압력용기의개발이필요하다. 표 2 수소저장방법에따른수소저장능력 저장방법 중량밀도 (Mass %) 체적밀도 (kg H 2 /m 3 ) 운전온도 (C) 운전압력 (bar) 고압기체실린더 13 <40 실온 800 액화저장 크기종속적 70.8-252 1 수소저장합금저장 ~2 150 실온 1 그림 1 수소에너지시스템 36 Journal of the Electric World
액화저장은수소를 -253 의극저온탱크에액화시켜저장하는방법이다. 수소기체를압축하여열교환기를통해냉각한후단열팽창 (Joule-Thompson 팽창 ) 시킨다. 수소저장용기를포함한액체수소중량에너지밀도는대략 25.9wt%(13.8 kwh/kg) 이며, 최적에너지밀도는대략 2,760kWh/m 3 정도가된다. 수소저장합금저장 (Metal Hydride Storage) 은전이금속또는그화합물이일정한온도에서화학적으로반응하여수소화물을형성하는것을이용한것이다. 이와같은것을금속수소화물이라하며그중일부는대기압또는그이하의압력에서수소를흡수하고상당히높은압력에서가열할경우수소를방출한다. 현재까지가장높은수소저장중량밀도는 3%kgH2/kg 미만이다. 그러므로경량의수소저장합금개발이가장중요한요소이다. 기술적으로볼때, 고압기체실린더저장방법및액화저장방법그리고수소화합물저장방법의일부는이미상용화되어있는방법이다. 수소저장방법선택은생산방법, 이송방법등이고려되어야하나일반적으로수소를대량생산하는플랜트의경우저장에너지밀도가큰액화저장방법이유리하다. 고압기체실린더 저장방법은수소스테이션, On-board용수소저장방법으로선택할수있다. 나. 수소에너지를이용한전력저장시스템필요성및구성화석연료를주에너지원으로사용하고있는현재의에너지패러다임에서가장큰문제점은지구온난화문제이다. 이를해결하기위하여선진국에서는이산화탄소저감을위한많은노력을경주하고있으나, 실제화석연료를사용하는에너지시스템에서태양광풍력등을활용하는재생에너지시스템으로의전환을꾀하고있다. 그러나이러한재생에너지가계통에넓게보급되는경우가장큰문제점은계절및날씨에따라공급량이변하는것이다. 이때나타나는예측불가능한재생에너지원을어떻게적절히활용하여계통을안정적으로유지하느냐가중요한문제이다. 계통을안정적으로공급하기위해서는피크부하를커버할수있는전원의확보나그리드를확장하여수요를분산시키는방법, 스마트그리드를활용하여수요를조절하는방법및에너지저장장치를활용하는방법등이있다. 그림 2 부하수요공급의불일치극복방안 (RWE 자료 2011) September 37
➍ Special Issues 그림 3 저장용량및설비규모에따른전력에너지저장방법비교 그러나부하추종속도가빠른전원공급, 그리드확장방법은많은비용부담이따르고, 수요조절을통한방안역시수요에따른충분한조절능력을갖고있지못한문제점이있다. 따라서전력저장을통한수요공급의조정이매우중요하고, 이러한문제로전력저장을통한에너지저장시스템의활용이최근각광을받고있다. 전력저장방법에는여러가지종류가있다. 현재까지경제적으로나기술적으로가장확실한방법은양수발전이다. 하지만양수발전은대용량전력저장이가능하지만지역적인제한과설치시대면적이요구된다는문제점을가지고있다. 이외공기압축저장방법 (CAES) 과대용량 2차전지도이에대한대응방안으로고려되고있다. 수소에너지에대한저장은독일에서부터본격적으로시작되었다. 독일은총발전량대비재생에너지의비율을 35%(2020년 ), 80%(2050년 ) 달성하고, 이산화탄소배출을 2050년까지 80% 감축하는목표를세우고있다. 이에따라현재 5GW 규모의풍력발전이 2050 년에는 26GW까지증가할것으로예측하고있다. 독 일의 Vatenfall 지역의경우, 풍력발전량공급량을부하수요에맞추기위해서는 1,000GWh 에너지저장용량이필요하고, 이중수소는 500,000m 3 정도가전환되어에너지저장역할을수행할수있을것으로예측하고있다. 이와같이수소는전력에너지의저장매체로서그역할이기대되며이들기술의중심에는연료전지와전기분해기술이필요함을알수있다. 즉, OFF 피크시간에생산되는잉여전력을전기분해장치로수소를만들어저장한후이를다시전력으로만들어공급할수있다. 이외에도그리드로부터공급받는전기를활용하여수소를만들고이를다시메탄이나암모니아로전환하여저장할수도있다. 다. 수전해및연료전지기술수소는전력저장의에너지매체로서역할이기대되며, 이들기술의중심에는수소저장장치외에도연료전지와전기분해기술이필요하다. 즉, OFF 피크시간에생산되는잉여전력을전기분해장치로수소를만 38 Journal of the Electric World
들어저장한후이를다시전력으로만들어공급할수있는연료전지기술이필요한것이다. 수전해기술은 20세기초에이미실용화되어수력에서발생된전력을이용하여수소를제조하고, 암모니아제조등의비료제조에사용되었다. 물의전기분해는흡열반응으로열에너지및전기에너지를필요로한다. 이론적으로상온에서의 1.2V 정도이고 700C정도에서는약 1V 정도가된다. 이러한수전해는전해질종류에따라세가지로나누어지고있다. KOH 수용액을이용하는알카라인수전해고체고분자막을이용하는고분자수전해, 그리고 700C 이상에서동작하는고체산화 물을이용하는고체고온수증기분해법등이있다. 현재에는알카리인수전해가가장많이보급되고있는데현재가장효율이좋은수전해조의경우 1Nm 3 의수소를생산하는데 4.1~4.5kWh 전력을소모하고있다. 연료전지는연료가가지고있는화학에너지를직접전기에너지로변환시키는직접발전방식이다. 직접발전방식이기때문에에너지변환효율이높아이산화탄소배출량을획기적으로줄일수있으며, 연소과정이없어오염물질발생이나소음, 진동등공해요인도없다. 연료전지발전은빠른부하응답성및전부하영역에서의높은효율등양호한전기적특성도함께가지 그림 4 수소에너지를이용한전력저장시스템의한예 September 39
➍ Special Issues 고있다. 연료전지역시동작온도및전해질종류에따라구분하며, 발전용으로사용될수있는연료전지는공급하는규모및전기를필요로하는수요조건에따라구분할수있다. 일반적으로수소연료전지시스템에사용될수있는발전용연료전지는저온연료전지인인산형 (PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell), 고분자전해질형연료전지 (PEMFC : Polymer Membrane Electrolyte Fuel Cell) 등소규모발전용및분산형전원이다. 그리고용융탄산염연료전지 (MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물연료전지 (SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) 등고온연료전지가대형발전용으로이용될것으로예측하고있다. 라. 재생에너지이용전력에너지저장시스템그림 4는재생에너지원인태양광에서발전된전기를수전해장치를통해수소및산소로분해, 저장한후이를 PEMFC 연료전지를이용하여발전하는실용화시스템의한예를보여주는것이다. 이탈리아벤처기업인 Electro Powr System에서개발한 25kW Power System의경우 Nm 2 당 120kWh 전력저장과 10kW의출력을발생할수있다. 이들시스템을확장하여 MW 급시스템으로증설시키는경우같은출력의 Li-ion 전지와비교하여면적은 1/3로줄이면서도저장능력은 1/3 정도더증가시킬수있다고주장하고있다. 전력계통에서수용할수없는태양광, 풍력과같은재생에너지원에서나오는잉여전력, 혹은그리드로부터전기를공급받아전기분해를통하여수소를만들고생산된수소와이산화탄소공기중의질소등과결합하여메탄혹은암모니아로변환시켜저장한후이를파이프라인을통하여운송한후전력또는열, 화공공정재료로공급하는시스템을우리는 P2G(Power to Gas) 기술이라고부른다. 이와같은 P2G 개념은기존에너지저장형태를전력에서연료형태로전환시켜저 장후다시발전하는방식이다. 이경우연료화된가스를수요지근처에서발전하여송전손실및송전비용을줄일수있는장점도가지고있다. 독일 Mainz에서는 Wind-Hydrogen-System 프로젝트를수행하고있으며, 풍력발전과 2MW 규모의 PEM Electrolyser 를연결한 Demo 프로젝트가 2015년운전을목표로건설되고있다 (Dr. K. Bonhof, WHEC 2014, 광주 ). 3 향후계획 수소에너지전력저장시스템기술은출력변동성이높은태양광, 풍력과같은신재생에너지원의보급확대에따른필요성때문이다. 특히, 높은재생에너지보급계획을가지고있는독일은수소의높은에너지저장능력전력분야외가스, 수송및화학분야등에대한높은호환성때문이다. 독일최대의전력회사인 E-On사는지난 2013년풍력발전을이용한수소생산을목적으로하는 2MW급시스템의상업운전을진행하고있으며, 올해또다른 2MW급시스템을완성하여운전을진행하고있다. 독일자동차회사인아우디에서도 6MWh 급 P2G 시스템을상업운전하고있다. 이외 RWE 사에서는수소를에너지저장매체로사용하기위한다양한방법의타당성연구를진행하고있으며, 30여개의실증플랜트를활용하여열병합, 메탄생산, 수소터빈운전등다양한개념의기술개발을진행하고있다. 국내의경우에도온실가스규제대응과지속가능한에너지시스템구축에대한기대감이증대됨에따라신재생에너지의보급을증대시키려는노력을경주하고있다. 최근발표된제7차전원계획에서는신재생에너지의보급을 2029년발전량기준 11.7% 설비기준 20.1% 를계획하고있다 ( 표 3 참조 ). 국내의경우간헐적전원인재생에너지원의급격한보급은삼면이바다에접해있고북쪽이단절된우리계통은통합된유럽계통보다훨씬 40 Journal of the Electric World
표 3 제 7 차전원계획중신재생에너지발전량및설비비중 ( 단위 : GWh, MW, %) 구분 2015 년 2020 년 2025 년 2029 년 발전량비중 23,857 (4.5%) 50,655 (7.9%) 66,622 (9.7%) 83,090 (11.7%) 설비비중 7,335 (7.5) 17,273 (12.9) 26,098 (17.3) 32,890 (20.1) 취약하기때문에전력저장의필요성은더욱크다고할수있다. 이러한이유로국내역시섬으로이루어진제주계통의경우풍력발전에대한에너지저장시스템을의무적으로설치하는방안이고려되고있다. 또한, 현재서해안에조성되고있는 2.5GW 규모의풍력발전단지와최근급격히증가하고있는태양광발전의보급확대역시계통안정화를위한전력저장수단의채택이불가피하고, 이에대한대응수단으로전력저장용대용량에너지저장매체가필요할것으로예상된다. 수소에너지를이용한전력저장시스템은연료전지를통하여쉽게전기에너지로변환가능하기때문에태양광, 풍력과같은재생에너지원에서발생된전기를수소로만들어파이프망을통하여운송할수있고, 운송된수소는저장도가능하지만필요시현지에서다시전기로변환되어수용가에공급될수도있다. 이와같이수소에너지를전력저장시스템으로운용하는데가장중요한기술인연료전지발전은분산전원으로활용가능하고자동차외에도전동차, 선박등전수송분야에서도크게활용될수있다. 따라서수전해, 연료전 지, 수소에너지전력저장을기반으로하는에너지시스템에서는열, 전기, 가스를모두활용할수있는통합시스템으로구성할수있다. 향후기존의화석연료기반에너지시스템을친환경지속가능에너지시스템으로전환시킬수있는중요한수단이될수있을것으로예상된다. 4 전망 국내수소를이용하는에너지저장분야는아직까지경제적으로나학술적기반이취약한면이있다. 그러나향후재생에너지를기반으로하는새로운에너지기반산업으로발전할수있는필요한기술이고이미수소연료전지기술은일부실용화되어보급이진행되고있다. 이런한점에서수소에너지사회를향한실용화기술이필요하고이들기술의핵심요소인수전해, 연료전지및수소저장에대한기술개발이필요하다. 이러한면에서기술수준이미약한수소생산 / 저장에대한기반기술확보및연료전지분야에서의산업화기술개발에적극투자해야할것으로판단된다. 참고문헌 [1] 김종옥, 김종원외, 알기쉬운수소에너지지, 수소에너지사업단, 수소및신에너지학회, 한국에너지기술연구소, 2005. 03 [2] Sakata Ko, 수소의이용및향후전망 전기평론, 2015. 06 [3] 고경호 Power to Gas 기술개요및현황 전기저널 2014.10, Vol.456 [4] Detlef Stolten, Achievment and Issues of Fuel Cell Transportation at the brink of Market Introduction" WHEC 2014 Conference, Gwang Ju, Korea, June 17, 2014 September 41