그린수소와 전력계통의 유연성
2020-07-09
org.kosen.entty.User@4c675671
남기영(kynam4843)
개요
기후변화에 의한 지구온난화 현상에 대처하기 위해 21세기 내에, 세계는 온도상승을 산업화 이전보다 최소 2℃ 이하로 낮추기 위해, 2015년 파리 기후당사국 총회인 COP21(conference of parties)에서 모든 국가가 온실가스 배출을 줄이기 위한 국가별 목표를 세워 실행하자고 하는 국가별 기여방안인 INDC(Intended Nationally Determined Contribution)를 설정하여 이의 매 5년 주기의 상향된 NDC 목표 제출의무를 결의하였다. 여기서 우리정부는 BAU(business as usual) 2030(2030년 CO2 배출예상량)의 37%를 줄이겠다는 목표를 제시한 바 있다.
미전화(未電化) 지역 및 전기 사용 인구의 증가, 빅데이터와 IoT 등에 의한 데이터 전송 및 컴퓨터 연산량의 증가 등으로 전기 사용량이 지속적으로 늘고 있으며, ICT(Information & Communication Technology)와 4차산업혁명이 촉발한 정보화 또는 디지털화 사회로의 전환으로 전기에너지 의존성은 더욱 커지고 있다. 이러한 전기에너지의 수요에 대응한 전기에너지의 생산이 화석연료에 의한 경우, 많은 온실가스를 배출하고 있어 기후온난화에 많은 영향을 미치고 있다. 이 때문에 재생에너지 도입을 늘려 기존 화석발전원의 양을 줄임으로써 기후변화 문제에 대처하고자 하는 것이 21세기의 전세계적인 추세인데, 이미 100%를 재생에너지로 공급하는 국가가 등장하고 있으며 가까운 미래에 대부분의 에너지를 재생에너지원으로부터 공급하겠다는 목표를 세우고 있는 국가가 늘어나고 있다.
전력의 생산에서부터 소비의 모든 단계는 선으로 연결되어 공간적 이동이 이루어지는데, 빛의 속도로 이동하는 전기의 속성으로 인해 생산과 동시에 소비가 이루어져야 하므로 공급과 수요의 균형(수급균형, 이 경우 우리나라 전력계통의 주파수는 60Hz를 유지)을 맞추는 것이 대단히 중요하다. 이와 같이 전력의 수급을 허용되는 범위(우리나라의 경우 주파수 60±0.2Hz) 내에서 균형적으로 유지하는 능력을 전력계통의 유연성(flexibility)이라고 정의하는데, 종래의 전력계통에서 수급균형은 변동하는 수요에 맞추어 발전력으로만 이에 대응하는 것이 가능했는데 이는 변동요소가 수요밖에 없었기 때문에 수요 변동에 맞추어 균형을 이룰 수 있도록 대형 집중형 발전기들(수력, 석탄, 가스 및 원자력 발전기 등)의 출력을 제어할 수 있었기 때문이다. 즉, 수요의 변동에 대해 발전력만으로 이를 추종하여 균형을 이루는 것이 가능하였다. 그러나 최근의 전력계통은 기존의 집중형 발전원과는 달리 태양광발전과 풍력발전과 같은 분산 발전원들이 많이 도입되었는데, 이 재생에너지원들의 경우는 태양의 변화와 바람의 변화에 따라 발전설비의 출력이 변동하는 간헐성과, 기상환경에 따른 출력의 변동성, 태양빛과 바람 자원이 좋은 곳을 택해 입지함으로써 생겨나는 지역편중성 등으로 인해 계통의 전기품질(주파수와 전압)을 저해하는 요소로 작용함으로써 계통의 유연성을 떨어트리게 된다. 더군다나 경제적, 기술적 요인으로 발전기의 출력변동 또는 정지를 하기가 어려운 대규모 발전원이 존재하기 때문에 도입된 재생에너지 발전시스템의 도입량이 늘어나게 되면 수요보다 많은 전력량이 생산될 수 밖에 없다. 이를 잉여전력이라고 하는데 이 잉여전력은 저장하지 않으면, 국가간 계통이 연계된 곳에서는 필요로 하는 곳으로 전송하여 활용이 가능하지만, 우리나라와 같이 고립된 계통에서는 출력을 제한할 수 밖에 없다. 한편으로는 이들 재생에너지가 발전을 할 수 없는 경우 또는 시간대에 대비하여 가스발전 및 석탄화력이 이들 재생에너지원의 출력을 대처해야 하는 모순이 생겨난다. 즉, 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 도입한 재생에너지 만큼의 화석연료 발전원이 동시에 준비되어야 한다.
이처럼 재생에너지는 온실가스 배출을 하지 않는 발전원이라는 긍정적인 효과와 함께 출력의불확실성, 간헐성, 지역편중 등으로 인해 계통에 접속되는 양이 늘어날수록 전력계통의 유연성을 떨어트리는 부정적인 영향도 크다. 이들 재생에너지의 계통 운영에 미치는 부정적인 영향을 해소하기 위한 방법이 있다면 21세기 에너지 산업의 화두인 3D 즉, Decarbonization(탈탄소화), Decentralization(탈중앙화 또는 분산화), Digitalization(디지털화)를 통해 에너지 사용으로 인한 지구온난화를 완화시키는데 큰 역할을 할 것이다. IRENA(International Renewable Energy Agency)에 의하면 그림 1에서와 같이 현재 각국의 에너지 정책 대비 재생에너지 도입과 에너지 효율향상을 통해 90% 이상의 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있다고 전망한다.
그림 1. 현재 정책 대비 재생에너지 로드맵에 따른 에너지관련 이산화탄소 배출 전망
본 기고는 이와 같은 세계적인 에너지 전환 흐름속에서 재생에너지 문제와 3D를 실현하는 방안으로 유럽과 미국의 캘리포니아를 중심으로 활발히 전개되고 있는 에너지 캐리어로서의 용도와 장점을 활용한 수소의 생산과 이용면에서의 재생에너지의 관계를 파악함으로써, 국내에서 급속히 전개되고 있는 수소경제를 기존의 천연가스에서 추출한 수소를 중심으로 한 활용에 중점을 두고 있는 것에서 탈피하여 재생에너지와 수전해에 의한 방법을 통해, 온실가스 배출이 없는 친환경적인 수소 즉, 그린수소를 생산하는 방법의 효과와 타당성에 대한 공감대를 형성하기 위한 목적으로 작성되었다. 전기분해에 의해 생산된 수소는 경제성, 기술적 한계 등으로 그렇게 주목받지 못했지만 오랜 기술개발을 통한 성숙된 기술을 기반으로 청정한 에너지 캐리어, 무한한 자원량, 수송, 연료, 산업 등 다양한 분야에서의 수요 증가와 함께 대량의 재생에너지 도입으로 생겨난 여러 가지 문제를 해결할 수 있는 자원으로 주목받고 있다. 이에 본고에서는 재생에너지의 본격 도입을 목표로 에너지의 전환단계에 있는 우리 전력계통에 P2G(Power to Gas)라고 하는 수소와 전해장치의 활용방법과 접근방법을 소개함으로써 우리가 추구해야 될 방향을 수소의 활용관점이 아닌 생산의 관점에서, 전력계통을 운영하는 측면을 고려한 재생에너지와 수소경제의 방향을 모색해보고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 수소의 종류와 그린수소의 정의
산업분야에서 연료로서 수소를 수십년 동안 사용해올 정도로 수소 산업은 성숙되어 있다. 수소는 생산방식에 따라 일반적으로 4가지 형태로 분류하는데, 그림 1은 이들 수소의 제조방법에 대한 간략한 개념도이며, 표1은 수소의 생산방법과 온실가스배출 관계를 요약한 것이다
그림1 수소의 제조방법[1]
그림 1의 생산방법으로 생산된 수소는 표1과 같이 색깔로 구분하기도 하는데, 여기서 색은 구분을 위한 용도로 사용된 것이며 표준으로 정해진 것은 아니다. 본고에서 논하고자 하는 것은 전기분해에 의해 제조되는 그린수소로, 이 때 사용되는 전기의 생산방법에 따라 여러 가지 의견이 제시되고 있다. 즉 그린수소는 생산과정에 투입되는 전기도 온실가스를 배출하지 않는 재생에너지로 한정하는 것이 그것이다.
표1. 수소의 분류[2]
2.2. 수소의 특성과 용도
기술적 관점에서 보면, 수소는 대량의 재생에너지를 전력분야에서, 재생에너지가 아니면 탈탄소화가 어려운 수송, 건물, 산업 등과 같은 전화(electrification)를 위한 여러 분야로 전환할 수 있게 해주는 가교 역할을 하고 있다.
그림 2. 수소에 의한 변동성 재생에너지의 통합[2]
다시 말하면 수소는 변동성 재생에너지가 전력계통에 통합될 때 유연성을 증가시켜 전력시스템과 산업, 건물, 수송 시스템 간의 통합에 공헌할 수 있다(그림2) (이에 대한 상세한 내용은 전해장치에서 다루기로 한다). 표 2는 재생에너지 도입에 따른 문제에 대한 대책관점에서 본 수소의 특성을 정리한 것이다.
표 2. 재생에너지 도입에 의한 계통영향과 수소의 특성
대량의 재생에너지를 도입하고 있는 국가들은 자신의 계통에서 사용될 수 없는 잉여전력을 활용, 물을 전기분해하여 수소를 생산하거나 생산된 수소를 공기 중의 이산화탄소와 반응시켜 메탄 등의 연료 형태로 변환하여 저장 및 이용하는 기술에 착안하였는데 이를 P2G(Power to Gas)라고 한다. 최근에는 더 나아가 이를 연료전지 등을 활용하여 전력으로 다시 생산하는 Power to gas to Power로 발전되고 있다.
수소의 대표적인 특징으로는 그림 3에서 알 수 있듯이, 현재 저장장치로 가장 많이 이용되고 있는 배터리 저장시스템에 비해 저장 밀도가 수백배에 이르고 장기 저장이 가능한 특성을 들 수 있는데, 이를 기반으로 에너지의 효율적인 사용과 재생에너지 이용률을 최대화 할 수 있다.
그림 3. 성능 특성에 따른 에너지 저장 기술 비교[4]
수소의 저장능력을 활용하면 재생에너지의 이용률 향상과 함께 재생에너지가 계통에 미치는 영향을 상당부분 완화하고 탄소배출 저감에 크게 공헌할 수 있다. 이런 저장능력과 다양한 용도 때문에, 생산된 모든 종류의 수소는 활용하는 과정에서는 온실가스를 배출하지 않기 때문에 독일의 경우는 당분간 그린수소 뿐 아니라 블루수소를 포함한 과도기 과정을 거칠 계획을 수립하고 P2G를 기반으로 하는 국가수소전략을 발표하였다[5].
2.3. 재생에너지가 전력계통에 미치는 영향과 유연성의 확보
세계의 에너지 시스템은 기후변화 파리 총회에서 결정된 목표를 달성하기 위해 에너지 정책의 큰 변화를 겪고 있다. 즉, 기후변화 위기가 가속화됨에 따라 세계 각국 정부는 재생에너지 확대기조가 형성되었고, 이 중심에 태양광과 풍력과 같은 변동성 재생에너지가 중심이 되고 있는데, 우리나라도 제 3차에너지 기본계획에 따라 2040년 30%~35% 수준의 도전적 재생에너지 도입 목표를 설정하였다. 그러나 도입하는 재생에너지의 대부분이 태양광과 풍력을 기반으로 하고 있는데, 이들 재생에너지는 기상 및 기후에 영향을 받기 때문에 출력의 간헐성, 변동성, 지역편중성 등으로 인해 전력계통의 안정성을 해칠 뿐만 아니라 과잉생산 되는 경우 이는 활용할 수 없다. 이렇게 버려지는 전력량이 독일의 경우 2017년 한 해 동안 4.65TWh, 중국의 경우 2016년 53.2TWh(우리나라 한해 전력사용량의 약 10%)에 이르고 있다[6]. 그림 4는 우리나라 재생에너지 정책인 3020 정책에 따라 나타나게 될 부하곡선의 변화와 최대 변동성을 보여주는 그림으로, 재생에너지를 도입함에 있어 대책이 필요함을 보여 주고 있다.
그림 4. 순부하 변화 전망(왼쪽)과 재생에너지 2030 목표달성 시의 영향(오른쪽) (전력거래소)[3]
전력계통의 운전목표는 다양한 에너지원을 시간적 공간적으로 대응(균형)이 이루어 질 수 있도록 하는 것인데, 지금까지의 전력계통은 제어가능한 발전자원으로 전기사용자의 수요에 추종하여 균형을 맞추어 왔다. 여기서 변동요인인 수요 변동에 대응하여 균형을 이룰 수 있도록 하는 능력을 유연성이라고 한다. 구체적으로는 주파수와 전압을 허용범위 내에서 유지하는 능력이다.
과거의 집중형 대형 전원이 주를 이루던 시기에는 에너지의 흐름이 한 방향이었지만 지금의 재생에너지를 기반으로 하는 분산전원이 혼재된 계통에서는 에너지의 흐름이 수시로 변동한다(그림 5). 따라서, 전력계통 변화와 함께 유연성 자원의 확보와 대응방법도 변화가 필요하게 되었다.
그림 5 종래의 계통(왼쪽)과 미래 계통(오른쪽)에서의 전력 흐름의 변화[7]
그림5에서 종래의 계통에서는 유연성(수급균형)은 출력 제어가 가능한 발전기(중앙급전발전기)가 담당하였지만 그림 5의 오른쪽 그림에서 보듯이 재생에너지원들이 계통에 접속되면서 변동요소가 더 커짐에 따라 이 유연성의 양들도 더 확보되어야 하는데 수요의 급격한 변동에 대응하기 위해 발전기를 무한정 늘릴 수가 없으며, 재생에너지의 계통접속이 늘어날수록 그림 6과 같이 유연성이 부족하게 된다. 이와 같은 유연성 부족의 갭을 대체하기 위한 수단으로 사용되는 것이 저장시스템과, 수요자원 즉, 전기사용 설비, 분산발전원 등인데, 이중 수요자원은 이미 시설되어 있는 전기장치의 전력사용량을 제어함으로써 변동성 재생에너지원의 간헐성과 출력변동성에 대응할 수 있다. 그림 6에서 처럼 유연성을 경제적으로 확보할 수 있는 가장 풍부한 공급원은 수요자원인데, 수전해장치가 이 대응능력이 우수한 것으로 입증되어 있어서 독일의 경우는 2035년까지 수전해장치를 10GW규모로 확보할 계획을 발표하였다[6]. 우리나라도 수요자원 시장을 다양화하여 전기품질을 제어하는 용도의 기능성 수요자원 시장을 준비하기 위한 실증연구를 수행하고 있다.
그림 6 재생에너지 도입에 따른 유연성 갭(왼쪽)과 공급가능한 유연성(오른쪽)[8]
2.4. 수전해장치의 특성과 활용
수전해장치는 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 장치다. 여기에 사용되는 전기가 재생에너지원으로부터 생산된다면 그 수소는 전기의 보완재인 재생에너지의 캐리어가 된다. 수소는 재생 가능한 전력의 저장원이 되는 풍력 및 태양광 발전에 대응하도록 전력 소비를 조정할 수 있으므로 수전해장치는 변동성 재생에너지를 전력계통에 통합 할 수 있는 유연성을 공급해 줄 수 있다. 따라서 산업 및 운송 부문 등의 늘어나는 수소 수요에 대응하여 온실가스 배출없이 그린수소를 생산함과 동시에 계통의 수급균형기능(주파수 조정)을 제공 할 수 있다. 수전해장치 기술은 수십년 동안 지속적인 개발이 이루어지고 있는 확립된 기술이다. 그림 7은 이의 성능 즉 계통의 주파수 변동에 따른 대응능력을 보여 주는 것인데 이미 독일에서는 주파수 조정을 위한 예비력 능력을 인증 받았다.
그림 6. 전해장치의 응동 특성에 대한 테스트[9]
2.5. 전력계통 운영 측면에서의 수소경제 대응 방향
전기자동차는 친환경 수송수단으로 인식되고 있으며 세계 각국은 전기자동차의 도입확대를 위해 각종 보조금 제도를 비롯한 세제, 충전설비 등의 각종 지원 정책을 펴고 있다. 이 전기자동차에 공급되는 전기는 재생에너지로 생산된 전기만 사용하지 않는다. 즉, 완전한 친환경 수송수단이 아니지만, 적어도 운행 과정에서는 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 전기자동차는 친환경 수송수단으로 받아들여지고 있다. 마찬가지로, 수소 생산을 위해 수전해장치에 사용된 전기가 어떻게 발전되
었는지에 관계없이 생산된 수소는 사용과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는다. 따라서 그린수소라고 정의 하는 부분을 재생에너지를 확대하는 단계에서 어떻게 정의 하느냐에 따라 전기자동차와 같이 수소의 정책적인 방향이 많이 달라질 수 있다.
전기자동차나 수전해장치 모두, 많은 전기를 사용하는데 현재로서는 대부분의 국가에서 생산하는 전기는 화석연료의 의존도가 높다. 이 화석연료 의존도를 낮추어 온실가스 배출량을 줄이기 위해서는 재생에너지의 도입이 절대적인데, 앞에서 밝혔듯이 도입되고 있는 재생에너지의 대부분은 태양광, 풍력과 같은 변동성 재생에너지여서 전력계통의 안정성과 품질문제를 일으킬 뿐만 아니라, 대부분의 나라에서 아직 발전단가가 기존의 화석연료 발전에 비해 비싸며, 이 전기를 사용하여 전기분해를 통해 생산되는 수소는 경제성이 낮을 수 밖에 없다. 그러나 탄소배출에 대한 환경비용을 감안하면 그레이수소가 생산과정에서 온실가스를 배출하는데에 대한 가격경쟁력이 개선될 수 있는 부분이 있고, 수전해장치를 전력계통에서 수요자원으로서, 또 생산된 수소를 에너지 저장매체로서 활용하는 방법을 통해 부가가치를 획득함으로써 경제성을 확보할 수 있다. 이를 통해 재생에너지 보급 속도를 높이는 유연성을 계통에 공급함으로써 재생에너지 도입에 따른 유연성 부족 문제를 해소할 수 있다. 따라서, 100% 친환경 전력생산 환경이 구축되어 진정한 그린수소가 생산될 때까지의 전환과정에서는, 생산과 소비의 시간적 갭을 메우기 위한 수단으로 수소의 저장능력과 연료전지를 사용한 전력으로의 변환능력을 활용하고, 수전해장치를 전력계통에서의 유연성자원으로 활용하여 부가가치를 확보함으로써 수전해에 의한 수소의 가격경쟁력을 확보할 수 있는 방법을 전력계통운영에서 찾아야 할 시점에 있다고 생각된다.
3. 결론
기후변화에 의한 대책으로 재생에너지를 기반으로 하는 에너지 패러다임의 전환기에 있는 지금, IoT(Internet of Things), 빅데이터, 클라우드, 인공지능 등의 4차산업혁명의 핵심기술이 탈탄소화, 탈중앙화, 디지털화를 실현할 수 있게 해주고 있다. 이 기술들을 바탕으로 분산화 된 자원을 초연결 상태로 만들어 한개의 자원처럼 제어함으로써 계통의 유연성을 경제적으로 또 친환경적으로 구축할 수 있는 방법을 모색하고 있다. 여기에 재생에너지의 보급 확대를 통해 탈탄소화를 추진하고 있는 에너지 전환기에서의 핵심 자원으로서의 역할을 수소에서 찾고 있는 것이 세계적인 흐름이며, 수전해장치를 계통운영의 유연성 공급원으로 활용함으로써 부가가치를 확보하여 그레이수소와의 가격차를 줄임과 동시에, 100% 친환경 전력생산 시기를 앞당길 수 있는 도구로서 수소의 활용방안을 추구하고 있다.
지구온난화 방지에 기여할 수 있는 방법을 재생에너지와 수소분야에 찾고 있는 세계적인 흐름을 관찰하면서, 재생에너지의 안정적이고 효율적인 수용을 위해서는 기존의 수소기술과 전력계통 및 에너지시장 운영의 패러다임 전환을 위한 종합적인 논의 필요하다고 생각된다. 진정한 수소경제의 구축은 수소 분야만의 기술로 이루어질 수 없으며 관련분야의 기술적, 인적인 교류가 활발하게 될 때에 진정한 수소경제로의 이행이 가능할 것으로 생각한다. 따라서, 본고는 우리나라에서도 수소분야, 전력계통운용분야, ICT 분야 등의 관련 분야 학문 및 기술 상호간의 융합을 통해 수소분야에서만 해결책을 찾지 말고 관련분야, 특히 전력계통 운영측면에서의 기술들이 그린수소에 의한 수소경제의 기반을 마련하는 데에 열쇠를 제공할 수도 있다는 공감대가 형성되었으면 하는 바램이다.
References
1. 최동원, “주요국과의 비교를 통한 국내 수소산업의 발전 방안 도출”, 에너지경제연구원, 2017 ENERGY FOCUS 2017년 봄호
2. HYDROGEN FROM RENEWABLE POWER, TECHNOLOGY OUTLOOK FOR THE ENERGY TRANSITION, September 2018, IRENA, www.irena.org
3. 신창훈, “한전 배전망운영시스템 개발 현황 및 신재생 연계 방안”, 산업교육연구소 기술세미나 2020. 4.22
4. World Energy Resources E-storage: Shifting from cost to value Wind and solar applications, World Energy Council, 2016
5. “독일의 국가 수소 전략 발표로 들썩이는 유럽”, 한경비즈니스 제 1282호 (2020.06.20 ~ 2020.06.26) 기사
6. 월간수소경제, ‘재생에너지 3020’ 성공 키는 ‘수소ESS’, 2019. 4.8,
https://www.h2news.kr/news/article_print.html?no=6770
7. National Infrastructure Commission report | Smart Power
https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/505218/IC_Energy_Report_web.pdf
8. ECOFYS Flexibility Tracker - Indicators for Power System Flexibility, Strommarkttreffen - VKU 05/08/2016, Berlin, Thobias Sach
9. Michel Archambault Director, Business Development, Hydrogenics, “Power to Gas Hydrogen Energy Storage to Leverage Infrastructure”, Electric Mobility Canada 2015 Halifax, Canada
기후변화에 의한 지구온난화 현상에 대처하기 위해 21세기 내에, 세계는 온도상승을 산업화 이전보다 최소 2℃ 이하로 낮추기 위해, 2015년 파리 기후당사국 총회인 COP21(conference of parties)에서 모든 국가가 온실가스 배출을 줄이기 위한 국가별 목표를 세워 실행하자고 하는 국가별 기여방안인 INDC(Intended Nationally Determined Contribution)를 설정하여 이의 매 5년 주기의 상향된 NDC 목표 제출의무를 결의하였다. 여기서 우리정부는 BAU(business as usual) 2030(2030년 CO2 배출예상량)의 37%를 줄이겠다는 목표를 제시한 바 있다.
미전화(未電化) 지역 및 전기 사용 인구의 증가, 빅데이터와 IoT 등에 의한 데이터 전송 및 컴퓨터 연산량의 증가 등으로 전기 사용량이 지속적으로 늘고 있으며, ICT(Information & Communication Technology)와 4차산업혁명이 촉발한 정보화 또는 디지털화 사회로의 전환으로 전기에너지 의존성은 더욱 커지고 있다. 이러한 전기에너지의 수요에 대응한 전기에너지의 생산이 화석연료에 의한 경우, 많은 온실가스를 배출하고 있어 기후온난화에 많은 영향을 미치고 있다. 이 때문에 재생에너지 도입을 늘려 기존 화석발전원의 양을 줄임으로써 기후변화 문제에 대처하고자 하는 것이 21세기의 전세계적인 추세인데, 이미 100%를 재생에너지로 공급하는 국가가 등장하고 있으며 가까운 미래에 대부분의 에너지를 재생에너지원으로부터 공급하겠다는 목표를 세우고 있는 국가가 늘어나고 있다.
전력의 생산에서부터 소비의 모든 단계는 선으로 연결되어 공간적 이동이 이루어지는데, 빛의 속도로 이동하는 전기의 속성으로 인해 생산과 동시에 소비가 이루어져야 하므로 공급과 수요의 균형(수급균형, 이 경우 우리나라 전력계통의 주파수는 60Hz를 유지)을 맞추는 것이 대단히 중요하다. 이와 같이 전력의 수급을 허용되는 범위(우리나라의 경우 주파수 60±0.2Hz) 내에서 균형적으로 유지하는 능력을 전력계통의 유연성(flexibility)이라고 정의하는데, 종래의 전력계통에서 수급균형은 변동하는 수요에 맞추어 발전력으로만 이에 대응하는 것이 가능했는데 이는 변동요소가 수요밖에 없었기 때문에 수요 변동에 맞추어 균형을 이룰 수 있도록 대형 집중형 발전기들(수력, 석탄, 가스 및 원자력 발전기 등)의 출력을 제어할 수 있었기 때문이다. 즉, 수요의 변동에 대해 발전력만으로 이를 추종하여 균형을 이루는 것이 가능하였다. 그러나 최근의 전력계통은 기존의 집중형 발전원과는 달리 태양광발전과 풍력발전과 같은 분산 발전원들이 많이 도입되었는데, 이 재생에너지원들의 경우는 태양의 변화와 바람의 변화에 따라 발전설비의 출력이 변동하는 간헐성과, 기상환경에 따른 출력의 변동성, 태양빛과 바람 자원이 좋은 곳을 택해 입지함으로써 생겨나는 지역편중성 등으로 인해 계통의 전기품질(주파수와 전압)을 저해하는 요소로 작용함으로써 계통의 유연성을 떨어트리게 된다. 더군다나 경제적, 기술적 요인으로 발전기의 출력변동 또는 정지를 하기가 어려운 대규모 발전원이 존재하기 때문에 도입된 재생에너지 발전시스템의 도입량이 늘어나게 되면 수요보다 많은 전력량이 생산될 수 밖에 없다. 이를 잉여전력이라고 하는데 이 잉여전력은 저장하지 않으면, 국가간 계통이 연계된 곳에서는 필요로 하는 곳으로 전송하여 활용이 가능하지만, 우리나라와 같이 고립된 계통에서는 출력을 제한할 수 밖에 없다. 한편으로는 이들 재생에너지가 발전을 할 수 없는 경우 또는 시간대에 대비하여 가스발전 및 석탄화력이 이들 재생에너지원의 출력을 대처해야 하는 모순이 생겨난다. 즉, 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 도입한 재생에너지 만큼의 화석연료 발전원이 동시에 준비되어야 한다.
이처럼 재생에너지는 온실가스 배출을 하지 않는 발전원이라는 긍정적인 효과와 함께 출력의불확실성, 간헐성, 지역편중 등으로 인해 계통에 접속되는 양이 늘어날수록 전력계통의 유연성을 떨어트리는 부정적인 영향도 크다. 이들 재생에너지의 계통 운영에 미치는 부정적인 영향을 해소하기 위한 방법이 있다면 21세기 에너지 산업의 화두인 3D 즉, Decarbonization(탈탄소화), Decentralization(탈중앙화 또는 분산화), Digitalization(디지털화)를 통해 에너지 사용으로 인한 지구온난화를 완화시키는데 큰 역할을 할 것이다. IRENA(International Renewable Energy Agency)에 의하면 그림 1에서와 같이 현재 각국의 에너지 정책 대비 재생에너지 도입과 에너지 효율향상을 통해 90% 이상의 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있다고 전망한다.
그림 1. 현재 정책 대비 재생에너지 로드맵에 따른 에너지관련 이산화탄소 배출 전망
본 기고는 이와 같은 세계적인 에너지 전환 흐름속에서 재생에너지 문제와 3D를 실현하는 방안으로 유럽과 미국의 캘리포니아를 중심으로 활발히 전개되고 있는 에너지 캐리어로서의 용도와 장점을 활용한 수소의 생산과 이용면에서의 재생에너지의 관계를 파악함으로써, 국내에서 급속히 전개되고 있는 수소경제를 기존의 천연가스에서 추출한 수소를 중심으로 한 활용에 중점을 두고 있는 것에서 탈피하여 재생에너지와 수전해에 의한 방법을 통해, 온실가스 배출이 없는 친환경적인 수소 즉, 그린수소를 생산하는 방법의 효과와 타당성에 대한 공감대를 형성하기 위한 목적으로 작성되었다. 전기분해에 의해 생산된 수소는 경제성, 기술적 한계 등으로 그렇게 주목받지 못했지만 오랜 기술개발을 통한 성숙된 기술을 기반으로 청정한 에너지 캐리어, 무한한 자원량, 수송, 연료, 산업 등 다양한 분야에서의 수요 증가와 함께 대량의 재생에너지 도입으로 생겨난 여러 가지 문제를 해결할 수 있는 자원으로 주목받고 있다. 이에 본고에서는 재생에너지의 본격 도입을 목표로 에너지의 전환단계에 있는 우리 전력계통에 P2G(Power to Gas)라고 하는 수소와 전해장치의 활용방법과 접근방법을 소개함으로써 우리가 추구해야 될 방향을 수소의 활용관점이 아닌 생산의 관점에서, 전력계통을 운영하는 측면을 고려한 재생에너지와 수소경제의 방향을 모색해보고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 수소의 종류와 그린수소의 정의
산업분야에서 연료로서 수소를 수십년 동안 사용해올 정도로 수소 산업은 성숙되어 있다. 수소는 생산방식에 따라 일반적으로 4가지 형태로 분류하는데, 그림 1은 이들 수소의 제조방법에 대한 간략한 개념도이며, 표1은 수소의 생산방법과 온실가스배출 관계를 요약한 것이다
그림1 수소의 제조방법[1]
그림 1의 생산방법으로 생산된 수소는 표1과 같이 색깔로 구분하기도 하는데, 여기서 색은 구분을 위한 용도로 사용된 것이며 표준으로 정해진 것은 아니다. 본고에서 논하고자 하는 것은 전기분해에 의해 제조되는 그린수소로, 이 때 사용되는 전기의 생산방법에 따라 여러 가지 의견이 제시되고 있다. 즉 그린수소는 생산과정에 투입되는 전기도 온실가스를 배출하지 않는 재생에너지로 한정하는 것이 그것이다.
표1. 수소의 분류[2]
| 분류 | 생산방법 | 온실가스배출 |
| 그린수소 | 100% 재생에너지로 물의 전기분해로 생산 | 온실가스 배출 제로 |
| 그레이수소 | 화석연료, 주로 천연가스로 부터 추출 | 수소 1톤당 5.5 톤의 CO2 배출 |
| 블루수소 | 그레이 수소에서 배출된 CO2를 CCS로 포집하고 생산 | CO2 배출저감 |
| 청록수소 | 메탄 열분해를 통해 생산 | CO2를 고체탄소화로 저장 |
2.2. 수소의 특성과 용도
기술적 관점에서 보면, 수소는 대량의 재생에너지를 전력분야에서, 재생에너지가 아니면 탈탄소화가 어려운 수송, 건물, 산업 등과 같은 전화(electrification)를 위한 여러 분야로 전환할 수 있게 해주는 가교 역할을 하고 있다.
그림 2. 수소에 의한 변동성 재생에너지의 통합[2]다시 말하면 수소는 변동성 재생에너지가 전력계통에 통합될 때 유연성을 증가시켜 전력시스템과 산업, 건물, 수송 시스템 간의 통합에 공헌할 수 있다(그림2) (이에 대한 상세한 내용은 전해장치에서 다루기로 한다). 표 2는 재생에너지 도입에 따른 문제에 대한 대책관점에서 본 수소의 특성을 정리한 것이다.
표 2. 재생에너지 도입에 의한 계통영향과 수소의 특성
| 구분 | 재생에너지 도입에 의한 계통 영향 | 수소의 특성 |
| 특성 |
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|
대량의 재생에너지를 도입하고 있는 국가들은 자신의 계통에서 사용될 수 없는 잉여전력을 활용, 물을 전기분해하여 수소를 생산하거나 생산된 수소를 공기 중의 이산화탄소와 반응시켜 메탄 등의 연료 형태로 변환하여 저장 및 이용하는 기술에 착안하였는데 이를 P2G(Power to Gas)라고 한다. 최근에는 더 나아가 이를 연료전지 등을 활용하여 전력으로 다시 생산하는 Power to gas to Power로 발전되고 있다.
수소의 대표적인 특징으로는 그림 3에서 알 수 있듯이, 현재 저장장치로 가장 많이 이용되고 있는 배터리 저장시스템에 비해 저장 밀도가 수백배에 이르고 장기 저장이 가능한 특성을 들 수 있는데, 이를 기반으로 에너지의 효율적인 사용과 재생에너지 이용률을 최대화 할 수 있다.
그림 3. 성능 특성에 따른 에너지 저장 기술 비교[4]
수소의 저장능력을 활용하면 재생에너지의 이용률 향상과 함께 재생에너지가 계통에 미치는 영향을 상당부분 완화하고 탄소배출 저감에 크게 공헌할 수 있다. 이런 저장능력과 다양한 용도 때문에, 생산된 모든 종류의 수소는 활용하는 과정에서는 온실가스를 배출하지 않기 때문에 독일의 경우는 당분간 그린수소 뿐 아니라 블루수소를 포함한 과도기 과정을 거칠 계획을 수립하고 P2G를 기반으로 하는 국가수소전략을 발표하였다[5].
2.3. 재생에너지가 전력계통에 미치는 영향과 유연성의 확보
세계의 에너지 시스템은 기후변화 파리 총회에서 결정된 목표를 달성하기 위해 에너지 정책의 큰 변화를 겪고 있다. 즉, 기후변화 위기가 가속화됨에 따라 세계 각국 정부는 재생에너지 확대기조가 형성되었고, 이 중심에 태양광과 풍력과 같은 변동성 재생에너지가 중심이 되고 있는데, 우리나라도 제 3차에너지 기본계획에 따라 2040년 30%~35% 수준의 도전적 재생에너지 도입 목표를 설정하였다. 그러나 도입하는 재생에너지의 대부분이 태양광과 풍력을 기반으로 하고 있는데, 이들 재생에너지는 기상 및 기후에 영향을 받기 때문에 출력의 간헐성, 변동성, 지역편중성 등으로 인해 전력계통의 안정성을 해칠 뿐만 아니라 과잉생산 되는 경우 이는 활용할 수 없다. 이렇게 버려지는 전력량이 독일의 경우 2017년 한 해 동안 4.65TWh, 중국의 경우 2016년 53.2TWh(우리나라 한해 전력사용량의 약 10%)에 이르고 있다[6]. 그림 4는 우리나라 재생에너지 정책인 3020 정책에 따라 나타나게 될 부하곡선의 변화와 최대 변동성을 보여주는 그림으로, 재생에너지를 도입함에 있어 대책이 필요함을 보여 주고 있다.
그림 4. 순부하 변화 전망(왼쪽)과 재생에너지 2030 목표달성 시의 영향(오른쪽) (전력거래소)[3]
전력계통의 운전목표는 다양한 에너지원을 시간적 공간적으로 대응(균형)이 이루어 질 수 있도록 하는 것인데, 지금까지의 전력계통은 제어가능한 발전자원으로 전기사용자의 수요에 추종하여 균형을 맞추어 왔다. 여기서 변동요인인 수요 변동에 대응하여 균형을 이룰 수 있도록 하는 능력을 유연성이라고 한다. 구체적으로는 주파수와 전압을 허용범위 내에서 유지하는 능력이다.
과거의 집중형 대형 전원이 주를 이루던 시기에는 에너지의 흐름이 한 방향이었지만 지금의 재생에너지를 기반으로 하는 분산전원이 혼재된 계통에서는 에너지의 흐름이 수시로 변동한다(그림 5). 따라서, 전력계통 변화와 함께 유연성 자원의 확보와 대응방법도 변화가 필요하게 되었다.
그림 5 종래의 계통(왼쪽)과 미래 계통(오른쪽)에서의 전력 흐름의 변화[7]
그림5에서 종래의 계통에서는 유연성(수급균형)은 출력 제어가 가능한 발전기(중앙급전발전기)가 담당하였지만 그림 5의 오른쪽 그림에서 보듯이 재생에너지원들이 계통에 접속되면서 변동요소가 더 커짐에 따라 이 유연성의 양들도 더 확보되어야 하는데 수요의 급격한 변동에 대응하기 위해 발전기를 무한정 늘릴 수가 없으며, 재생에너지의 계통접속이 늘어날수록 그림 6과 같이 유연성이 부족하게 된다. 이와 같은 유연성 부족의 갭을 대체하기 위한 수단으로 사용되는 것이 저장시스템과, 수요자원 즉, 전기사용 설비, 분산발전원 등인데, 이중 수요자원은 이미 시설되어 있는 전기장치의 전력사용량을 제어함으로써 변동성 재생에너지원의 간헐성과 출력변동성에 대응할 수 있다. 그림 6에서 처럼 유연성을 경제적으로 확보할 수 있는 가장 풍부한 공급원은 수요자원인데, 수전해장치가 이 대응능력이 우수한 것으로 입증되어 있어서 독일의 경우는 2035년까지 수전해장치를 10GW규모로 확보할 계획을 발표하였다[6]. 우리나라도 수요자원 시장을 다양화하여 전기품질을 제어하는 용도의 기능성 수요자원 시장을 준비하기 위한 실증연구를 수행하고 있다.
그림 6 재생에너지 도입에 따른 유연성 갭(왼쪽)과 공급가능한 유연성(오른쪽)[8]
2.4. 수전해장치의 특성과 활용
수전해장치는 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 장치다. 여기에 사용되는 전기가 재생에너지원으로부터 생산된다면 그 수소는 전기의 보완재인 재생에너지의 캐리어가 된다. 수소는 재생 가능한 전력의 저장원이 되는 풍력 및 태양광 발전에 대응하도록 전력 소비를 조정할 수 있으므로 수전해장치는 변동성 재생에너지를 전력계통에 통합 할 수 있는 유연성을 공급해 줄 수 있다. 따라서 산업 및 운송 부문 등의 늘어나는 수소 수요에 대응하여 온실가스 배출없이 그린수소를 생산함과 동시에 계통의 수급균형기능(주파수 조정)을 제공 할 수 있다. 수전해장치 기술은 수십년 동안 지속적인 개발이 이루어지고 있는 확립된 기술이다. 그림 7은 이의 성능 즉 계통의 주파수 변동에 따른 대응능력을 보여 주는 것인데 이미 독일에서는 주파수 조정을 위한 예비력 능력을 인증 받았다.
그림 6. 전해장치의 응동 특성에 대한 테스트[9]
2.5. 전력계통 운영 측면에서의 수소경제 대응 방향
전기자동차는 친환경 수송수단으로 인식되고 있으며 세계 각국은 전기자동차의 도입확대를 위해 각종 보조금 제도를 비롯한 세제, 충전설비 등의 각종 지원 정책을 펴고 있다. 이 전기자동차에 공급되는 전기는 재생에너지로 생산된 전기만 사용하지 않는다. 즉, 완전한 친환경 수송수단이 아니지만, 적어도 운행 과정에서는 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 전기자동차는 친환경 수송수단으로 받아들여지고 있다. 마찬가지로, 수소 생산을 위해 수전해장치에 사용된 전기가 어떻게 발전되
었는지에 관계없이 생산된 수소는 사용과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는다. 따라서 그린수소라고 정의 하는 부분을 재생에너지를 확대하는 단계에서 어떻게 정의 하느냐에 따라 전기자동차와 같이 수소의 정책적인 방향이 많이 달라질 수 있다.전기자동차나 수전해장치 모두, 많은 전기를 사용하는데 현재로서는 대부분의 국가에서 생산하는 전기는 화석연료의 의존도가 높다. 이 화석연료 의존도를 낮추어 온실가스 배출량을 줄이기 위해서는 재생에너지의 도입이 절대적인데, 앞에서 밝혔듯이 도입되고 있는 재생에너지의 대부분은 태양광, 풍력과 같은 변동성 재생에너지여서 전력계통의 안정성과 품질문제를 일으킬 뿐만 아니라, 대부분의 나라에서 아직 발전단가가 기존의 화석연료 발전에 비해 비싸며, 이 전기를 사용하여 전기분해를 통해 생산되는 수소는 경제성이 낮을 수 밖에 없다. 그러나 탄소배출에 대한 환경비용을 감안하면 그레이수소가 생산과정에서 온실가스를 배출하는데에 대한 가격경쟁력이 개선될 수 있는 부분이 있고, 수전해장치를 전력계통에서 수요자원으로서, 또 생산된 수소를 에너지 저장매체로서 활용하는 방법을 통해 부가가치를 획득함으로써 경제성을 확보할 수 있다. 이를 통해 재생에너지 보급 속도를 높이는 유연성을 계통에 공급함으로써 재생에너지 도입에 따른 유연성 부족 문제를 해소할 수 있다. 따라서, 100% 친환경 전력생산 환경이 구축되어 진정한 그린수소가 생산될 때까지의 전환과정에서는, 생산과 소비의 시간적 갭을 메우기 위한 수단으로 수소의 저장능력과 연료전지를 사용한 전력으로의 변환능력을 활용하고, 수전해장치를 전력계통에서의 유연성자원으로 활용하여 부가가치를 확보함으로써 수전해에 의한 수소의 가격경쟁력을 확보할 수 있는 방법을 전력계통운영에서 찾아야 할 시점에 있다고 생각된다.
3. 결론
기후변화에 의한 대책으로 재생에너지를 기반으로 하는 에너지 패러다임의 전환기에 있는 지금, IoT(Internet of Things), 빅데이터, 클라우드, 인공지능 등의 4차산업혁명의 핵심기술이 탈탄소화, 탈중앙화, 디지털화를 실현할 수 있게 해주고 있다. 이 기술들을 바탕으로 분산화 된 자원을 초연결 상태로 만들어 한개의 자원처럼 제어함으로써 계통의 유연성을 경제적으로 또 친환경적으로 구축할 수 있는 방법을 모색하고 있다. 여기에 재생에너지의 보급 확대를 통해 탈탄소화를 추진하고 있는 에너지 전환기에서의 핵심 자원으로서의 역할을 수소에서 찾고 있는 것이 세계적인 흐름이며, 수전해장치를 계통운영의 유연성 공급원으로 활용함으로써 부가가치를 확보하여 그레이수소와의 가격차를 줄임과 동시에, 100% 친환경 전력생산 시기를 앞당길 수 있는 도구로서 수소의 활용방안을 추구하고 있다.
지구온난화 방지에 기여할 수 있는 방법을 재생에너지와 수소분야에 찾고 있는 세계적인 흐름을 관찰하면서, 재생에너지의 안정적이고 효율적인 수용을 위해서는 기존의 수소기술과 전력계통 및 에너지시장 운영의 패러다임 전환을 위한 종합적인 논의 필요하다고 생각된다. 진정한 수소경제의 구축은 수소 분야만의 기술로 이루어질 수 없으며 관련분야의 기술적, 인적인 교류가 활발하게 될 때에 진정한 수소경제로의 이행이 가능할 것으로 생각한다. 따라서, 본고는 우리나라에서도 수소분야, 전력계통운용분야, ICT 분야 등의 관련 분야 학문 및 기술 상호간의 융합을 통해 수소분야에서만 해결책을 찾지 말고 관련분야, 특히 전력계통 운영측면에서의 기술들이 그린수소에 의한 수소경제의 기반을 마련하는 데에 열쇠를 제공할 수도 있다는 공감대가 형성되었으면 하는 바램이다.
References
1. 최동원, “주요국과의 비교를 통한 국내 수소산업의 발전 방안 도출”, 에너지경제연구원, 2017 ENERGY FOCUS 2017년 봄호
2. HYDROGEN FROM RENEWABLE POWER, TECHNOLOGY OUTLOOK FOR THE ENERGY TRANSITION, September 2018, IRENA, www.irena.org
3. 신창훈, “한전 배전망운영시스템 개발 현황 및 신재생 연계 방안”, 산업교육연구소 기술세미나 2020. 4.22
4. World Energy Resources E-storage: Shifting from cost to value Wind and solar applications, World Energy Council, 2016
5. “독일의 국가 수소 전략 발표로 들썩이는 유럽”, 한경비즈니스 제 1282호 (2020.06.20 ~ 2020.06.26) 기사
6. 월간수소경제, ‘재생에너지 3020’ 성공 키는 ‘수소ESS’, 2019. 4.8,
https://www.h2news.kr/news/article_print.html?no=6770
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7. National Infrastructure Commission report | Smart Power
https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/505218/IC_Energy_Report_web.pdf
8. ECOFYS Flexibility Tracker - Indicators for Power System Flexibility, Strommarkttreffen - VKU 05/08/2016, Berlin, Thobias Sach
9. Michel Archambault Director, Business Development, Hydrogenics, “Power to Gas Hydrogen Energy Storage to Leverage Infrastructure”, Electric Mobility Canada 2015 Halifax, Canada