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전기연구원(KERI) It, Tem (6)수소발전 및 수소 분산전원 기술
수소에너지, 차세대 친환경 고효율 에너지 대안 부상
미세먼지와 지구온난화 문제는 오늘날 인류생존을 위협하는 문제로까지 다가왔다. 전기를 생산하고 전달하는 전력기기에도 환경문제를 일으키는 요소가 있다. 성능만을 추구하던 과거와는 달리 전력기기의 설계요소가 환경을 고려하지 않으면 안 되는 시대가 됐다. 친환경적인 설계요소는 비용은 높고 성능은 낮다는 이유로 전력기기 개발은 더욱 어려워지고 있다. 이러한 환경문제를 개선하기 위해 한국전기연구원 전력기기연구본부가 어떠한 노력을 기울이고 있는지 ‘친환경 전력기기 기술’, ‘전력 반도체 기술’, ‘초전도 케이블 기술’, ‘수소발전 및 수소 분산전원 기술’ 등 4가지 주제로 소개한다.

수소발전 및 수소 분산전원 기술

에너지원의 관점에서 보면 인류는 처음에는 태워서 쉽게 얻을 수 있는 열에너지를 확보했다. 그 후 열에너지를 기반으로 좀 더 진보된 기술로 얻을 수 있는 전기에너지를 확보해 사용하고 있다. 인류의 문명이 발달할수록 전기에너지의 활용성이 높아졌고, 현재는 대용량의 전기에너지를 얻기 위해 원자력발전을 활용하고 있다. 그러나 석탄 화력발전의 환경문제와 원자력 발전의 안정성 문제가 대두되자 이를 극복하기 위한 친환경이면서 고효율인 새로운 에너지원의 필요성이 높아졌다. 최근 우리나라는 대규모 발전 및 송전 설비에 의존한 전력공급체계로 인한 지역주민과의 사회적 갈등과 후쿠시마 원전 사태, 경주 대지진, 미세먼지 등의 문제를 경험했다. 또한 온실가스 저감을 위한 파리협약과 같은 국제 사회와의 협력에 동참해야하는 상황에 놓여있다.

최근 우리나라는 대규모 발전 및 송전 설비에 의존한 전력공급체계로 인한 지역주민과의 사회적 갈등과 후쿠시마 원전 사태, 경주 대지진, 미세먼지 등의 문제를 경험했다. 또한 온실가스 저감을 위한 파리협약과 같은 국제 사회와의 협력에 동참해야하는 상황에 놓여있다. 이를 위해 정부는 탈원전, 탈석탄을 동시에 추진하고 2022년까지 미세먼지 배출량의 30% 저감과 2030년까지 신재생에너지 발전비율을 20%까지 올린다는 에너지 전환 정책을 내놓았다. 태양광과 풍력 발전과 같은 신재생에너지는 이에 대한 좋은 대안으로 제시되었지만, 날씨와 같은 자연환경의 제약으로 불안정한 전력생산이 문제로 뽑혔다. 이로 인한 전력 변동성은 전력계통의 불안정을 초래하게 됨을 여러 선진국의 사례를 통해 쉽게 예상할 수 있다.
이러한 국가적 환경에서 수소에너지는 복합적인 에너지 문제를 해결할 수 있는 차세대 친환경 고효율의 새로운 에너지로 제시되고 있다. 수소연료전지를 기반으로 한 수소발전의 발전효율은 45%이상이고 열까지 고려한 종합효율은 85%이상을 가지며 가스와 미세먼지를 각각 60%, 99% 저감할 수 있는 고효율 친환경 발전이다. 또한 기존 신재생에너지와 비교해 365일 24시간 상시 발전이 가능하여 간헐성 문제가 없으며, 신재생에너지에 비해 100배 이상 적은 설치 면적으로 최고의 공간 효율성을 갖는다. 전력수요가 높은 수요지 인근에서 설치가 용이하기 때문에 송전손실이 적으며, 시설에 대한 주민 수용성 또한 높다. 그렇기 때문에 수소발전은 도심 발전에 있어서 송전 철탑을 줄일 수 있는 최적의 고효율 친환경 분산전원 해결책이라 할 수 있다.
수소에너지로의 패러다임 전환은 현재의 환경오염을 동반한 대형, 중앙 집중형인 전력 발전에서 친환경 소형, 분산형으로 전환시킬 것이다. 그 과정에서 수소는 다음과 같은 역할을 할 수 있다. 첫째, 수소는 전기 에너지의 효율적 활용을 위한 대용량 장시간 에너지 저장체 역할을 한다. 둘째, 수소는 도시 가스로부터 추출되어 수소연료전지를 통해 전력 생산이 가능하므로 이는 도시가스 에너지 네트워크와 수소 에너지 네트워크 그리고 전기 에너지 네트워크를 연결하게 된다. 즉, 서로 다른 에너지 네트워크를 연결시켜 서로간의 생산과 전환이 가능한 유연한 에너지 운반체의 역할을 한다. 셋째, 이렇게 서로 다른 에너지 네트워크 연결은 결국 수요와 공급의 에너지 유통 네트워크까지 연결되므로 전체 에너지 시스템에 유연성을 부여하는 에너지 균형체의 역할을 할 것이다.

한국전기연구원이 위치한 경상남도와 창원시의 경우 각각 ‘수소산업 육성으로 수소 경제 활성화’와 ‘수소산업 특별시 건설’이라는 비전을 갖고 지역적 특성에 맞게 수소 산업 인프라와 연구를 진행하고 있다. 현재 창원은 국내 최고의 수소차 인프라를 갖추고 수소 도시를 선도하고 있으며, 경남에는 통영 LNG 기지를 중심으로 한 수소 생산과 삼천포 화력 발전소에 대한 친환경 발전으로의 대체 그리고 경남의 제조업을 기반으로 하는 수소산업체 활성화 계획을 추진 중이다. 이처럼 한국전기연구원은 지역의 유관 기관인 경상남도, 창원시, 경남테크노파크, 창원산업진흥원과 함께 로드맵 작성 등의 지역 수소산업 육성을 위한 정책 수립과 연구 R&D분야에 협력하고 있다.
현재 진행 중인 한국전기연구원의 수소연료전지 관련 R&D를 요약하면 다음과 같다. 연료전지는 반복적인 운전 과정을 거치며 화학적 물리적 손상으로 스택이 열화가 되어 수명이 단축된다. 이미 오랜 기간 연구 개발의 결과로 다양한 형태의 연료전지가 개발되어 실제 운영되고 있지만, 여전히 내구성 향상을 위한 연구는 계속하고 있다. 이에 테스트 베드를 구축하여 다양한 열화 원인을 규명하고 해결할 수 있는 방법을 찾고 있다. 또한 전력 계통에 연결된 수소발전시스템의 고장으로 부터 발전 설비를 보호하고 안정적인 장기 운전을 위한 계통 차원에서의 능동적인 대처가 필요하며, 이를 위한 수소발전 시스템의 진단 및 분석 기술이 중요하다. 기존 전력기기의 진단 및 분석 기술과 고효율 전력변환 장치기술을 바탕으로 향후 수소그리드에서 안정성과 보안성을 확보할 수 있는 연구가 진행 중이다. 그리고 풍력, 태양광 등의 신재생에너지의 잉여 전기를 저장하는 배터리 기반의 ESS 시스템에 수전해로 생산된 수소를 장기적으로 저장하고 필요에 따라 연료전지로 발전할 수 있는 차세대 수소-ESS에 대한 기술이 중요하다. 이를 위한 저온·고압 기술이 융합된 차세대 고효율 저온고압 수소 저장 기술 연구를 준비하고 있으며, 기존 계통에 연결되어 운영되는 ESS에 P2G 기술이 결합된 실증시험도 계획하고 있다.
한국전기연구원은 경상남도와 창원시와의 협력을 통해 수소발전 및 분산전원 분야에서 지역의 연구기관과 기업체와 협력하여 핵심 부품의 국산화 연구개발을 통한 신산업 창출에 공동으로 노력할 것이다. 또한 한국전기연구원은 울산, 부산, 창원, 진주, 통영, 광양, 여수, 광주로 이어지는 동남권과 호남권을 연결하는 남해안 수소에너지 벨트를 시작으로 우리나라 전체 수소에너지 벨트를 구축하는데 국책연구원으로서의 역할을 다 할 것이다.

작성 : 2019년 06월 10일(월) 09:50
게시 : 2019년 06월 11일(화) 10:18




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