[인터뷰] 김성수 에너지기술평가원 신재생융합PD

2022-01-09

“열에너지 탈탄소화 시급…P2H 등 섹터커플링기술이 대안”
계통 불안정성 극복… 안정적인 전력 공급 기여

‘탄소중립 기술로드맵’은 2050 탄소중립 시나리오의 감축이행을 기술적으로 뒷받침하기 위한 기술개발 목록이다. 실수요에 기반한 기술개발 과제 발굴로 이행의 효용성 제고하고 장기적이고 체계적인 기술개발 전략으로 비전을 제시하고 있다.

아직 확보되지 않은 기술과 개념적인 내용도 포함돼 있는 것이 특징이다. 섹터커플링 등 열분야 기술개발을 적극 지원하고 있는 김성수 에너지기술평가원 신재생융합PD를 만나봤다.

■ 열에너지에 기술에 집중한 이유는
국내 최종에너지소비의 약 30% 이상(REN21, 50%)을 차지하는 열에너지의 탈탄소화가 중요하다. 열에너지의 90% 이상이 화석연료에 기반하고 있으며 산업부문 에너지소비에서 열에너지의 비중은 약 68%에 달한다. 탈탄소화를 위해 열에너지 활용 확대를 위한 열에너지 공급 및 저장, 플랫폼 혁신이 필요하다.

태양열, 지열, 수열 등 재생열에너지를 기저로 활용하고 전기화(P2H) 및 P2F(연료화)를 포함하는 섹터커플링 기술개발이 핵심적인 사항이다.

저온영역인 재생열에너지를 중·고온으로 활용하기 위한 히트펌프, 전기히터기술과 고온 열저장을 위한 용융염, 고상, 상변화물질 기반 열저장 및 전력변환에 필요한 카르노 배터리기술들이 이번 로드맵에 포함됐다.

■ 섹터커플링은 어떤 기술인가
재생에너지는 기상에 따라 발전량이 변화하는 변동성 재생에너지(VRE: Variable Renewable Energy)로 비중 확대 시 덕커브현상, 램핑현상, 계통 관성저하 등 계통의 불안정성 극복이라는 새로운 도전과제에 직면한다. 이를 해소해 안정적인 전력공급을 위한 평활화, Time-shift 등의 유연화 계획 수립 및 기술개발이 필요하다.

변동성재생에너지 확대에 따른 전력수급 균형(power balance)과 전력계통의 신뢰도 유지를 위해서는 발전량을 조절하는 공급 유연성뿐만 아니라 수요를 조절하고 재생에너지를 타에너지로 변환·활용하는 섹터커플링(전력-非전력 부문간 연계)기술 도입이 시급하다.

섹터커플링기술은 융합기술(P2X)로 그린수소 생산 및 저장, 활용(P2Gas), 전기차 배터리 저장 및 충·방전서비스(V2G, P2M), 히트펌프 및 전기보일러 등을 활용한 열생산 저장(P2Heat ) 등이 있다. 

이를 통해 재생에너지 초과전력 전환·저장·활용(가스·전기·열)으로 계통유연화(P2X)를 구축하고 물리, 기계적 에너지저장자원 확보(55TWh/50yr)로 재생에너지 주력전원화를 뒷받침한다.

■ P2H는 어떤 기술인가
재생에너지 잉여전력 부문간 연계(섹터커플링) 기술개발로 4년간 290억원의 예산을 확보했다.

세부사업내용은 △플러스DR 신규 자원 기술개발 및 실증 총괄 △재생에너지 출력제한(Curtailment)을 이용한 P2Heat 기술개발 △전기자동차 배터리 활용 스테이션 구축 및 스마트 충·방전 시스템 개발실증 △집단에너지 연계 전기보일러 구동 전력-열 변환 및 저장 기술개발이 있다.

일부기술은 기술성숙도가 높아 제도적 지원(플러스DR)이 있으면 현장적용이 가능하다. 다만 열에너지의 고온저장, 수전해 기술, 열의 재전력화 기술은 신뢰성과 안정성, 기술진보를 위한 개발이 필요하다.

■ 차세대 고밀도 열저장기술은
전통적인 열에너지저장은 물의 현열저장 등이 사용돼 왔으며 주로 단주기, 소용량 저장이다. 물의 현열저장은 다른 에너지전환 방식대비 안정성, 효율성, 경제성은 우수하나 이러한 방식은 저장밀도가 낮고 열손실이 지속적으로 발생되는 단점을 갖고 있다.

장주기 대용량 열저장기술로는 용융염 기반 열저장기술, 고상 상변화물질 기반 및 열화학 열저장 기술, 카르노배터리 기술 등이 있다.

용융염 기반 열저장 기술은 독일 DLR이 NaNO3 용융염 혼합물을 이용한 열저장 시스템을 개발해 700kWh pilot 실험을 수행 후 스페인 Litoral 플랜트에 적용했다. 질산나트륨(Sodium nitrate), 질산칼륨(Potassium nitrate) 등을 일정 비율로 혼합한 Solar Salt, HITEC 등의 용융염 상용화로 550℃까지 대응할 수 있다.

고상, 상변화물질 기반 및 열화학 열저장기술은 고상 입자 열저장, EU HIFLEX 프로젝트로 진행 중이다. 2023년까지 700℃ 대응 가능한 저비용 고체 입자 열저장 기반 유연 CSP 프로토타입 플랜트 개발이 목표이며 이를 통해 저장 밀도 2.5배 향상 및 비용 50% 절감한다는 계획이다. EU Next-CSP 프로젝트도 진행 중이다. 이는 2021년 750~800℃ 입자를 열전달 유체 및 저장 매체로 사용하는 신기술을 개발하고 CSP 플랜트에 통합해 열역학 발전효율 50% 이상, CSP 플랜트 효율 20% 개선 및 발전단가 38% 감소가 목표다.

카르노 배터리기술은 유럽을 중심으로 재생에너지의 효율적 활용으로 발전제약문제를 극복할 수 있으며 재생에너지 변동성 흡수로 전력망 안정성 확보를 목적으로 연구가 진행되고 있다. 독일 DLR이 석탄화력 Retrofit(석탄화력 발전소를 장주기 대용량 전력저장 플랜트로 개조) 개념설계 및 기본 엔지니어링을 진행해 2021년pilot plant를 건설했다.

■ 열저장 기술의 기술력을 평가한다면
저온열 저장기술은 성숙기술이며 축열조, 계간축열 등 열저장 매체 개발 등이 진행됐다. 400℃ 이상 고온 열저장 및 필요 시 열 또는 전력으로 변환해 공급하는 기술은 기술수준(TRL)이 낮은 단계다. 현재 (초)고온 열저장분야는 연구소와 학교 중심의 기초 연구를 통해 진행 중이며 국내 산업계에서도 (초)고온 열저장기술 및 사업에 대한 관심 증대되고 있다.

국내기술은 히트펌프를 비롯한 발전 플랜트 주기기 및 엔지니어링 역량을 보유하고 있어 (초)고온 열저장기술과 함께 개발에 집중 투자 시 글로벌 역량 보유도 가능할 것으로 전망된다. 최근 석탄화력 레트로핏 및 재생에너지 변동성 이슈 확대에 따라 일부 업계의 관심이 높아지고 있다.

열저장 기술은 생산과 수요간 불일치(Mismatch)를 해결하고 소재-성형-시스템-운용기술 등 새로운 산업 육성이 가능해 향후 재생에너지 발전제한의 약 30%(2050년)를 열저장으로 수용하는 것을 목표로 하고 있다.

■ 에너지하베스팅은 어떤 기술인가
2050년 넷-제로 달성은 현존하는 기술뿐만 아니라 혁신적인 미래기술 개발이 필요하다. 이를 위해 미활용 주변에너지를 수확해 전기에너지로 변환, 활용하는 하베스팅 기술개발 추진하고 있다.

하베스팅 기술은 생산방식에 따라 압전소자, 열전소자, 광전소자, 전자파정류 등을 이용한 전력생산 기술로 구분할 수 있으며 생활에너지이용 에너지자립화율 15%/50yr를 목표로 하고 있다.



강은철 기자 eckang@kharn.kr
저작권자 2015.10.01 ⓒ Kharn


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