P2G제곱

재생에너지 저장방식을 P2G에서 찾다 에너지 저장장치는 신재생 에너지와 전력 시스템 간의 조화로운 통합을 위한 수단

김철현 이은혜 한다은 진기욱

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목차

문제제기

POWER TO GAS

탐방

결론

P2G란 무엇인가? P2G의 원리 왜 P2G인가?

수소연료전지 산학연협력센터 포항공과대학교 KIST 6월 썬빌리지 포럼 7월 울산 그린 수소에너지 포럼 Energiepark Mainz (독일) Viessmann MicrobEnergy (독일) Fraunhofer IWES (독일) WaterstofNet (벨기에) Electrochaea (덴마크)

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에너지 자원빈국, 대한민국 에너지 자립국으로 가는 길 대용량 에너지저장시스템의 필요성

P2G제곱의 활동 P2G제곱의 제안 P2G시스템의 적용효과

문제제기

01/ 에너지 자원빈국, 대한민국

02/ 에너지 자립국으로 가는 길

03/ 대용량 에너지 저장 시스템의 필요성

Power to Gas, Peer to Green

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현실을 보다

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문제제기

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우리나라의 에너지 소비량은 2억 7300만 TOE(석유환산톤)으로 세계 9위이다. 그러나 전체 에너지원 중 97%를 수입에 의존하고 원유 수입량은 세계 5위로 석유 의존도가 매우 높다.

한국가스연맹 ‘에너지 주요 통계’, 2014

국내 총수입 5160억 달러 중 에너지원 수입이 1800억 달러로 34%를 차지한다.

산업통상자원부, 2013

전체 에너지 공급량 중 신재생 에너지 공급량이 1.1%로 OECD 회원국 중 꼴지를 차지했다. OECD 평균은 9.2%이다. 더욱이 1990년부터 1.1%로 25년간 1% 수준을 계속 유지해왔다.

국제에너지기구(IEA) ‘2015 재생에너지 보고서’

에너지안보 수준이 129개국 가운데 103위를 기록했다. 세계에너지협회(WEC), 2013

석유소비량은 세계 8위이고 국민 1인 당 소비량은 5위이다. 이것은 전체 세계 소비량의 2.7%이다.

BP ‘세계 에너지통계 보고서’, 2014

에너지 자원이 곧 국력이 되어가고 있는 국가간 경제 외교 관계에서 우리나라는 에너지 자원이 부족한 현실에 비해 오히려 과소비 하고 있는 상황이다.

* 에너지안보 :

탄소배출권 문제로 난색을 표했던 미국, 중국을 포함하여 195개의 국가가 만장일치로 파리기후협약에 서명하였다. 많은 국가들이 서명에 참여하는 것은 기후변화 대응에 대한 전 세계적 의지 결집을 나타낸다고 할 수 있다. 따라서, 교토의정서 이후로 파리 기후 협약은 세계 산업계 전반에 미치는 영향이 점점 증가하게 될 것이다. 또한, 향후에는 이산화탄소 규제에 단계적인 절차를 거쳐 강제성을 띠게 될 것이기 때문에 천천히 준비하면서 체크해 나갈 필요가 있다.

교토의정서 파리기후협약

* 탄소배출권:

탄소배출권(Certified Emission Reductions)은 강제성을 띠게 될 것

파리기후협약이 만들어 낼 새로운 경제질서를 대비하여야 한다.

에너지는 국가경제를 뒷받침하는 데 불가 결한 것이며, 국가의 안전보장과 깊이 결부되어 있기 때문에 에너지의 안정적이고도 합리적인 공급이 중요하다는 인식이다.

지구온난화의 주범인 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 등 온실가스를 배출할 수 있는 권리를 말한다. 온실가스 중에서 이산화탄소가 비중이 가장 높아 대표적으로 이산화탄소 배출을 규제하기 위한 것이다.

에너지 자원빈국, 대한민국

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문제제기

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파리협정

195개국이 만장일치로 온실가스 배출을 제한하기로 결정

2030 에너지 신산업 확산전략

기후변화 대응 및 재생 에너지 분야에 2020년까지 19조 원을 투자할 계획

2030년에는 관련 시장 규모가 100조 원 대까지 상승할 것으로 추산

2015년

2020년

석탄 60원 원자력 120원 태양광 140원

풍력 90원

석탄 80원 원자력 130원 태양광 80원 풍력 70원

1kWh당 발전단가

국제에너지기구(IEA)

석탄 33.3% 증가 원자력 8.3% 증가

태양광 42.9% 감소 풍력 22.2% 감소

우리나라 정부는 2030년 온실가스 예상 배출량 대비 37%를 줄이겠다는 안을 파리총회에 제출

전세계적으로 청정에너지 관련 분야에 투자가 증가해 그 발전단가가 크게 낮아질 것이기 때문에 신재생 에너지 사용량이 늘어날 것이다.

에너지 자립국으로 가는 길

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문제제기

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전력공급과 수요를 맞추기 위해 에너지 저장 기술의 발전이 중요하다

Q. 신재생 에너지의 문제점과 그 원인은 무엇인가요?

Q. 수소에너지가 최근에 신재생 에너지로 각광받는 이유는 무엇인가요? 그리고 이 점이 P2G에 있어 어떤 영향을 끼치나요?

신재생 에너지에 대한 전력 의존도가 20~30%정도 되면 전력공급의 불

안정성 때문에 경제적으로 굉장한 손실이 발생할 수 있다. 공급이 불안정하면 수요를 맞추기 힘들다는 것이다. 전력의 공급과 수요를 맞추기 위한 해결책으로는 4가지 정도가 있다. 첫째, 그리드(전력망)를 확장하는 것인데, 그리드를 확장하려면 송전선로가 필요하고 이것은 비용이 매우 많이 들 뿐 아니라 우리나라의 경우 3면이 바다라 북쪽으로 그리드를 연결할 수 있는 방법이 없다. 또한 역조류의 문제점으로 인해 전력계통에 문제가 올 수도 있다. 즉, 컨트롤 할 수 있는 소스가 필요하게 된다. 둘째, 백업 전원이 있으면 가능하다. 피크전원에 맞춰 전력을 생산하면 해결될 수 있는 부분이다. 셋째, 수요를 줄이면 되는데, 간단히 말하면 전기를 덜 쓰면 된다. 마지막으로, 전력을 저장해주는 시스템이 있으면 해결 가능하다. 총 네 가지 방법 중에서 첫째, 셋째 방법은 실현 불가능하거나 문제의 초점에서 벗어난 경우이다. 두 번째 방법은 전력 불안정 문제를 핵심적으로 해결했다고 보기가 어렵다. 결국 에너지 저장기술이 마지막 방안으로 꼽을 수 있다. 우리나라는 아직 신재생 에너지 의존율이 적기 때문에 괜찮지만, 가까운 미래에 유럽만큼이나 많은 부분을 신재생 에너지에 의존할 것으로 예상되는 바, 에너지를 저장하는 기술의 도입은 매우 시급하다.

임희천 박사 • 한국 수소 및 신재생 에너지 학회 회장 • 한국 전력연구원 수석연구원

대용량 에너지저장시스템의 필요성

신재생 에너지는 주위 환경 조건에 따라 공급하는 전력량이 달라 100% 의존하기에는 무리가 있다. 만약 신재생 에너지에 100% 의지한다면 밤이 되면 태양광, 태양열 발전이 중단되고, 바람이 불지 않는 시간이 되면 풍력발전이 중단될 뿐만 아니라, 가뭄이 들면 수력발전도 못하게 되어 수많은 변수가 생기게 된다.

Q. 경제적 비용을 위해 전력공급과 수요를 맞추는 것이 중요한데, 신재생 에너지에 의존하면 이러한 문제점을 해결하기가 어렵다고 보여집니다. 이를 위한 해결방안은 무엇인가요?

수소는 다른 형태의 화합물로 쉽게 변환이 가능해 다양한 분야에서 활용 가능하다는 장점이 있다. 다양한 분야에 활용가능하기 때문에 에너지 저장 시스템에도 적합하다. 따라서 P2G는 향후 융·복합된 신재생 에너지 기술에서 간헐적인 문제를 해결할 수 있는 매우 유망한 미래 기술이라 할 수 있다.

대구 국제 그린에너지 엑스포 인터뷰 中

03

문제제기

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• 온실가스 규제 대응 + 지속 가능한 에너지 시스템 구축하려는 움직임 • 신재생 에너지 경제성의 지속적인 향상 → 신재생 에너지 보급 확대의 가속화 생산된 에너지를 저장하여 필요할 때 사용할 수 있는 에너지저장시스템은 에너지의 효율적 이용과 더불어 신재생 에너지의 활용도를 제고하고 전력시스템을 안정화시키는 많은 장점을 가지고 있다. 따라서 에너지저장시스템은 신재생 에너지와 기존 전력 시스템 간의 조화로운 통합을 위한 수단으로 중요성이 부각된다.

[주목-이 기술]IoT기반 전원 독립형 하이브리드발전 재생에너지에 연료전지 결합…새로운 독립형 발전기술 에스에너지 등 8개 기관 참여…3년간 62억원 투입 기술개발에 나선 이 사업은 태양광과 풍력 등 재생에너지를 연료전지와 연계하는 것으로 생산전기를 새로운 연료인 수소로 전환할 수 있는 수전해 기술이 필수다 . 즉 재생에너지원으로부터 생산된 전기를 이용해 물을 전기 분해하면 수소를 얻을 수 있다. 이렇게 생산된 수소를 기상 영향으로 재생에너지 출력이 제한될 경우 연료전지를 가동할 수 있는 연료로 사용해 전기와 열을 얻는 방식이다. 개발과제는 여기에 더해 IoT를 기반한 통합·운영 발전시스템 개발이 최종 목표다. 기술개발이 이뤄지면 새로운 에너지저장 기술 형태인 P2G(Power to Gas)기술에 접목할 수 있다. P2G는 동일한 과정으로 수소를 생산해 소규모 주택, 건물, 발전용 연료전지나 수소차 연료로 사용하는 기술이다. 수소를 이산화탄소와 반응시켜 메탄으로 변환하면 가스터빈 발전연료나 CNG 수송연료로도 사용할 수 있게 된다. 사업의 총괄책임자인 이구 에스에너지 상무는 “이번 사업이 완료되면 정부에서 적극 추진 중인 에너지자립섬, 스마트그리드시장에 참여할 수 있는 계기가 될 것”이라며 “온실가스 규제 강화와 에너지기술변화 흐름에 가장 부합하는 하이브리드형 발전기술”이라고 말했다.

2016년 01월 22일 (금) ‘투데이 에너지’ 신문

P2G 주목 받을까? 태양광 출력 활용해 수소생산… P2G기술 본격화되나 P2G(Power to Gas)는 에너지저장기술 중 하나이다. 태양광, 풍력 등의 출력으로 물을 전기 분해하여 수소를 생산하고, 이를 저장하거나 가스관망을 이용해 이송할 수 있으며, 필요 시 연료전지에 공급해 다시 전기를 생산할 수도 있다. 이와 관련해 이해원 KIST 박사는 “재생에너지로 물을 수전해하여 생산한 수소를 이산화탄소와 반응시키면 메탄을 얻을 수 있어 필요에 따라 수소 또는 메탄 등 연료형태로 저장이 가능한 기술”이라며 “결국 연료전지나 가스터빈 등의 발전기기 연료로 이용되어 전기와 열, 연료를 동시에 해결할 수 있다”고 설명했다. 반면, 국내는 제대로 된 실증사업조차 이뤄지지 않고 있어 영월군이 추진하는 프로젝트에 더욱 관심이 쏠릴 수밖에 없다. 이 박사는 “영월군이 계획한 에너지사업이 P2G기술을 활용한다는 점에서 주목된다” 라며 “재생에너지로부터 생산된 수소를 활용해 다양한 산업으로 연결되는 모습을 보여준다면 에너지저장기술로서 P2G에 대한 관심도 높아질 것” 이라고 말했다.

2015년 12월 24일 (목) ‘투데이 에너지’ 신문

대용량 에너지저장시스템의 필요성

에너지 저장 시스템이 필요하며, 그 해답은 P2G가 될 것이다.

POWER TO GAS

P2G기술

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01/ P2G란 무엇인가?

02/ P2G의 원리

03/ 왜 P2G인가?

“Exchange of the currency of energy”

01

POWER to GAS

P2G란 무엇인가?

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단계1: Electrolysis (4H2O 4H2 + 2O2 + Heat) •피크시간 때 생산되는 잉여전력을 물의 전기 분해를 통해 수소(H2)를 생산 •산업현장, 자동차에 쓰임 단계2: Methanization (CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O + Heat) •생산된 수소를 가스파이프라인에 넣어 이산화탄소(CO2)와 반응시켜 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)이나 암모니아의 연료 형태로 저장 및 이용

•자동차, 발전소, 열 공급에 쓰임 단계3: Net Reaction (CO2 + 2 H2O CH4 + 2O2 + Heat) •이산화탄소(CO2)를 메탄화하는 또 다른 방법

<P2G의 화학적 메커니즘>

기존의 천연 가스망과 연결하여 방대한 저장용량을 가진다

수요와 공급에 반응하고 주파수 및 전압 조절과 같은 다른 계통의 기능도 수행할 수 있어 유연성이 있다

단계1 단계2

<P2G 시스템의 운영방식>

‘P2G’(Power to Gas)는 에너지 형태를 변화시킨다는 의미의 ‘exchange of the currency of energy’로서 일종의 재생에너지 저장방안

02

POWER to GAS

P2G의 원리

10

%,

재생에너지 통한 전력공급이 30% 넘으면 공급 안정화 위해 필요

년, 전력 최대 저장 기간

Wh,

전력 저장 용량

명,

2035년까지 신재생 하이브리드 시스템을 통한 누적 고용효과

구분 P2G Li-ion 배터리 비고

저장형태 전력연료 전력전력 CO2재사용 (CCS 연계 가능)

기능/역할 신재생 출력 안정화, / 송전 제약 해소

신재생 출력 안정화, / 주파수, 예비력

P2G: 단방향 (과잉출력) 배터리: 양방향 제어(충방전)

설비용량(MW) 0.01~1,000 0.1~20 P2G: 대용량 배터리: 소용량

효율 60~70% 85~95% CH4 기준

<에너지 저장시스템의 비교>

대용량

장기간

<숫자로 알아보는 P2G>

◀ P2G는 Pumped hydro와 Compressed air와 비슷한 스케일을 가지고 있지만, 기존의 천연 가스망과 연결하면 방대한 저장용량을 가질 수 있다.

CHBC Hydrogen Energy Storage

P2G는 향후 송전제약 해소와 하이브리드 연계를 위해 필요한 기술

Li-ion배터리는 전력에서 전력으로의 에너지 저장 방법이라면 P2G기술은 전력에서 연료로의 에너지 저장 방법이다. 에너지 캐리어 역할을 하는 수소와의 연계로 인해 많은 산업에서 응용해 쓸 수 있는 장점이 있다.

POINT )

* ESS (Energy storage system) :

에너지 저장 시스템. 발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다.

03

POWER to GAS

왜 P2G인가!

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미래에는 왜 P2G 시스템이 필요한가?

최근 많은 사람들은 에너지에 대한 경각심을 느끼면서도 단순히 신재생 에너지 비율만 늘리면 된다고 생각하기도 한다. 하지만, 신재생 에너지는 주위 환경에 따라 공급 전력량이 달라 100% 의지하기에 무리다. 만약 신재생 에너지에 100% 의지한다면 밤이 되면 태양광, 태양열 발전이 중단되고, 바람이 불지 않는 시간이 되면 풍력발전이 중단될 뿐만 아니라 가뭄이 들면 수력발전도 못하게 되어 수많은 변수가 생긴다. 전문가들의 견해에 따르면, 신재생 에너지를 통한 전력 공급 비율이 30% 이상을 차지할 경우 공급 안정화를 위한 시스템이 필요하다고 한다. 따라서 전력 공급 안정화 시스템은 단순히 기존의 전력시스템에만 연관이 있는 것이 아니라 미래의 신재생 에너지와 직접적으로 연관이 있다고 할 수 있다. P2G는 이러한 전력 공급의 안정화를 위한 시스템이다. 전력계통이 여유가 있을 경우에는 풍력 및 태양광발전량을 계통으로 투입하지만, 전력계통이 포화될 경우에는 생산전력을 P2G로 투입해 물을 전기 분해하여 수소를 생산하거나 이산화탄소와 반응시켜 메탄으로 변환하여 가스망에 주입한다. 또한 P2G는 생산된 수소, 메탄을 연료전지 또는 가스터빈 등의 발전연료로 사용하거나 연료전지자동차 등의 수송연료로 사용할 수도 있다.

경제성과 유연성 그리고 안정성을 해결함으로써 신재생 에너지의 활용성을 높인다.

탐 방

01 / KIER(수소연료전지 산학연협력센터)

02 / 포항공과대학교

03 / KIST

04 / 6월 썬빌리지 포럼 05 / 7월 울산 그린 수소에너지 포럼

06 / Energiepark Mainz

07 / Viessmann MicrobEnergy

08 / Fraunhofer IWES

09 / WaterstofNet

10 / Electrochaea

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P2G기술을 묻다

“P2G제곱 탐방이야기”

01

국내탐방

KIER(수소연료전지 산학연협력센터)

한국에너지기술연구원의 연구조직으로서, 수소연료전지분야 부품 및 시스템의 개발, 성능평가, 실증에 필요한 장비, 유틸리티, 공간을 모두 갖춘 세계 3위권의 대형 시설이다.

국내 유수의 대학, 기업, 지자체 및 연구소와 협력하여 명실공히 국내 수소 연료전지 상용화를 앞당기는 개발기지로서의 역할을 하고 있다.

본 기관의 중점연구분야로는 중대형 수소 연료전지 스택 및 시스템 개발, 중대형 수소 연료전지 성능평가, 실증, 그리고 수소 연료전지 전문 인력양성이 있다.

본 기관에서는 P2G의 첫 번째 메커니즘인 전기분해에서의 PEMFC(고분자 전해질 연료전지)를 활용한 현주소를 되짚고, 나아가야 할 방향에 대해 알아본다.

김범준 연구원 수소연료전지 산학연협력센터 선임연구원 (공학박사) 연구분야 : 전산해석, 스택 및 시스템 개발/평가

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Q. P2G기술과 연료전지는 어떤 관계인가요?

P2G시스템으로 전기에너지로 수소를 만들어 가스 연료로 저장한다. 이때 수소는 전력저장의 에너지 매체로서 역할이 기대되며, 이들 기술의 중심에는 수소저장 장치 외에도 연료전지 기술이 필요하다.

Q. 연료전지의 종류에는 어떤 것들이 있나요?

일반적으로 수소 연료전지 시스템에 사용될 수 있는 발전용 연료전지로는 저온 연료전지인 인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 있다. 그리고 용융탄산염 연료전지 (MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) 등의 대형 발전용으로 이용되는 고온형 연료전지가 있다.

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연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 직접 발전방식이다. 직접발전 방식이기 때문에 에너지 변환효율이 높아 이산화탄소 배출량을 획기적으로 줄일 수 있으며, 연소과정이 없어 오염 물질 발생이나 소음, 진동 등 공해요인도 없다.

01

국내탐방

KIER(수소연료전지 산학연협력센터)

[연료전지의 구조]

Q. 앞으로 나아가야 할 방향과 해결해야 할 문제점은 무엇인가요?

Q. 지금까지 국내에서 이뤄온 행보는 어떻게 되나요?

첫째로는 고분자 전해질 연료전지용 막전극접합체(MEA) 양산화 공정 개발이다. MEA는 두 개의 전극 사이에 막이 존재하는 형상으로, 수소이온 전도성 막의 양쪽에 전극촉매가 코팅되어 실제 전기 화학반응을 일으키는 핵심 부품이다. MEA 양상화에 필요한 핵심 공정 기술 개발 (슬러리 균질화 기술, 박막균일 코팅 기술, 전사기술)을 하였고, 세계 최고 수준의 MEA 성능 및 내구성을 확보하였다.

* PEM (Polymer Electrolyte Membrane) 연료전지: PEM(Polymer exchange Mmebrane)이라고불리기도 하며, 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지를 말한다.

자동차 산업을 주력산업으로 하는 우리나라도 최근 연료전지를 성장산업의 하나로 선정하여, 산업자원부 산하에 수소 연료전지 사업단을 발족하여 연구 개발비의 지원뿐만 아니라 구체적인 상용화 개발 전략 수립하는 등 향후 막대한 시장이 예상되는 연료전지 분야의 기술을 개발하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 이러한 국가적인 지원과 뛰어난 개발 전략이 어우러질 때에 개발비의 절감 조기 시장 진입이라는 성과도 가져올 것으로 기대된다. 결국 연료전지 가격의 경제성을 해결하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

둘째로는 고분자 전해질 연료전지용 스택 및 소형 연료전지 버스 개발이다. 양산화 기술을 적용한 MEA로 25kW급 연료전지 스택 모듈을 개발하였고, 그에 따른 국산 MEA 및 스택 장착한 소형 연료전지 버스도 개발 하였다.

02 포항공과대학교

국내탐방

포항공과대학교 신소재공학과 연구팀은 3차원 헬릭스 나노 구조를 기반으로 하는 에너지 전환용 광전극 연구를 진행하였다.

국내 다른 대학교의 연구진과 힘을 합쳐 태양광을 이용해 물을 분해하는 새로운 나노소재를 개발하였다.

현재 태양광을 이용해 물을 전기하여 수소를 생산하는 연구를 진행하고 있다.

최일용 석·박사 통합과정 포항공과대학교 신소재공학과 연구실 네이처 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 광전기화학적 수소생산기술 논문 게재 Efficient Photoelectrochemical Hydrogen Production from Bismuth vanadate-decorated Tungsten Trioxide helix Nanostructures, Nature Communications, 5:4775 (2014)

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02 포항공과대학교

국내탐방

Q. 3차원 헬릭스 나노 구조를 기반으로 하는 연구에서 광전기화학 반응에 의한 수소생산의 효율은 어느 정도 였나요? 3차원 헬릭스 나노 구조 광전극에 대한 연구는 광자 흡수 효율, 전자-정공 분리 효율, 전하 계면 반응 효율을 동시에 향상시키기 위해 진행했었다. 그 결과, 수소변환효율은 기존의 3% 수준에서 6%이상으로 개선시켜 실용화에 필요한 10% 수준으로까지 향상시킬 수 있는 계기를 마련하였다.

Q. 태양광을 이용하여 수소를 얻는 연구를 시작하게 된 특별한 이유가 있을까요?

화석연료의 사용이 증가하면서 환경문제에 대한 해결책 마련이 시급한 상태에 도달하였다. 화석연료는 매장량이 제한되어 있어 자원고갈의 문제 또한 갖고 있어, 전 세계적으로 지속 가능한 에너지인 신재생 에너지에 많은 투자를 하고 있다. 그 중에서 태양 에너지는 다양한 화학물질의 반응을 일으키는데 쓰일 수 있다. 또한, 현재의 인프라를 최대로 활용할 수 있다는 강점이 있다. 한 편, 수소는 무독성, 무색무취의 가스 등의 많은 장점을 가지고 있는 지구에서 가장 많은 원소이지만, 단독으로는 거의 존재하지 않기 때문에 물질로부터 추출해내야 한다. 이처럼 자연에 존재하고 있는 물질로 부터 청정에너지인 수소를 얻는다면, 다양한 산업분야(친환경 에너지 타운, Power-to-Gas, 하이브리드 신재생 발전 등)로의 연계가 가능해 환경 오염문제, 에너지자원의 고갈문제, 에너지자원의 편중문제 등을 해결할 수 있다고 판단했다. 그리고 탄소 기반의 경제체제에서 벗어날 수 있다는 가능성 때문에 연구를 시작하게 되었다.

Q. 전기화학적으로 물을 분해하여 수소를 얻는다는 것에 대해서, 혹시 간단한 실험으로도 가능한가요?

간단한 실험으로도 확인이 가능하다. 전기에너지로 물을 분해하여 수소 에너지를 얻는 것이다. 물을 분해할 수 있는 이론적인 전압은 1.23V이지만, 건전지와 물 사이에 여러 저항(과전압)들이 존재하기 때문에 2.0V 이상의 전압을 가지는 건전지라면 충분히 수소와 산소를 확인할 수 있다.

* 산화·환원 반응:

아마 중고등학교 학생 시절, 과학시간에 한 번쯤 실험해보았을 것이다. 건전지의 (+)극, (-)극과 연결된 구리와 같은 금속을 물과 접촉시키면, 산화·환원에 의해 산소와 수소가 각각 발생하는 것을 확인 할 수 있다. 수소는 페놀프탈레인이라는 지시약을 넣었을 때, 색의 변화가 있는 (-)극 전극을 통해 알 수 있다. 또한, 간단하게 수소와 산소의 부피비로도 알 수 있다.

POINT )

전자를 잃는 쪽이 산화, 전자를 얻는 쪽이 환원이며 산환와 환원은 항상 동시에 일어난다.

(+)극과 (-)극에서 각각 발생한 산소와 수소의 부피비는 1:2 이다.

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02 포항공과대학교

국내탐방

예를 들면, 순수한 물은 전기를 통할 수 있을 만큼의 이온들이 존재하지 않기 때문에 수산화나트륨과 같은 전해질을 조금 넣어 전기를 통하도록 하는 것이다. 또한, 전해질과 더불어 촉매는 화학적 반응에 물론 영향을 미치게 되는데, 이 또한 합성된 생산물로부터 수소를 얻는 연구에 있어서 아주 중요한 부분을 차지하고 있다.

Q. 증류수에 반응이 일어날만한 전해질을 넣어는 특별한 이유가 있나요? 이는 반응속도에도 영향을 미치나요? * 전해질:

특정한 용매에 녹아서 이온으로 되어 전류를 흐르게 하는 물질

Q. 전기화학적으로 물을 분해할 때, 귀금속인 백금(Pt)을 촉매로 사용하는 것 으로 알고 있습니다. 경제적인 측면에서 보면 단점이 있는데, 백금을 대신할만한 물질들이 있나요?

백금(Pt)은 연료전지, 배터리, 물 분해 등 여러 가지 전기화학적 시스템에서 가장 널리 사용되는 촉매 물질이다. 하지만 질문하신 것처럼 백금은 구하기 어렵기 때문에 경제성이 낮다는 단점이 있다.

그래서 많은 연구자들이 백금을 대신할 수 있는 방법을 찾고 있는 이유이기도 하다. 그것에 대한 한 가지 방법으로 인공광합성을 예로 들 수 있다.

식물이 광합성을 통하여 영양분을 만들기 위해서는 물로부터 수소를 얻을 수 있어야 하는데, 이 과정을 위해 식물이 사용하는 물질은 백금을 기반으로 하는 물질이 아닌 망간(Mn)을 기반으로 하는 물질이다. 망간, 철(Fe), 니켈(Ni)과 같은 물질을 기반으로 하여 효과적으로 물을 분해할 수 있는 촉매를 제작하는 연구가 현재 활발하게 진행 중에 있다.

Q. 현재 수소를 어떠한 방식으로 주로 얻고 있나요? 그리고 해결해야 할 점은 무엇인가요? 수소는 세계적으로 현재 95% 이상이 화석연료의 개질을 통하여 생산해내고 있다. 그 외 화석연료를 이용하지 않는 다른 방법에 있어서는 전기분해, 광화학적 분해, 열화학적 분해, 생물학적 분해 등이 있다. 수소는 환경 오염물질 배출이 없으면서 높은 에너지밀도를 가지는 에너지원으로 차세대 에너지로 각광을 받고 있지만, 현재로써는 개질과정을 통해 사용하고 있어 이산화탄소가 발생한다는 것은 조금 아이러니한 상황이다. 그럼에도 불구하고, 전체적인 수소생산-이용 경로를 볼 때 연료전지의 사용은 이산화탄소 중립을 통하여 화석연료 절감 효과를 기대할 수 있다.

수소 기반의 경제체제는 단순한 에너지 시스템의 변화가 아니라 경제적 요구, 사회적 요구 등이 맞물린 패러다임의 변화를 동반하는 것이라 할 수 있다. 그에 따라서, 값비싼 수소에 대한 경제성 확보는 앞으로 해결해야하는 숙제이다. 더 나아가 우리나라는 주요 에너지소비국이면서도 해외에서 에너지를 수입하는 의존율이 97%에 이르고 있어, 에너지 자립에 기여할 수 있는 수소를 제조, 저장, 그리고 수송 및 효율적 이용기술에 대한 연구개발을 지속적으로 해나갈 필요가 있다.

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[물 전기분해 실험]

출처:www.edunet4u.net

03 KIST

국내탐방

남석우 박사 한국과학기술연구원 국가기반 기술연구본부 본부장

연구본부의 6개 연구센터는 그린 에너지 및 시스템 각 분야 핵심역량을 극대화하는 것은 물론, 센터 간의 융·복합 연구도 진행함으로써 국가발전에 이바지하기 위해 노력하고 있다.

대한민국의 탄소재순환 및 ICT 중신의 신산업 창출에 힘이 되고자 설립된 국가기반기술연구본부는 신재생에너지, 탄소의 순환, Tangible 소셜 미디어 분야의 원천기술을 개발하고 있다.

비전은 Solution Provider to National / Global Agenda이고, 국가기반기술연구본부는 청정에너지 연구센터, 센서시스템 연구센터, 광전 하이브리드 연구센터, 연료전지 연구센터로 조직되어있다.

18

03 KIST

국내탐방

Q. ESS 에너지 저장기술에 있어서 효율적인 측면과 현재 활용성은 어떠한가요?

하지만, 리튬이온 배터리는 전기버스와 같이 대용량을 필요로 하는 곳에는 배터리를 주기적으로 교환해주어야 하는 단점이 있다. 현재 전기버스를 많이 사용하고 있지 못하는 이유도 그 때문이다.

Q. 연료전지(배터리)와 수소충전을 비교했을 때, 수소충전의 문제점은 무엇인가요?

결국, 수소 충전소의 경우에도 전기 충전소와 마찬가지로 인프라 구축이 향후 기술의 진행방향에 크게 영향을 미칠 것이다.

[수소충천 스테이션]

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우리나라를 보면, 배터리를 통해서 저장하는 것에 대해 대기업에서 관심이 많기 때문에 정부에서 장려하는 부분이 많이 있다. 효율적인 측면에서도 세계에서 뒤쳐지지 않는 기술을 갖고 있어, 수출을 많이 하고 있다.

Q. P2G의 장점으로는 어떤 것이 있나요?

그리고 최근 파리 기후 협약으로 인해 CO2를 줄이기 위해 각국에서 많은 노력을 하기 때문에 발전소, 바이오 가스 등에서 나오는 CO2를 포집하기 위해 노력할 것이다.

수소를 생산해서 저장했다가 연료전지를 통해 전기를 생산하면 효율이 굉장히 떨어진다는 단점이 있다. 또한 수소충전은 배터리의 충전시간에 비해 짧은 편이다.

그래서 충전시간에 있어서는 수소충전이 연료전지보다 더 낫다고 할 수 있지만, 편의적인 면에서는 연료전지(배터리)가 더 낫다고 할 수 있다. 또한, 수소충전을 하기 위해서 기본적인 인프라가 구축되지 않으면 의미가 없다. 수소충전의 기압(bar)가 높은 편이다.

수소충전 인프라를 구축하려면 굉장히 높은 수준인 700기압의 상태에서 작업해야 하기 때문에 안전문제가 가장 크고, 사실상 어디에 지을 것인지의 문제도 고려해 볼 사항이다.

수소+CO2 반응은 이미 플랜트가 잘 알려져 있기 때문에 현재 지속적으로 개발 중이다. 현재 바이오 공정을 이용한 CO2와 수소의 결합 반응 효율은 75%정도로 보고되고 있다.

처음에는 촉매 때문에 매우 높은 온도에서만 결합이 가능했지만, 더욱 상용화 하기 위해서 바이오 프로세서 기술을 이용하여 결합할 수 있게 되었다.

P2G는 CO2를 이용하여 CH4를 만들기 때문에 포집한 CO2를 활용할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이라고 할 수 있다.

04 6월 씬빌리지 포럼

국내탐방

`

K-밸리재단은 산업계, 전문가, 연구원 등 다양한 분야 전문가들의 참여와 토론을 바탕으로 국가의 에너지 혁신에 이바지하는 것을 목적으로 하고 있다.

2016년 2월부터 에너지 신산업, 썬빌리지, 농업혁명 등의 에너지 분야에 대한 주제로 포럼을 진행하고 있다.

6월 썬빌리지 포럼은‘저비용·고순도 수소분해와 에너지 신산업에서의 연료전지’에 대한 주제로 포럼을 진행하였다.

남기태 Ph.D 서울대학교 재료공학부 교수 에너지 및 환경재료, 바이오재료 연구

신미남 대표 두산퓨어셀(Fuel Cell)대표

20

04

국내탐방

6월 씬빌리지 포럼

Q. 썬빌리지의 원료인 태양연료(Solar Fuel)를 어떻게 활용할 수 있을까요?

태양연료의 응용처로 수소원료를 사용할 수 있다. 기존에는 대부분 화석연료를 이용해 수소를 만들었기 때문에 이산화탄소 발생 문제를 피할 수 없었으며, 태양에너지를 활용해 물을 전기분해하는 전극으로는 값비싼 백금을 사용했다. 이 때, 백금은 경제성이 떨어지기 때문에 보다 효율적인 방법에서 수소를 얻으려 하고 있다. 그것의 한 가지 예로써, 태양에너지와 연료전지 사이의 매개 역할로 광합성이 존재하는데, 이를 이용한 생물학적 시스템에서의 반응이다.

남기태 교수 ‘광합성을 응용한 CO2 FREE 물 전기분해 수소생산’

[이산화탄소 배출량 비교]

Q. 수소를 만드는 저비용 촉매물질을 개발하셨는데, 그것에 대해 설명해 주실 수 있을까요?

광합성 반응은 광계1, 광계2 둘로 나누어지게 되는데, 광계2에서 먼저 반응이 일어나고 광계1에서 반응이 일어난다.

출처: 네이저지(Nature)

[생물학적 반응]

POINT )

스탠포드 대학의 토마스 자라밀로 (Thomas Jaramillo) 화학공학교수는 수소를 생산하는 최고의 비결은 촉매를 적절히 잘 찾는 것이다. "바인딩이 너무 약한 경우, 이온이 나오지 않는다. 반대로 바인딩이 너무 강한 경우 서로 이온이 만나지 못해 실패한다.“ 라고 말했다.

이 때, 광계2에서 망간과, 산소, 그리고 칼슘이 생성되게 된다. 이러한 생물학적 반응에서의 전기분해에 있어 망간기반 촉매가 음극(-)에 붙게 되고, 그 곳에서 물이 산화반응이 일어나고, 양극(+)에서는 물을 환원시켜서 수소를 생산할 수 있다. 이를 광합성 모방 기술이라 할 수 있는데, 장기적으로 태양전지와의 결합을 통해서 외부에서 에너지를 공급받지 않고 수소를 저렴하고 값싸게 생산할 수 있다.

21

출처: 썬빌리지 포럼 강연자료

http://www.facebook.com/P2Gsquare

Q. 세계적으로 많은 연구팀들이 효율높은 수소 생산을 위한 새로운 촉매물질 개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 그렇다면 이 기술을 이용한 장점에는 무엇이 있을까요? 그리고 이 물질의 활용 분야에 대해 설명해 주실 수 있을까요?

수소를 이산화탄소와 섞어서 만들 수 있는 생성물로는 메탄이 나올 수 있다. 이와 연계해 볼 때, 저비용·고순도의 수소생산이 이루어진다면 P2G와의 연계성도 고려해 볼 수 있다.

POINT )

아직까지 이산화탄소가 400bpm으로 낮은 농도를 유지하고 있지만, 이 증가에 의해 바다의 산도가 바뀌고 있다. 이처럼 이상기후, 생태계에 많은 영향을 주고 있는 만큼 온실가스를 감축하기 위해 힘을 써야 하는데, 이 노력에도 크게 기여할 수 있을 것이다.

탄소자원화 방법인 이 기술은 이산화탄소, 태양빛, 물을 사용해서 포름산(개미산), 포름알데히드, 메탄올 같은 유용한 화합물을 만들 수 있다는 장점이 있다. 또한, 수소를 얻어 상업화된 기술과의 융합을 하여 이산화탄소와 섞어서 연료로의 사용도 가능하고, 수소연료전지 등과 같은 다양한 분야에 쓰일 수 있어 활용 분야는 무궁무진하다.

Q. 연료전지의 원리에 대해 설명해 주실 수 있을까요? 연료전지는 어떠한 장점을 갖고 있나요?

연료전지(Fuel cell)는 친환경, 신재생이라는 분야에서 빼 놓을 수 없는 중요한 기술이다. 연료 전지의 기본 원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역이용하여 수소와 산소에서 전기 에너지를 얻는다. 낮에는 전기분해를 이용해서 수소를 생산하고, 밤 동안에는 공기 중의 산소와 반응하여 전기를 생산할 수 있어서 순환형 구조가 미래에는 가능하리라 본다.

연료 전지는 중간에 발전기와 같은 장치를 사용하지 않고, 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전 효율이 높다. 또한 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 적다는 장점이 있다.

Q. 앞으로 연료전지 시장에 대해 어떻게 생각하시나요? 최근에는 연료전지와 수소분야에 대한 R&D 예산이 조금씩 증가하고 있고, 보급 확산을 위한 정책세미나가 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 국내의 신재생 에너지 정책은 여전히 작은 틀 속에 있다. 그 속에서 수소와 관련이 있는 연료전지는 더욱 정책 의존성이 높은 부분이다. 이러한 외부환경 요소들이 실제적으로 시장규모에 영향을 미치고 있다. 따라서, 단기적 그리고 장기적으로 시장구축과 미래시장 확보가 필요하다. 또한, 산업화까지 연계되기 위해서는 기업에서의 적극적인 투자도 필요하다. 더불어, 보급정책과 맞물려있는 왜곡된 시장을 바로 잡아야 하고, 가격인하와 시스템 서플라인 체인은 해결해야 하는 부분이다.

신미남 대표 ‘연료전지로 여는 세상’

04

국내탐방

6월 씬빌리지 포럼

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05

국내탐방

7월 울산 그린 수소에너지 포럼

`

울산은 그린수소에너지를 이용하기 위한 세미나를 여러 번 개최하였다.

울산은 수소타운 운영, 친환경 전지융합 실증화단지 구축, 수소연료전지 자동차 등의 수소실증 시범 사업을 진행하고 있다.

7월 그린 수소에너지 포럼은 (사)한국수소산업협회,(재)울산테크노파크의 주관으로 울산MBC컨벤션에서 진행되었다.

김종원 책임연구원 한국에너지기술연구원 수소연구실

최동호 이사 코오롱-하이드로제닉스 사업·기술 담당

23

05

국내탐방

7월 울산 그린 수소에너지 포럼

김종원 책임연구원 ‘국내 수소제조 및 이용기술 현황과 발전방향’

Q. 수소 연료전지에 대한 국내외 정책은 어떠한지 설명해 주실 수 있을까요?

수소에너지에 대한 국내외 정책에 있어서 대동소이하다. 유럽의 경우에는 재생에너지 보급량의 증가에 따른 수요와 공급의 균형, 기술의 성장 동력, 그리고 이산화탄소 절감의 목적을 띤 정책을 하고 있다. 일본은 청정에너지와 에너지 안보, 그리고 수소를 에너지 캐리어로 생각을 하고 유연성을 확보하기 위해 노력을 하고 있다.

따라서, 작년 연료전지 같은 경우 11만대 보급을 하고 2030년까지 530만대를 목표를 하고 있다. 이와 비교하여 우리나라의 상황을 살펴보면, 최근 파리기후협약 이후 이산화탄소 배출에 대한 규제가 생기면서 온실가스 감축, 신재생 에너지 보급 확대, 그리고 에너지 신산업의 창출에 목적을 가지고 다양한 산업분야에 연료전지를 확대하기 위해 노력을 기울이고 있다.

앞으로의 산업은 자동차가 차지하는 비중이 상당히 클 것으로 보이고, 무공해 자동차에 대한 연구는 세계적인 추세라 할 수 있다. 그 결과, 우리나라의 지리적 특성에 맞는 수소 연구가 재고되어야 하고, 이산화탄소 저감을 위한 재생전원의 비중 확대는 반드시 필요한 부분이다.

ENE-FARM (일본)

Ene-field (유럽)

SGIP (미국)

Green Home (한국)

목적

-청정에너지 -에너지안보, 에너지 캐리어 유연성확보(천연가스, 바이오,수소)

-에너지안보 -재생 에너지 균형 -저탄소 에너지 -성장 동력화

-피크부하 저감 -온실가스 감축 -환경오염원 저감 -자가발전

-신재생 보급 확대 -온실가스 감축 -에너지 안보 -신산업 창출

현황

-11만대 보급(2015) -530만대 목표(2030)

-1000대 시범보급 -빌딩 열에너지 효율 -에너지 시스템 전환 보완 수단 제공

-70MW(2012) -374MW(47%,2012) -지속적인 제도 개선 →기술 개발 수요발생

-1500대 보급 -3000만원/대

기대효과

-조기시장 진출 -유럽시장으로 확장 -시스템가격 저감 -BOP(Balance Of Plnat) 부품가격 저감

-장기적인 탈탄화효과(수소,바이오,메탄) -재생 에너지 확대에 따른 그리드 균형

-피크부하 감소 -온실가스 감축 -바이오가스 상계제도 →바이오 에너지 활용 극대화(융합) -인센티브 제도

-연료전지 보급 확대 -온실가스 감축 -산업육성 -고용창출 -에너지효율향상

1.The fuel cell industry review 2012, Fuel Cell Today (2012) 2.2014 Self-Generation Incentive Program Handbook (2014) 3.2012 SGIP Impact Evaluation and Program Outlook (2014)

[연료전지 정책 비교]

최동호 이사 ‘세계 최초 수소 연료전지 상용 발전 의미 및 발전현황’

Q. 코오롱이 하이드로제닉스와 합작하여 코오롱-하이드로제닉스를 만든 특별한 이유가 있나요? 코오롱 계열사인 코오롱워터앤에너지는 물과 관련한 처리기술, 환경시스템, 그리고 환경기초시설 운영관리 등의 하수처리 운영 사업을 진행해왔다. 그런데, 우리의 기존 사업 분야를 연계할 수 있고 신재생 에너지의 비중을 늘릴 수 있는 방법을 모색하게 되었다. 그 결과, 수소시스템과 수소와 관련한 응용분야를 R&D하는 하이드로제닉스(Hydrogenics)와 손을 잡고 2014년부터 수소연료전지 분야에 투자하게 되었다.

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실증 플랜트를 추가적으로 더 건설하고 연료전지 발전용량을 늘릴 계획을 하고 있다. 하이드로제닉스와 합작하여 수소기술에 많은 투자를 하고 있기 때문에, 향후 수소경제사회로 가는 발전에도 큰 도움이 될 것이다. 또한, 서로 다른 신재생 에너지 결합을 통해 상호 보완하여 에너지 효율을 높이고, 경제성을 확보하는 하이브리드 융·복합 융·복합기술이 주목 받고 있는 만큼, 이에 준하여 수소를 기반으로 하여 연료로 쓰는 P2G기술과의 연계도 생각하고 있다. 더불어 풍력과 태양광 등의 신재생 에너지원으로 생산한 전기를 이용한 다양한 응용산업에도 좋은 영향을 미칠 것이다.

05

국내탐방

7월 울산 그린 수소에너지 포럼

Q. 코오롱-하이드로제닉스가 현재 운영하고 있는 플랜트에 대해 설명해 주실 수 있을까요?

* 하이드로제닉스(Hydrogenics): 일반적으로 천연가스 개질을 이용해 수소를 생산하고 있지만, 국내에서 처음으로 고분자전해질 연료전지(PEMFC)를 사용하고 부생수소를 연료로 하는 1MW의 발전시설을 구축했다. 이 플랜트를 대산공장에서 현재 상용운전을 하고 있다.

Q. 대산공장은 고분자전해질 연료전지(PEMFC)를 사용하고 있는데, 알카라인 연료전지(Alkaline Fuel Cell) 그리고 고체산화물 연료전지(SOlid Oxide Fuel Cell) 등의 다른 연료전지들과는 어떠한 다른 특징과 차이점이 있나요?

특히, 고분자전해질 연료전지는 알카라인 연료전지와 비슷하게 시동시간이 짧고 부하 변동성이 뛰어난 특징을 갖고 있고, 알카라인 연료전지보다 작동 범위가 크기 때문에 높은 출력밀도를 갖고 있는 것이 큰 장점이다. 한 편, 기존에 기술적으로 성숙도와 신뢰성이 높아 가장 보편적으로 사용된 알카라인 연료전지는 고분자전해질 연료전지에서의 축적된 기술로 백금촉매로부터 자유로울 수 있는 음이온(OH⁻)교환 고체 고분자전해질을 이용한 연구개발 할 수 있게 되었다. 또한, 유럽에서는 P2G기술이 주목을 받고 있고, 저가의 시스템에 대한 요구가 확대되고 있기 때문에 고분자전해질을 응용한 고압에서의 알카라인 시스템(AMFC)의 연구는 활발해질 것으로 판단된다.

종류

알카라인 연료전지(AFC)

고분자전해질막 연료전지(PEMFC)

고체산화물 연료전지 (SOFC)

구분 저온형 저온형 고온형

작동온도 50~120 ℃ 50~100 ℃ 600~1000 ℃

전해질 알칼리 이온교환막 세라믹

주 촉매 니켈 백금 니켈

가능한 연료 H₂ H₂ (메탄올, 석탄가스)

H₂, CO(천연, 석탄가스)

특징 성숙도, 신뢰도 높음, 설비 비용 적음

저온작동 고출력밀도

발전효율 높음, 내부개질 가능, 복합발전가능

주용도 우주발사체 전원 수송용 전원,가정용 전원, 휴대용 전원

대규모 발전,중소사업소 설비, 이동체 전원

출처: 에너지관리공단 [연료전지 종류]

수소기반발전기와 수전해방식의 수소제조 및 개발업체로서 수소에너지저장 , Power-to-Gas 기술, 수송 분야 등의 수소와 관련해 독일을 중심으로 한 유럽의 여러 나라와 파트너를 맺고 있는 회사이다. 이 회사의 본사는 캐나다 미시소거 (Mississauga)에 위치해 있으며, 벨기에와 독일에도 제조회사를 두고 있다. 연료전지는 온도나 전해질의 종류에 따라 알카라인 연료전지,

고분자전해질 연료전지, 고체산화물 연료전지 등으로 분류할 수 있다. 알카라인 연료전지, 고분자전해질 연료전지는 저온형이고, 고체산화물 연료전지는 고온형이다.

Q. 앞으로의 방향에 대해 말해주실 수 있나요?

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06 Energiepark Mainz

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해외탐방

Jonas Aichinger Stadtwerke Mainz AG 소속 Energiepark Mainz 프로젝트 조정자

Energiepark Mainz는 마인츠의 Hechtsheim에 위치해있다. 2015년부터 연구용 시설로 친환경 수소를 생산하고 있다.

재생에너지로부터 전기분해 방법으로 수소를 생산하는 혁신적인 기술을 연구하고 테스트하는 것이 플랜트의 목적이다.

Hochschule RheinMain 대학교, Siemens, Linde, Stadtweke Mainz와 파트너를 맺고 있다.

2012년부터 13년까지 프로젝트를 위한 준비( 지역 선정)를 했고, 14년에는 플랜트를 건설했으며 15년부터는 연구를 하고 있다.

① 전기 그리드 연결 P2G 시스템은 마인츠와 이와 인접한 풍력시설 사이에 직접적으로 연결되어져 있다. 풍력을 통해 얻은 전기 에너지는 신재생 에너지 및 그리드의 안정성을 유지하고 네트워크를 통합하는데 사용된다. ② 직류 스테이션 세 곳의 직류 스테이션은 수전해 프로세스에 필요한 높은 직류 전류를 발생시키고, 각 스테이션에서 필요한 전력은 변압기를 사용하여 직접적으로 얻을 수 있다. 그 전류는 인버터 장치에 의해서 바꾸어진다. 예기치 않은 간섭이 발생했을 때에는 회로 시스템에 의해 저지가 된다. ③ 물처리 공장 매우 높은 순도의 물을 생성하는 시설은 일반 수돗물에 포함된 모든 용해되어진 미네랄을 꺼내게 된다. 버퍼탱크는 전해프로세스에서 물의 안정적인 공급을 보장하는 역할을 한다. ④ 전기 시스템 ⑤ 가스 컨디셔닝 및 저장 전해조에서 원시 수소가 제일먼저 수증기 잔류 산소를 변환하는 촉매를 통과하고, 수분의 대부분은 압축하기 전과 후에 응축되어지고 전해조에서 재순환된다. 그 결과 수소는 저장되어진다. ⑥ 수소 천연가스 그리드 주입 Energiepark Mainz에서 생산된 수소는 Stadtwerke 마인츠의 천연 가스망에 주입 될 수 있다. 이 과정을 통해 Mainz-Ebersheim지역에 공급한다. ⑦ Ionic 압축기 이온 압축기는 수소 컨디셔닝의 핵심부분이라 할 수 있다. ⑧ 트레일러 충전 수소는 자동화된 프로세스를 사용하는 트레일러로 가득 차 있다. 충전호스를 트레일러에 연결한 후, 남아있는 내용물을 분석한다. 그리고 압축기로부터 수소를 채운다. 순도, 온도, 압력을 계속 체크하고, 충전 프로세스가 완료되면 충전 호스는 분리되어진다. 그 다음 트레일러는 수소를 실어 나르게 된다.

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06

해외탐방

Energiepark Mainz

Q. Energiepark Mainz에서 수소는 어떻게 저장되고, 이용되고 있나요?

[Energiepark Mainz 안내지도] [Energiepark Mainz 안내지도를 확대한 모습]

Q. 만약 수소가 새어나와서 공기중에 섞이면 폭발이 일어나나요? 천연가스처럼 수소와 산소가 만나면 폭발하게 되는데, 그러나 이 경우에는 공기 중에 수소의 비율이 4%까지 도달해야 일어나는 일이다. 만약 수소레벨이 75%이상이라면, 산소가 부족하기 때문에 혼합된 가스는 불붙지 않아 괜찮다.

◀ 수소탱크

06

해외탐방

Energiepark Mainz

Q. EnergiePark Mainz의 플랜트에 대해 설명해 주실 수 있을까요?

린데의 이온압축기를 사용하여 생산된 수소를 저장탱크, 가스 파이프나 탱크 트럭에 채워 실어 나르고 있다. 지금까지는 주로 주유소에서 사용된 기술이지만 재생에너지와 PEM-electrolyzer의 조합에서 장점으로 작용할 수 있다고 판단하여 EnergiePark Mainz에서도 사용하고 있다.

EnergiePark Mainz는 같은 종류의 플랜트 중에서 가장 큰 6MW 규모다. 풍력으로 얻은 친환경 전력과 수소를 연결한 것은 지멘스의 수소 전해조이다. 미래에는 더 큰 플랜트들의 기초 솔루션으로의 역할을 할 것이라고 전망하고 있다. 전해조로는 최신의 PEM-electrolysis 기술을 사용하고 있다. 이것은 유동적인 재생에너지원의 전력공급에 있어서 필수적인데, 이 플랜트에서는 개 당 최대 2MW 성능인 3개의 PEM-electrolyzer가 동작하고 있다. PEM이 사용되는 시스템은 지금까지 주로 작은 스케일의 수소생산이었기 때문에 이런 플랜트에서 PEM-electrolyzer가 작동하는 것은 최초이다. 또 다른 필수적 요소로는 이온압축기, 가스공급기, 스위치기어 등이 있다.

Q. 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 무엇인가요?

고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하고 있다. 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하다는 특징을 갖고 있다. 또한, 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용이 가능하다. 자동차의 동력원으로 적합한 시스템이라 할 수 있다. 이와 같은 고분자전해질 연료전지는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양하여 이 연료전지에 대한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.

[Energiepark Mainz 플랜트]

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07 Vissmann

해외탐방

미생물 촉매를 이용한 Biogas-P2G를 연구하고 있다.

11개의 나라에 22 개의 제조회사를 보유하고 있고 2.2€/billion 의 매출액을 기록하고 있다.

전세계에 49개의 판매 기업이 있으며, 총 74개의 나라에 있는 판매 기업과 협업하고 있다.

전세계 120 개의 판매 사무실이 있고 현재 56%의 수출 점유율을 보이고 있다.

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Jonas Klueckers MicrobEnergy(Viessmann 그룹) Power-to-Gas 프로젝트 연구

07 Vissmann

해외탐방

Q. P2G는 어떻게 운영되고 있나요? 그리고 차별화된 점은 무엇인가요?

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독일에 태양광, 풍력 등과 같은 신재생 에너지가 점점 보급됨에 따라 초과된 에너지를 효율적으로 사용하는 방법에 대한 연구를 하기 시작했다.

1. 잉여 전력 2. 전기분해 3. 메탄화 과정 4. 전력 / 가스 그리드 [P2G과정]

출처: MicrobEnergy 강연 자료

그리고 많은 전기을 저장할 수 있고, 먼 거리까지 운반이 가능한 전력을 가스화하는 방법인 P2G 시스템 기술에 관심을 갖고 투자하고 있다. 우선, 초과된 에너지를 사용하여 물을 전기분해하여 수소를 얻을 수 있다. 그리고 수소를 이산화탄소와 반응시키는 메탄화 과정을 진행한다.

우리는 이 부분에서 다른 곳과 차별화 된 점을 가지고 있다. 일반적인P2G(Sabatier)와 메커니즘은 비슷하지만 이 과정에서 바이오가스 플랜트를 이용한다는 점이 특징이다.

Q. 차별화된 점에 대해 자세히 설명해 주세요.

[MicrobEnergy의 바이오가스 공장]

[생화학 유기체]

[메탄화]

이 유기체들은 40℃에서 70 ℃ 사이 물기가 많은 곳에서 서식한다.

메탄화 과정을 화학식으로 나타나면 4 H2+ CO2 ->CH4+ 2 H2O 로 나타낼 수 있다. 한 편, P2G기술의 가장 중요한 점은 효율적인 부분이라 할 수 있는데, 일반적으로 이 메탄화 과정을 진행할 때에는 매우 온도가 높은 촉매를 사용하여 손실이 많이 생기게 된다. 따라서 메탄화 과정에서 손실을 줄이는 것이 매우 중요하다.

우리의 P2G기술은 생화학 유기체를 통한 메탄화 과정을 진행하고 있다. 이는 40 ℃ 에서 70 ℃ 정도의 온도에서 진행되기 때문에 높은 온도에서 진행되는 화학 반응보다 훨씬 효율이 높다.

출처: MicrobEnergy 강연 자료

07 Vissmann

해외탐방

아직 메탄화 과정에 있어서는 공정 규모를 늘리고 연구개발 프로젝트를 계속하고 있다 . 2013년에는 기술적인 연구 단계로 시간당 2.5Nm³ H2/h만큼 메탄이 생성을 목표로 하여 성과를 이루었다. 현재는 증명단계로 60Nm³ H2/h 의 메탄을 생산하고 있다. 2016년 11월에는 구축이 될 예정이고, 목표치를 400Nm³ H2/h 으로 잡고 진행하고 있다.

[메탄화 과정 로드맵]

Q. MicrobEnergy P2G플랜트에서의 과정은 어떻게 되나요?

① PEM- Electrolyzer 전기 분해를 통해 수소를 생산하는 곳이다. 약 300kW가 생산된다. ② 메탄화-Reactor 5m³ 정도되는 공간에서 메탄화 과정을 진행하는 곳이다. ③ 프로세스 기술&측정 ④ 프로제스 제어

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출처: MicrobEnergy 강연 자료

출처: MicrobEnergy 강연 자료

08 Fraunhofer IWES

해외탐방

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Dr. Ulrike Fuchs Fraunhofer IWES 과학협력 및 국제적인 사업 개발

Dr.-ing Ramona Schroer Fraunhofer IWES 바이오에너지 시스템 기술 연구 Power-to-Gas 엔지니어

풍력 터빈의 기술과 효율적인 운영을 위해 연구하고 있고 바람 에너지와 해양 에너지의 이용을 위해 풍력과 바다의 환경적인 분석을 하고 있다. 또한 에너지 공급구조와 시스템을 분석하고 있다.

시스템의 통합과 예측을 위한 알고리즘을 지정하여 전체 시스템 설계를 진행하고 있다.

재생 에너지 전망에서 WPMS 예측 시스템에 대한 오랜 경험을 가지고 있다.

Bio-P2G공정 연구에 참여하고 있다.

08 Fraunhofer IWES

해외탐방

Q. Fraunhofer IWES에서 연구하고 있는 바이오가스와 P2G의 결합에 대해 설명해 주실 수 있을까요?

① 바이오가스 플랜트에서는 55%의 메탄과 45%의 이산화탄소가 나오게 되는데, 이를 Biogas -upgrading을 통해 이산화탄소를 걸러 낸 뒤 가스망에 주입시킨다.

② 바이오가스 플랜트를 P2G시스템에 적용시킨 단계이다.

③ 바이오가스 플랜트와 P2G, 그리고 그리드망이 함께 되어있는 단계이다.

Q. P2G의 한계점과 이를 극복할 방안에는 무엇이 있나요?

P2G 시스템에 있어서 초기 투자비용이 매우 많이 들고, 처음 전기 분해에 쓰이는 전기를 직접 구매를 해야 하기 때문에 전부하를 돌릴 수 있는 시간이 매우 적다는 점은 극복해야 하는 부분이다. 이를 해결하기 위해서는 첫 째, 에너지 시스템과 부하를 효율적으로 운영할 수 있는 것이 필요하다. 둘 째, 전기를 구매할 수 있기에 매우 최적화가 되어야 한다. 마지막으로, 바이오가스 플랜트를 응용해 구축하는 방법이 있다. 33

Biogas- upgrading을 통해 나온 이산화탄소를 전기 분해를 통해 생성된 수소와 결합시켜 메탄을 생성하여 가스망에 주입시키는 방법이다.

불필요한 단계는 줄이고 필요한 전기가 있으면 바로 발전기를 통해 그리드망으로 나가고, 그리드망에서 초과로 발생하는 전기는 전기분해 하는데에 사용된다.

출처: Fraunhofer IWES

cost

year

09 WaterstofNet

해외탐방

Wouter van der Laak 프로젝트 매니져

2009년에 비영리 기관으로 설립하였고, Hydrogenics, Colruyt Group, Pitpoint, E-Trucks Europe 등의 회사와 정부 그리고 연구기관과 파트너를 맺고 있다.

수소를 활용한 다양한 응용 개발 및 구축을 하여 시설을 운영하고 있다. 그리고 돈키호테(Donquichote)프로젝트를 진행하고 있다.

통신 및 전파에 대한 부분도 연구개발하고 있다.

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Q. WaterstofNet에서 진행하고 있는 프로젝트에 대해 설명해 주실 수 있나요?

우리 (WaterstofNet VZW)는 하이드로제닉스 ,콜루이트그룹 , E-Trucks Europe 등의 회사 그리고 여러 기관과 파트너를 맺고, 수소를 활용한 다양한 응용 개발 및 구축을 하고 시설을 운영하고 있다. 또한, 돈키호테(Donquichote)프로젝트를 진행하고 있다.

Q. P2G기술을 한국에 적용하려면 어떤 점들을 고려해야 하나요?

P2G 기술은 신재생 에너지원의 비율이 높을 때 다량의 전기를 저장하기 위해 필요한 기술이기 때문에 제일 먼저 고려해야 하는 부분은 한국이 신재생 에너지와 관련하여 얼마나 투자를 하고 있으며 보급하고 있는 정도는 어떤지 살펴보아야 한다. 또한, 유럽처럼 가스네트워크가 구축이 되어 있어야 한다. 따라서 한국의 실제 상황에 비추어 보아 이 기술은 왜 필요한지를 파악하고 분석하는 것이 중요하다.

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09 WaterstofNet

해외탐방

Donquichote(Demonstration of a new qualitative innovative concept of hydrogen out of wind turbine electricity)프로젝트는 응용 프로그램을 개발하여 수소의 기술적 및 경제적 능력을 보여주는 것을 목표로 하고 있다. 이와 더불어 대규모의 신재생 에너지 저장 시스템을 통해 에너지의 간헐적인 문제를 해결하는 연구도 하고 있다.

벨기에에서 1MW PEM 연료 전지 공장을 세우고, 350 bar의 수소 연료 스테이션을 두고 지게나 트럭을 사용하고 있다. 또한 네덜란드에서도 비슷하게 350bar 및 700bar를 이용해 버스, 자동차, 쓰레기 트럭 등의 운송 수단을 책임지고 있다.

그리고 지속 가능한 에너지인 수소를 기반으로하는 에너지저장시스템(Power-to-GAS)에 대한 프로젝트 로드맵도 짜고 있다. 왜냐하면, 수소를 활용하기에 앞서 신재생 에너지원인 태양광과 풍력은 날씨 변동에 많은 영향을 받기 때문이다.

더 나아가 미래에는 대용량의 전력을 저장하는 기술이 필요해지기 때문에 버퍼역할을 하는 P2G 기술에 대한 연구개발을 진행하고 있다.

* 돈키호테(Donquichote) 프로젝트 :

P2G 기술은 융합적인 기술 요소가 존재하기 때문에 캐리어 역할을 하는 수소에 대한 연구도 활발하게 진행되어질 필요가 있다.

출처:www.hytrec.eu/

09 Electrochaea

해외탐방

Doris Hafenbradl, PhD Electrochaea CTO(Chief Technology Officer)

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2011년 Electrochaea LLC는 혐기성 이산화탄소(CO2)에 대한 소화조로부터 바이오가스에 대한 연구를 진행했다.

생물반응기(bioreactor) 탱크를 사용한 바이오가스 처리과정을 시연하였다.

2014년부터 생물학적 방법의 메탄화 기술을 기반으로 하는 Bio-P2G 에너지 저장 시스템을 개발하는 프로젝트(BioCat-Project)를 수행하고 있다.

2016년 6월 Avedøre에 세계 최고의 Bio-P2G 플랜트를 건설하여 운영하고 있다.

초고온성 세균, 미생물학 연구

Laurent Lardon Ph.D Electrochaea.dk ApS

생물학적인 프로세스 연구, 바이오가스 엔지니어

10 Electrochaea

해외탐방

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Q. Electrochaea의 P2G 기술에 대해 자세히 설명해 주실 수 있을까요?

덴마크에서 P2G기술을 가장 중점적으로 다루고 있는 기관이라 할 수 있다. 수소 에너지 저장, 그리드 균형, 탄소 재사용 등의 목표를 위해 상업적인 규모로 P2G 기술을 활용하고 운영하고 있는 중이다.

특히, 일반적인 P2G 플랜트는 메탄화 과정에서 금속 촉매, 온도 제어에 따른 사바티에(Sabatier) 반응을 이용하는데 반해, 생물학적인 촉매방법으로 archaea(고세균)를 이용해 메탄을 생성하고 있다는 것이 가장 큰 특징이다.

우리가 가지고 있는 P2G 시스템의 핵심은 생물학적 방법의 메탄화이다. 다시 말해, 이전까지는 없었던 방법으로써, 진화된 미생물을 이용한 촉매 기술이라 할 수 있다.

* Archaea(고세균):

단세포 생명체로서, 핵이 없다는 점에서 박테리아, 식물 또는 동물세포들과는 다르다. 그들은 에너지 분자를 가진 화학 반응으로부터 햇빛과 산소가 없는 극한의 조건 하에서도 살 수 있다.

* methanogenic archaea(메탄 고세균):

일반적으로 습지와 동물 내장에 서식하고, 메탄을 생성하기 위해 수소분자를 내놓는다. 이는 메탄화 반응으로 얻은 화학적 에너지를 사용하는데, 열화학 과정과는 다르게 열로 방출하는 에너지 손실은 미미하다.

운영 시간[h]

수소 변환 [%]

[메탄까지의 수소변환 성능]

전해조 전력 물

열 산소

이산화탄소 바이오가스

열

메탄

수소

[시스템 설계]

[Bio-P2G공정]

Electrochaea의 생체 촉매 효소에 의한 수소 변환율: 98%

10 Electrochaea

해외탐방

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Q. 일반적인 P2G 기술(sabatier)과는 다르게, Electrochaea의 Bio-P2G 공정이 가지는 특징과 장점에는 무엇이 있나요?

메탄화하는 과정에는 사바티에 반응, 생물학적 촉매를 이용한 메탄화 반응 2가지가 있다. 사바티에 반응은 수소를 생산하고 이산화탄소와 결합하여 연료를 만드는 과정으로써 현재 가장 많이 알려져 있고 상용화가 되어있는 상태이다. 이 반응은 유지보수 시간 낮고, MW급의 업스케일링(Up-scaling)에 있어 유리하다.

하지만, 요즘 유럽은 바이오매스나 미생물을 이용하여 P2G 시스템을 구축하고, 그 플랜트 숫자를 점점 늘리고 있다. 왜냐하면 수소를 생산하는데 사용하는 백금과 같은 금속 촉매가 경제성이 낮기 때문이다. P2G 시스템을 구현하는 또 다른 방법인 Bio-P2G 기술은 낮은 온도와 압력에서도 메커니즘을 구현할 수 있어 가격적인 부분에서는 훨씬 더 합리적이다. 또한, 반응을 일으키는 램핑속도(ramping rate)와 작동하는 부하의 유연성을 가지고 있다는 것도 사바티에 반응에 비해 장점이다. 더불어 매우 높은 탄소 변환 효율을 가지고 있기 때문에 온실가스 감축에 있어 보다 더 효과적인 방법이라 할 수 있다.

* 램핑속도(ramping rate):

램핑속도는 반응을 일으키고 순환하는데 온도가 변하는 속도를 말하는 것으로, 이것이 높을수록 반응속도가 빠르다.

Sabatier Bio-P2G

온도 범위 300~400℃ 60~65℃

오염 공차 낮다 높다

연료 생산 CH4 + 중간체(esp.CO) CH4 only

시스템 구조 복잡 단순

확장성 낮다 높다

* 오염 공차(Contamination Tolerance):

원시의 바이오가스와 저순도의 수소(H2)를 사용할 수 있는 능력

[P2G 시스템에서의 메탄화 과정 비교]

Q. Biological methanation에 의한 BioCat-project가 6월에 완공되었다고 알고 있습니다. 현재 세계에서 제일 큰 Bio-P2G 플랜트에 대해 소개해주실 수 있을까요?

덴마크 코펜하겐 Avedøre에 P2G 시설 구축을 위해 여러 회사와 파트너를 맺고 , 2014년부터 BioCat-Project를 시작하였다. 이 프로젝트는 폐수처리장(WasteWater Treatment Plant)의 폐수로부터 자원낭비를 최소화하고 에너지 활용을 극대화하기 위한 계획으로 예전부터 제안되어져 왔는데, 그 중 한 방식으로써 바이오가스를 이용하여 P2G기술과 접목시키는 것이었다. 최근에 1MW 급의 알카라인 연료전지(Alkaline Fuel Cell)와 바이오 메탄화 공정을 하는 상업적 규모의 P2G시설을 구축하는데 성공했다. 이 곳의 가동을 통해 생산된 메탄은 4-bar의 분배 그리드에 주입하게 되고, 발생한 열은 건물에서 사용하고 있다.

Avedøre WWWP

10 Electrochaea

해외탐방

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Q. Electrochaea P2G 기술의 효과와 덴마크의 미래 시나리오에 대해 말씀해 주실 수 있을까요?

현재 태양광이나 풍력으로 생산된 잉여전력으로 P2G 플랜트를 상용운전을 하고 있다. 이를 통해 바이오가스를 바이오메탄으로 업그레이드하여 덴마크의 가스망에 주입하여 사용할 수 있어, 덴마크의 교통 및 난방 문제를 해결하고 상업적으로는 재생 천연 가스의 판매에서 수익을 가져올 수 있을 것이라 판단이 된다. 또한, Bio-P2G 방법은 탄소를 재활용할 수 있어 이산화탄소 배출을 줄일 수도 있다.

장기적으로 덴마크는 신재생 에너지 보급을 늘려 2020년 에너지 공급에서의 신재생 에너지 비율을 50%까지 올리고, 2050년 80%까지 조달하는 것을 목표로 하고 있다. 이 때, 수요와 공급에 대한 불안정성의 해결책으로 장기간 사용 가능한 대용량의 에너지 저장 시스템은 필수적인 부분이라 할 수 있다. 따라서, 점점 더 P2G 기술에 대한 투자를 늘려 지역적 그리드망을 형성해 나갈 수 있는 방안을 모색하고 있다.

[미래 덴마크의 에너지 시스템 수요와 공급 그래프]

전력 수요 (현재 패턴)

미래의 전력 공급 (태양광-풍력 -바이오매스)

출처: European PowertoGas Platform (Biological methanation processes)

결 론

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01 / P2G제곱의 활동 (기사작성&저널 기고 세계 태양에너지 엑스포 부스 운영)

02 / P2G제곱의 제안

03 / P2G시스템의 적용효과

재생 에너지 저장방식을 P2G에서 찾다

“전력가스화 기술로 환경과 하나가 되다”

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00 되짚어 나가다

WHY? HOW? AFTER? 우리나라는 원자력 발전에 높은 의 존도를 갖고 있기 때문에 유럽 국가 들에 비해 비교적 전력이 안정적으 로 공급된다.

왜 저탄소를 꿈꾸고 있을까?

NASA는 올해 여름, 세계기온이 역대 최고치를 경신하며 약 40년 전에 비해 평균 기온이 0.84℃나 상승했다고 밝혔 다.

한 편, 우리나라는 전국적으로 35℃가 넘는 폭염이 계속됐고, 8월 11일 최대 전력 수요 피크치 8497만KW라는 기록 을 경신하였다.

세계적으로 높은 기온이 계속되고 심한 날씨 변화의 원인은 탄소배출량 증가에 따른 지구 온난화와 엘리뇨 현상 등의 영향 때문으로 분석할 수 있다.

이에 따라, 전세계는 탄소 배출량을 줄이기 위해 신재생 에너지 비율을 점차 늘리고 있는 실정이다.

그래서, 아직은 P2G기술에 대한 인식이 많이 부족하다. 하지만, 신재생 에너지 공급이 늘어날수록 출력의 변동성 때문에 대용량 에너지 저장 시스템은 필수불가결할 것이다.

ACTION) 국내, 해외 탐방을 통해 알게 된 P2G기술의 사실을 바탕으로, 기사를 작성하여 저널에 기고하고 기관에 배포한다. 또한, 사람들이 많은 전시회에 찾아가 시스템에 대한 원리를 소개하고 직접 홍보한다.

기존 탄소경제시대의 97% 정도 되는 높은 에너지 의존율로부터 벗어날 수 있는 환경적 패러다임에 대한 새로운 방향을 제시 할 수 있다.

전문 기관에 저널이 배포되고, 전시회를 통해 많은 사람들에게 P2G기술을 알리면 에너지 저장 과 관련한 지식의 폭이 넓어 질 수 있을 것이다. 더 나아가 전문 분야의 인력 양성, 에너지 관련 사업을 하는 중소기업의 연구팀 에게도 도움을 줄 수 있을 것이 다. 미래 친환경 에너지 국가로 가는 길에 있어 중요한 시사점 이 되리라 예상한다.

에너지설비관리는 국내 최초로 에너지관련 통합 솔루션을 제공하는 에너지 전문 잡지로서 설비시공업체 및 현장근무자들에게 고효율 에너지 기자재에 간한 각종 설비정보, 시설관리 기술 및 국내 최신 신기술 동향, 관련분야의 자격증 수험정보 및 해설을 제공한다. 주로 전기 관련 학원 및 교육기관, 기계/기관/전기/설계 등의 공무과, 에너지관련 제조업체 등에 기사를 배포하고 있다.

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01 P2G제곱의 활동

기사작성&저널기고

P2G제곱 팀은 신재생 에너지와 관련한 최신 동향에 관심이 많은 4명이 모여 이루어진 팀이다. 특히, P2G제곱 팀원 중 다수는 비영리단체인 ‘대학생 태양에너지 기자단’ 에 소속해 활동을 하고 있다. 이 장점을 살려 이번 탐방 활동 주제제와 관련한 기사를 작성하였고, 한국에너지정보센터에서 발간하고 있는 저널에도 기고하였다. 그래서 전문가들뿐만이 아닌 다양한 계층의 사람들에게 ‘수소를 메탄화 기술에 접목시켜 신재생 하이브리드 발전을 실현’ 하는 P2G기술 시스템에 대해 소개를 하였다.

신재생에너지저널

신재생에너지저널은 신재생에너지와 관련된 다양한 읽을거리, 볼거리를 제공하고 신재생에너지 관련 설비, 기술, 정책, 인물, 보급사례를 소개한다. 또한 정부기관, 지자체 공무원, 정부산하기관, 단체, 시도교육청 시설, 신재생에너지기업, 연구기관, 등에 기사를 배포하고 있다.

에너지설비관리

[P2G 기사 포스터] [기사 모습] 출처: http://solarfollowers.tistory.com/

POINT )

한국에너지정보센터에서는 매월 신재생에너지저널, 에너지설비관리, 에너지타임즈를 출간한다. ‘대학생 태양에너지 기자단’은 지난 2015년까지 신재생에너지저널에 매월 2편씩 기고해왔으며, 올해부터 에너지설비관리에 매월 4편의 기사를 기고하고 있다.

[신재생에너지저널 ]

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01 P2G제곱의 활동

2016 세계 태양에너지 엑스포

세계 태양 에너지 엑스포 소개

아시아를 대표하는 한국 유일의 태양광전문 전시회인 2016 세계 태양에너지 엑스포(EXPO Solar/PV Korea)가 2016년 9월 7일(수)~9일(금)까지 경기도 고양 KINTEX에서 개최되었다.

최근 유럽의 재정악화와 경기불황으로 인한 FIT 정책 축소로 전 세계 태양광산업은 유럽에서 아시아로 그 시장이 확대되고 있다. 특히 아시아 태양광산업의 허브이자, 아시아 태양광시장진출의 Gateway로 충실한 역할을 수행하고 있고, 올해로 7년째 개최되고 있다.

세계 시장의 변화추세에 맞춘 새로운 시장창출과 바이어 미팅 등으로 유연한 마케팅전략 수립이 가능하고, 태양광발전 시스템 구매 및 사용자 중심의 전시회로 탈바꿈 하였다.

실제 2015년 전시회에 출품한 기업의 구매 상담액과 계약액은 각각 약 9,000억 원, 2,800억 원에 달했다. 전 세계 국제전시회 인증기관인 국제전시연합회(UFI)와 산업통상자원부의 우수전시회 국제 인증 획득으로 해외 출품기업체와 해외 바이어 참관객 수에서 국제전시회로서의 자격과 요건을 확보했다

[기자단 내 P2G제곱팀 부스운영]

출처: http://www.exposolar.org/

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01 P2G제곱의 활동

2016 세계 태양에너지 엑스포

2016 세계 태양 에너지 엑스포 부스 운영

충남창조경제혁신센터의 후원으로 경기도 고양 킨텍스에서 개최된 2016 세계 태양 에너지 엑스포에 참여하여 부스를 운영하게 되었다. 2016 세계 태양에너지 엑스포(EXPO Solar/PV Korea)는 아시아를 대표하는 한국 유일의 태양광전문 전시회로써 아시아의 RPS 정책 등이 강화된 현재 세계의 주목을 받고 있다. P2G제곱팀은 엑스포에서 벽면에 저널에 실린 기사를 게재하고, P2G 원리를 소개하는 등 신재생에너지를 알리고자 활동한 결과물을 전시하였다.

태양광 사업화 허브 충남, 2016 세계 태양에너지 엑스포 공동주관 9월 7일~9일 3일간 충남창조경제혁신센터관 운영 이번 엑스포에서 충남혁신센터는 충청남도 지역 내 태양광 분야 유망 창업·중소기업 8개 업체들과 충남창조경제혁신센터관을 구성하였다. 참여기업은 ㈜솔레이텍, ㈜티앤씨코리아, ㈜디봇, ㈜두잇나우, ㈜NS신성, ㈜스마트기술연구소, ㈜썬파워텍, 그리고 ㈜SNW 등이다. 이들 업체는 각각 태양전지 오토바이 헬멧과 충전기, 태양광 빗물식수 저장시스템, 태양광 스마트 벤치와, 태양 추적장치 및 휘어지는 태양광 모듈, 태양광 접속반, 태양광 충전기기, 태양광 응용버스정류장, 그리고 태양광 응용 CCTV 관제시스템 등 다양한 태양광 응용제품들을 선보여 주목을 끌었다. 또한, 전국 대학생들의 자발적 단체인 태양에너지대학생기자단이 충남창조경제혁신센터관에 참여하여 태양광 산업에 대한 홍보와 취재활동 성과를 소개하기도 하였다. 이 자리에서 충남혁신센터는 태양광 응용제품에 대한 아이디어 및 디자인 공모를 통해 창업부터 사업화 및 판로지원까지 지원하는 사업을 소개하여, 충남이 태양광 응용분야 아이디어 사업화를 적극 추진할 계획임을 밝혔다. 또한 서산솔라벤처단지를 통해 태양광 분야 중소벤처기업들을 지원하고, 죽도 신재생에너지 자립섬사업을 우수모델로 발전시켜 해외진출도 추진 중이다. 2016년 09월 07일 (수) ‘환경일보’

P2G원리를 소개하기 위해 탐방 기관 영상 자료를 활용하여 비전문가나 일반인이 이해하기 어려운 기술을 쉽게 설명하는데 큰 도움을 얻었다. 또한 직접 시각적으로 설명을 하는 것이 많은 사람들을 쉽고, 빠르게 이해시키는데 도움이 될 것이라는 의견을 모아 P2G기술의 전체적인 메커니즘에 있어 1단계에 해당하는 수전해 기술 부분의 키트를 팀 내에서 구입하여 직접 시연하였다. 수전해 기술은 P2G기술의 전체적인 메커니즘에 있어 1단계에 해당한다.

◀태양광 수소모형 키트, P2G 원리에 대해 설명 中

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향후 신재생 에너지의 원활한 보급을 위해 캐리어 역할을 하는 수소를 중심으로 이와 연계한 대용량 에너지 저장 시스템(ESS) 기술이 필요하다고 강조하며 올해 7월에 미래창조과학부, 산업통상자원부, 환경부가 공동으로 ‘신재생 하이브리드 이용 미래 에너지 저장 기술’ 이라는 신규과제를 제시하고, 이 기술에 관해 연구할 연구팀을 모집하고 있는 상황이다. 사업기간은 2016년~2022년까지 7년(4+3)동안이고, 370억원의 지원금이 지원될 것이라 밝혔다.

이 공모에 대한 자세한 내용은 폐기물 소각장 열, 태양광 등을 활용해 수소를 생산·저장하고 필요할 때에 연료전지를 기반으로 한 전기를 생산하는 시스템 개발이다. 1단계 양방향 수전해 기술, 2단계 폐기물 이용 고온 스팀 생산 기술, 3단계 통합 시스템 기술로 나뉘어 지는데, 이 때 P2G기술은 수전해 기술과 바이오에너지를 응용한 공정이기 때문에 ‘신재생 하이브리드 이용 미래 에너지 저장 기술’ 연구에 있어서 핵심적인 아이디어 및 기술방법으로 작용할 수 있다. 따라서, 우리 팀이 국내탐방, 해외탐방을 통해 얻은 내용을 포트폴리오화 하여 제출하고, 각 부처에서는 이것을 연구과제를 수행함에 있어 실험적 조사 단계에 이용한다면 크게 도움이 될 것이다.

‘신재생 하이브리드 이용 미래에너지저장’ 범부처 협의체

미래창조과학부 (한국연구재단)

과제1 (미래부): 다차원 산화를 기반 양

방향 수전해 기술 1단계 사업총괄관리

환경부 (한국환경산업기술원))

산업통상자원부 (한국에너지기술평가원)

과제2 (환경부): 폐기물 이용

고온 스팀 생산기술

과제3 (산업부): 신재생에너지 하이브리

드운영 고도화 기술 2단계 사업총괄관리

강원도는 주요 신재생 에너지원(태양광과 풍력)을 최대로 활용할 수 있는 중심지이다. 특히, 대관령의 경우에는 풍력발전의 메카로 불리고 있다. 또한, 동·식물 등의 바이오매스가 많기 때문에 Bio-P2G 공정을 이용한 플랜트는 효과적일 것이다.

① 기술

③ 운영

출처: 산업통상자원부

02 P2G시스템의 제안

기술, 정책, 운영

국내의 경우에도 온실가스 규제 대응과 지속 가능한 에너지 시스템 구축에 대한 기대감이 증대됨에 따라 신재생 에너지의 보급을 증대시키려는 노력을 경주하고 있다. 최근 발표된 제7차 전원계획에서는 신재생 에너지의 보급을 2029년 발전량기준 11.7%, 설비 기준 20.1%를 계획하고 있다. 국내의 경우 간헐적 전원인 재생에너지원의 급격한 보급은 삼면이 바다에 접해있고 북쪽이 단절된 우리 계통은 통합된 유럽계통 보다 훨씬 취약하기 때문에 전력저장의 필요성은 더욱 크다고 할 수 있다.

한전 전력연구원 수석연구원

전력저장기술이 절실 [제7차 전원계획 중 신재생 에너지 발전량 및 설비비중]

(단위 : GWh, MW, %)

하수처리장, 쓰레기매립장과 같은 기피·혐오시설 부지와 바이오가스, 태양광과 같은 재생에너지와 연계한 친환경 에너지 타운을 세우는 정책을 적극 추진한다. 이는 주민들이 직접 생산·판매하도록 유도하면서 소득과 주거환경을 향상시켜 줄 수 있다. 또한, 환경과 에너지 문제를 동시에 해결할 수도 있다. 현재로는 경주, 아산, 양산, 청주, 홍천 등이 있다.

② 정책

출처: 산업통상자원부

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03 P2G시스템의 적용효과

기술, 정책, 운영

김영훈 대성그룹 회장은 2015년 11월 18일에 열린 ‘아시아·태평양 가스 컨퍼런스 2015’에서 “세계 에너지산업의 무게중심이 저탄소 에너지로 옮겨가면서 천연가스의 중요성이 부각되고 있다. 그러나 가스산업은 수요 감소와 공급과잉, 잘못된 가격 결정 시스템 등 여러 문제점을 안고 있다 . 전력의 가스화(P2G·power to gas), 연료전지 등 혁신적인 신기술을 활용하면 가스산업의 문제점을 해결할 수 있다” 고 기조연설을 진행했다.

P2G기술이 완전하게 시스템 구축이 되면, 물의 전기분해를 통해 얻은 수소를 사용해 이산화탄소화 반응하고, 가스망으로도 주입이 가능하기 때문에 탈탄소화가 이루어질 수 있다. 또한, 다양한 응용분야에서의 활용이 가능하다는 수소의 가장 큰 장점을 이용하여 가정용, 발전용, 운송용 등으로까지 연계할 수 있다. 더 나아가 사회적으로는 탄소경제사회에서 수소경제사회로의 패러다임이 가능해 청정사회로의 발전이 가능하다.

고 에너지 저장 가능 에너지 사용의 유연성 장거리 운반에 용이

① 가장 중요한 문제로 여겨지는 환경보전적 가치를 얻음으로써 안전한 사회를 이어나가 미래의 기후변화에 대한 영향을 최소화할 수 있다. ② P2G기술의 대용량·장기간이라는 특징적 요소의 가치를 통해 수요과 공급에 반응하는 신재생 에너지의 출력변동성에 대해 탄력성있게 대처할 수 있다. ③ 활발하게 연구개발을 하여 향후, 경제성에 대한 극복이 이루어진다면 가스망이라는 전기그리드의 버퍼를 통해 전력공급이 미치지 못하는 지역에까지 보다 더 원활하게 전력공급을 해줄 수 있고, 교통문제, 난방문제 등을 해결할 수 있다.

결국, 지속 가능한 에너지인 P2G 기술을 통하여 3가지의 가치를 얻을 수 있다.

* 아시아·태평양 가스 컨퍼런스(Asia Pacific Gas Conference; APGC)

한국가스공사, 한국가스연맹, 에너지신문이 공동주최하고, 산업통상자원부와 국제가스연맹(International Gas Union; IGU)의 후원으로 가스산업 종사자 와 에너지 관련 전문가들이 참여하는 국내에서는 유일한 가스와 관련한 국제행사이다.

아시아·태평양 가스 컨퍼런스는 지난해 첫발을 내디뎠다.

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03 P2G시스템의 적용효과

기술, 정책, 운영

경제성

유연성 안정성

지속 가능한 에너지

신재생 에너지를 사용함에 있어서 경제성, 유연성, 안정성의 3가지는 필수적인 고려요소로 작용하고 있다. 이를 반영한 P2G기술을 적용했을 때의 효과는 3가지 가치(환경보전적 가치, 기술 탄력적 가치, 연결고리 매개체적 가치)로 나눌 수 있었다.

POINT)

3-3-3 요소

① 발전소의 부담을 줌으로써 발생하는 많은 문제들 (예를 들어, 밀양 송전탑, 정전 사태 등)에 대응하는 새로운 에너지에 대한 솔루션 제시가 가능하다.

② 기술 융·복합을 통해 다양한 국내외 시장에 진출할 수 있는 신재생 에너지 기술의 가격 경쟁력 및 전력공급의 안정성을 확보할 수 있다. ③ 궁극적으로 수소 교체를 최소화 할 수 있는 무한 연비를 실현하는 미래 연료전지 자동차 에 대한 핵심요소 기술 개발이 가능할 것이다. ④ 주행 중 태양광과 자동차 내 발생하는 폐열 등을 융합하여 고효율의 청정 수소 생산을 가능하게 할 수 있다.

기술

한 편 P2G기술 시스템을 기술, 정책, 운영의 3가지 측면으로도 분류해 적용효과를 기술해보면 다음과 같다.

정책

① 천연가스 등 수입하는 화석 에너지에 대한 의존도를 완화할 수 있는 방안이기 때문에, 에너지 관련한 안보 정책 개편 가능성을 예상할 수 있다.

② 온실가스 감축이라는 환경·정책적 측면이 동시에 고려된 기술로 환경정책의 개편 가능성이 농후하다. ③ 많은 일자리의 창출과 신재생 에너지와 관련한 고급인력이 배출됨으로써 고용창출과 관련한 정책적 변화를 가져올 수 있다. ④ 화석연료의 수입이 감소함으로써, 우리나라의 에너지 수입에 쓰이던 많은 예산이 줄어들어 에너지 자립국으로 가는데 이바지할 수 있다.

운영

① 신재생 에너지 발전 시스템 융합화를 통해 기존의 B2B 시장에서 B2C 시장으로의 확대 가능성을 예상해 볼 수 있다. ② 자동차 주행 중에 청정 수소 생산이 가능하게 됨으로써, 미래 자동차와 관련한 신산업에 막대한 파급효과를 기대해 볼 수 있다. ③ 이산화탄소의 배출을 줄이고, 가스로 변환하는 과정에서 배출되는 온실가스를 줄임으로써 국제 사회에서의 압박 및 예산안 밖의 추가적인 배상금을 줄일 수 있고, 결과적으로 효율적인 국가 운영이 가능하다.

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참고자료

논문&강연자료

Alternative ways of biomethane production-a SWOT analysis(2014) _Sabine Strauch, Tim Schulzke, Oliver Jochum

Integration of Power-to-Gas and biogas supply chain_DNVGL(2015) _Harm Vlap

The Potential of Power-to-Gas_ENEA(2016)_Jacques de Bucy

HYDROGEN-BASED ENERGY CONVERSION More than storage: system flexibility(2014) _SBC Energy Institute

Modelling the grid integration of power to gas : A case study of Denmark(2014) _Verena Heinisch

Power-to-Gas A technical review(El-till-Gas system,ekonomi och teknik) _Gunnar Benjaminsson, Johan Benjaminsson, Robert Boogh Rudberg

Electrochaea: Opportunity, Technology, Execution(2016)_Markus Forstmeier

Power to Gas Research Roadmap-GERG_Robert Judd and Dave Pinchbeck

A Perspective on the potential role of biogas in smart energy grids(2014) _T Persson

Hydrogen Energy Storage (HES) Activities at NREL(2015)_Josh Eichman, PhD

사이트

2014년 신재생에너지 백서

Energiepark Mainz

Viessmann Group

산업통상자원부 www.motie.go.kr

기후변화 홍보포털 http://www.gihoo.or.kr/

독일 에너지 기관 http://www.dena.de

Electrochaea www.electrochaea.com

신재생에너지 동향자료_에너지관리공단 신재생에너지센터