P2G방식·H-ESS 도입 통해 효율·유연성 제고 필요

韓, 신재생E 10% 넘을 경우 계통 안전성 위협 우려
獨·日, 신재생E 간헐적 한계 극복 위해 수소전환 집중
잉여전력 활용은 물론 대용량 장기간 저장 가능

[가스신문=남영태 기자] 새정부 출범과 동시에 2030년까지 신재생에너지 발전 비율을 20%까지 올리겠다는 정책을 발표해, 연료전지를 비롯한 신재생에너지업계가 들썩이고 있다. 또한 관련 산업 성장도 훈풍이 예상된다.

그러나 신재생에너지가 국가 발전량 중 20%를 차지할 경우 재생에너지가 갖는 근원적인 특성 즉, 기후·계절변화에 따른 간헐적 출력변화에 따라 계통안정성을 위협할 수 있다는 우려와 함께 생산된 잉여전력을 활용할 수 있는 방안을 찾아야 한다는 목소리가 지속적으로 제기되고 있다.

이들 문제점들을 해결할 수 있는 방안으로 Power to Gas(이하 P2G)와 수소-ESS(이하 H-ESS) 도입이 최적의 대안이라는 것이 전문가들의 중론이다.

獨·日, 수소생산 전략 내세워

독일의 경우 재생에너지 발전 비율 증가로 인해 이 같은 문제에 지난 2011년 직면, P2G와 이에 동반되는 H-ESS를 해결책으로 제시해 추진하고 있다.

실제로 독일은 지난 2011년부터 탈원전, 재생에너지 확대로의 에너지전환정책을 추진했고, 2011년 신재생에너지발전비율 20.3%, 2013년 25.3%, 2014년 27.3%을 보이고 있다. 향후 재생에너지의 발전 비율을 2050년까지 80%를 달성하고, CO₂ 배출을 같은 해 80%를 감축하는 목표를 내세웠다.

그러나 이 과정에서 지난 2014년 총 발전량 대비 재생발전량이 27% 수준으로 성장한 독일은, 정책목표 달성은 이뤘으나 송전제약과 계통의 안정성 저하 등 문제가 발생했다.

이에 독일 정부는 근거리 송전만 가능하고, 경직성, 간헐적인 재생에너지의 한계를 극복하기 위해 H-ESS 활용을 적극 추진키로 했다. 계절별 편차가 높은 재생에너지의 경우 장기간, 대용량으로 전력에너지를 저장할 수 있는 수소를 이용한 H-ESS가 가장 효과적이라는 이유에서다.

이를 위해 독일은 2022년까지 약 17억유로를 투자, P2G설비를 1000㎿까지 확대 보급키로 했다. P2G시스템 활용과 개발지원을 목적으로 재생에너지발전비율이 20%를 넘은 2011년부터 연구기관, 관련기업 등이 참여해, P2G에 대한 상업운전, P2G발전소 등을 지난 2013년부터 운영하고 있다.

독일뿐만 아니라 일본 역시 재생에너지를 이용해 수소를 생산·저장하는 사업을 추진키로 했다.

최근 일본 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO) 측에 따르면 재생에너지 도입 확대 및 전력계통의 수급균형을 위해 수소생산플랜트 설립에 착수했다. 태양광을 이용해 연간 900t의 수소를 생산, 이를 연료전지 등과 연계해 친환경 전력을 생산한다는 계획이다.

NEDO는 이번 수소생산플랜트를 통해 태양광, 풍력 등 재생에너지의 이용확대는 물론 연료전지 등 관련 산업도 활성화시킬 수 있을 것으로 전망했다. 또 실증사업을 거쳐 2020년 도쿄올림픽·패럴림픽 선수촌에 에너지를 공급하고, 수소차 연료로도 활용한다는 입장이다.

이렇듯 선진국들은 재생에너지의 단점을 보완하고자 대용량, 장시간, 장거리 에너지 운송이 적합한 ‘수소’를 적극 활용할 방안을 추진하고 있다.

국내, P2G·H-ESS 적극 도입 공감

재생에너지 초기 보급 단계인 우리나라의 경우에는 유럽과 달리 계통이 고립돼 있고, 부하 공급이 편재돼 있어, 재생에너지 보급 시 계통 안정성이 해외보다 더 큰 영향을 받을 수밖에 없다는 것이 전문가들의 입장이다.

특히 전력망이 밀집돼 있는 국내의 경우 재생에너지 발전비율이 10% 정도만 돼도 전력망에서 허용할 수 있는 설비용량을 넘어, 계통 안정성이 크게 위협받을 수 있다는 이유에서다. 때문에 이를 해결하기 위한 수소 및 연료전지 기술을 융합한 전력저장 시스템 도입을 심각히 고려해야 한다고 주장하고 있다.

사계절이 뚜렷한 국내 경우, 전력망 안정과 재생에너지 효율적 활용 차원에서 일(日)~주(週) 단위, 월(月) 단위의 ESS가 동시에 필요하다.

실제로 에너지 저장형태를 전력에서 연료형태로 전환시켜 저장 후 다시 발전시키는 방식인 P2G를 도입할 경우 재생에너지에서 발생되는 잉여전력은 물론 출력변동이 심한 전력을 수전해를 통해 수소로 변환할 수 있다. 이어 수소를 저장한 후 필요 시 다시 연료전지로 전력을 생산 공급하는 H-ESS 방식을 통해 전력을 대용량으로 장기간 저장하는 것이 가능하다.

특히 이 과정에서 생산된 수소를 화석연료 연소 시 발생한 CO₂등과 결합해 메탄 혹은 암모니아로 변환시킬 수 있어, 연료화된 가스를 수요지 근처까지 수송하여 수요지에서 발전해 송전손실 및 송전비용을 줄일 수도 있다.

즉, 여름철에 발생하는 대량의 잉여전력을 수소로 저장해 겨울에 사용하는 독일처럼, 국내도 재생에너지에서 수요량 이상의 전력이 생산될 경우 이를 수소로 저장해 전력 필요 시 연료전지, 천연가스발전 등의 발전원으로 활용하거나 산업용 수소로 활용할 수 있는 일석삼조, 이석사조의 효과를 기대할 수 있다.

관련업계 한 전문가는 “해외 사례처럼 3020이행계획이 성공적으로 시행되기 위해선 중장기적인 대응책으로 신재생에너지 활용을 위한 P2G방식, H-ESS 도입이 필요하다”며 “이를 통해 수소전기차·선박·잠수함·드론, 연료전지, 고농도 수소 등 다양한 새로운 관련 산업 육성이 가능하기 때문에, 국가 경쟁력을 키울 수 있는 가장 효율적인 방안”이라고 강조했다.

전 세계적으로 온실가스 감축 및 미세먼지 저감을 위해 신재생에너지원의 발전 비율이 점차 증가하고 있다. 이에 각국은 특성에 맞는 사업모델을 구상하고 국가차원에서 산업 육성을 꾀하고 있다.

우리나라 역시 새정부 출범과 동시에 신재생에너지 발전비율을 높이기로 한 만큼, 수소를 국가에너지의 하나로 선정하고 중장기 활용이 가능토록 연료전지와 수전해장치, 수소 저장장치 등을 연계한 H-ESS메가프로젝트와 H-ESS 기술개발 등 국가차원의 지원방안 마련이 절실한 상황이다.

따라서 신재생3020이행계획을 성공적으로 완료하기 위해선 재생에너지, 수전해, 연료전지, 수소에너지 전력저장 등을 기반으로 하는 통합에너지시스템이 구축돼 열, 전기, 가스를 모두 활용할 수 있는 기반이 마련돼야 할 것으로 보인다.

정부가 야심차게 발표한 신재생3020이행계획이 장밋빛 정책에 그치지 않기 위해선 명확한 방향성과 대안이 전제된 정책 제시가 필요한 시점이다.