수소 생산과 저장을 한번에, P2G 기술

수소 생산과 저장을 한번에, P2G 기술

16기 변은경

최근 영국 런던을 비롯한 남동부 지역에서 화력과 풍력 발전 시설에서 문제가 생겨 대규모 정전이 발생했다. 전체 전력 생산의 40%를 신재생 에너지로 충당하는 독일도 2013년 이후 신재생에너지 전력 손실이 크게 늘고 있다. 날씨에 따라 에너지의 생산량이 급변했기 때문이다. 이는 전력망 안정에 신재생 에너지의 저장과 유지가 가장 중요한 역할을 하고 있다고 볼 수 있다. 우리나라 제주도에서도 풍력발전 출력 제한으로 손실된 에너지가 작년에만 1300MW에 육박했다. 안정적인 전력망 유지를 위해 매년 막대한 양의 에너지가 낭비되고 있는 셈이다. 배터리 용량이 제한적인 ESS로는 수직성장하는 신재생에너지 발전량을 따라갈 수 없기 때문이다. 따라서 신재생 에너지 잉여 전력으로 물을 전기분해하여 수소로 저장하는 P2G 기술 개발이 전 세계에서 추진되고 있다.

따라서 본 기사에서는 P2G 기술이 무엇인지 알아보고 P2G의 국내, 국외 현황을 다루었다.

'P2G 기술이란 무엇인가'

‘P2G(Power to Gas)’는 태양광 · 풍력의 출력으로 물을 전기 분해하여 수소를 생산 저장하거나, 이 수소를 이산화탄소와 반응시켜 생성된 메탄을 저장하는 기술이다.

[그림 1. P2G 기술 개요]

출처: 한전경제경영연구원

P2G의 활용 방식은 위 그림과 같다. 제일 먼저 생산된 전력으로 물을 전기 분해하여 수소를 얻어낸다. 수소를 활용하는 방법은 두 가지로 첫 번째는 이산화탄소와 결합하여 사용하는 방법이다. 메탄화 한 가스를 가스망에 주입하여 수송 연료나 가스터빈의 발전 연료로 사용한다. 두 번째는 얻어낸 수소를 직접 사용하는 방식으로 수송 또는 산업 연료로 사용한다.

하지만 P2G의 에너지 효율은 ESS에 비교하여 낮은 수준에 미친다. P2G를 통해 수소로 전환하는 경우의 효율이 천연가스 망에 연결하기 위한 가압(80bar)까지 포함하여 57~73%이고, 메탄으로 전환할 경우 50~64% 정도의 효율을 보인다. 이렇게 전환한 가스를 다시 전기로 전환하기까지의 효율은 수소의 경우 48~62%, 메탄의 경우 43~54%이다. 그러나 최근 발표에 의하면 고효율 SOFC 등을 적용하면 효율을 80%까지 끌어올릴 수 있다고 보고되고 있다.

*SOFC(고체 산화물 연료전지): 연료 기체가 가진 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 에너지 변환 전지

P2G기술은 배터리 기반의 ESS에 비해 에너지 전환 효율은 떨어지지만 강력한 장점들을 가졌다. 먼저 대용량의 에너지를 장기적으로 저장할 수 있다. 또한 P2G를 통해 생산된 가스를 천연가스 망에 연결할 수 있기 때문에 전력망과 가스망의 유기적 결합이 가능하다. 마지막으로 전력 저장과 동시에 이산화탄소의 전환 및 연료화가 가능하기 때문에 온실가스 저감에 능동적으로 대처할 수 있는 기술 중 하나로 평가되고 있다.

[표 1. P2G와 ESS 비교]

출처: 전기,에너지 기술 2019년 1월호

'국내 기술동향'

국내에서는 수전해 메탄화 등 요소기술에 대한 개발은 이루어지고 있지만 P2G 통합시스템에 대한 실증은 아직 없는 상황이다. 최근, 제주는 신재생 에너지 발전 비율이 높아 P2G 개발과 실증 사업이 검토되고 있다. 한전 전력연구원에서는 신재생 활용 수소에너지 생산, 저장, 이용 시루의 개발 및 실증 연구를 수행하고 있으며 CO2의 바이오 메탄화를 통한 생물전기화학적 메탄 생산 공정을 개발하고 있다. 

또한 정부는 지난 1월 수소경제 선도국가를 목표로 '수소경제 활성화 계획'을 발표했는데, 이를 바탕으로 5월에는 '나주혁신산단 내 그린수소 테스트베드' 구축사업을 확정했다. 이는 산업통상자원부가 정부과제 추진을 위해 한전과 전남도가 협력하여 진행하는 것을 목표로 한다. 이 사업은 P2G 기술을 개발하는 게 목적이다.

기술이 상용화 단계에 접어들면, 전력계통 안전성 확보와 전력수요·공급 문제는 물론, 전력을 가스로 전환·저장할 수 있는 기술을 통해 에너지저장장치(ESS)에만 전적으로 의존하고 있는 재생에너지 잉여전력 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

'외국 기술동향'

P2G 연구개발이 가장 활발한 곳은 유럽이다. 불안정한 재생에너지출력을 안정화하기 위해서가 가장 큰 이유이다. 2050년까지 재생 에너지 비율 80%를 목표로 하고 있는 독일은 수급 안정을 위해 P2G 기술을 활용하기로 결정했다. 잉여 재생 에너지를 수소로 바꿔 향후 재생 에너지 수급이 불안정해질 때 사용하겠다는 계획이다. 현재 20여개 이상의 다양한 개념의 P2G 플랜트와 정부 지원으로 풍력발전 연계 연간 200톤 수소생산 P2G 프로젝트가 실증 중이다.

[사진 1. 독일 에너지회사인 에너트랙의 하이브리드 파워 플랜트]

출처: 네이버 지식백과

덴마크는 풍력 에너지의 활용 분야에서 선두를 달리고 있다. 덴마크는 풍력 에너지를 통해 안정적이고 장기간 사용 가능한 대용량 에너지 저장 시스템을 만들겠다는 목표를 설정했다. 현재 덴마크에서 사용되는 전력의 20% 이상은 풍력으로 조달하고 있다. 2020년에는 풍력발전으로 전체 전력 소비량의 절반을 충당하는 것을 목표로 하고 있다. 덴마크는 풍력을 이용한 P2G 사업으로 교통과 난방 문제 해결을 목표로 하고 있다.

또한 미국 캘리포니아주는 2030년까지 전력 50%를 재생에너지로 공급하고 수송용 연료의 30%를 P2G를 통해 생산한 메탄으로 대체하겠다는 목표를 수립하였다.

'전망 및 시사점'

유럽의 사례를 보면 한 국가의 신재생 에너지 보급률이 10%를 초과하면 중앙과 지역의 에너지 간섭 및 불균형으로 인한 전력불안이 큰 문제가 되었다. 아직 재생에너지 발전 비율이 낮아 P2G 기술의 도입이 이른 것이라 생각할 수도 있겠지만 충분한 준비기간도 경쟁력 확보와 안정성면에서 중요 요소이다. 한국도 어서 P2G기술의 확보와 투자를 아끼지 말아야 할 것이다.

참고문헌

1. 전력연구원, 에너지 저장과 이산화탄소 저장을 동시에 P2G기술, 한국 전력, 2019. 02. 13, https://blog.naver.com/kepri5086/221464990317

2. 김동은, 신재생 에너지 저장 수소 활용...과제는?, JIBS 뉴스, 2019. 08. 28, http://www.jibs.co.kr/news/replay/viewNewsReplayDetail/2019082821552644818?feed=na

3. 박진남, KEPCO 오픈 MG 프로젝트 핵심 기술 <1> P2G, KEPCO, 2019. 02, https://blog.kepco.co.kr/1456?category=538392

4. 이창우, 나주혁신산단에 408억 투입 '그린수소 종합시험장' 구축, 뉴시스, 2019. 09. 02

5. 한국정보통신기술협회, P2G 에너지 저장기술, 네이버 지식백과, 2016. 12. 20