Power-to-Gas, 남는 전기를 저장하는 가장 큰 배터리

Power-to-gas, 남는 전기를 저장하는 가장 큰 배터리

대학생신재생에너지기자단 29기 조해나

재생에너지가 늘어날수록 왜 전기가 남을까

태양광과 풍력은 대표적인 친환경 에너지로 꼽힌다. 하지만 이들 발전 방식은 날씨와 계절에 따라 발전량이 크게 달라진다는 한계를 가지고 있다. 햇빛이 강하거나 바람이 많이 부는 날에는 전기가 너무 많이 생산되지만, 반대로 흐리거나 바람이 약한 날에는 발전량이 급격하게 줄어든다. 문제는 전기가 남는다고 해서 모두 저장할 수 있는 것이 아니라는 점이다. 전기는 생산과 동시에 소비해야 하기 때문에, 수요보다 공급이 많아지면 일부 발전소는 발전을 멈춰야 한다. 

실제로 제주도에서는 태양광과 풍력 설비가 빠르게 늘어나면서 전기를 생산하고도 일부 설비를 강제로 멈추는 출력제한이 자주 발생하고 있다. 2022년 제주 지역에서는 총 132회의 출력제한이 발생했으며,  이 중 풍력이 104회, 태양광이 28회였다. 이는 재생에너지 비중이 높아질수록 단순히 발전소만 늘리는 것이 아니라 남는 전기를 저장하는 기술도 함께 필요하다는 것을 보여준다. 기존의 ESS는 몇 시간 정도의 단기 저장에는 효과적이지만, 며칠이나 몇 달 동안 전기를 저장하기에는 비용 부담이 크다. 그래서 최근에는 남는 전기를 수소와 메탄 형태로 저장하는 Power to Gas 기술이 미래 에너지 기술로 주목받고 있다.

[자료 1. 제주도 풍력발전]

출처 : 제주에너지공사

[자료 2. 제주도 태양광 발전]

출처: 제주에너지공사

Power to Gas는 어떻게 작용할까

Power to Gas는 말 그대로 전기를 가스로 바꾸는 기술이다. 가장 기본적인 방식은 재생에너지로 남는 전기를 이용해 물을 분해하는 것이다. 물에 전기를 가하면 수소와 산소가 만들어지는데, 이 과정을 수전해라고 한다. 이렇게 만들어진 수소는 저장해 두었다가 수소차 연료, 연료전지, 발전용 연료 등으로 활용할 수 있다. 전기를 바로 저장하는 대신 수라는 새로운 형태로 바꾸어 저장하는 것이다. 이러한 방식은 Power to Hydrogen이라고도 불리며, 재생에너지의 간헐성 문제를 해결할 수 있는 방법으로 평가받고 있다. 

특히 재생에너지 발전량이 많은 시간대에 수소를 생산해 두었다가, 전기가 부족한 시기에 다시 활용할 수 있다는 점이 큰 장점이다. 기존에는 버려졌던 잉여 전력을 저장해 다시 사용할 수 있기 때문에 재생 에너지 활용도를 높일 수 있다. 실제로 이는 풍력과 태양광 발전의 출력제한 문제를 줄이고, 장기적인 전력 저장 수단으로 활용될 가능성이 높은 기술로 평가받고 있다.

왜 수소를 메탄으로 바꿀까

수소는 친환경 연료이지만 저장과 운송이 쉽지 않다. 수소는 부피가 크고 매우 가벼워 압축이나 액화가 필요하고, 이를 위해서는 고압탱크와 전용 배관이 필요하다. 따라서 기존의 도시가스 인프라를 그대로 활용하기 어렵다는 한계가 있다. 이 문제를 해결하기 위해 등장한 기술이 메탄화이다. 수소에 이산화탄소를 반응시키면 메탄이 만들어지는데, 이를 합성메탄이라고 한다. 메탄은 기존 천연가스와 성질이 비슷하기 때문에 도시가스 배관, LNG 저장탱크, 가스 저장시설 등을 그대로 사용할 수 있다. 다시 말해, 수소를 메탄으로 바꾸면 더 쉽고 저렴하게 저장하고 운반할 수 있는 것이다. 

한국전력은 미생물을 이용해 이산화탄소와 수소를 메탄으로 전환하는 바이오메탄화 기술을 개발하고 있다. 국내 최초의 메탄화 설비는 연간 36톤의 이산화탄소를 처리해 약 12톤의 메탄을 생산할 수 있는 규모다. 생산된 메탄은 도시가스, 난방, 발전용 연료 등으로 사용할 수 있다. 단순히 남은 전기를 저장하는 것을 넘어, 이산화탄소를 재활용하고 기존 가스 인프라까지 활용할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.

배터리보다 어떤 점에서 유리할까

현재 가장 많이 사용하는 저장기술은 리튬이온 배터리를 기반으로 한 ESS다. ESS는 짧은 시간 동안 전기를 저장하고 빠르게 방전하는 데 매우 효과적이다. 따라서 몇 시간 정도의 전력 수요 조절이나 전력망 안정화에는 적합하다. 하지만 배터리는 장기간 저장에는 한계가 있다. 여름철에 남는 태양광 전기를 겨울까지 저장하는 것처럼 계절 단위 저장을 하려면 매우 큰 배터리 설비와 높은 비용이 필요하다. 최근 장주기 ESS 기술도 개발되고 있지만, 대부분 4~12시간 정도 저장하는 수준에 머물고 있다. 

반면 Power to Gas는 저장 효율은 낮더라도 대규모, 장기 저장에 유리하다. 남는 전기를 수소나 메탄 형태로 바꾸면 며칠에서 몇 달까지도 저장할 수 있기 때문이다. 배터리는 초단기에서 단기 저장에 적합하고, Power to Gas는 장기 저장에 적합하다는 점에서 두 기술은 경쟁 관계라기보다 서로 다른 역할을 하는 보완 기술에 가깝다.

Power to Gas는 왜 중요한 미래 기술일까

재생에너지 비중이 높아질수록 남는 전기를 어떻게 저장할 것인가는 매우 중요한 문제가 된다. 태양광과 풍력은 친환경적이지만, 발전량이 일정하지 않기 때문에 저장기술이 없다면 한계가 분명하다. Power to Gas는 남는 전기를 수소와 메탄으로 바꾸어 오랫동안 저장할 수 있는 기술이다. 특히 기존 도시가스 배관과 저장시설을 활용할 수 있고, 전기, 가스, 교통, 산업을 하나로 연결할 수 있다는 점에서 미래 수소경제의 핵심 기술로 평가받고 있다. 아직은 비용과 효율 문제 때문에 대규모 상용화까지 시간이 필요하지만, 재생에너지 확대와 탄소중립이 중요해질수록 Power to Gas의 역할도 점점 커질 가능성이 높다.

수소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소 상용화의 관건, 저장 운송 기술의 현주소", 28기 이건혁, 홍서연, 29기 조성현, https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?idx=170329913&bmode=view

2. "그린수소, 미래 에너지 패권을 바꿀까", 27기 이서영, 천혜원, 28기 이건혁, 29기 염동혁, 조수윤, https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?idx=170022732&bmode=view

참고문헌 

[재생에너지가 늘어날수록 왜 전기가 남을까] 

1) 남영태, 가스신문, [기고]미래 준비하는 기술, Power-to-Gas, 2017.11.29, https://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=80674

2) 이상현, 월간수소경제, 버려지는 재생에너지 전력, 수소로 저장한다, 2024.01.09, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=11688

[Power to Gas는 어떻게 작동할까] 

1) 김영배, 한겨례, 그린수소 대량생산 '수전해' 4월 본격 실증, 2026.04.04, https://www.hani.co.kr/arti/economy/economy_general/1028682.html?utm_source=chatgpt.com 

2) 박상우, 월간수소경제, '태양광으로 진짜 그린수소 만든다' 김천 수소생산기지 준공, 2026.03.26, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=13998

[왜 수소를 메탄으로 바꿀까] 

1) 송현수, 부산일보, 한전 '이산화탄소 바이오메탄화 기술' 개발 착수, 2017.07.04, https://www.busan.com/view/busan/view.php?code=20170704000277&utm_source=chatgpt.com 

2) 원태영, 시사저널e, '이산화탄소를 천연가스로' 한전, 전환기술 개발 착수, 2017.07.04, https://www.sisajournal-e.com/news/articleView.html?idxno=171042

[배터리보다 어떤 점에서 유리할까] 

1) 우상균, 김유영, 전기저널, 미래 전력 계통의 재생에너지 실효성 확보를 위한 장주기 에너지 저장 기술, 2024.10.15, https://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=5649&utm_source=chatgpt.com

[Power to Gas는 왜 중요한 미래 기술일까] 

1) 남영태, 가스신문, [기고] 미래 준비하는 기술, Power-to-Gas, 2017.11.29, https://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=80674