미래 사회를 주도할 재생 가능한 에너지

기후 변화와 인구 증가는 전 세계적으로 시급히 대책을 세우고 해결해야 할 문제이다. 특히 점점 더 많은 사람들이 번영과 발전을 위해 노력하고 있는 때에 온실가스로 인한 지구 온난화를 어떻게 막을 수 있을까? 다시 말해, 기후 환경을 지속적으로 보호하면서 에너지 소비 증가에 대처하는 방법은 무엇일까? 기술적인 관점에서 보면 이 두 가지 질문에 대한 대답은 단 하나뿐인데, 그건 바로 All Electric Society, 즉 완전히 전기화된 사회라는 비전이다.

모든 경제와 인프라 부문의 전기화, 네트워크화, 자동화를 위한 혁신적인 제품과 솔루션을 생산하는 글로벌 제조사 피닉스컨택트(Phoenix Contact)는 이 비전을 현재 10년의 목표로 설정했다.

_{그림 1: 기후 변화와 자원 부족 문제를 고려한다면 에너지 혁명은 전 세계적으로 필수적이다. 이것이 바로 All Electric Society 비전으로, 우리 시대의 모든 주요 문제를 해결하겠다는 원대한 비전이다. 결국, 탄소 중립 에너지는 우리가 기후 변화에 맞서 싸우면서도 세계적인 번영을 가능하게 하는 핵심 요소가 될 것이다.}

All Electric Society의 비전

All Electric Society는 개인적 필요성, 사업상의 목적 또는 사회적 이익을 불문하고 어떤 목적으로든 언제 어디서나 합리적인 가격에 충분한 양의 에너지를 사용할 수 있어 지속 가능한 방식으로 발전하는 세계를 설명하는 표현이라고 할 수 있다.

이러한 탄소 중립 에너지는 부분적으로 지정학적 의존도에 따라 공급이 제한되는 석유, 가스, 석탄과 같은 화석 연료에서 생산되는 것이 아니라, 전적으로 재생 가능한 자원인 태양광, 풍력, 수력 등 기후 중립적인 방식으로 생산된다. 미국 오리건주립대학교(Oregon State University)의 연구자들에 따르면[1], 태양광 발전의 잠재력만 따져봐도 오늘날의 태양광 기술을 사용하면 지구 육지 면적의 1% 미만에서 얻는 에너지만 사용하면서도 미래에도 전 지구적인 모든 에너지 요구 사항을 충족하는 것이 가능할 정도라고 한다.

하지만 완전한 에너지 혁명과 All Electric Society라는 목표를 달성하려면 아직 갈 길이 멀다. All Electric Society는 재생 에너지의 대규모 확장과 섹터 커플링이라는 기술적 접근으로 시작된다.

섹터 커플링

섹터 커플링의 기본은 산업부터 에너지, 이동성, 인프라, 건물에 이르기까지 생활 및 경제와관련된 모든 영역에 대한 포괄적인 전기화, 네트워크화, 자동화이다. 해당 섹터들은 오랫동안 개별적으로 고려되어 왔으며 대체로 서로 독립적으로 조직되었다. All Electric Society에서는 섹터 자체를 인텔리전트하게 자동화하는 자가 제어 시스템을 만들기 위해 이들 섹터가 유기적으로 연결된다. 즉, 각 섹터는 자체적인 니즈를 인식할 뿐만 아니라 인접 부문의 니즈에도 반응한다는 것이다. 결과적으로 모든 에너지 부하, 생산자, 저장 시스템이 최적의 균형을 이루어 효율성이 향상되고 에너지가 절약된다.

_{그림 2: 섹터 커플링, 즉 적절한 인프라를 사용하여 산업, 이동성, 건물이 지능적으로 통합되면 재생 에너지의 포괄적인 사용과 기후 중립 사회로의 전환이 촉진된다.}

가용 에너지는 현재 필요할 때마다 동적으로 사용할 수 있다. 잉여 에너지는 저장해 두었다가 나중에 필요에 따라 사용할 수 있다. 또한 제어 가능한 부하는 송전망의 균형을 맞추고 휘발성 재생 에너지를 효율적으로 사용하는 데 효과적이다. 즉, 아무리 강풍이 불거나 맑은 날이 계속되더라도 섹터 커플링을 통해 발전 피크와 피크 부하를 완화할 수 있어, 막대한 양의 과잉 용량이 발생하지 않고 전원 공급의 안정성과 가용성을 보장할 수 있다. 여기서는 에너지 저장 시스템이 중요한 연결 고리이다. 이 시스템은 섹터 커플링의 핵심 요소이다.

All Electric Society에서 에너지 저장 시스템의 역할

태양광, 풍력, 수력을 기반으로 하는 안정적인 전력 공급을 보장하는 유일한 길은 충분한 규모와 신뢰성을 갖춘 저장 시스템을 통해 재생 가능 에너지원의 변동성을 보상하는 것이다. 이 목적에 가장 적합한 시스템과 기술은 주로 필요한 저장 용량, 전력, 기간에 따라 다르다.

_{그림 3: 알려진 에너지 저장 기술의 가장 적합한 애플리케이션은 가능한 에너지 제공 기간과 기술적, 경제적으로 실현 가능한 저장 용량으로 정해진다.}

전기 에너지를 임시로 저장해 두었다가 다른 시간과 장소에서 다시 사용할 수 있도록 하는 다양한 기술이 존재한다. 이러한 저장 기술 간의 주요 차이점은 기초적인 물리적 원리에 따라 다르다. 기계식 저장 시스템에서는 전기 에너지가 기계 에너지로 변환되며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 위치 에너지일 수도 있고 운동 에너지일 수도 있다. 순수한 전기 저장 시스템에서는 전하가 커패시터나 슈퍼 커패시터에 저장되거나 전류가 대형 코일이나 인덕터에 저장된다. 전기화학 저장 시스템에서는 다양한 재료의 전기화학적 전위차를 적절한 전해질 및 분리기와 함께 사용하여 배터리에 전기 에너지를 저장한다. 순수한 화학적 저장은 전기 에너지를 사용하여 에너지가 풍부한 액체나 기체를 생성하는 화학 반응을 일으킬 때 이루어진다. 그런 다음 관련된 역반응에서 전기 에너지가 다시 방출된다. 또 다른 저장 기술은 열 저장 기술이다. 이 기술에서는 전기 에너지를 사용해 적절한 저장 매체에서 열을 발생시킨다. 그 반대의 과정에서는 열을 사용해 발전기를 구동한다.

에너지 저장 기술

위치 에너지를 기반으로 하는 상용 기계 에너지 저장 시스템의 예로는 양수식 발전소와 중력 저장 시스템을 들 수 있다. 다른 기계 에너지 저장 기술로는 압축 공기 및 플라이휠 저장 기술이 있다. 압축 공기 저장 기술은 스프링 메커니즘의 물리적 원리를 따르고 플라이휠 저장 기술은 회전 메커니즘의 물리적 원리를 따른다.

기계 에너지 저장 시스템은 체적 및 단위 중량당 에너지 밀도가 낮다는 단점이 있다. 투자 비용은 비교적 높게 형성되는 반면, 운영 비용은 대체로 적게 든다. 이런 시스템은 단기 저장 솔루션으로 종종 사용된다.

가장 대표적인 순수 전기 에너지 저장 장치는 커패시터이다. 커패시터를 결합하면 대형 파워 뱅크를 만들 수 있기 때문에 에너지 함량을 최대 메가와트시 규모까지 매핑할 수 있다. 커패시터나 슈퍼 커패시터의 최대 장점은 매우 짧은 시간에 매우 많은 양의 에너지를 흡수하고 방출할 수 있다는 점이다. 주기 안정성이 매우 높다는 이점도 따른다. 높은 가격과 낮은 에너지 밀도는 이 저장 기술을 산업 용도로 활용하는 데 방해가 된다.

순수 전기 에너지 저장 시스템의 두 번째 종류인 유도 저장 시스템은 극저온 초전도 코일을 기반으로 하는데, 이를 통해 높은 충전 및 방전 전력도 달성할 수 있다. 그러나 이 기술의 에너지 밀도는 매우 낮으며 냉각 요구 사항으로 인해 운영 비용이 높다. 따라서 유도 저장 시스템은 극도의 전력 피크가 발생하는 특수한 애플리케이션에만 사용된다.

배터리는 고전적인 전기화학 에너지 저장 장치이다. 배터리 유형은 다양하며, 주로 사용되는 전극 재료에 따라 그 특성이 결정된다. 납산 배터리, 니켈-카드뮴 및 니켈-수소 합금 배터리, 나트륨-니켈 염화물 배터리, ZEBRA 배터리, 리튬 이온 및 나트륨 이온 배터리 등을 예로 들 수 있다.

_{그림 4: 공공 전력 설비 규모 저장 시스템의 전형적인 구조. 개별 배터리 모듈을 상호 연결하여 더 큰 장치를 형성하고 내후성 컨테이너 내에 배열한다. 이들 모듈은 전력 전자 장치를 통해 외부 송전망에 연결된다. 중앙 컨트롤러가 기능을 모니터링하고 조정한다.}

최근에는 다양한 배터리 애플리케이션에서 리튬 이온 배터리가 입지를 굳게 다졌다. 리튬 이온 배터리는 e-모빌리티와 고정식 전력 공급 분야에서 모두 90% 이상의 가장 높은 시장 점유율을 차지하고 있다. 리튬 이온 배터리는 주기 안정성뿐 아니라 체적 및 중량 단위당 에너지 밀도도 높기 때문이다.

가장 널리 사용되는 리튬 이온 배터리 외에도, 레독스 흐름 배터리는 주로 투자 비용이 적게 든다는 장점 때문에 고정식 애플리케이션에서 계속해서 나름의 입지를 유지하고 있다. 이 같은 유형의 배터리에서는 전해질이 전극에서 분리되어 탱크에 저장된다. 작동 중에는 이 액체가 펌프를 통해 전극에 공급된다. 이런 방식으로 탱크 부피를 늘려 배터리 용량을 쉽게 늘릴 수 있다. 반면, 전극 표면적을 늘리면 배터리 전력이 증가한다.

레독스 흐름 배터리는 리튬 이온 또는 나트륨 이온 배터리에 비해 에너지 밀도가 현저히 낮으며 작동 방식으로 인해 상당한 운영 비용과 효율성 손실이 따른다.

가장 널리 사용되는 순수 화학 에너지 저장 시스템은 수소 기반 기술이다. 전기 에너지는 화학 결합에서 수소를 방출하는 데 사용된다. 재생 에너지를 사용해 이산화탄소가 방출되지 않을 경우 이를 그린 수소라고 한다. 그린 수소는 에너지 운반체로 직접 사용되거나 재처리될 수 있다. 이산화탄소나 질소와 결합된 화학 반응으로 메탄, 메탄올, 등유, 암모니아 등 에너지가 풍부한 기체나 액체가 생성될 수 있다. 이는 Power-to-X(P2X)라고도 하는데, 여기서 X는 그린 수소가 시작 화학물질인 경우 기체 또는 액체를 나타낸다.

그림 5: 재생 에너지를 기반으로 한 수소 생산은 에너지 혁명의 핵심 중 하나이다.

이러한 방식으로 생산된 연료는 화석 연료와 유사한 방식으로 저장, 운송, 사용될 수 있다. 현재 이런 목적으로 파이프라인과 같은 기존 인프라를 업그레이드하기 위한 집중적인 연구가 진행 중이다. 예를 들어, 이퓨얼(e-fuel)은 모빌리티 부문에서 사용된다. 수소와 수소에서 생산된 합성가스는 (공정) 발열에 사용되며 화학 및 제약 산업의 원료로도 사용된다. 또한 연료 전지를 사용하여 저장된 에너지를 전기로 다시 변환하는 데 사용할 수도 있다.

수소 공정 체인의 효율성 손실

물 전기분해(수전해)는 그린 수소 생산에 사용된다. 물은 전기를 사용해 수소와 산소로 분리된다. 이 두 가지 기체는 화학 반응기의 전극에서 서로 별도로 추출할 수 있다. 위에서 설명한 그린 수소를 더 높은 등급의 연료로 추가로 처리하려면 추가 에너지가 필요하다. 이 에너지 중 일부만 최종 제품에서 분리해 다시 사용할 수 있다. 전기분해에서 수소를 거쳐 최종 에너지 운반체로 변환하는 과정에서 필요한 변환 단계가 많을수록 보통 폐열 형태로 발생하는 에너지 손실이 커진다. 이처럼 손실되는 에너지를 다른 목적으로 사용할 수 없으면 전체 공정의 효율성이 저하된다.

섹터 커플링에 적합한 저장 시스템은 무엇일까?

따라서 태양광, 풍력, 수력으로 얻는 전기 에너지를 가능한 한 직접 사용해야 하는 것이 당연하다. 모든 변환 과정에는 효율성 손실이 수반되며, 이는 필연적으로 필요한 발전 용량의 증가로 이어진다. 이 점이 바로 모든 섹터를 최대한 전력화하는 것이 에너지 혁명의 성공과 그에 따른 기후 변화 제한에 결정적으로 중요한 이유이다.

재생 에너지는 지속적으로 사용 가능하지 않고 제한된 범위까지만 통제할 수 있으므로 전기 에너지의 저장이 불가피하다. 배터리 저장 시스템은 밀리초부터 며칠까지의 시간 범위에 걸쳐 에너지량을 기가와트시 범위로 저장하는 데 선호되는 수단이다. 배터리 저장 시스템은 밸런스 파워를 제공하거나 피크 수요를 보상하기 위해 신속하고 유연하게 에너지를 흡수하고 송전망으로 다시 방출할 수 있다.

예를 들어, 재생 가능한 전력 생산의 계절적 변동을 보상하려고 몇 주 또는 몇 달에 걸쳐 잉여 에너지를 저장할 경우에 선호되는 수단은 수소 기반 공정이다.

또한 기술 또는 경제적 이유 때문에 전기 에너지로 운영 불가능하거나 아직은 운영할 수 없는 수많은 애플리케이션이 있다. 예를 들어, 산업 부문에서 철강 및 시멘트 생산이 바로 이 같은 부류에 포함된다. 모빌리티 부문에서는 장거리에 걸친 대량 화물 운송이 이에 해당한다. 장거리 항공 교통과 트럭이나 선박을 이용한 장거리 운송도 여기에 포함된다. 그러나 이 같은 애플리케이션에서도 수소와 수소를 기반으로 하는 다운스트림 제품이 현재의 최첨단 기술을 기반으로 발전하는 최선의 길이다.

에너지 저장 애플리케이션

모빌리티 부문에서의 배터리 사용은 쉽게 설명할 수 있다. 저장된 전기 에너지를 사용해 전기 모터와 차량 내 모든 보조 장치를 작동시킨다. 수소 기반 모빌리티에서 에너지 운반체는 내연 기관의 연료로 사용될 수 있다. 또는 수소를 사용해 연료 전지를 작동시키므로 결국에는 다시 순수 전기로 구동하는 셈이 된다. 이 경우 전력 피크를 수용하고 시스템에 다시 공급되는 에너지를 흡수하려면 크기가 훨씬 작더라도 역시 배터리가 필요하다. 연료 전지는 일정한 부하에서 특히 효율적으로 작동한다.

모빌리티 부문의 충전 인프라에서 배터리는 높은 충전 전력을 처리하여 배전망의 부하를 덜어줌으로써 급속 충전을 지원할 수 있다.

고정식 에너지 저장 시스템의 중요한 애플리케이션으로는 공공 배전망 가동(블랙 스타트) 및 안정화, 산업 활동 운영 시의 피크 부하 제한, 무정전 전원 공급, 공공 배전망에 연결되지 않은 독립적 전력망 운영, 재생 에너지 운반체의 변동성 균형 조정이 포함된다. 전력 거래의 상업적 적합성이 높아지고 있다. 생산자 가격이 낮은 시기에 에너지를 저장해 두었다가 에너지 수요가 높을 때 공급함으로써 이익을 얻을 수 있다.

맺음말

일상생활에서 전기 에너지가 점점 더 많이 사용되고 있다. 이는 도로에서 점점 더 자주 눈에 띄는 전기자동차만 두고 하는 말이 아니다. 건설 현장 차량도 전기로 구동되는 경우가 많아 훨씬 조용할 뿐만 아니라 배기가스 배출량도 줄어들고 있다. 농업, 임업, 광업 부문에도 전기로 구동되는 기계가 사용되고 있다. 히트펌프나 적외선 라디에이터를 이용한 전기 난방이 점점 대중화되고 있다. 이런 사례 외에도 훨씬 더 많은 사례가 있으므로 All Electric Society의 비전이 곧 구현될 것으로 보인다. 이 같은 접근 방식을 활용한다면 기후 변화를 막고 유한한 화석 에너지 자원에 대한 의존을 끝낼 수 있을 것이다.

저자:

Rüdiger Meyer 박사, Phoenix Contact 에너지 저장 시스템 전문가

Rüdiger Meyer 박사는 1995년까지 RWTH Aachen(Dipl.-Ing. Elektrotechnik)에서 전기공학을 전공하고 하멜린의 ISFH(Institute for Solar Energy Research)에서 연구원으로 근무했다. 그곳에서 그는 2000년까지 고효율 실리콘 태양 전지 분야에서 박사 논문을 집필하여 하노버 라이프니츠 대학교(Leibnitz University Hanover) 공학박사가 되었다. 2002년까지 프랑크푸르트/마인에 있는 Continental Teves의 미래 개발 부서에서 근무하면서 Drive-by-Wire 시스템용 에너지 저장 솔루션을 개발한 후 ISFH 연구소의 실리콘 태양 전지 개발 그룹 책임자로 임명되어 고효율 실리콘 태양 전지를 개발했다. 2007년에 홀츠민덴의 Stiebel Eltron으로 옮겨 태양 전지 및 PV 모듈 회사를 설립했다. 2012년에 Phoenix Contact에서 신에너지 연결 기술 제품 관리 그룹 책임자를 맡아 근무하기 시작했다. 2020년 5월에 Phoenix Contact의 비즈니스 영역 장치 커넥터용 에너지 저장 애플리케이션 전문가로 임명되었다. 2022년 10월에는 에너지 저장 전문가(VDE/DGS)로 임명되었다. Meyer 박사는 에너지 저장 주제를 다루는 여러 국제 표준화 위원회와 산업 협회의 회사 대표이다.