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[기고] ‘신재생·수소’ 융합 통한 에너지 로드맵 구축해야
홍성안 광주과학기술원(GIST) 석좌교수
2017년 11월 06일 (월) 11:52:25 에너지신문 energynews@ienews.co.kr
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수소에너지 사회의 안정적 정착을 위한 제언

   

[에너지신문] 최근 신정부의 에너지 정책이 정치 쟁점화가 돼 온 나라가 시끄럽다. 현재 연장 가동되고 있는 원전의 폐쇄, 신규 원전 건설의 백지화, 노후 석탄 발전소의 점진적 폐쇄, 그리고 석탄 발전 및 원자력 발전 대안으로 2030년까지 태양광, 풍력 등의 신재생에너지 발전량 20% 보급목표가 신정부 에너지 정책의 골격이다.

이는 이제까지 우리나라의 에너지 정책이 낮은 전기 가격과 이를 유지하기 위한 높은 생산성 확보에 초점을 맞추었다면, 이제부터는 국민의 생명과 안전에 우선한 지속 가능 에너지 체계의 시발점이자, 에너지 정책의 대 전환을 이루었다는 점에서 큰 의미가 있다.

지난 20~30년 동안 신재생에너지의 낮은 보급속도를 감안할 때 과연 신재생에너지 발전량 20% 보급목표 달성 여부, 안정적 에너지 공급 담보 여부, 전기요금 상승 개연성 유무 등으로 정치 쟁점화의 이슈를 요약할 수 있다.

태양광, 풍력 등 기술이 발달됐고, grid parity에 어느정도 근접한 현시점에서 신재생에너지 보급의 큰 장애요인 중 하나는 사회적 수용성과 또한 현지 주민의 수용성이다.

정부의 강력한 정책의지로 수행되는 국가 아젠다인 만큼 대국민 소통에 의해 사회적 수용성이라는 장애요인이 해결 된다면, 신재생에너지 보급률이 급격히 증가할 경우 예상되는 문제는 없을까?

태양광, 풍력 등 신재생에너지의 가장 큰 문제 중 하나는 출력 변동에 의한 간헐성이다. 기술의 특성상 전력수요 및 공급이 일치하지 않고, 출력 변동이 심한 간헐적 전원의 확대는 전력계통의 안정성을 해치는 요인으로 작용하며, 이에 따라 필연적으로 잉여전력이 발생하게 된다.

최근 중국의 대규모 풍력단지에서 생산된 잉여전력이 전력계통의 안정성을 저하시켜 빈번한 정전을 유발하는 문제로, 생산된 전기를 폐기하는 사례는 신재생에너지 보급확대를 계획하고 있는 우리에게 시사하는 바 매우 크다.

독일, 태양광·풍력에서 발생하는 잉여전력으로 수소생산

화석연료 수소생산은 인프라 구축 견인하는 과도기적 수단

난해 신재생에너지 발전비중이 30%를 넘어선 독일의 경우, 태양광, 풍력단지에서 발생한 잉여전력을 활용해 수소생산, 저장, 운송, 이용으로 슬기롭게 전력계통 문제를 해결하는 사례를 예시로 소개하면서, 신재생에너지와 수소의 융합, 수소에너지 사회의 필요성, 중요성을 재삼 강조하고자 한다.

수소는 전기와 같이 다른 에너지원에서 얻어지는 2차 에너지원이지만 지구상에 존재하는 풍부한 물에서 생산할 수 있어 자원제약이 없고, 또한 연료전지 기술에 의해 전기와 열을 생산할 때 생성물이 물 밖에 없는 재생 가능한 청정연료이다.

이러한 이유로 수소에너지는 궁극적으로 인류가 당면하고 있는 에너지와 환경, 지구온난화 문제를 동시에 해결할 수 있는 유일한 꿈의 에너지원으로 평가된다. 수소에너지 사회, 수소경제의 개념은 제1차 석유파동이 한참인 1976년 호주의 전기화학자 John Bockris에 의해 제안된 이래, 정치, 경제, 사회 여건에 따라 수소경제 사회에 대한 기대감은 여러번의 부침이 있었다.

기후변화 대응기술 및 지속가능 에너지 체계 예시로서 각국의 정책 지원이 계속 유지된 반면, 유렵의 경제위기(PIGS 금융위기) 및 미국 오바마 정권의 전기차 우선 지원 정책 등에 의해 지난 몇 년간 답보상태를 유지하기도 했다.

그러나 중요한 사실은 지난 40년 동안 수소·연료전지 기술의 진보는, 특히 연료전지 분야에서 실로 괄목할 만한 발전을 이루었다는 점이다.

2013년 현대자동차는 세계 최초 수소전기차 양산모델인 투싼ix35를 출시하는 등, 탁월한 기술적 성과를 이루었고, 연료전지 발전의 경우, 포스코에너지, 두산퓨엘셀을 중심으로 현재 40여개의 크고 작은 연료전지 발전소가 건설, 가동중이다.

포스코에너지, 한국수력 원자력, 삼천리에서 공동 출자한 경기그린에너지는 세계 최초, 최대인 약 60MW의 연료전지 발전소를 건설, 운영 중에 있으며 화성시 전력의 70%를 담당하고 있다.

또 하나의 중요한 사실은 최근 몇년간 수소 경제 사회에 대한 기대감이 재부상하면서, 수소·연료전지 기술을 선도하는 선진제국에서는 국가차원에서 수소 경제 도래를 준비하는 움직임을 보이고 있다는 점이다.

   

현대자동차의 투싼ix35, 토요타의 미라이, 혼다의 클래리티 등 잇따른 수소 전기차 출시 및 이에 따른 연료전지 가격저감 가능성에 탄력을 받은 영향도 있지만, 앞서 언급한 바와 같이 신재생에너지 정책을 선도하는 독일의 신재생에너지와 수소의 융합 사례가 향후 전개되는 수소 경제 사회의 기대감에 큰 영향을 주고 있다.

향후 10~20년 뒤에 예상되는 수소에너지시대, 즉 수소경제의 비젼이 달성될 때 수소이용 기술인 연료전지 기술은 보편화돼 새로 건설되는 발전소의 상당부분은 연료전지 발전소일 것이며, 가정과 상업용 건물에도 자가 발전 연료전지가 설치될 것이다.

또한 운행되는 상당부분의 승용차와 버스가 연료전지차량이며, 이에 상응해 주유소의 상당부분이 수소전기차에 수소를 공급하는 수소 충전소로 대체될 것이다. 이러한 미래 에너지 체계의 완성을 위해서는 수소이용기술인 연료전지 기술의 상용화는 물론 태양광, 풍력 등의 신재생에너지 보급·확산이 전제돼야 하며, 신재생에너지원으로 부터의 수소생산기술, 수소저장, 운송에 이르는 수소 인프라 스트럭처 구축 등 해결돼야 할 과제가 적지 않다.

지난 10여년 동안 사실, ‘수소경제는 있다’, ‘수소경제는 없다’ 등 수소에너지 사회의 허와 실 측면에서 많은 정책적 논쟁이 진행돼 왔다. 미래 수소에너지 사회 구축에 비판적 입장에서 제기된 이슈의 핵심은 앞서 언급한 바와 같이 수소는 1차 에너지원이 아닌 1차 에너지원에서 얻어지는 2차 에너지원이라는 점에 근거한다.

수소생산을 위해서는 물을 전기 분해해야 하는데, 이때 들어가는 전기는 화석에너지를 통해 생산해야하기 때문에 기존의 에너지 체계 보다 효율적이지도 않고 지속가능 에너지 체계가 아니라는 것이다. 그러나 일견 그럴 듯한 이런 주장은 수소경제의 개념과 지향점에 대한 이해의 부족에서 비롯된다는 게 필자의 일관된 주장이다.

현재 수소를 생산하는 방법은 크게 2가지, 천연가스나 석유등 화석연료에서 제조하는 방법과 물을 전기분해해 제조하는 방법으로 구분된다. 화석연료에 의한 수소생산은 연료전지활용을 확대하면서 기술 개발과 상용화, 그리고 수소 인프라 구축을 견인하는 과도기적 수단으로 사용될 것이다.

이렇게 화석에너지에서 생산된 수소를 사용한 수소전기차의 효율을 36~40%로 기존 가솔린 엔진효율의 2배 이상으로 월등히 높다. 수소유통가격은 화석에너지원의 가격, 수소수송비용, 수소 충전소 구축 및 운영 비용 등에 크게 좌우되며, 국내에서도 수소융합얼라이언스 등에서 적정 수소유통가격 산정의 정책연구가 진행 중이다.

참고로 미국, 일본, 독일의 경우 하이브리드 차량 연료비 기준으로 수소 유통판매가격을 각각 10USD/kg, 1000~1200엔/kg, 9.5EUR/kg으로 생산 원가 보다 낮게 책정해, 수소전기차 보급 최우선 전략을 택하고 있다.

물을 전기 분해해 수소를 생산하는 경우, 전기의 소스는 크게 화석연료를 사용해 생산한 전기, 신재생에너지원에서 계통에 연계된 전기, 신재생에너지원에서 전력계통의 안정성 문제 내지는 또다른 이유로 계통에 연결하지 않은 잉여전기로 구분할 수 있겠다.

그러나 화석연료에 의한 전기나 전력계통에 연계된 전기로 물을 분해하는 방식은 에너지 효율적 활용 측면에서 경제성이 없기 때문에, 특수한 경우를 제하고는 적용할 수 없으며 수소경제 기본 개념에서 전혀 고려될 수 없는 대안이다.

진정한 의미의 수소경제 개념은 신재생에너지 원으로부터 생산된 잉여전기로 부터 수전해를 통해 물을 분해해 수소를 생산하고, 저장, 수송과정을 거쳐 수소전기차, 연료전지 발전소 동력원으로 활용하는 것으로, 소위 지속가능 에너지 체계의 달성이라 할 수 있다.

미래세대의 필요에너지를 충족시키기 위한 잠재력을 훼손하지 않으면서 현재의 필요를 충족시키는 에너지 체계를 지속 가능 에너지 체계로 정의할 때, 지속가능 에너지 체계의 4대요건은 환경친화적 에너지체계, 비고갈성에너지(재생에너지), 경제성장, 에너지기술의 mix이다. 특히 에너지기술의 mix 의미와 중요성을 강조하고 싶다.

현재 화석에너지 체계가 석탄, 석유, 천연가스를 에너지원 특성에 맞게 효율적 조합(에너지mix)하는 체계라면, 미래 지속가능 에너지 체계는 태양광, 풍력, 바이오에너지, 수력 등 재생에너지 기술, 수소생산, 저장, 운송, 이용 등 수소·연료전지기술, 배터리, 양수발전등 전력저장기술, 스마트 그리드에 의한 수요 조절 기술, 그리드 확장에 의한 수요분산, 전력 계통기술, 피크부하를 제공하는 피크 전원 공급기술 등, 에너지 기술의 mix 체계임을 유념할 필요가 있다.

수소경제가 있다, 없다, 등의 논쟁에서 간혹 수소경제의 핵심기술 중 하나인 수소, 연료전지 기술이 마치 모든 에너지 이슈를 해결하는 것으로 오해할 소지는 있으나, 수소경제의 달성여부는 신재생에너지 보급 확산이 우선 전제돼야 하며, 신재생에너지와 수소의 융합, 좀 더 정확하게는 신재생에너지와 에너지기술, 그리고 수소의 융합이 이루어질 때 가능함을 재삼 강조하고 싶다.

다가오는 수소경제 시대에는 연료전지 발전기술이 상용화돼 신재생에너지와 연계된 환경친화적이고 지속가능한 수소에너지 사회가 될 것이다.

신재생에너지 발전량 20% 보급목표를 달성하기 위한 국가에너지 전환 로드맵에는 신재생에너지 원별 기술적 잠재력 분석 등을 포함해 신재생에너지와 수소의 융합이 근간이 되기를 강력히 주장하면서, 마지막으로 북한의 최근 수소폭탄 사건의 수소폭탄은 수소에너지 사회의 수소와 전혀 다르다는 점을 상기하면서, 행여나 수소폭탄으로 인한 수소에너지 안정성 이슈로 모처럼 조성돼가고 있는 수소에너지 사회 기대감에 역풍이 없기를 바란다.

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