신재생에너지 보급 확대와 전력망 안정화를 위한 에너지저장시스템(ESS) 및 탄소 저감 기술의 중요성과 발전 방향 doc_id PCY_201508191122199221_6

신재생에너지의 간헐성을 보완하기 위한 전력망, 저장, 수요관리, 급전(dispatchable) 발전기술 등이 보급확대를 위한 핵심기술이다. 신재생에너지 보급을 위해서는 기술적인 측면에서 전력망 안정화 기술, 전력 저장기술, 대규모 송전 기술, 공급과 수요 조정기술이 필요하며, 그 외에 표준 및 규제 등의 문제가 해결되어야 한다. 그리드 문제 해결을 위해서는 Flexible AC Transmission System, HVDC(High Voltage Dirct Current Transmission), WAMC(Wide Area Monitoring and Control) 등이 해결대안이 될 수 있다. 이미 태양광이 그리드 패러티를 달성한 사례가 다수 존재하지만, 보다 급격한 보급확대를 위하여 발전차액보조금제도(FIT)와 같은 인센티브 제도 도입이 필요하다. 신재생에너지는 화력발전에 비하여 발전량당 더 많은 토지를 필요하므로 토지이용(Land-Use)도 신재생 보급확대를 위한 핵심 이슈이다. 에너지저장시스템은 장치 혹은 물리적 매체를 이용하여 에너지를 나중에 사용하기 위하여 저장하는 기술이다. 그러나 일반 가정에서 사용하는 건전지나 전자제품에 사용하는 소형 배터리도 전기에너지를 저장하는 기술이지만 일반적으로 에너지저장시스템이라고 말하지는 않으며, 수백 kWh 이상의 전력을 저장하는 기술을 에너지저장시스템이라고 부른다. 대용량 ESS는 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 운영이 가능하며, 주파수 조정(Frequency Regulation, FR), 신재생발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감, 부하 평준화(Load Balancing), 비상전원 등의 기능으로 사용된다. 에너지저장은 저장 방식에 따라 크게 물리적 에너지저장과 화학적 에너지저장으로 구분할 수 있다. 대표적 물리적 에너지 저장기술에는 양수발전과 압축공기저장(Compressed Air Energy Storage, CAES), 플라이휠 등이 있으며, 화학적 에너지 저장기술에는 리튬이온전지, 납축전지, 레독스흐름전지(Redox Flow Battery, RFB), 나튜륨황전지(NaS) 등이 있다. 에너지저장기술은 수요와 공급 측면의 변동성이 증가하는 상황에서 그리드의 안정성을 담보할 수 있는 기술이며, 이를 통하여 태양광, 풍력 등 다양한 기술의 보급확대를 가능케 하는 핵심기술이다. 현재까지는 양수발전 기술이 절대적인 비중을 차지하고 있으며, 부하 추종성이 거의 없는 원자력발전의 보완역할을 수행하고 있다. 프랑스의 경우 열저장 기술(가정에 용수 가열기 보급)을 통하여 로드커브를 완화하는 성과를 거두었다. 섬과 같은 고립된 그리드 시스템에서는 배터리가 전력 주파수 관리에 크게 기여한다. 저장기술은 추가적인 송전시설 건설없이 화력발전소의 재구동을 가능케 한다. 전력저장기술은 저장용량, 저장기간, 비용에 따라 다양한 옵션이 존재하므로, 하나의 독점적인 기술보다 다양한 기술의 조합이 필요하다. 그러나 새로운 전력저장기술과 기존의 양수발전 사이에는 비용경쟁력 측면에서 큰 기술적 격차가 존재한다. 리튬이온 배터리 기준으로 현재보다 기술수명은 2배, 가격은 90% 저감되어야 양수발전 수준의 경쟁력 확보가 가능하다. 신재생에너지 보급, 전력 주파수 규제, 부하 추종성, 전력망 비연계 운영 등이 에너지저장기술의 보급 원동력으로 작용한다. ESS의 기술적 특성을 살펴보면, 효율은 현재 리튬이온전지의 경우는 95% 수준으로 PCS효율이 전체를 좌우하며, 실제 다 계산하더라도 88-95% 수준이다. 또한 충전회수는 4천회를 보장하며, 4천회에 80% 충전용량을 유지하기 때문에 충분히 계속 사용할 수 있다. 폰 배터리처럼 90% 충전 10%방전하는 식으로 운용하면 수명은 더욱 길어질 수 있으며, 이에 따라 최소 10년 이상의 수명을 기대할 수 있다. 충전과 방전에 걸리는 시간은 급속은 30분, 일반은 4시간으로 추정된다. 배터리 용량은 한번 충전하면 250km가는 것을 목표로 하고 있으며, 2025년 까지는 달성할 것으로 전망된다. 배터리 용도별 용량을 살펴보면, 가정용은 3KW, 소형 상업용 건물은 10KW, 서울역사같은 대규모 건물/빌딩은 수백KW 수준이 필요하다. 그리드용은 MW수준이며 발전소 옆에 안정화 시키는 것은 더 큰 용량이 필요하다. 시스템비용은 2018년까지 현재가격에서 1/3 떨어지는 것으로 전망하고 있다. 현재 일본은 태양전지와 연계하여 에너지저장시스템(ESS)을 보급하고 있으며 이에 따라 삼성 SDI 제품의 일본 판매가 증가 추세를 나타내고 있다. 특히, 일본은 후쿠시마 원전사태로 인해 가정용 에너지저장시스템 보급이 많이 된 상태이며, 정부 지원도 많은 상황이다. 그러나 국내의 경우, 산업부에서도 ESS에 관심을 많이 가지고 있어서, 전력피크가 문제되고 있으니 건물에 의무설치 해보자 라는 의견은 나왔으나 법 제정까지는 연결되지 못하였으며, 공공기관 설치 의무화로 보급 방향이 설정되고 있는 추세이다. 국내 화력발전소는 95%만 발전하고 있으며, 이로 인한 비용은 1년에 3천억 정도 드는데 이를 ESS를 활용하면 100% 가동 가능하게 되어 비용저감 효과가 발생할 것으로 전망된다. 특히, ESS를 설치하면 원가가 낮기 때문에 한전에서는 1년에 3500억 이익이 발생한다고 한다고 분석하고 올해부터 2017년까지 6500억원을 투자하여 500MW를 설치할 계획이다. ESS가 보급되면 가스를 아끼면서 석탄을 땔 수 있기에 비용 저감효과가 클 것으로 분석된다. 국내 화력발전소는 95%만 발전하고 있으며, 이로 인한 비용은 1년에 약 3천억이 소요되는데 여기에 ESS를 활용하면 100% 가동이 가능하고 연간 3500억원의 이익이 발생할 것으로 예상하고 있다(한국전력). 올해부터 2017년까지 6500억원을 투자하여 500MW를 설치할 계획이다. ESS가 보급되면 가스를 아끼면서 석탄을 사용할 수 있기에 비용 저감효과가 클 것으로 분석된다. 배터리 용량은 한번 충전하면 250km가는 것을 목표로 하고 있으며, 2025년 까지는 달성할 것으로 전망된다. 가정용은 3KW, 소형 상업용 건물은 10KW, 서울역사같은 대규모 건물/빌딩은 수백KW 수준이 필요하다. 그리드용은 MW수준이며 발전소 옆에 안정화 시키는 것은 더 큰 용량이 필요하다. 시스템비용은 18년까지 현재가격에서 1/3 떨어지는 것으로 전망하고 있다. 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 기술은 화석연료 사용으로 인해 발전소, 철강, 시멘트 공장 등 대량 배출원으로부터 배출되는 이산화탄소를 대기에서 격리시키는 기술이다. 향후에도 화석연료는 지속적으로 사용될 것으로 예상되기 때문에 이산화탄소 포집 및 저장(CCS)기술은 가장 중요한 온실가스 감축기술로 고려되고 있다. 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 중 이산화탄소 포집기술은 전체 비용의 70~80%를 차지하는 핵심 기술로서 상용화를 위해서는 비용을 획기적으로 저감하기 위한 연구가 필요하다. 저장 기술은 저장소에 따라 경제성 및 신뢰성에 큰 차이가 존재하며 현재 이산화탄소의 저장소로는 해양, 지중, 지표 등이 고려되고 있다. 해양저장은 해양 생태계 문제 야기 가능성으로 인해 기술적 검증이 더 필요하며, 지표저장은 개발초기 단계로서 이산화탄소를 고착화시킨 광물의 저장소 문제 등이 과제로 남아 있다. 반면 지중 저장은 폐유전, 가스전 등 육상 혹은 해저의 깊은 지층에 저장하는 기술로서 다양한 실증프로젝트가 진행되고 있으며, 원유회수증진(EOR, Enhanced Oil Recovery) 기술 등은 다른 기술에 비하여 경제성도 높은 것으로 분석되고 있다.