2016년 먹거리 신산업, '청정 전력기술'이 뜬다[하]

2016년을 빛낼 전력기술 11가지 <하>

지구온난화에 따른 '온실가스 감축'은 전 세계적인 숙제가 됐다. 이런 시대적 흐름을 가장 먼저 체감하는 곳은 역시 전기·전력쪽이다. 전기에너지를 생산하기 위해서는 화석연료를 가장 많이 소비하고 이로 인해 온실가스를 가장 많이 배출하고 있기 때문이다.

그래서 전력기술의 대부분은 온실가스 감축이라는 역사적 사명 하에 연구개발이 이뤄지고 있다고 해도 과언이 아니다. 수요관리를 통해 생산된 전력을 아끼거나 발전소 효율을 극대화하기 위한 노력 등이 모두 에너지신기술과 맞닿아 있는 이유도 그 때문이다. 그리고 이 기술들의 미래의 우리 먹거리 기술로 자리매김 할 전망이다.

한전 전력연구원(원장 김동섭)이 제시한 2016년을 빛낼 11가지 전력기술은 ▲마이크로그리드 및 에너지자립섬 ▲에너지저장장치 ▲전기자동차 및 무선충전 ▲전력수요반응 ▲초전도케이블시스템 ▲HVDC ▲ 저탄소 화력발전기술 ▲CCS와 재활용 기술 ▲발전소 온배수열 활용 ▲스마트시티 ▲전력설비 IoT 등이다.

상·하 두 번에 걸쳐 이 전력기술을 소개한다.

◆온실가스 감축 및 재활용 기술

CCS(이산화탄소 포집 및 저장)는 크게 연소전, 연소후, 순산소 연소(Oxyfuel combustion)로 구분된다. 연소 후 포집 기술은 기존 석탄 발전소 등에서 연료를 연소해 전기를 생산하고 발생된 최종 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리해내는 방법이다. 대표적인 상용 공정으로 아민계열 흡수제를 이용한 흡수 공정이 있으며, 처리 방법에 따라 습식과 건식으로 구분된다. 연소 후 이산화탄소 포집기술은 신뢰성 높은 기술이나 흡수제로부터 이산화탄소를 흡수와 탈거하는데 소모되는 에너지량을 낮추고 흡수와 탈거 능력을 높이는 등의 경제성을 향상시킬 수 있는 기술개발이 필요하다.

CCUS(이산화탄소 포집 및 재활용)는 이산화탄소를 자원화 시키는 기술이다. 이산화탄소를 포집, 고농도 농축 후 경제적 또는 환경적으로 가치를 향상시켜 재활용하는 기술로, 이산화탄소를 석회석 또는 중탄산나트륨과 같은 광물로 전환시키는 광물화, 비료를 만들기 위해 이산화탄소를 활용하는 요소합성 방법(UREA), 이산화탄소를 고분자물질로 전환시키는 고분자합성 방법 (Polymer), 생물학적으로 고정시키는 미세조류 이용 방법(Algae), 가솔린 등으로 전환시키는 연료화 등으로 크게 구분한다.

전력연구원은 2000년 초반부터 석탄화력발전소 배가스로부터 CO2를 포집하기 위한 연소후 습식 및 건식 CO2 포집기술을 개발하고 있다. 한국중부발전 보령화력본부에 아민 수용액을 사용하는 0.1 MW 습식 CO2 포집설비를 2003년에 설치해 성공적으로 운전했고 이를 바탕으로 개선된 10 MW 공정을 2013년 설치하고 현재 5000시간 연속운전을 목표로 연구를 진행하고 있다. 습식 포집공정에서는 자체개발한 KoSol 시리즈 흡수제를 사용하고 있으며 에너지 소비 저감측면에서 세계 최고 수준의 성능을 확보했다.

한국남부발전 하동화력본부에는 자체 개발한 KEP-CO2P 시리즈 고체흡수제를 이용하는 0.5MW (2010년 준공) 및 10MW (2013년 준공) 건식 CO2 포집설비를 설치·운영 중이다. 이 기술은 국내 고유의 차세대 혁신 포집기술로서 건식기술로는 세계 최대 규모로 이 분야 기술을 선도하고 있다.

CO2 재활용 분야에서는 2013년부터 CO2 제거와 동시에 중탄산나트륨과 같은 고부가 화합물로 제조 가능한 상용급 기술을 개발하기 위한 과제를 착수함과 동시에, 폐콘크리트와 같은 산업폐기물로부터 칼슘이온을 추출하고, 탄산무수화효소를 활용해 이산화탄소의 포집속도를 100배 이상 향상시킨 후 최종적으로 고품위 석회석을 생산했다. 특히 저에너지 전기분해공정을 이용해 기존 Chlor- alkali법보다 70% 이상 저감된 에너지로 소금물을 전기분해해 생산된 염산으로 산업폐기물로부터 칼슘을 추출시킬 수 있는 공법을 완료했다.

전력연구원 2016년 습식 10 MW 포집설비의 업그레이드 및 최적화를 통해 10MW 습식 및 건식 포집 설비의 1000시간 연속운전을 완료할 예정이다. 이후 습식 및 건식 CO2 포집기술 모두 2017년까지 100MW이상의 상용 패키지를 개발 완료하고 국내외 사업화 및 실증을 대비할 계획이다. 또한 전력연구원에서 개발된 CO2 포집기술은 장기 성능 시험을 통해 신뢰성을 입증한 후 2018년 시작되는 150MW급 대규모 국가 CCS 실증사업에 활용될 예정이다.

동시에 2016년 중 CO2 포집 플랜트의 사업성을 높이기 위해 CO2 원천분리 저가 소재의 기초 조성 개발 및 탄산무수화 효소촉매 첨가 습식 흡수 기술의 타당성 등 차세대 CCS 기반기술의 개발에 착수할 예정이다.

CO2 재활용을 위해 2016년 50kW급 중탄산소다 생산 파일럿 플랜트의 건설을 시작할 예정이며, 세계 최초로 저에너지 전기분해공정과 탄산무수화 효소를 활용해 고품위 석회석을 생산시킬 수 있는 10kW 파일럿 플랜트 공정 연구를 2016년부터 착수, 2018년까지 1MW 상용급 석회석 생산 플랜트 개념설계를 확보하고 2019년 이후부터 이산화탄소 석회석 생산 상용화 공정에 활용할 예정이다.

◆미활용열을 이용한 에너지효율 향상 기술

산업단지나 발전소 등에서 발생하는 폐열은 대용량 고온일 경우를 제외하면 대부분 버려지고 있으나 최근에는 ORC(Organic Rankin Cycle : 유기랭킨사이클)을 통해 중저온 열까지도 전력으로 회수하거나 히트펌프를 통해 온도를 높여 난방으로 회수하는 방안이 다양하게 시도되고 있다. 이러한 미활용 열은 온도가 높지 않아 실제 적용 시 충분한 경제성을 확보하는 것이 쉽지 않으나 기업 측면에서 에너지 비용 절감 뿐 아니라 국가적 차원의 1차 에너지 절감과 온실가스 저감이 가능해 발전온배수 활용이 신재생에 포함('15. 3), REC 인정을 받을 수 있게 됐다. 이처럼 관련 제도와 법규가 개선됨에 따라 미활용 열을 효과적으로 활용하기 위한 기술개발 및 적용이 급격히 늘어나고 있다.

전력연구원은 2015년 3월 적도 지역에서만 가능했던 기존의 해양온도차발전 방식을 국내 실정에 맞게 적용한 '10kW급 해양복합온도차 발전설비'를 세계 최초로 실증에 성공했다. 이 설비는 표층수와 심층수 간 온도차를 이용하는 전통적인 방식의 해양온도차 발전과 달리, 발전소 복수기에서 버려지는 대량의 배기 열과 저층수 간 온도차를 이용함으로써 우리나라와 같은 중위도 지역에서도 계절 변화와 상관없이 발전이 가능하게 했다는 것이 특징이다. 또한 배출되는 온배수를 저감함으로써 인근 해양환경에 미치는 영향을 감소시키고 하절기 수온 상승으로 인한 발전출력 저하를 방지하는 등 기존 발전소와의 융합을 통한 시너지 효과를 거둘 수 있다.

100kW급 해양복합온도차 발전설비 개발 및 실증 과제가 올해부터 2019년까지 추진 중이며 향후 MW급 상용화 설비 개발을 계획하고 있다.

한편 발전소에서 배출되는 막대한 양의 온배수는 동절기의 낮은 온도(10 ~ `15℃)에도 불구하고 난방용 히트펌프의 열원으로서 대단히 좋은 조건을 갖추고 있다. 인근 대규모 원예단지나 양식장 등의 난방에 적용할 경우 막대한 양의 에너지를 절감할 수 있으며 이는 곧 막대한 양의 온실가스도 저감할 수 있음을 의미한다. 이를 성공적으로 적용하기 위해 전력연구원은 '발전온배수 활용 대규모 냉난방 시스템 개발 및 실증' 과제를 추진 2019년까지 추진할 계획이다. 발전온배수를 활용한 최적의 냉난방 시스템 개발을 통해 열 수용가의 에너지 소비는 1/4 이하로, 에너지 비용은 1/2 이하로 줄임으로써 인근 농어업 생산 경쟁력을 높이는 동시에 온실가스의 획기적 감소가 기대된다.

따라서 최근 정부에서 관련제도와 법규를 지속적으로 정비하고 있으며 전력연구원 미래기술연구소는 이러한 상황과 정부의 정책에 즉시 부응해 미활용 열을 활용한 2 Track(전력생산, 유효 열 생산)의 최적 기술개발로 국가적 차원의 합리적 에너지 이용과 1차에너지 절감 및 온실가스 저감 뿐 아니라 열 수용가 난방비 절감을 통한 경쟁력 향상에도 크게 기여한다는 방침이다.

◆저탄소 미래사회 모델, 스마트시티 기술

스마트 시티(Smart City) 기술이란 신재생에너지와 향상된 에너지효율화(Energy Efficiency) 기술의 기반위에 정보통신(ICT) 기술을 통한 도시자원의 통합관리와 향상된 서비스를 제공해 자원소비와 운영비용을 줄이는 융·복합 기술을 의미한다.

현재 도시지역은 전세계 면적의 2%만을 점유하고 있지만, 인구의 절반이 거주하면서 약 75%의 에너지를 소비하고 있으며, CO2의 약 80%를 배출하는 등 세계적으로 자원의 소비가 도시에 집중돼 있다. 2050년에는 약 70%의 인구가 집중되고, 도시화율(Urbanization rate)은 약 67%에 달할 것으로 보인다.

전력연구원은 스마트 시티 기술을 통해 도시화에 따른 도시 인프라 부족 및 지구온난화 위기를 해결하고, 향상된 도시 서비스를 통해 도시 경쟁력을 향상시키고, 궁극적으로 지속가능한 저탄소 미래사회를 구현하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 그동안 수행해왔던 신재생에너지 및 에너지저장 기술, 스마트 배전망 운영기술, 마이크로그리그 기술 및 소프트웨어 플랫폼 기술 등을 융합해 스마트 에너지 시티의 기반 플랫폼과 에너지 서비스를 개발하고 이를 통해 신규 비즈니스 모델 수립에 나선다.

한전에서 추진하는 스마트 시티 프로젝트는 광주전남 혁신도시인 빛가람 에너지밸리를 대상으로 구축되는데, 여기에는 에너지 공급요소로 태양광, 풍력, 연료전지 및 바이오 등 다양한 신재생에너지가 포함되고, 수요요소로 건물 에너지효율화 솔루션인 스마트그리드 스테이션(Smart Grid Station)이 한전 및 에너지공기업을 중심으로 구축된다. 또한, 에너지 저장요소로 각각 수요반응(DR)과 배전선로용 에너지저장장치가 구축되며 전기자동차 충전 인프라가 연계될 것이다. 이를 통합해 도시 에너지 자원의 효율적인 운영을 위한 스마트 시티 통합 운영시스템이 개발·실증될 예정이다.

스마트 시티 통합 운영 시스템은 도시 내외부의 에너지자원을 관리하기 위해 확장성과 상호운용성(Interoperability)을 확보된 개방형 데이터 및 서비스 플랫폼을 구성하고, 여기에 통합 에너지 표준정보 모델과 빅데이터 응용 서비스가 개발 된다. 또한 분산에너지 자원을 통합한 도시단위의 에너지 관리 기능과 탄소배출 관리 기능 및 도시 공공 서비스를 개발해 에너지 비용 절감, CO2 감축 등을 목표로 하고 있다. 이를 위해 통합 운영플랫폼 고도화, 에너지 통합 운영 지능화 및 시티 확산 모델 및 에너지 신사업모델을 발굴해 에너지 신산업 생태계 구축에 나선다.

스마트 시티 통합 운영시스템은 총 36개월 동안 설계-개발-구축 및 실증의 세부 단계를 거쳐 개발될 계획이다. 2016년도에는 나주혁신도시의 스마트 시티내에 신재생에너지 도입 마스터플랜이 수립되고, 기술적·경제적으로 신재생에너지를 효과적으로 통합하고, 도시단위 에너지자원을 효율적으로 운영하며, 수자원, 가스, 열 등 외부자원들까지 확장· 수용할 수 있는 도시자원 통합 운영 플랫폼 및 시스템의 설계가 중점적으로 수행될 예정이다. 또한 이러한 스마트 시티 통합 운영을 통한 신규 사업모델의 기본 설계가 이루어질 예정이다.

스마트 시티는 우리나라가 향후 신기후체계에 적극 대응하고, 비즈니스 모델의 혁신을 통해 새로운 에너지 신산업을 창출할 수 있는 기반이 될 것으로 기대된다. 또한, 에너지 사용자들은 이를 통해 저렴한 에너지를 효율적으로 사용하고 향상된 다양한 도시 에너지 서비스를 누릴 수 있을 것이다.

◆전력설비 사물인터넷(IoT) 및 스마트센싱 기술

전력산업분야의 IoT 기술은 전력과 IoT 기술을 융합해 글로벌 에너지 신산업 시장을 주도하는 것에 목적을 두고 있다. 최근 전력회사에서 IoT와 스마트센싱에 큰 관심을 갖는 이유는 전력설비로부터 IoT센서의 전원을 쉽게 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 설비유지보수 기술을 가졌기 때문에 타 분야에 비해 경쟁력이 크기 때문이다.

빠른 속도로 IoT 응용분야가 새롭게 등장하고 있지만 이 기술을 채택해 확산하는데 여러 가지 장애 요소들이 있다. 통신, 데이터 처리, 서비스, 미들웨어 등과 같은 표준이 제정돼 있지 않고, 유럽이나 북미의 국가에 비해 IoT 기술을 실험하고 검증할 수 있는 인프라가 부족한 실정이다.

한전은 스마트 에너지 사업자의 사회적 책임을 다하고 전력에너지 신서비스 창출을 위해 개방형 사물인터넷(IoT) 환경을 조성하는 사업을 진행하고 있다. 대구와 광주지역에 약 1000여개의 무선센서 노드 및 260여개의 게이트웨이 규모로 IoT 기반의 전력설비 자가진단 솔루션을 시험할 수 있는 테스트베드를 구축했다. 테스트베드에 설치한 무선센서는 수량이 많고 유지보수 비용이 많이 소요될 수 있기 때문에 저전력, 초소형으로 개발됐다. 무선통신은 블루투스 프로토콜을 기반으로 하고 있으며, 상위단의 센서노드 또는 게이트웨이로 통신하도록 구성했다.

전력연구원은 2016년에는 전북 고창의 전력실증시험장과 연계해 테스트베드의 규모를 확장하고, 다양한 무선통신 방식을 수용해 확장성을 높일 예정이다. 테스트베드는 상호호환성, 센서노드의 유지보수, 교체, 버그수정 및 소프트웨어 플랫폼 최적화 등에 관한 기술 개발에 이용되며 IoT를 우리나라의 신성장동력으로 발전시키고 IoT 생태계를 구축하는데 기여한다는 방침이다.

또 IoT의 적용분야를 시설환경이 상대적으로 취약한 지중 전력설비의 누전감시, 온도감시, 전력량 감시, 지반침하, 침수상태 등을 감시하거나, 현장의 안전사고 예방을 위해 공사현장의 안전관리, 진단정보를 실시간 전송 및 판단하고, 재해재난 복구 관제기능이 가능한 시스템으로 발전시킬 계획이다.

더불어, 스마트센서를 전력설비 현장에 사용하는데 걸림돌이 되는 장기신뢰성과 저전력화, 센서네트워크 최적화 등을 연구개발할 예정이다.

IoT기술은 에너지신산업을 창출하기 위한 기반 기술로, 표준화 및 선진형 전력 IoT 모델 등 글로벌 사업화를 통해 국가 IoT 산업 생태계 조성을 선도할 것으로 보인다. 나아가 전력설비 현장뿐만 아니라 주변 환경 데이터를 수집하고 빅데이터를 처리, 분석해 정부3.0 취지에 맞도록 공공정보 제공의 책무를 다해 국민생활에 실질적인 도움을 줄 예정이다.<자료제공=한전 전력연구원>

양세훈 한경닷컴 QOMPASS뉴스 기자 twonews@asiaee.net