에너지저장시스템은 에너지의 효율적 이용과 더불어 신재생에너지 활용도를 높이고 전력시스템을 안정화시키는 많은 장점을 가지고 있어 신재생에너지와 기존 전력시스템 간의 조화로운 통합을 위한 수단으로 중요성이 부각되고 있다.

이 글에서는 유럽에서 실적용되고 있는 에너지저장기술의 하나인 P2G(Power to Gas) 기술과 특징을 소개하고 독일 사례를 중심으로 비즈니스 관점에서 도입 배경, 기술개발 및 사업화 현황과 국내 적용 방안에 대해 간략히 기술한다.

온실가스 규제 대응과 지속가능한 에너지시스템 구축에 대한 국가적·사회적 요구 증가 및 신재생에너지의 경제성 향상으로 신재생에너지 보급 확대가 가속화되고 있다.

그러나 신재생에너지 보급·확대는 또 다른 문제점을 발생시킨다. 즉 출력변동성이 높은 풍력, 태양광발전 등에 의한 계통 불안정성 증가가 대표적인 사례일 것이다. 

이러한 현상은 풍력 및 태양광 발전량 비중이 높은 독일을 중심으로 유럽 지역 전력계통시스템에서 발생하고 있어, 국내에서도 제주 전력계통에서의 한계 접속용량 설정과 풍력발전에 에너지저장시스템(ESS : Energy Storage System)을 의무 설치하는 법안을 제정 중에있다.

에너지저장시스템은 에너지의 효율적 이용과 더불어 신재생에너지 활용도를 높이고, 전력시스템을 안정화시키는 많은 장점을 가지고 있어 신재생에너지와 기존 전력시스템 간의 조화로운 통합을 위한 수단으로 중요성이 부각되고 있다.

여기에서는 유럽에서 실적용되고 있는 에너지저장기술의 하나인 P2G(Power to Gas) 기술과 특징을 소개하고 독일 사례를 중심으로 비즈니스 관점에서 도입 배경, 기술개발 및 사업화 현황과 국내 적용 방안에 대해 간략히 기술한다.

P2G 개요 및 시장동향

(1) 기술 정의 및 개념

P2G(Power to Gas)는 전력계통에서 수용할 수 없는 풍력·태양광 등의 출력을 이용, 물을 전기분해하여 수소(H2)를 생산하고 또는 생산된 수소를 이산화탄소(CO2)와 반응시켜 메탄(CH4) 등의 연료 형태로 저장·이용하는 기술이다. 

그림 1은 P2G에 대한 기본적인 운영 방식에 대한 개념도이다. 시스템 구성은 전기분해설비, 메탄화설비, 저장설비(H2 또는 CH4), 계통연계설비 등이며, 운영 방식은 ① 전력계통에 여유가 있을 경우에는 풍력 및 태양광 발전량을 계통으로 투입하지만, ② 전력계통이 포화될 경우(제약)에는 생산 전력을 P2G에 투입, 물을 전기분해하여 수소(H2)를 생산하거나 이산화탄소(CO2)와 반응시켜 메탄(CH4)으로 변환하여 가스망(Grid)에 주입한다. ③ 또는 생산된 수소, 메탄을 연료전지(Fuel Cell) 또는 가스터빈 등의 발전연료로 사용하거나 연료전지 또는 CNG 등의 수송 연료로 사용한다. 

P2G의 효율은 실증 결과를 기준으로 수소 생산의 경우는 63~73%, 메탄 생산의 경우는 42~ 65%, 투자비는 약 250만원/kW 수준인 것으로 알려져 있다. 

▲ 그림 1. P2G 기본개념 및 주요 반응식

(출처 : Power to Gas Electrolysis and CO2 Recycling Production of Green Fuels, DONG energy, 2013)

(2) 기능 및 역할

기존 에너지 저장 방식이 전력→전력으로 저장하는 방법이라면 P2G는 전력→연료 형태로 저장한다. 그리고 메탄 생산을 위해 CO2가 사용된다. 이는 화력발전에서 분리한 CO2를 재활용한다는 점에서 시사하는 바가 크다. 또한 전력계통 운영 측면에서 신재생 출력 안정화라는 공통적인 기능 이외에 주파수 안정화에 중점을 두는 배터리와는 달리 P2G는 송전 제약 해소 기능을 갖는다. 

(3) 독일의 P2G 도입 배경

P2G는 독일에서 활성화되고 있는데 그 이유는 신재생에너지 보급 및 에너지 정책과 P2G의 특징인 높은 에너지 저장 능력, 전력분야 외에 가스·수송·화학분야 등과 호환될 수 있는 높은 유연성과 저장 시간에 구애받지 않은 장점들 때문이다.

독일의 에너지 정책 목표는 총발전량 대비 신재생에너지 발전량을 2020년 35%, 2050년에는 80%로 설정하고, CO2 배출 수준을 1990년 대비 80%를 2050년까지 감축하는 것이다. 이에 풍력발전설비 용량은 2015년 5GW, 2020년 12GW, 2050년에는 26GW까지 증가될 전망이다.

이미 독일은 2011년 기준 총발전량 대비 신재생 발전량이 22%를 수준으로 정책 목표 달성을 위한 실현성을 높이고 있으나 이면에는 송전 제약 발생, 계통 안정화를 위한 빈번한 기저발전기의 출력 변동에 따른 효율 저하 및 제약비발전(COFF : Constrained Off) 비용 발생 등 다른 형태의 문제가 발생하고 있다. 

그림 2는 독일 지역의 전력거래소인 EEX (European Energy Exchange)의 2013년 전일시장(day-ahead market)월간 도매전력가격 동향을 분석한 것이다. 월간 최소가격을 보면 마이너스 가격 이하로 거래되는 것을 알 수 있다. 이러한 원인은 해당 기간대에 과도한 풍력발전으로 지역적 송전 제약이 발생하여 전력공급 계약자 간의 계약 물량 이행에 문제가 발생하기 때문이다. 즉 출력 감발이 쉽지 않은 화력발전사업자는 계약불이행 패널티와 다음 시간대 계약 이행을 위해 마이너스 가격으로 생산 전력을 계통에 판매하기 때문이다. 

▲ 그림 2. 독일 전일시장 월간 도매전력가격 동향(European Energy Exchange, 2013)

독일의 사업자는 이러한 전력시장 상황에서 P2G를 전략적으로 활용하여 사업 기회를 포착하고 있다. 풍력발전기와 P2G를 연계하여 잉여전력으로 연료를 생산하여 추가 수익을 얻거나, 송전 제약 회피 수단으로 이용할 수 있다. 또한 전력회사는 신재생에너지 이용률을 향상하여 도매전력가격을 안정화시키고 제약 비용을 절감하는 효과를 얻고자 한다.

(4) 독일의 P2G 사업화 동향

독일 전력회사인 E.ON은 풍력발전을 이용하여 수소 생산을 목적으로 하는 2MW급(’13. 6) 플랜트를, Audi는 메탄 생산을 목적으로 하는 6MW급(’13. 7) P2G 플랜트를 상업운전 중에 있으며, 최근 발표 자료에 따르면 E.ON은 2015년 함부르크 인근에 두 번째 P2G 시스템을 건설할 것임을 밝 혔다.

그 외에도 화학적 메탄화 외에 생물학적 메탄화 기술개발 및 생산된 수소를 열병합발전 또는 연료전지+수소터빈의 연료로 사용하는 다양한 개념의 P2G 플랜트를 실증 중에 있다. 또한 네덜란드, 영국, 프랑스, 스페인 등 유럽의 주요국에서 신재생에너지와 P2G를 연계한 34개 실증 플랜트를 운전 중에 있다.

▲ 표 1. P2G와 Li-ion 배터리

전망

P2G는 신재생에너지 확대와 우수한 에너지 저장능력과 유연성, 생산 연료인 수소와 메탄의 다양한 활용성 등을 고려해 볼 때 에너지 저장 수단으로서 하나의 축을 형성할 것으로 전망된다. 또한 P2G 사업 확대에 있어서 가장 큰 장애 요인인 낮은 경제성도 다양한 실증 프로젝트를 통해 개선될 것으로 전망된다. 특히 메탄화 공정의 소형화 및 연계 최적화를 통한 효율 향상으로 250만원/kW의 높은 시스템 가격은 향후 150만원/kW 수준으로 낮아질 것으로 전망하고 있다.

우리나라의 경우는 신재생에너지 보급률이 유럽에 비해 상당히 낮아 P2G 도입이 시기상조라 생각할 수 있으나, 제주 전력계통의 신재생에너지 한계 접속용량 설정과 함께 풍력발전소 ESS 설치를 의무화 논의 및 전남 일부 지역의 태양광발전 과다에 따른 연계 용량 기준 상향 사례에서 알 수 있듯이 신재생에너지와 전력계통과의 조화로운 연계 통합을 위한 기술적·상업적 대안으로 P2G의 개발이 필요하다. 

또한, 향후 국내에서도 대형 해상풍력단지 건설이 예상돼 대용량 신재생에너지 출력에 대한 계통안정화 수단으로 P2G를 고려해 볼 필요가 있다. 또한 독립계통인 도서지역의 에너지자립섬 실현을 위한 수단으로 P2G를 고려해 볼 필요가 있을 것이다.

고경호 책임연구원 전력연구원 미래기술연구소