한 눈에 쏙! 에너지 그래픽

S-OIL이 친환경 에너지 화학 기업의 미래를 그리며 정보 탐색을 이어갑니다. 인포그래픽으로 정리된 에너지 관련 정보를 살펴보세요.

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탄소중립과 에너지 안보의 핵심 수단으로 재생에너지가 더욱 강조되고 있습니다. 우리나라도 재생에너지 확대를 위한 ‘재생에너지 보급 확대 및 공급망 강화 전략’을 통해 국내 재생에너지 산업을 지속 성장 지원할 예정인데요. 재생에너지의 확대를 위해서는 불규칙한 일사량과 풍속 등 변동성을 관리하는 것이 중요합니다.

이에 따라 주목받고 있는 것이 바로 그린수소를 활용하는 방안입니다. 태양과 바람, 그리고 수소가 이루는 놀라운 친환경 시너지를 S-OIL과 함께 알아보시죠!

1. 자연에너지인 태양광·태양열 발전기와 풍력 발전기 생성 원리

친환경 정책에 따라 전 세계적으로 재생에너지 수요가 높아지고 있습니다. 재생에너지란 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등 자연 요소를 이용해 전기 에너지를 얻는 방법을 의미합니다. 재생에너지는 화석연료와 달리 온실가스를 배출하지 않고, 고갈되지 않으며, 지역적으로 분산되어 있어 기후변화와 에너지 안보 문제를 해결할 수 있는 중요한 수단으로 여겨지고 있습니다.

대표적인 재생에너지로 태양광, 태양열과 풍력 에너지가 있습니다. 먼저 태양광 에너지는 태양전지로 구성된 모듈과 축전지 및 전력변환장치로 구성된 태양광발전시스템을 통해 햇빛을 모아 전기 에너지로 변환하는 원리가 적용됩니다. 해로운 성분을 배출하지 않고, 연료도 필요 없으며, 쉽게 설치할 수 있고, 오랫동안 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 태양열 에너지는 태양에서 나오는 따뜻한 열을 모아 난방에 이용하는 재생에너지입니다.

풍력 에너지는 바람이 가진 운동에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 원리가 적용됩니다. 풍력발전시스템은 풍차 날개, 동력전달장치, 발전기, 전력변환장치 등으로 구성되어 있어 바람이 풍차의 날개를 돌리면 날개가 발전기에 연결되어 있어 전기를 생산할 수 있습니다. 우리나라는 바람이 많이 부는 산이나 해안선이 긴 바다가 풍부해 풍력 에너지로 많은 전기를 생산하는 데 유리합니다.

2. 태양과 바람을 이용한 재생에너지의 한계

다만, 태양광·태양열과 풍력 등의 재생에너지는 기상 상황에 따라 전력 생산량이 달라지는 간헐성의 문제를 안고 있습니다. 재생에너지 전력이 모두 사용되지 않고 버려지는 이유입니다. 이렇게 활용되지 못하고 남는 전기를 ‘잉여전력’이라 합니다. 재생에너지 수요가 올라갈수록 자연스레 잉여전력도 늘어날 수밖에 없습니다.

한국전력공사 자료에 따르면, 2021년 기준 10kW 이하 태양광 발전설비 설치 후 이월 누적 잉여 전력량이 20만MWh를 넘어선 것으로 집계됐으며, 이는 4인 기준 약 65만 가구가 한 달 동안 사용할 수 있는 양입니다. 실제로 국내에서 잉여전력이 가장 많이 발생하는 지역인 제주도에서는 2017년 이후 재생에너지의 간헐성에 따른 출력제한 횟수가 매년 증가하고 있습니다. 출력제한은 풍력발전기 등에서 생산한 전력을 저장·송출하지 못해 전력 당국이 강제로 공급을 중단시키는 것을 말합니다. 2021년에는 65회였지만, 2022년에는 132회로 전년 대비 두 배 이상 늘었습니다. 2023년에는 더욱 심화되어 총 181회의 출력제한이 있었던 것으로 나타났습니다. 이로 인한 2022년 제주도의 손실 금액은 57억에 이르렀습니다. 전문가들은 이 속도대로라면 2030년에는 제주도 재생에너지 예상 발전량의 40%까지 출력제한이 발생할 것으로 추정하고 있습니다.

잉여전력이 발생하면 경제적 손실과 더불어 전력 생산자가 소비자에게 전기를 공급하기 위한 과정인 전력 계통의 주파수를 상승시켜 안정성도 떨어질 수 있습니다. 변동성이 큰 재생에너지의 효율적인 활용과 안정적인 계통 운영 방안이 필요한 상황입니다.

3. 재생에너지를 보완할 수 있는 수소

이러한 재생에너지 잉여전력 문제의 해결책으로 주목받는 것이 바로 수소입니다. 수소는 장기간 많은 양의 저장이 가능하다는 장점이 있습니다. 특히 수소 중에서도 그린수소는 재생에너지를 통해 얻은 전기 에너지를 사용해 물의 전기분해 과정을 거쳐 수소와 산소를 생산하는 원리가 적용됩니다. 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 없는 친환경 수소를 추출할 수 있어 탄소제로와 함께 잉여전력을 활용할 수 있는 방법으로 떠오르고 있습니다.

전 세계적인 친환경 정책에 따라 그린수소의 중요성이 강조되고 있습니다. 결국 우리가 사용하는 모든 수소는 그린수소여야 한다는 것을 목표로 많은 연구와 개발이 진행 중입니다. 재생에너지와 연계해 효율적이고 안전하게 생산하는 기술이 대표적입니다. 재생에너지로 생산된 잉여전력을 수소에너지로 전환해 저장함으로써 전력 공급의 안정화에 기여할 수 있을 것으로 기대되는 ‘P2G’ 기술도 그중 하나입니다. 수소는 쉽게 다른 화합물로 변환이 가능하고 친환경적 생산이 가능해 P2G 시스템에 적합한 것으로 알려져 있습니다.

4. 재생에너지로 그린수소를 만들 수 있는 P2G 기술

P2G(Power-to-Gas)란 전력을 가스로 변환하는 것으로, 태양광과 풍력 등 재생에너지를 수소나 메탄 등으로 전환해 저장하는 방법입니다. P2G 기술은 크게 두 가지 핵심 기술로 이루어지는데, 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 ‘수전해’ 기술과 수소와 이산화탄소를 반응시켜 메탄을 생성하는 ‘이산화탄소 메탄화’ 기술입니다. 두 기술 모두 공해가 발생하지 않고, 이산화탄소를 소모한다는 점에서 친환경적이라고 할 수 있습니다. 따라서 P2G 기술은 재생에너지의 잉여전력으로 탄소배출 없는 그린수소를 생산하고 적기 활용을 통해 변동성을 보완할 수 있는 최적의 기술이라고 할 수 있습니다.

얼마 전, 한국에너지기술연구원 연구진은 제주도의 기상 데이터와 전력수요 데이터를 활용해 풍속과 일사량, 기온 등의 기상 데이터를 입력하면 시간당 전력 생산량이 계산되고 실제 전력수요 데이터와 비교되어 전력 수급의 적정성을 확인할 수 있는 모델을 개발했습니다. 이 모델을 활용하면 전력 수요가 공급보다 작을 경우 잉여전력을 저장하고, 반대일 경우 잉여전력을 사용해 경제적이고, 안정적으로 에너지를 쓸 수 있게 됩니다. 특히 모델을 활용한 시뮬레이션 결과 잉여전력의 에너지 변환과 저장에 용이한 그린수소가 태양광, 풍력을 조합한 재생에너지 전력망의 변동성 극복에 가장 효과적이라는 결과가 도출되었습니다. 재생에너지 전력망에 필요한 그린수소 시스템의 최적 규모를 도출하고, 재생에너지 확대에 따른 전력망 불안정성과 출력제한 문제를 그린수소로 해결하는 효과를 검증하여 정부와 기업이 그린수소 관련 전략을 수립하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

5. 재생에너지와 수소의 미래 전망

이처럼 재생에너지로부터 생산된 전기를 이용해 물을 전기 분해하여 그린수소를 생산하는 것은 온실가스 배출이 없는 가장 친환경적인 수소 생산 방식이며, 재생에너지의 변동성을 극복하고 잉여전력을 해결하는 방법입니다. 또한 잉여전력을 메탄으로 변환해 에너지를 효율적으로 저장하고 활용할 수 있으며, 전력을 가스로 변환해 전기만으로 어려운 산업 분야에서 재생에너지를 사용하는 것이 가능합니다. 합성연료를 통해 이산화탄소 배출량을 줄이고 장기적인 탄소중립 실현에도 기여할 수 있습니다.

앞으로 그린수소 생산을 위한 고효율·대용량의 수전해 기술과 더불어 재생에너지를 통해 효율적이고 안전하게 그린수소를 생산하는 기술을 확보해야 미래의 에너지산업과 시장을 주도할 수 있을 것으로 보입니다. 우리나라도 정부 주도의 적극적인 연구개발 투자로 핵심 소재, 시스템의 개발과 함께 재생에너지와 연계한 다양한 그린수소 생산 기술 실증이 이뤄지고 있습니다.

민관 차원의 많은 관심과 참여를 통해 우리나라가 그린수소 시대를 선도할 수 있도록 S-OIL이 응원하겠습니다!

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참고 · www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=11688
          www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=203087
          youtu.be/essmNWyeA9o?si=vU7UD2GrZJU1_HK8
          knrec.energy.or.kr/energy/sunlight_intro.aspx
          knrec.energy.or.kr/energy/windpower_intro.aspx
          eiec.kdi.re.kr/publish/naraView.do?fcode=00002000040000100009&cidx=13337&sel_year=2021&sel_month=07&pp=20&pg=1
          www.sgenergy.or.kr/main/editor/editor.action?q=709c7b01535db9274673c98ec2d9b75b161fea9be0fe27d64ed8508437cb503b
         www.thebestnews.co.kr/bbs/board.php?bo_table=news&wr_id=36002                   www.mediajeju.com/news/articleView.html?idxno=350325
         m.ihalla.com/article.php?aid=1718031600758503043