에너지 新산업의 대표주자, ‘수요시장’의 작지만 강한 힘
- 시장 개설 이후 세종시 인구가 4개월 동안 쓸 수 있는 전기 절약

수요자원 거래시장은 국민 스스로가 전기를 아껴 수익을 창출하고, ICT 융합의 에너지 신산업 창출을 위해 지난해 11월 아시아 최초로 개설했다. 현재 공장·마트 등 1,300여 개소의 대규모 전기사용자가 LNG 발전기 5기에 해당하는 전력 2,440㎿을 모아 전력수요 감축에 참여하고 있다. LNG 피크 발전기(500㎿ 기준) 5기의 건설회피로 약 1조 5,000억 원의 발전기 건설비용 절감 효과를 가져왔고, 그간 총 69,618㎿h의 전력을 아껴 시장에 팔았으며, 이는 세종시 인구가 약 4개월간 사용할 수 있는 전력량에 해당된다. 전력거래 중계 역할을 하는 수요관리사업자는 개설 당시 11개사에서 현재는 15개사, 연말에는 10여개 사업자가 추가로 진입할 예정이다. 전력판매사(한전) 입장에서는 수요자원의 시장참여로 LNG 등 피크발전기의 가동이 줄어들면서 매월 평균 약 6억 원의 전력구입비 절감 효과가 발생했다. 현재 15개사에서 170여 명이 수요관리운영, 에너지 컨설팅, 고객관리 등의 수요관리사업 업무를 수행중이며, 2017년까지 200여 명을 추가로 고용할 예정이다.
수요관리사업자의 출현으로 피크감축 및 전기사용 절감 뿐 아니라, 에너지컨설팅과 에너지혁신기기 사용에까지 사업영역이 확장되고 있다. 전기사용 패턴 분석 등 에너지 컨설팅 기능수행으로 에너지사용의 문제점을 찾고, 대안을 발굴·제시하여 효율적인 에너지 사용을 유도하는 것이다. 주요 산업체, 대학, 놀이공원 등의 대규모 수용가에 설치된 ESS를 이용해 에너지신산업 기기를 활용하는 수요관리사업의 새로운 영역도 개척하고 있다. 수요시장은 에너지·ICT·서비스가 융합된 다양한 부가서비스를 창출할 수 있고, ESS·분산형 전원 등 에너지 신산업과의 결합이 가능해 향후 잠재력이 무궁무진할 것으로 보인다.

나비의 날개를 모방한 새로운 태양광발전 기술

보잘 것 없는 나비가 태양에너지를 보다 경제적이면서 효율적으로 만들 수 있는 새로운 기술 개발의 열쇠를 제공할 것으로 기대되고 있다.
영국 엑세터대학의 연구진은 태양광을 전기로 변환하여 에너지를 생산하는 새로운 태양광발전(Photovoltaic) 기술에 대해 연구했다. 이들은 양배추 흰나비가 날아가기 전에 사용하는 근육인 비상근(Flight Muscle)을 예열하기 위해 취하는 V자 모양을 모방함으로써 태양전지판에서 생산되는 전기를 거의 50% 개선할 수 있음을 보여주었다. 결정적으로 이러한 날개 구조를 태양광발전 설비에 적용한다면 태양발전 시스템 전체 구조가 생산하는 전력 대비 무게 비율을 17배 증가시킬 수 있기 때문에 훨씬 효율적으로 가동할 수 있다.
엑세터 대학의 콘월캠퍼스에 기반을 두고 있는 환경및지속가능성연구소와 생태보존센터의 연구진은 이번 연구결과를 Scientific Reports 저널에 발표했다. 이번 연구논문의 주 저자인 Tapas Mallick 교수는 “엔지니어 분야에 있어 생체모방(Biomimicry)은 새로운 것은 아니다. 그러나 이번과 같이 다양한 분야에 걸친 연구는 기존에 이루어지지 않았던 경제적인 태양발전 개발을 위한 새로운 길을 제시하고 있다”고 말했다.

그래핀의 특성을 변화시키는 새로운 전기화학적 방법

그래핀을 조사하고 있는 과학자들은 연구 투자에 수익을 가져올 수 있는 킬러 애플리케이션(killer Application)을 찾고 있다. 그러나 그래핀을 제조하는 것에는 여전히 여러 가지 문제들이 존재한다. 그래핀을 만들기 위한 몇 가지 방법들은 품질과 비용의 측면에서 서로 다른 특성을 가진다. 대만 연구진은 그래핀을 제조할 수 있는 간단한 전기화학적 방법을 개발했다. 이 방법은 다양한 전기적 및 기계적 특성을 가진 그래핀을 만들 수 있는데, 이것은 그래핀이 약물 전달에서부터 에너지 저장까지 다양한 분야에 적용될 수 있게 할 것이다.
“그래핀은 기본적으로 금속”이라고 대만의 국립 성공 대학의 Mario Hofmann은 말했다. “그러나 당신이 결함을 생성한다면, 당신은 흥미로운 효과들을 얻을 수 있다”고 Hofmann은 덧붙였다. 그래핀 속의 결함을 이용하는 연구의 핵심은 제어이다. 이번 연구진은 비용 효율적으로 그래핀을 제조할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
“전기화학은 오래 전에 정립되었지만, 나노기술의 개발로 인해서 이것의 장점들이 부각되고 있다”고 Hofmann은 말했다. 전기화학적 합성 방법은 그래핀 시트를 박리할 때까지 용매 속의 흑연에 전압을 인가한다. 이번 연구진은 전기화학적 합성 동안에 전압 설정을 변화시킴으로써 그래핀 속의 결함 수, 박편 면적, 두께를 결정할 수 있다는 것을 증명했다. 이것은 재료의 특성들에 영향을 끼친다.

고온에 견딜 수 있는 유연한 폴리머 나노복합물

펜실베이니아 주립대학의 연구진은 새로운 절연성 폴리머 나노복합물을 제조하는데 성공했다. 이 나노복합물은 유연하고, 저렴하게 제조할 수 있으며, 가볍고 쉽게 제조할 수 있다. 또 고온에 견딜 수 있는 특성을 가지고 있어 전기 자동차 속의 전력 변환과 에너지 저장 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것으로 보인다.
“세라믹은 고온 적용을 위한 에너지 저장용 유전체로 종종 사용되지만, 그들은 무겁고 부서지기 쉽다”고 이 연구를 이끌었던 Qing Wang 교수가 말했다. “폴리머는 낮은 작동 온도를 가지기 때문에 냉각 시스템을 필요로 하는데, 이것은 부피를 증가시키고 시스템 효율을 감소시키며 신뢰성을 하락시킬 수 있다”고 Wang 교수가 덧붙였다.
유전체는 전기를 전도할 수 없는 재료이지만, 전기장에 노출될 때, 전기를 저장한다. 그들은 엔진 시동을 위해서 매우 빠르게 에너지를 방출할 수 있고, 배터리 속의 직류 전류를 모토 구동에 필요한 교류 전류로 변환시킬 수 있다.
하이브리드 및 전기 자동차, 항공 우주용 전자장치, 가스 및 석유 탐사 장치와 같은 다양한 분야에 사용되는 재료들은 고온을 견딜 수 있어야 한다. 이번 연구진은 질화붕소 나노시트가 포함된 교차-결합된 폴리머 나노복합물을 개발했다. 이 재료는 고온용 에너지 저장을 위한 고-전압 용량을 가지고, 광 패터닝될 수 있으며, 유연하다.

전 세계 최초의 태양 흐름 배터리 디자인

미국 오하이오 주립대학 소속의 연구진은 혁신적인 최초의 태양 공기 배터리(Solar Air Battery)를 개발하여 발표했다. 미국 화학학회 저널에 발표된 논문에서, 연구진은 특허 출원 중인 새로운 디자인이 전통적인 리튬-요오드 배터리보다 20%에 이르는 에너지 절감을 달성할 수 있다고 보고했다. 이 디자인은 태양 전지와 배터리를 단일 장치로 결합하는 것이다. 광전 전환(Photoelectric-conversion)과 에너지 저장 기능을 하나의 장치로 통합하는 것은 보다 더 효율적인 태양 에너지 사용을 가능하게 한다. 이 연구에서 연구진은 태양 에너지 전환과 저장을 동시에 수행하기 위하여 I3-/I- 기반 음극액(Catholyte)을 결합시켜 Li-I 산화 환원 흐름 배터리에 염료 감응 TiO2 광전극을 고정시켜 통합함으로써, 수용성 리튬-요오드 태양 흐름 배터리의 개념을 논증했다.
광-지원 충전 공정 동안, I- 이온은 I3-로 광전기화학적으로 환원되어, 태양 에너지가 수확되고, 수확된 태양 에너지는 화학적 에너지로 저장된다. Li-I SFB는 1 sun AM 1.5 illumination 조건에서 3.30V의 방전 전압보다 더 낮은 2.90V 전압에서 충전될 수 있다. 충전 전압 감소는 상용 Li-I 배터리와 비교했을 때 20% 가까운 에너지 절감으로 해석된다. 또 이러한 개념은 다른 금속-산화 환원 흐름 배터리 시스템에 확대될 수 있는 디자인에 지침을 제공하는데 기여할 수 있다.

나노 크기에서의 연료 전지 효율 향상 방안

전세계 에너지 수요를 만족시킬 마법의 탄환은 존재하지 않는다. 하지만 자립성 화학 반응으로부터 직접적으로 활용 가능한 전기 에너지를 통한 연료 전지는 화석 연료보다 더 저렴한 대체 에너지원이 될 수 있다. 과학자들은 이러한 연료 전지 내에서 더 빠른 에너지 전환을 가능하게 하기 위해서, 귀금속이라 불리는 특별한 금속, 즉 금, 은, 백금 등을 이용해 만든 나노 입자를 전극 표면을 따라 분산시켰다. 이러한 금속은 매크로(Macro) 규모에서 다른 금속에 화학적으로 반응할 뿐만 아니라 나노(Nano) 규모에서는 더욱 반응성이 커지게 된다. 이러한 금속을 통해 만들어진 나노 입자는 촉매처럼 행동하며, 연료로부터 전자를 유리시키는 필수 화학 반응의 속도를 향상시키는데 일조한다. 나노 입자가 전극 상에서 불꽃이 튀거나 방전되는 동안 서로 간에 접합제처럼 으깨지면서 커다란 클러스터를 형성하게 된다. 이러한 압축 경향성은 소결(Sintering)이라 불리며, 촉매 특성의 나노 입자와 상호 작용하는 연료의 분자에 이용 가능한 전체 표면적은 감소하게 된다.
따라서 이러한 현상을 방지함으로써 연료 전지의 완전한 잠재적 성능까지 실현시킬 수 있게 된다. 일본 오키나와 과학기술연구소 설계팀은 미국 SLAC 국가연구실과 오스트리아 전자현미경및나노분석센터와의 협동 연구를 통해, 귀금속 나노 입자의 압축 현상을 방지하는 기술을 개발하는데 성공하였다. 연구팀은 귀금속 나노 입자를 금속산화물로 만들어진 다공성 껍질(Porous Shell) 내부에 개별적으로 캡슐화했다.

바다에서는 해상풍력과 조류발전, 내륙에서는 눈, 태양광과 수력발전

바다에 잠자고 있는 풍부한 자원이 니가타현의 에너지 전략을 가능케 한다. 북부 연안에 44기의 대형 풍차를 전개하는 계획이 움직이기 시작한 것이다. 실현된다면 일본 국내 최대의 풍력발전소가 된다. 20㎞ 떨어진 섬에서는 조류를 이용한 실증시험도 진행된다. 한편 눈이 내리는 내륙부는 태양광과 수력발전의 도입이 활발하다.
니가타현에서는 바다에 인접한 가늘고 길게 존재하는 해안선의 길이가 300㎞를 넘는다. 가장 북측에 있는 무라카미시의 연안에서 대규모 해상풍력발전의 개발 프로젝트가 진행 중이다. 신선한 해산물이 모이는 것으로 알려진 이와후네항구에서 2㎞ 정도 떨어진 해역에 합계 44기의 대형 풍차를 설치하는 장대한 구상이다.
무라카미시가 지역경제를 활성화시키는 기폭제로서 2013년부터 검토를 추진해 왔다. 현 시점의 계획으로는 1기당 발전능력이 5㎿의 대형풍차를 44개소에 설치한다. 연안 2,700평방미터에 이르는 해역이 대상으로 해저 깊이는 10~35미터로 얕기 때문에 발전설비를 해저에 고정하는 착상식으로 건설할 수 있다.
전체 발전능력은 220㎿이며, 실현된다면 육상과 해상을 포함하여 일본 국내 최대의 풍력발전소가 탄생한다. 해상풍력의 표준적인 건설이용률은 30%이기 때문에 연간 발전량은 5억 7,800만 kWh를 상정할 수 있다. 일반가정의 사용량(연간 3,600kWh)으로 환산하면 16만 세대분이 되며, 무라카미시의 총 세대수(2만 3,000세대)의 7배에 필적하는 규모이다.

저비용 태양 전지의 효율을 배가시키는 미세 갈퀴

미국 에너지부 산하 스탠퍼드 선형 가속기 센터 소속의 연구진과 스탠퍼드 대학 소속의 연구진은 일광을 수확하는 고분자를 적용할 때 미세 갈퀴(Microscopic Rake)를 이용함으로써 저렴한 태양 전지의 전기 출력을 2배로 증가시킬 수 있는 제조 기술을 개발했다. 이 기술이 상용화될 때, 고분자 태양 전지(Polymer Solar Cell)를 훨씬 더 고가의 비용이 소요되는 실리콘-결정 웨이퍼(Silicon-crystal Wafer)로 만들어진 태양 전지에 대한 경제적으로 매력적인 대안으로 만드는 데 도움을 줄 수 있다.
실험에서, 작은 갈퀴를 가지고 있는 태양 전지는 이러한 갈퀴가 없는 전지의 효율보다 2배 이상 높았으며, 미세 직선 날을 이용하여 만들어진 전지보다 약 18% 더 우수한 효율을 기록했다.
이 연구에서 도출된 근본적인 과학적 견해는 제조사들이 그들의 공정을 개선하는데 단순한 시행착오에 의존하는 대신에 합리적인 접근을 제공하게 될 것이라고 Bao는 밝혔다. 또 연구팀은 이러한 단순하고, 효과적이며 다재다능한 개념이 분자가 적절하게 배열되는 것이 중요한 다른 고분자 장치를 만드는데 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대한다고 Bao는 밝혔다.

포터블기기에 적용 가능한 유연한 친환경 에너지 수집 기술

인도의 Jadavpur University 연구팀과 독일의 Brandenburg University of Technology 연구팀은 DNA를 이용하여 인간의 작은 모션이나 터치와 같은 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 나노제너레이터를 개발했다. 개발된 나노제너레이터는 생분해성이라는 특징을 갖는데, 유연하고 생체에 무해한 PolyVinyliDene Fluorde(PVDF)에 에너지 수집 능력(Energy-harvesting Ability)을 높이기 위해 DNA를 첨가했다. DNA가 첨가된 PVDF 필름의 상단과 하단에 전극을 증착하여 리드(lead)로 연결하고, 최종적으로 PDF로 봉지화(Encapsulation)하면 완성된다. 이러한 재료들은 생체 무해하고 생분해성을 갖기 때문에 환경오염으로부터 자유롭다. PVDF는 반결정 중합체로서 크게 4가지 결정구조(α, β, γ, δ 상)를 가진다. 그 중 압전성능과 직결된 β 상에 특히 많은 관심이 쏠리고 있으며, β 상을 유도하거나 향상시키려는 연구가 활발히 수행되고 있다. DNA는 PVDF의 β 상의 형성을 돕는다. DNA는 전기적 폴링(Poling)방법 없이도 PVDF의 -CH2/-CF2 쌍극자 정렬을 유도하여 전기적으로 활성화된 β 상의 형성하여 피에조 전기를 생성한다. 이렇게 제작된 나노제너레이터는 일반적인 터치로 22개에서 55개의 녹색-청색 LED를 발광하는데 성공했다. 이렇게 발생된 전기는 충전기에 충전하여 필요할 때 사용이 가능하다. 특히 휴대용 기기에 적용할 경우, 터치와 동시에 생산되는 전기가 배터리 수명을 증가시켜주는 역할을 수행하기 때문에 배터리 문제를 어느 정도 해결할 수 있는 기술로 사료된다.

오스트리아, 주목해야 할 전기자동차시장

2015년 상반기 판매대수 814대, 전년 동기 대비 21.9% 증가

1. 개요

2000년대 후반부터 증가하는 전기자동차에 대한 관심이 2015년에도 지속되는 것으로 나타나 관련 시장 성장 가능성이 크게 주목받고 있다. 오스트리아 통계청이 최근 발표한 자료에 따르면, 2015년 상반기 6개월 동안 오스트리아에서는 총 814대의 전기자동차가 신규 판매된 것으로 집계됐다. 이는 전년 동기 대비 21.9% 증가한 수치로, 같은 기간 동안 전체 신차 판매실적이 전년 동기 대비 3.0% 감소한 16만1,633대를 기록한 것을 감안하면 전체 신차 시장의 부진 속에서도 전기자동차에 대한 소비자들의 관심은 지속적으로 증가하고 있음을 알 수 있다.

현재까지 전체 승용차 시장에서 전기자동차가 차지하는 비중은 매우 낮은 수준이다. 2014년 말 기준, 오스트리아에는 총 3,386대의 전기자동차가 운행 중으로 전체 승용차(469만4,921대)의 0.07% 수준에 머물고 있으며, 신규로 판매되는 차량 면에서도 2015년 상반기 기준 전체(16만1,633대)의 0.5%(814대) 정도로 전체 승용차 시장에서 차지하는 비중은 매우 낮은 수준에 머물러 있다.
이는 유럽 국가 중 전기자동차 부문의 선두주자라 할 수 있는 노르웨이의 25%(신규 판매대수 기준)에 비해 매우 낮은 비율로, 아직 오스트리아 전기자동차 시장이 갈 길이 멀다는 것을 나타내주고 있다. 다만, 이러한 낮은 비중에도 불구하고 오스트리아 전기자동차 제품은 최근의 지속적인 성장세로 인해 그 성장 가능성에 많은 주목을 받고 있다.

2. 시장 및 수입 동향

현재 오스트리아 전기자동차 시장에서는 12가지 모델들이 소비자들에게 선보였다. 최근 완성차 메이커들의 잇단 신모델 출시로 소비자들의 선택 폭이 다양해지는 가운데 제품의 가격 또한 지속적으로 하락하는 추세다. 경제전문 주간지 Format에 따르면, 현재 오스트리아에서는 아래 4가지 제품이 소비자들에게 인기가 있다.

- 수입 동향
현재 오스트리아에서 판매되는 전기자동차는 모두 외국에서 수입되고, 주요 모델들의 제조업체 소재국들인 미국, 독일, 프랑스 등으로부터의 수입이 전체 수입의 대부분을 차지하고 있다.

3. 전망 및 시사점

선두국가인 노르웨이와 큰 격차를 보이는 것은 사실이지만, 전기자동차 부문에서 오스트리아는 노르웨이에 이어 유럽에서 2번째로 앞선 행보를 보일 정도로 전기자동차 부문은 작은 규모 대비 성장속도나 기술개발 측면에서 그 위치를 인정받고 있다. 특히, 정부 당국의 적극적인 정책 지원이 꾸준히 이어지는데, 최근에는 관련 3개 부서(경제부, 교통부, 생활환경부)가 공동으로 ‘Elektromobilitat in und aus Osterreich’라는 정부 지원 프로젝트를 수립 중이다.
이 같은 정부의 적극적인 정책 수행에 힘입어 오스트리아 전기자동차 시장은 매우 빠른 속도로 성장해 2020년에는 등록대수가 20만 대를 넘어설 것으로 예상된다.
특히, 최근 오스트리아 환경청이 한 설문조사 결과, 오스트리아 국민 중 58%가 친환경 승용차를 구입할 의향이 있는 것으로 나타난 데서 알 수 있듯이, 전기자동차에 대한 일반 소비자들의 관심 또한 빠르게 증가하고 있으므로 관련 시장의 성장 가능성이 더욱 주목되고 있다. 오스트리아 전기자동차 시장은 정부 및 업계의 높은 관심과 지속적인 노력, 소비자들의 관심 증가 등으로 인해 관련 기술 개발과 시장 성장이 크게 기대되는 부문이며 한국 관련 업체의 관심이 요구되는 시점이다.