수소에너지, 미래 청정에너지로 각광

수소에너지는 미래의 청정에너지원 가운데 하나이다. 수소가 미래의 궁극적인 대체에너지원 또는 에너지매체로 꼽히고 있는 것은 현재의 화석연료나 원자력 등이 따를 수 없는 장점을 갖고 있기 때문이다. 또한 수소는 연소 시 극소량의 질소가 생성되는 것을 제외하고는 공해물질이 배출되지 않으며 직접 연소를 위한 연료 또는 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하다.

무한정인 물을 원료로 해 제조할 수 있으며 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있는 장점이 있다. 게다가 산업용 기초소재에서부터 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 응용돼 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 평가되고 있는 것이다.

이에 따라 미국, 일본, 독일 등 선진 각국에서는 지난 70년대 말부터 수소의 제조, 저장, 이용 등 분야별 연구개발에 힘을 쏟고 있다.

미국의 경우 우주개발 군사용 등 특수분야에 실용화 기술을 확보해 놓고 있다. 일본은 새롭게 추진되고 있는 뉴선샤인 계획을 통해 지속적으로 연구를 수행해 오고 있으며 WE-NET프로그램 등으로 관련연구의 국제화도 추진하고 있다.

독일의 경우 최근 대체전원으로부터 수소의 제조와 저장, 그리고 이를 연료전지, 수소보일러, 수소자동차 등에 이용하는 수소에너지 시스템기술 실증 플랜트를 설치, 운용하는 등 수소에너지 시대에 대비하고 있다.

우리나라는 '80년대부터 관련기초연구에 착수, 현재 대체에너지 기술개발사업 및 에너지기술연구소 등의 중장기 계획에 따른 연구가 수행되고 있다.

한국에너지기술연구원은 차세대 신재생에너지 기술개발사업의 하나로 수소에너지기술을 상용화 단계로 끌어올리기 위한 기초연구 강화에 힘을 쏟고 있다. 연구소의 경우 열화학법에 의한 수소제조 등 관련 기초연구를 수행한 데 이어, 현재 고분자 전해질에 의한 물의 전기분해 기술, 고성능 니켈-하이드리이드(Ni-MH)전지용 전극활물질 소재개발과 관련한 연구를 진행 중이다.

연구원은 2000년까지 수소의 제조 저장 수송 이용 등에 관한 기반기술을 확보하고 이후 2005년까지 실용화 기술개발, 그리고 2010년까지는 상용화 기술개발을 마친다는 계획을 하고 있다. 결국 우리의 수소에너지 기술개발 수준은 선진국의 20% 선에 머물고 있지만 선진국 역시 아직은 개발 초기 단계인 만큼 앞으로 투자가 뒤따른다면 빠른 시일 내에 기술격차를 줄일 수 있게 될 것으로 판단된다.

석탄액화(Coal Liquefaction), 청정 인조원유를 제조하는 기술

석유자원은 지역적으로 상당히 편재되어 있다는 점 때문에 공급 및 가격의 불안정성을 충분히 내포하고 있다. 최근 석유수급이 비교적 원활하여 에너지수급이 원만하지만 중․장기적으로는 원유의 증산이 한계에 이르고 생산량 감소 현상이 일어나게 되므로 세계적으로 액체연료가 부족하리라 예상된다.

석탄액화 기술의 기본원리는 고체상태인 석탄을 액체연료로 전환하기 위하여 고온(430-460℃) 및 고압(약 100-280기압)의 반응조건하에서 수소를 첨가시켜서 생성물의 수소/탄소 비를 1.5-2.0 정도로 증가시킴으로써 에너지 밀도가 높고 수송 및 보관이 용이한 청정 인조원유를 제조하는 기술을 의미한다.

이 기술은 이미 세계대전 중에 독일에서 자국의 부족한 항공기 및 휘발유 연료를 충당하기 위하여 최초로 개발되었으며 현재는 미국, 일본, 영국, 서독 그리고 캐나다와 같은 선진국을 중심으로 경제성 향상을 위하여 국가적인 차원하에서 반응조건의 완화와 품질개선을 위한 연구가 중점적으로 수행되고 있다.

특히 대표적인 석탄액화공정으로는 미국의 경우 촉매이단공정인 CTSL(Catalytic two Stage Process)과 일본의 NEDOL 공정으로서 각기 DOE 및 New-Sunshine 계획의 지원 하에 Pilot 규모로 개발되어 연구되고 있으며 주요 개발 대상 핵심기술로는 반응효율의 극대화 및 최적화를 위한 고활성 신촉매 개발기술 및 공정 최적화라 할 수 있다.

현재 석탄액화기술은 배럴당 35달러 정도가 되지만 핵심기술개발 및 주변기술(고/액 분리효율 상승)을 통해 배럴당 25달러 정도로 낮추기 위한 연구를 수행 중에 있으며 국내의 경우 한국에너지기술연구소에서 1kg/hr 용량의 연속식 액화 시험설비를 통해 반응 및 공정효율 개선연구가 수행되고 있다.

재생이 아닌 '신에너지'가 뜬다

연료전지, 석탄액화, 수소, MHD, 태양연못 등 기술과 시장 확대 예상

지난 7월호 신재생에너지 특집 1탄에 이어 이번 호엔 신에너지에 대한 내용을 알아본다. 신에너지는 소수력, 연료전지, 석탄의 액화, 가스화 등 연료를 의미한다. 우리나라는 미래에 사용될 신재생에너지로 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 11개 분야를 지정했다. 재생에너지는 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 등 8개 분야이고 신에너지는 연료전지, 석탄액화․가스화, 수소에너지 등 3개 분야다. 여기에 MHD 발전, 태양연못 등 에너지 분야를 한국에너지기술연구원의 자료를 통해 집중 조명해 본다.

이승재 편집장 sjlee@engnews.co.kr

소수력(Small Hydro Power)발전, 높은 에너지 밀도 보유

소수력(small Hydro Power)은 엄밀하게 정의를 내리기는 어려우나, 우리나라의 경우 설비용량이 10,000kW 이하인 수력발전을 말한다.

소수력 발전은 공해가 없는 청정에너지로서 국내에는 1,500MW 정도의 부존량이 확인되어 있으며 다른 대체 에너지원에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 개발 가치가 큰 부존자원으로 평가되어 구미(歐美) 선진국을 중심으로 기술 개발과 개발 지원 사업이 경쟁적으로 활발하게 진행되고 있다.

소수력 자원의 적극적인 개발은 에너지원의 개발 차원뿐 아니라 경제․사회적으로 전력 수요 급증 시의 부하 평준화 효과 및 석유 수입 대체, 민간 주도의 반영구적 공익사업으로서 환경친화적인 에너지원의 개발을 통한 지역 개발의 촉진과 이로 인한 경제적 파급 효과의 극대화, 관련 기술의 수출 산업화 등의 부수적인 효과를 거둘 수 있다고 평가되고 있다.

구미(歐美) 선진국과 중국 등지에서는 일찍부터 소수력 개발의 사회․경제적 중요성을 인식하고 수문학적 자료를 비롯한 기초 통계 자료의 확보와 기술 개발 및 보급에 힘을 기울여 다음의 표에서 확인할 수 있는 것처럼 소수력 발전은 에너지원으로서뿐 아니라 주요 산업으로 자리를 잡아가고 있다.

소수력 발전 강국들은 토목 공사비를 절감하기 위한 방안으로 관개용 등 기존의 댐을 활용한 소용량 발전 시스템의 상용화와 사이폰식 저낙차(低落差) 시스템의 개발을 추진하고 있으며 발전용 댐 건설 기술의 개량과 댐 설계 및 운용의 최적화 기술의 개발에도 투자를 아끼지 않고 있으며 수차를 비롯한 다양한 소수력 발전 설비의 표준화를 추진하여 큰 성과를 거두고 있다.

우리나라에서는 '1982년 소수력개발 활성화 방안'이 공표되면서부터 소수력 자원의 개발이 본격적으로 추진되기 시작하였다. 국내의 소수력 자원은 약 1,500,000kW 정도가 개발이 가능한 것으로 평가되고 있으며 2007년 6월 말 현재 53개소에 65,222kW 용량의 소수력발전소가 가동되고 있다. 정부는 소수력 발전의 보급 확대를 위해 발전된 전력에 대한 매입 단가 보장, 장기 저리의 시설자금 융자 등의 보급확대 정책을 펴고 있다.

우리나라 소수력자원의 조사를 통하여 도출된 결과에 의하면 대부분의 소수력 발전 입지가 자연낙차가 크지 않다는 것을 알 수 있으며 자연낙차가 큰 소수력 발전입지는 매우 제한되어 있기 때문에 낙차가 작은 저낙차 소수력발전소의 건설에 노력을 기울일 필요가 있다.

또한 이와 병행하여 저낙차이면서도 고낙차(高落差) 소수력발전소에 비하여 경제성 면에서 뒤지지 않는 저낙차용 수차의 개발이 시급한 실정이다.

국내에서 가동되고 있는 소수력 발전소의 평균 설비용량은 약 1,200kW 정도이고 대부분이 낙차가 큰 곳에 위치해 있다. 그러나 낙차가 큰 입지가 줄어들고 있어 앞으로는 저낙차 소수력 자원을 효과적으로 개발할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 아울러 물 관련 기존 시설물의 미활용 소수력자원을 최대로 활용하는 방안도 검토되어야 할 것이다.

서울시 맞춤형 소수력발전기술 개발 나서

낙차가 크지는 않지만 유량이 풍부한 서울지역 상황에 맞는 국산 소수력발전기술이 개발될 전망이다.

서울시는 물재생센터와 아리수정수센터 등 낙차가 크지 않으나 유량이 풍부한 서울의 지형특성에 맞는 서울형 소수력발전설비 기술개발에 나선다.

소수력발전은 물의 낙차를 이용해 수차발전기를 회전시켜 전기를 생산하는 원리로 일반적으로 낙차가 2m 이상 되어야 상용발전이 가능한 것으로 알려졌다. 하지만 서울시는 올해부터 '서울형 녹색기술 육성을 위한 R&D지원사업'의 일환으로 2m 미만의 저낙차 조건에도 적용 가능한 고효율 수력발전설비 개발에 착수한다.

이에 따라 시는 고효율 수력발전설비 개발을 위한 사업자 모집 공고를 지난 8월 24일까지 신청받았다.

저낙차 소수력 기술개발은 서울시가 운영하고 있는 물재생센터와 아리수정수센터를 비롯해 서울소재 하천의 소수력 에너지까지 친환경에너지로 재탄생시키겠다는 의지를 담고 있다.

시는 이번 기술개발을 통해 4개 물재생센터 중 발전입지 여건이 가장 좋은 난지물재생센터에 우선으로 소수력발전시설을 설치하고 단계적으로 이를 확대한다는 계획이다.

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파력(Wave Force)

파력에너지(波力, Wave Energy)를 이용한 발전 기술 연구는 파력 자원이 풍부한 일본, 영국, 노르웨이 등에서 활발하게 추진되고 있다. 파력 발전은 심한 출력 변동과 대규모 발전 플랜트를 해상에 계류시키는데 기술적인 어려움이 있으나 2000년대 초에는 상용 발전이 가능할 것으로 전망되고 있다.

일본은 카이마이(Kaimei)에 240kW급의 해안 고정식 파력 발전 장치를 설치하여 시험 가동하고 있으며 해양 과학 기술 센터 주관으로 540kW급의 부유식 파력 발전소 건설을 진행하고 있다. 영국도 벨파스트의 퀸스(Queen's) 대학에 75kW급 파력 발전 장치를 설치하여 가동 중이고 덴마크는 34kW급 발전소에 대한 실증 실험을 진행하고 있으며 노르웨이도 500kW급 발전소를 건설하고 있다.

국내에서는 아직 파력 에너지의 개발에 관한 구체적인 연구가 시도된 바 없으나 파랑이 심하다고 알려진 일부 해역을 대상으로 타당성 검토를 선행시킬 필요성은 높다고 말할 수 있다.