지난 2015년 12월 프랑스 파리에서 개최된 제21차 유엔기후변화협약 당사국 총회(CCP21)에서 2020년 교토의정서 만료 이후 적용될 새로운 기후변화체제의 최종합의문이 채택되었다. 파리기후협약 체결로 출범한 신기후체제에 따라 전 세계는 온실가스 감축을 위한 정부정책 수립이 불가피해졌다.
온실가스 배출량 세계 7위인 한국은 이 파리기후협약에 따라 2030년까지 온실가스를 BAU(Business As Usual)대비 37%까지 감축하겠다는 목표를 제시했다. BAU란, 온실가스 감소를 위한 아무런 제약이나 노력을 취하지 않았을 경우의 예상치를 가정하고 이를 일정 비율로 줄이는 방식을 의미한다. 우리나라는 2030년에 배출될 것으로 예상되는 온실가스 배출량 BAU(온실가스 배출전망치)를 37%(국내 25.7%, 국제 11.3%) 감축하겠다는 INDS(자발적 감축목표)안을 제출했다.
이러한 시대적 흐름을 가장 먼저 체감하는 곳은 역시 전기·전력 분야다. 전기에너지를 생산하는데 있어 화석연료를 많이 소비하기 때문이다. 전체 온실가스 배출의 40%가 발전 부분에서 배출되며, 이 중 80~90%를 화력발전에서 배출하고 있기 때문에 37%의 온실가스를 줄일 수 있는 가장 중요한 열쇠는 화력발전의 감축 노력에 있다고 볼 수 있다.
그래서 대부분의 전력기술은 온실가스 감축이라는 역사적 사명 하에 연구가 이뤄지고 있다. 수요관리를 통해 생산된 전력을 아끼거나 발전소 효율을 극대화하기 위한 노력 등이 모두 에너지 신기술과 맞닿아 있는 이유도 그 때문이며, 이 에너지 신기술들이 미래 먹거리 기술로 자리매김 할 전망이다.
이에 본지는 한전 전력연구원이 제시한 2016년을 빛낼 11가지 전력기술 ▲마이크로그리드 및 에너지자립섬 ▲에너지저장장치 ▲전기자동차 및 무선충전 ▲전력수요반응 ▲초전도케이블시스템 ▲HVDC ▲저탄소 화력발전기술 ▲CCS와 재활용 기술 ▲발전소 온배수열 활용 ▲스마트시티 ▲전력설비 IoT 등을 소개한다.
1. 마이크로그리드 및 친환경 에너지자립섬 기술
마이크로그리드(MG, Microgrid)는 지역 내에서 풍력, 태양광 발전 등 신재생에너지원과 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System) 등을 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)으로 제어함으로써 외부의 전력망에 연결해 운전하거나, 독립적으로 운전할 수 있는 배전 선로 규모(수㎿ 정도)의 계통망을 의미한다.
신재생에너지와 소형 열병합 발전기를 발전원으로 열과 전기를 동시에 수용가에 공급할 수 있고, 에너지저장장치와 함께 온수 탱크에 열을 저장해 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 관리·운영할 수 있는 시스템으로, 전력계통 운영 측면에서는 송배전 손실을 줄여 에너지 효율 향상의 장점이 있다.
이에 따라 마이크로그리드는 독립 전력계통 구성을 필요로 하는 도서지역이나 지리적·경제적 여건으로 대규모 전력설비 건설이 어려운 일부 국가에서 새로운 대안으로 각광받고 있다.
한전 전력연구원(이하 전력연구원)은 차세대 에너지관리시스템인 마이크로그리드를 개발해 전남 진도군 가사도에 친환경 에너지의 생산·저장·이용이 가능한 에너지자립섬을 2014년 10월에 준공했다. 가사도 에너지자립섬에는 전력연구원에서 자체 개발한 독립형 마이크로그리드용 EMS, 400㎾ 풍력발전기(100㎾×4기), 320㎾ 태양광 발전기, 3Mh급 리튬이온 배터리를 설치해 운영하고 있다. 도서지역의 경우 육지의 대용량 전력계통과 연계가 불가능해 전력수요 밀도가 낮은 소규모 독립 전력계통을 운용하고 있으나, 낮은 설비이용율과 고가 연료 사용 등으로 전력공급 원가(2007년 도서 지역 발전원가 : 588.56원/㎾h)가 높다. 따라서, 아직까지 고가인 신재생에너지의 진입 장벽이 상대적으로 낮기 때문에 독립형 마이크로그리드에 의한 경제적인 전력공급이 이뤄지면 발전원가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 신재생에너지의 보급 확대로 온실가스를 감축하는 장점도 있다.
또한, 정부는 캐나다 PowerStream사와의 협약으로 지난 2015년 8월에는 캐나다에서 ‘북미 배전급 마이크로그리드 실증사업 기공식’을 개최하고 마이크로그리드 운영시스템의 북미 현지화 작업도 수행 중에 있다. 2015년 11월에는 모잠비크에서 태양광발전설비 50㎾, ESS 100㎾h, 모터펌프 및 정수설비 등으로 구성된 마이크로그리드를 조성하고 마을의 약 50여 가구 및 학교, 커뮤니티 센터 등에 전기와 물을 공급하는 최초의 해외 전화(電化)사업인 ‘모잠비크 MG 시범사업’의 준공식을 개최하기도 했다.
현재 정부는 독립형 마이크로그리드를 에너지 6대 신산업으로 육성하기 위해 한전이 관리하는 62개 도서지역을 대상으로 친환경 에너지자립섬 조성사업을 추진하고 있다.
뿐만 아니라 한전은 울릉도에 마이크로그리드를 구축할 계획을 밝히기도 했다. 전력연구원은 에너지자립섬의 성공적인 실증 운전을 통해 Track Record를 확보하는 동시에 2016년 6월 준공 예정인 캐나다 마이크로그리드 사업을 기반으로 북미 지역에 적합한 마이크로그리드 사업 모델을 개발할 계획이다. 이와 함께, 한전은 마이크로그리드 보급 확대을 위한 사업모델을 확보하고자 서울대가 중심이 된 캠퍼스 마이크로그리드 구축 사업에도 참여하고 있다. 캠퍼스 마이크로그리드는 중대규모 계통, 단일 운영 주체, 다양한 부하 형태의 캠퍼스 구내에서 에너지 절감 및 피크저감을 목표로 진행되고 있으며, 이를 통해 마이크로그리드 보급 확대의 계기를 마련할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
더불어 2016년 한전에서는 독자적으로 광주·전남 지역의 대학에 다중 커뮤니티형 마이크로그리드 및 에너지(전기+열) 통합형 마이크로그리드 구축과 에너지신산업 실증을 추진하고 있다. 정부 주도로 진행 중인 친환경 에너지자립섬 사업 활성화를 통해 온실가스 감축과 마이크로그리드 등 다양한 사업모델을 확보, 중소기업과의 동반성장으로 창조경제 구현에 기여할 것으로 예상된다.
(왼쪽 위부터) 가사도 신재생에너지 발전단지, 가사도 마이크로그리드 통합 운영센터,
가사도 마이크로그리드(신재생에너지 설치 현황), 가사도 마이크로그리드 계통도
2. 전력효율 증대를 위한 에너지저장장치 기술
에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)는 신재생 보급 확대와 스마트그리드 구축을 위한 핵심 기술이다. 발전소 생산전력을 전력망에 저장한 후, 필요 시 다시 전력망에 공급함으로써 에너지 효율을 증대시키고, 전력수급 불일치에 따른 전력 낭비 등의 문제들을 해결하기 때문이다. 정부 역시 대규모 에너지저장장치 투자유도를 위한 ESS 초기시장 창출계획을 발표하는 등 대용량 배터리를 이용해 전력계통의 안정화를 도모하고 신재생 출력을 개선하며, 전력을 저장했다가 필요한 시기에 재사용 할 수 있는 ESS 기술개발을 적극 지원하고 있다.
에너지저장장치는 전력계통에서 발전, 송변전, 수용가에 설치되어 계통 연계 안정화 및 비상전원 등의 용도로 활용이 가능하므로 글로벌 ESS 시장은 2020년까지 기하급수적으로 증가할 것으로 전망된다. 우리나라의 배터리 제조 기술 분야는 세계적인 수준이지만, 제어시스템, 계통 연계, 알고리즘 등의 핵심 기술은 부족한 상태이다. 이와 관련해 한전은 ESS 사업 분야 중 경제성이 우수한 주파수 조정 관련 기술 개발을 조기에 추진하고 전력계통 주파수 조정용 통합 ESS 제어 알고리즘, 운전 화면 및 방법, 제어기, 모의 검증 ESS 모델 개발 등 실증시험을 통해 기반 기술 확보에 노력해왔다.
2013년 10월에는 제주시 조천변전소에 4㎿급 배터리 에너지저장장치 실증단지를 준공하고, 전력계통의 피크부하 저감, 주파수 조정, 신재생에너지 출력 안정화 용도로 시험을 진행해 알고리즘을 검증했으며, 2014년 8월에는 주파수조정용 배터리 에너지저장장치 실증을 완료했다.
또한, 4㎿ 배터리 에너지저장장치 건설과 운영시스템 개발을 통해 얻은 기술을 기반으로 서안성, 신용인 변전소 28㎿ 및 24㎿ 주파수조정용 배터리 에너지저장장치 시스템을 적용해 상업운전에 성공하기도 했다.
이 밖에도 한전은 2015년 200㎿ 주파수조정용 ESS 사업을 기획해 2016년 준공을 목표로 추진하고 있으며 전력연구원의 운영시스템을 탑재할 계획이다. 또한 지속적으로 성장하고 있는 신재생에너지 출력 안정화를 위해 신재생 하이브리드(신재생+ESS) 기술도 개발하고 있다. 서남해 해상풍력 출력안정화 및 피크저감 등 다목적 ESS 통합운영 개발을 목표로 28㎿ ESS를 2019년까지 실증한다는 계획이다. 지속적으로 확대·적용되고 있는 ESS는 배터리 수명이 향후 사업의 성패를 좌우할 수 있으므로 배터리 성능평가, 수명예측 및 수명연장 기술이 ESS 운영기술의 핵심이 될 것으로 전망된다.
따라서 전력연구원은 주파수조정용 ESS사업에 적용되고 있는 리튬이차전지 성능 진단을 통해 수명을 예측하고, FR ESS 최적의 운영전략을 수립하여 배터리의 수명을 연장하는 과제를 2015년부터 기획하여 추진하고 있다.
또한 ESS의 가치를 제고하기 위해 Black Start용 ESS와 배터리 셀의 능동적 밸런싱 및 스마트 PCS형 ESS 등의 과제를 기획하고 있으며, 향후 다양한 국내 사업모델을 개발하여 해외수출을 목표로 하고 있다.
ESS연구사업단이 개발한 ESS 주파수 제어기술은 주파수 추종 및 자동 발전제어 기술을 융합한 세계 최초의 ESS 제어기술로서, 제어기 수입 대체 효과만으로도 50㎿ 기준 17억 원을 절감할 수 있으며, 500㎿ ESS 주파수 조정을 할 경우 연료비 절감액은 연간 3,000억 원으로 국가 에너지 경제에 크게 기여할 것으로 기대된다.
또한 능동적인 전력에너지 수급 제어로, 계통안정도를 향상시키고 전력의 품질을 개선함으로써 국민의 고품질 전력서비스도 기여할 것으로 확신하고 있다.
3. 전기자동차 인프라 확대 및 무선충전 기술
전 세계적으로 신기후체제 출범에 따라 신재생에너지와 전기차가 중요한 핵심 사업으로 자리잡고 있다. 중국과 EU는 2020년까지 각각 전기차 500만 대 및 470만 대를 보급한다는 계획이다. 우리나라 역시 산업통상자원부가 지난 2015년 11월에 발표한 ‘2030 에너지신산업 확산전략’에서 프로슈머가 전기차를 포함한 태양광, 풍력 등 분산자원을 이용해 생산한 소규모 전력을 팔 수 있는 시장을 2017년 개설할 것이라고 발표했다. 또한 전기차의 보급확대를 위해 2030년까지 전기차 37만대, 급속충전기 4,364기를 보급하고 핵심기술인 고효율 모터기술과 배터리 등을 개발할 계획이다.
이러한 전기차 보급계획의 배경에는 신재생에너지원으로 전기차의 운영을 위한 전국 단위의 전기차 양방향 충전인프라 관리시스템과 이를 전력계통과 연동해 부하를 조절하는 기술, 전기차를 이용한 전력거래를 위한 시장운영시스템 등이 기반 기술로 위치하고 있다.
이에 대해 전력연구원은 충전부하조절을 위해서 충전기 스스로 저부하시간대를 찾아서 충전함으로써 고객 입장에서는 충전요금을 절약할 수 있으며, 국가적으로는 전력부하관리 효과를 창출하는 국제표준 대응 V2G(Vehicle to Grid)용 단방향 교류충전기를 개발, 보급했다. 이러한 충전인프라의 전국적 연계를 위해 충전소 단위에서는 소내 충전기를 제어하고 충전 또한 부하를 조절하는 단말기인 충전기관리시스템과 지역의 충전인프라의 운영을 맡게 되는 충전인프라 운영시스템 개발도 완료했다.
이 밖에도 전력연구원은 플러그를 끼우고 빼는 유선충전 방식의 불편함과 감전의 우려를 해소코자 2015년부터 무선전력전송기술을 적용한 전기차용 6.6㎾급 무선충전시스템 개발에 착수했다. 무선전력충전시스템은 무선전력 송신부와 수신부간 무선으로 전력을 주고받아 전기자동차 내부의 배터리를 충전하는 방식이다.
현재 한전은 전력계통에 피크부하가 발생해 수급이 부족한 경우, 전기차에 기 충전돼 있는 전력을 충전기를 통해서 전력계통에 역송하는 G2V(Grid to Vehicle) 기술인 양방향 전력부하조절기술도 개발하고 있다.
또한 전력연구원은 2017년부터 실증 착수를 목표로 2016년 중 전력부하 분석 및 충전인프라 운영정보 양방향 체계를 구축하는 한편, 다수차량(1:N) 동시 충전시스템 및 V2G 운영시스템을 개발할 예정이다. 개발된 운영시스템에 기반한 수요반응(DR, Demand Response) 및 신재생에너지 연계형 사업모델도 함께 준비하고 있다.
무선전력충전시스템 개발을 위해서는 2016년 중 고효율 무선전력 공진기 설계 및 전송효율을 세계 최고 수준인 90%까지 개선할 예정이다. 무선전력충전시스템은 기존 EV충전 인프라와 연계해 안정성과 실용성을 실증한 후 국내에서 출시되는 무선전력충전 전기자동차에 맞춰 상용화할 계획이다. 무선충전방식의 EV는 토요타나 폭스바겐 등 세계적인 완성차 업계에서 2018~2019년에 출시할 것으로 발표했으며, 국내에서는 현대기아차의 쏘울 EV 등 전기차에 무선충전기술이 탑재될 것으로 보인다. 이러한 전기차용 무선전력충전시스템은 전기차 이용자에게 편리한 전기차의 이용경험을 제공함으로써 전기차 보급을 촉진하고 정부의 에너지신산업인 전기차 서비스 및 유료충전사업의 확산에 기여할 것으로 기대된다. 이러한 양방향 전력부하조절기술은 전력산업과 수송산업의 융합을 통해 스마트그리드 정보인프라의 한 축이 될 전망이다.
더불어, 이 연구개발을 통해 구축되는 무선전력전송 성능 및 안전성 평가시스템은 향후 개발되는 다양한 무선충전 응용시스템의 특성평가에 활용돼 보다 높은 출력과 효율을 갖는 안전한 무선전력전송시스템 개발에 활용될 예정이다.
전기차 무선충전 시스템 개념도
4. 전력수요반응 및 전력거래 기술
수요반응(DR, Demand Response) 프로그램은 요금 또는 인센티브를 통해 고객의 전력소비를 변화시키는 것으로 스마트그리드 전력 인프라를 통해 구현되는 가장 중요한 비즈니스 모델로 관심을 받고 있다.
수요반응 프로그램은 동하계 피크시간대의 전기사용량을 줄여, 정전 예방 및 최대전력을 줄이는 목적으로 추진되며, 고객들은 수요반응 프로그램에 참여함으로써 전기요금을 절감할 수 있고, 전력회사는 전력구입비 절감을 통해 전기요금 인상요인을 최소화할 수 있으며, 안정적인 전력수급 확보를 기대할 수 있다.
이 외에도 발전량을 줄여 온실가스 배출을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 발전소를 새로 건립하는 비용도 줄일 수 있기 때문에 다양한 부가가치 창출이 기대된다. 따라서 최근에는 특정 시기에만 시행되는 수요반응 프로그램을 연중 운영하는 상시 수요반응 체계로 확대하고 있으며, 스마트미터, AMI 등 스마트그리드 구축과 함께 상시 수요반응이 가능한 Auto DR(자동 수요반응) 시스템 개발이 선진국을 중심으로 폭 넓게 추진되고 있다. 국내에서는 2014년 11월에 아시아 최초로 도매 수요자원 거래시장이 개설됐으며 2015년 상반기에 1,300여 고객들이 시장에 참여해 LNG 발전기 5기에 해당하는 244만㎾ 규모까지 성장했다. 정부는 그간 정부 재정으로 운영되던 전력소비 절감사업을 수요관리 상시화, 수요관리 시장형성 등 시장 중심으로 재편해 기존 지정기간, 주간예고 프로그램 등도 네가와트 시장으로 흡수할 계획이다.
또한 수요자원 거래시장 참여 대상을 일반 국민으로 확대하는 국민 DR 확산 사업을 추진, 모든 국민들의 똑똑한 에너지 소비를 유도함과 동시에 수요자원 시장규모를 2030년까지 최대 수요의 5% 수준으로 확대한다는 중장기 계획도 마련했다.
한편 한전은 전력수급 안정을 위해, 수요자원 거래시장이 도입되기 이전부터 수요관리사업을 주관하면서, 다양한 기술개발과 제도운영을 진행해왔다. 지난 5년간 약 60억 원을 투자해 수요예측 기반의 수요반응 통합 포털을 구축했으며, 이를 통해 상시 수요반응체계를 확립하고, 고객에 대한 에너지 절감 컨설팅 사업에 활용하고 있다.
2015년 6월에는 중소 수요관리사업자(DR Aggregator)를 대상으로 하는 멘토링 시스템을 오픈했으며, 전국 단위의 수요자원 변화를 실시간으로 시각화해서 보여주는 수요자원 맵도 선보여 주목받고 있다. 앞으로 한전은 스마트미터, AMI 등 스마트그리드 구축과 함께 상시 수요반응이 가능한 Auto DR 시스템 개발을 본격화한다는 방침이다. 개발될 Auto DR 시스템은 각 가정(HEMS), 빌딩(BEMS), 공장(FEMS) 등의 에너지관리시스템(EMS)과 연동, 한전(또는 전력거래소)의 수요반응 시그널에 대해서 각 고객의 EMS가 고객이 사전에 설정한 세팅에 따라 자동으로 전기사용량을 조절하게 되어 전기사용량 변경에 대한 고객의 불편을 최소화함과 동시에 수요반응 효과를 최대화하는 것이 목적이다.
한전은 이를 위해 개별 고객의 전기사용 패턴을 분석함으로써 고객이 활용 가능한 수요반응 방법과 최대 절감량 등을 맞춤형으로 제공하는 에너지 프로파일링 솔루션 개발을 추진하고 있다. 개발 성과물은 우선 정부의 국민 DR 실증을 지원하는데 활용할 계획이며, 이러한 솔루션의 수요반응 예측의 정확성을 높여, 이를 기반으로 전력수급 계획, 발전소 건설 등에도 적용하는 방안도 고려 중이다. 뿐만 아니라 전기자동차, 마이크로그리드, 분산전원 등의 보급 확산을 위한 사업모델 개발, 에너지 종합 컨설팅 서비스 사업 등에도 활용될 것으로 기대된다.
수요자원 거래시장 거래절차
5. 초전도케이블시스템
초전도케이블은 영하 180℃ 부근에서 전기저항이 사라지는 초전도체를 사용해 제작한 케이블로 기존 케이블 대비 손실은 1/2, 송전용량은 5배 이상의 능력을 갖는 저손실, 대용량 송전케이블이다. 이 초전도케이블은 현재 포화상태인 도심 지하 전력구의 증설 없이 초전도케이블로 교체하는 것만으로 대용량 송전이 가능하며, 변전소 등 설비의 추가 건설 없이도 낮은 전압으로 대전류를 송전할 수 있는 차세대 케이블로 각광받고 있다.
전력연구원은 2013년 23㎸급 초전도케이블 실계통 실증을 성공적으로 완료한데 이어 직류 초전도케이블시스템 개발에도 착수해 2014년 제주 초전도센터에서 80㎸ 500㎿급 직류초전도케이블 시스템의 실계통 실증시험을 성공적으로 마쳤다. 2015년에는 세계 최대 용량인 154㎸ 600MVA 초전도케이블시스템 개발에도 성공해 최첨단의 대용량 초전도 송전기술을 확보한 것으로 평가받고 있다. 또한, 초전도케이블 냉각시스템의 핵심기술인 극저온 냉동시스템 개발을 위해 영하 196℃에서 단일용량 4㎾급 스털링 냉동기 2대를 적용함으로써 8㎾급 냉동시스템 개발에 성공, 실계통 실증을 완료했다. 영하 200℃ 이하에서 단일용량 10㎾ 냉각능력을 갖는 극저온 냉동기시스템 개발에도 매진해 현재 성능 평가가 진행 중에 있다.
초전도 기술을 근간으로 친환경 에너지 보급 및 온실가스 감축 등 미래 전력산업 환경변화에 대응해 국가전력망의 지속적 성장을 가능하게 하는 초전도케이블시스템은 사회적 수용성이 높은 친환경 고효율 시스템으로 2030년 세계 시장 선도를 목표로 기술개발과 신산업이 추진 중에 있다. 현재 선진국에서는 기술 개발 단계를 지나, 실증 시범사업이 진행되고 있으며, 실증사업의 가속화를 통한 국내 기업 경쟁력 확보에 매진함으로써 향후 주요 기간망의 초전도 사업 확장에 대비하고 있다.
2016년에는 세계 최고 용량 AC 154㎸ 600MVA 초전도케이블 실계통 실증시험을 통한 실적 확보, 극저온 냉각시스템의 국산화 개발, 장거리 초전도케이블시스템 기술개발 등 초전도케이블 상용화를 위한 연구개발을 계속 추진할 예정이다. 또한 한전은 현재 기 개발된 23㎸급 초전도케이블시스템의 국내계통 적용을 위한 시범사업 후보지를 확정하고, 2017년 실계통 사업을 목표로 추진하고 있다.
현재 우리나라는 세계 최고 용량의 초전도케이블 기술을 보유하고 있다. 이 기술력을 바탕으로 국내 관련 기업과 협력한다면 전 세계적으로 급성장중인 세계 초전도 전력산업을 주도해 친환경 대용량 전력전송기술 확대 및 적용이 가능하게 될 것이다.
6. HVDC(직류전송) 및 차세대 대용량 전력전송 기술
AC송전기술은 변압기를 이용해 다양한 레벨로 전압변환이 가능한 장점때문에 오랫동안 전력망을 구성하는 기반이 돼왔다.
하지만, AC계통의 규모가 증가함에 따라 전력계통 운용의 안전성 및 효율성 등 AC송전이 가지는 한계를 극복할 수 있는 대안으로 HVDC 송전에 대한 관심이 증가되고 있으며, 고장전류 저감을 위한 계통분리, 장거리 대용량 전력전송, 비동기 전력계통 연계, 해상풍력 연계 등의 프로젝트에 그 적용이 확대되고 있다.
우리나라에서도 제주와 육지를 연계하는 2개의 전류형 HVDC시스템이 해외에서 도입돼 운영 중에 있으며, 현재 700㎿의 HVDC 설비용량이 2030년에는 10GW 이상으로 증가할 것으로 예상됨에 따라 HVDC시스템에 대한 기술개발이 계통운영자인 한전과 HVDC시스템 제작사를 중심으로 활발하게 이뤄지고 있다.
전력연구원은 전류형 HVDC시스템을 개발해 지난 2014년 제주시 한림읍에 80㎸ 60㎿급의 DC송전이 가능한 HVDC 실증단지를 준공했다. 이를 위해 시스템 설계 및 주요 변환설비인 변환용변압기, 사이리스터 밸브, 제어 및 보호시스템 등을 국산화하는 한편 시험설비까지 구축해 개발품의 성능시험을 거쳐 현장에 설치했다. 제주 154㎸ 전력계통에 연계해 실계통 실증시험을 완료한 이 기술은 향후 500㎸급 전류형 HVDC시스템에 대한 기술개발을 통해 국내·외 HVDC사업에 대한 역량을 강화할 계획이다.
정부는 현재 HVDC를 13대 산업엔진 프로젝트로 육성하기 위해 전압형 HVDC 실증단지 구축 및 실계통 연계시험을 통해 국산화를 추진하고 있으며 한전은 실증운전에 적합한 부지를 선정해 전압형 HVDC 실증단지를 구축할 계획이다. 전력연구원은 전압형 HVDC의 성공적인 실증 운전으로 Track Record를 확보하는 동시에 전력계통 송전망의 확보를 통해 전력의 안정적인 수급과 운영신뢰도 향상을 위한 연구과제를 기획하고 있다. 또한 한전은 수도권 전력수급 문제해결을 위해 북당진-고덕 HVDC 사업을 2017년 준공 목표로 추진하고 있으며, 전력연구원에서는 HVDC시스템의 운영전략 수립, 설비 기술규격 개발 및 기자재검수 등을 통해 사업의 성공적인 추진 및 전력계통의 안정적 운영을 목표로 하고 있다.
전압형 HVDC는 전 세계적으로 성장하고 있는 기술로 송전과 동시에 무효전력의 독립제어를 통한 AC전압 유지가 가능하고, 멀티터미널의 적용을 통해 DC전력망을 구축해 전력계통의 안정적인 운영을 지원할 수 있어 HVDC 기술의 핵심이 될 것으로 전망된다.
따라서, 전력연구원에서는 국내 최초의 전압형 HVDC시스템 개발, 실증단지 구축 및 실계통 연계시험을 통해 국내 계통 적용을 통한 전력공급 안정화를 목표로 과제를 기획하고 있다.
(왼쪽 위부터) 154㎸ 초전도케이블, 23㎸ 초전도케이블, 제주 초전도센터 전경,
DC 케이블 제어시스템, DC 케이블 단말, DC 케이블 중간 접속함
7. 저탄소 청정화력발전 기술
국내 온실가스 감축 목표를 달성하기 위해서는 40% 이상의 온실가스를 방출하고 있는 화력발전으로부터 이산화탄소를 줄이는 것이 가장 큰 현안이다. 저탄소발전분야와 관련해서는 기존에 운영 중인 발전소와 신규 발전소의 이산화탄소를 감소시키기 위한 저탄소형 석탄화력과 가스터빈 기술개발 등이 진행 중이다. 기존 석탄화력에서 발생하는 이산화탄소를 저감하기 위한 방안으로는 작동유체인 증기를 고온고압화해 효율을 대폭 높일 수 있는 초초임계압 화력발전기술과 가스터빈의 입구온도를 높임으로써 복합화력발전의 효율을 높일 수 있는 고효율 가스터빈 기술이 각광받고 있다. 전력연구원은 두산중공업과 공동으로 2002년부터 초초임계압 화력발전기술 개발에 착수했고, 2008년에 세계 최고 성능을 갖는 효율 44%의 초초임계압 화력발전 기술을 확보했으며, 2016년 준공을 목표로 한국중부발전 신보령 1호기에 실증설비를 건설하고 있다. 2010년부터는 지능형 핵심설비 감시진단 시스템과 제어시뮬레이터를 개발해 국내 최초로 개발한 고성능 화력발전소를 조기에 안정화하고 상품의 가치를 높이기 위한 노력에 앞장서왔다. 이 기술은 국내에 22기 이상 설치되어 있는 기존 석탄화력 대비 4% 이상의 효율을 향상시킬 수 있는 기술로 연간 85만 톤의 이산화탄소를 저감할 수 있을 것으로 기대된다.
또 전력연구원 발전연구소는 석탄화력의 효율을 50% 이상으로 대폭 향상시킬 수 있는 극초임계압 석탄화력발전기술 개발을 위해 2022년부터 500㎿급 이상의 화력발전소에 이 기술을 적용하고자 기술개발 전략을 수립하고, 관련 기술개발 연구를 2016년에 시작할 계획이다.
아울러 최근 국내 전력수급 불안정에 능동적으로 대처하기 위해 급속기동이 가능하고 친환경, 고효율성을 자랑하는 한국형 표준 복합화력 모델로 출력 250㎿, 효율 40%의 대형가스터빈 개발을 진행 중이다. 두산중공업이 설계, 제작, 고온부품 개발을, 전력연구원은 가스터빈 최적운전 및 핵심부품 시험평가를 수행하고 있다.
아울러 2016년에는 가스터빈 기반 복합발전 운전 시뮬레이터와 고온부품 최적운전주기 평가기술 개발도 추진하고 있다. 이번 기술개발을 통해 가스터빈 제어로직이 체계적으로 검증되면 복합화력 발전소 건설 후 시운전 기간을 단축시킬 수 있으며, 상업운전을 조기에 달성하고 운전 신뢰도도 증대시킬 수 있다. 또한, 가스터빈 고온부품 사용재 및 신재에 대한 제작사별/사용조건별 물성 자료 데이터베이스를 구축해 고온부품 수명 및 잔여수명평가도 수행할 계획이다. 이를 통해 고온부품의 고주기 및 저주기 신뢰성평가를 수행하고, 해석적 평가결과와 비교하면 파괴수명 및 부품에 대한 건전성평가가 가능하다.
이 같은 연구개발이 성공할 경우 우리나라는 세계 최고 성능의 화력발전기술을 보유하게 될 것이며, 이 기술력을 바탕으로 국내 관련 기업과 협력해 전 세계적으로 급성장중인 세계 화력발전산업을 주도하고 국내 온실가스 저감목표를 무난하게 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
가스터빈 핵심기술
8. 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 생산한 후 발생된 최종 가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리해내는 방법이다. 대표적인 상용 공정으로는 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 등 경제성을 향상시킬 수 있는 기술개발이 필요하다. 한편 CCUS(이산화탄소 포집 및 재활용)는 이산화탄소를 자원화 시키는 기술이다. 이산화탄소를 포집, 고농도 농축 후 경제적·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. 2003년에는 한국중부발전 보령화력본부에 아민 수용액을 사용하는 0.1㎿ 습식 CO₂ 포집설비를 설치해 성공적으로 운전했고, 이를 바탕으로 개선된 10㎿ 공정을 2013년에 설치했으며 현재 5,000시간 연속운전을 목표로 연구를 진행하고 있다. 습식 포집공정에서는 자체개발한 KoSol 시리즈 흡수제를 사용하고 있으며 에너지 소비 저감측면에서 세계 최고 수준의 성능을 확보했다는 평을 받고 있다.
이 밖에도 한국남부발전 하동화력본부에는 자체 개발한 KEP-CO₂P 시리즈 고체흡수제를 이용하는 0.5㎿ 및 10㎿ 건식 CO₂ 포집설비가 운영되고 있다. 이 기술은 국내 고유의 차세대 혁신 포집기술로서 건식기술로는 세계 최대 규모로 이 분야 기술을 선도하는 중이다. CO₂ 재활용 분야에서는 2013년부터 CO₂ 제거와 동시에 중탄산나트륨과 같은 고부가 화합물로 제조 가능한 상용급 기술을 개발하기 위한 과제에 착수했으며 폐콘크리트와 같은 산업폐기물로부터 칼슘이온을 추출하고, 탄산무수화효소를 활용해 이산화탄소의 포집속도를 100배 이상 향상시켜 최종적으로 고품위 석회석 생산에도 성공했다. 특히 저에너지 전기분해공정을 이용해 기존 Chlor-alkali법보다 70% 이상 저감된 에너지로 소금물을 전기분해함으로써 생산된 염산으로, 산업폐기물의 칼슘을 추출시킬 수 있는 공법까지 완료했다. 전력연구원은 2016년 습식 10㎿ 포집설비의 업그레이드 및 최적화를 통해 10㎿ 습식 및 건식 포집 설비의 1,000시간 연속운전을 완료할 예정이다. 이후 습식 및 건식 CO₂ 포집기술 모두 2017년까지 100㎿ 이상의 상용 패키지를 개발 완료하고 국내외 사업화 및 실증에 대비할 계획이다. 또한 전력연구원에서 개발된 CO₂ 포집기술은 장기 성능 시험을 통해 신뢰성을 입증한 후 2018년 시작되는 150㎿급 대규모 국가 CCS 실증사업에 활용될 예정이다. 동시에 2016년 중에는 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 개발에도 착수할 예정이다. 또한 CO₂ 재활용을 위해 2016년 50㎾급 중탄산소다 생산 파일럿 플랜트의 건설을 시작할 예정이며, 세계 최초로 저에너지 전기분해공정과 탄산무수화 효소를 활용해 고품위 석회석을 생산시킬 수 있는 10㎾ 파일럿 플랜트 공정 연구를 2016년부터 착수하는 한편, 2018년까지는 1㎿ 상용급 석회석 생산 플랜트 개념설계를 확보해 2019년 이후부터 이산화탄소 석회석 생산 상용화 공정에 활용할 예정이다.
10㎽ 습식 CO₂실증설비(보령화력)
9. 미활용열을 이용한 에너지 효율 향상 기술
산업단지나 발전소 등에서 발생하는 폐열은 대용량 고온일 경우를 제외하면 대부분 버려지고 있으나 최근에는 ORC(Organic Rankin Cycle, 유기랭킨사이클)를 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 않음에도 불구하고 기업 측면의 에너지 비용 절감 뿐 아니라 국가적 차원의 1차 에너지 절감과 온실가스 저감이 가능해 최근에는 발전온배수 활용이 신재생에 포함(2015년 3월), 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 10㎾급 해양복합온도차 발전설비를 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 효과도 거둘 수 있다. 100㎾급 해양복합온도차 발전설비 개발 및 실증 과제가 올해부터 2019년까지 추진될 예정이며 향후 ㎿급 상용화 설비 개발도 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 냉난방시스템 개발 및 실증과제’를 2019년까지 추진할 계획이다. 발전온배수를 활용한 최적의 냉난방시스템 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 정부에서는 관련 제도와 법규를 지속적으로 정비하고 있으며 전력연구원 미래기술연구소는 이러한 상황과 정부의 정책에 즉시 부응해 미활용 열을 활용한 2 Track(전력생산, 유효 열 생산) 최적 기술개발로 국가적 차원의 합리적 에너지 이용과 1차에너지 절감 및 온실가스 저감 뿐 아니라 열 수용가 난방비 절감을 통한 경쟁력 향상에도 크게 기여한다는 방침이다.
세계 최초 해양 복합 온도차 발전 Pilot Plant
10. 저탄소 미래사회 모델, 스마트시티 기술
스마트 시티(Smart City) 기술이란 신재생에너지와 향상된 에너지 효율화(Energy Efficiency) 기술의 기반위에 정보통신(ICT) 기술을 통한 도시자원의 통합관리와 향상된 서비스를 제공해 자원소비와 운영비용을 줄이는 융·복합 기술을 의미한다. 현재 도시지역은 전 세계 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 예상된다.
전력연구원은 스마트 시티 기술을 통해 도시화에 따른 도시 인프라 부족 및 지구온난화 위기를 해결하고, 향상된 도시 서비스를 통해 도시 경쟁력을 향상시키며, 궁극적으로는 지속가능한 저탄소 미래사회를 구현하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 그동안 수행해왔던 신재생에너지 및 에너지 저장기술, 스마트 배전망 운영기술, 마이크로그리드 기술 및 소프트웨어 플랫폼 기술 등을 융합해 스마트 에너지 시티의 기반 플랫폼과 에너지 서비스를 개발하고 이를 통해 신규 비즈니스 모델 수립에 나설 계획이다.
한전에서 추진하는 스마트 시티 프로젝트는 광주·전남 혁신도시인 빛가람 에너지밸리를 대상으로 구축되는데, 여기에는 에너지 공급요소로 태양광, 풍력, 연료전지 및 바이오 등 다양한 신재생에너지가 포함되어 있고, 수요 요소로 건물 에너지 효율화 솔루션인 스마트그리드 스테이션(Smart Grid Station)이 한전 및 에너지 공기업을 중심으로 구축된다. 또한, 에너지 저장요소로 각각 수요반응(DR)과 배전선로용 에너지저장장치가 구축되며 전기자동차 충전 인프라가 연계될 전망이다. 이를 통합해 도시 에너지 자원의 효율적인 운영을 위한 스마트 시티 통합 운영시스템도 개발·실증을 준비하고 있다.
스마트 시티 통합 운영 시스템은 도시 내·외부의 에너지 자원을 관리하기 위해 확장성과 상호운용성(Interoperability)이 확보된 개방형 데이터 및 서비스 플랫폼을 구성하고, 여기에 통합 에너지 표준정보 모델과 빅데이터 응용 서비스가 더해진다. 또한 분산에너지 자원을 통합한 도시단위의 에너지 관리 기능과 탄소배출 관리 기능 및 도시 공공 서비스를 통해 에너지 비용 절감, CO₂ 감축 등을 목표로 하고 있다. 이를 위해 통합 운영플랫폼 고도화, 에너지 통합 운영 지능화 및 시티 확산 모델 및 에너지신사업모델을 발굴해 에너지신산업 생태계 구축에 나선다는 계획이다. 스마트 시티 통합 운영시스템은 총 36개월 동안 설계, 개발, 구축 및 실증의 세부 단계를 거쳐 개발을 준비하고 있다. 2016년도에는 나주혁신도시의 스마트 시티 내에 신재생에너지 도입 마스터플랜이 수립되고, 기술적·경제적으로 신재생에너지를 효과적으로 통합하여 도시단위 에너지자원을 효율적으로 운영해 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 설계도 이루어질 전망이다.
스마트 시티는 우리나라가 향후 신기후체계에 적극 대응하고, 비즈니스 모델의 혁신을 통해 새로운 에너지신산업을 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.
스마트시티 추진 필요성
11. 전력설비 사물인터넷(IoT) 및 스마트센싱 기술
전력산업분야의 IoT 기술은 전력과 IoT 기술을 융합해 글로벌 에너지신산업 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 가지고 있어 타 분야에 비해 경쟁력이 크기 때문이다. 현재 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 부족하기 때문이다.
이에 대해 한전은 스마트 에너지 사업자의 사회적 책임을 다하고 전력에너지 신서비스를 창출하고자 개방형 사물인터넷(IoT) 환경을 조성하는 사업을 진행하고 있다. 대구와 광주지역에 약 1,000여 개의 무선센서 노드 및 260여 개의 게이트웨이 규모로 IoT 기반의 전력설비 자가진단 솔루션을 시험할 수 있는 테스트베드를 구축했으며 테스트베드에 설치한 무선센서는 수량이 많고 유지보수 비용이 많이 소요될 수 있기 때문에 저전력, 초소형으로 개발됐다. 무선통신은 블루투스 프로토콜을 기반으로 하고 있고, 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 향후 IoT를 우리나라의 신성장동력으로 발전시키고 IoT 생태계를 구축하는데 기여한다는 방침이다. 또 IoT를 시설환경이 상대적으로 취약한 지중 전력설비에 적용해 누전감시, 온도감시, 전력량 감시, 지반침하, 침수상태 등을 감시하는 한편, 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 등도 연구·개발할 예정이다. IoT 기술은 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.
스마트센서 및 전력 IoT 기술의 전환, 전력설비 IoT 구성
출처. 한전 전력연구원
※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 2016년을 빛낼 전력기술 11가지
