그린수소부터 수상태양광까지… 물에너지 산업의 미래를 열다

[공학저널 김하늬 기자] 한국은 2050년 탄소중립 달성에 적극적으로 참여하고 있으며, 특히 물에너지는 청정에너지의 특성을 지니고 있어 탄소중립 달성을 위한 중심적인 역할을 수행할 것으로 예상되고 있다.

아직 국내에서 물에너지 관련 산업 발전과 기술개발은 상당한 시간과 비용이 소요될 것으로 예측되지만, 탄소중립 2050 달성을 위해서는 반드시 추진해야 할 핵심역량이라는 것이 전문가들의 의견이다. 현재 각 요소기술은 어느

그린수소부터 수상태양광까지…

물에너지 산업의 미래를 열다정도 개발된 상태로 이를 통합해 시스템으로 확장하고, 장기운영을 통한 운영·유지(O&M) 기술 확보가 필요한 상황이다.

그러나 다양한 적용사례가 부족해 실증형 R&D와 시범사업을 통해 관련 산·학·연의 역량 확보가 필요한 시점으로, 특히 가장 중요한 경제성 확보를 위해서는 각 요소기술의 고도화, 산업적·지역적 특성을 고려한 비즈니스 모델 개발, 국내 실증 후 해외적용 모색, 정부 지원 및 관련 법·제도의 개정이 필요하다는 목소리가 높다.

이러한 가운데 K-water연구원 물에너지연구소는 그린수소, 수상태양광, 수열, 수력 등 물과 관련된 에너지 기술 분야에서 선도적인 연구를 수행하며 다양한 핵심기술 개발을 통해 경쟁력을 확보하며 주목받고 있다.

K-water연구원 물에너지연구소 정지철 소장(사진)은 “최근 그린수소 분야에서는 수소 에너지가 온실가스 배출이 없는 청정에너지로 주목받고 있으며, 기술선점을 위한 경쟁이 치열하다”며 “특히 재생에너지의 간헐성, 변동성, 에너지 저장장치의 안전성 문제를 보완하기 위한 P2G(Power to Gas) 기술개발이 시급한 상황”이라고 강조했다.

현재 K-water에서는 3대 핵심기술로 물그릇, 첨단용수, 물에너지를 선정했으며, 그중에서 물에너지연구소는 물에너지 분야와 관련된 그린수소, 수상태양광 분야 연구를 핵심으로 추진하고 있다.

그린수소는 기후위기 극복 및 탄소중립 실현을 위한 대표적인 청정에너지원이지만, 전력을 받아 수소를 생산하는 수전해 설비가 재생에너지의 변동성을 극복해야 한다는 점과 생산 후 저장·이송을 위해 높은 비용의 별도 저장기술이 필요하다는 단점이 있다.

물에너지연구소에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 재생에너지의 변동성과 관련된 그린수소 연구과제 2건과 생산·저장 관련 연구과제 1건을 수행 중이며, 추가로 변동성 연구과제 1건을 기획 중이다.

대표적으로 산업통상자원부 주관 ‘그린수소 생산시스템 신뢰성 제고 및 운영기술 개발’ 과제는 수전해 열화 평가의 표준 프로토콜을 제정하고, 전남 영광군에 수전해 성능평가센터를 구축해 실증 연구를 수행한다. 이를 통해 최적의 운영기술을 개발하며, 연구 종료 후에는 이 센터를 국내 수전해 제조사의 성능 인증 센터로 활용할 계획이다.

수상태양광은 수면 위에 부유체를 통해 태양광 패널을 설치해 전력을 생산하는 설비로, 수면의 냉각 효과로 인해 육상태양광에 비해 효율이 높고 부지 확보가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 여전히 육상에 별도 변전설비가 필요하며, 육상변전소까지 다량의 수중케이블이 필요하다는 단점도 존재한다.

물에너지연구소는 이러한 장점을 극대화하고 단점을 완화하기 위해 연구과제 2건을 수행 중이다.

최근 수상태양광 부유식 변전소 기술개발 국가 연구과제를 수주했으며, 해당 연구과제는 육상변전소에 설치된 인버터와 변압기를 수상에 설치할 수 있는 기술을 개발하는 것을 목표로 한다.

현재 국내에서는 부유식 변전소 설치할 수 있는 관련 근거 규정이 없는 상태다. 부유식 변전소는 수상태양광 모듈에서 발전된 전력(DC)을 바로 배전계통(AC)에 송전할 수 있는 전압으로 승압함으로써 필요한 수중케이블을 대폭 축소할 수 있는 장점이 있다. 이를 통해 송전 거리 증대, 사업비 절감(15%)의 효과가 있어 수상태양광 업계에서는 반드시 필요한 핵심기술로서 기대하고 있다.

이에 물에너지연구소는 전력설비의 내습기능, 경량화 기술, 부유체 개발 및 안전성 평가/시험 등 관련된 기술을 개발하는 것뿐만 아니라 연구 종료 후 사업화가 가능하도록 국가기술기준(안)을 마련할 계획이다.

한편, K-water는 그린수소와 수상태양광 뿐만 아니라 수력발전과 수열에너지 관련 사업과 연구개발도 활발히 수행해 왔다.

수열에너지 분야는 히트펌프의 성능계수(COP)가 높아 에너지 절감효과가 뛰어나며, 점진적인 확대보급이 이루어지고 있다. 이에 K-water는 대형 상업 시설과 데이터 센터의 냉난방에 수열에너지를 활용하고 있으며, 환경부 주도의 수열 보급 지원사업과 대청댐 수열 특화단지 조성사업을 진행 중이다.

수력발전 분야는 전 세계 발전량의 16%를 담당하며, 2030년에는 노후화로 인해 1,270억 달러 규모의 교체 시장이 형성될 것으로 전망된다. 재생에너지 공급증가에 따른 전력계통 불안정을 해소하기 위해 신규 양수발전 건설이 활발하며, K-water와 한국수력원자력은 수차발전기 국산화와 노후 수력 현대화사업을 추진하고 있다. 또한, 국내 건설사들과 함께 해외에서 신규 수력발전 사업을 지속적으로 추진하며 동반성장을 모색하고 있다.

정 소장은 “K-water연구원 물에너지연구소는 정부의 친환경 정책과 탄소중립을 위한 세계 각국의 노력에 발맞추어 기후위기에 대응하며 친환경 물에너지 산업에서 선도적 역할을 할 것”이라며 “국내 재생에너지 보유 1위 기업이자 물관리 전문기업으로서 향후 물에너지 확대보급에 이바지할 계획”이라고 말했다.

이러한 노력에도 불구하고, 현재 수소 산업에서는 규제 완화를 요구하는 목소리가 높아지고 있다. 발전용 재생에너지를 그린수소 생산에 활용할 수 있도록 제도개선이 필요하다는 주장이다.

현재 현행 전력시장 규제에 따르면 발전사업용 재생에너지는 반드시 전력시장에 전기를 판매해야 하며, 그린수소 생산을 위한 전력원으로 활용할 수 없다. 이에 따라 발전사업용 전원도 일부 그린수소 연구시설에 전력을 공급할 수 있도록 전기사업법 등의 제도개선이 필요하다는 것이 정 소장의 생각이다.

이뿐만 아니라 최근 고압 수전해 스택 제작에 대한 규제 완화가 필요하다는 의견도 적지 않다.

안전관리의 중요성이 높아지면서 수소생산 시 10bar 미만의 압력에서는 고압가스 안전관리법 적용대상에서 제외돼 대부분의 국내 제조사는 10bar 미만으로 그린수소를 생산하고 있다.

반면 PEM 수전해 스택은 10bar 이상의 고압 수소생산이 가능해 초기 압축 동력을 절감하고 전체 생산비용을 낮출 수 있다는 장점이 있지만, 고압 수전해 스택을 개발하려면 내압 설계 및 기밀시험 등 관련 규정에 따른 부담이 커 기술개발이 저해되고 있는 상황이다. 이에 대한 규제 완화와 개선이 필요하다는 의견이 대두되고 있다.

이에 물에너지연구소는 재생에너지별(태양광, 풍력, 수력 등) 간헐성과 변동성의 차이를 고려해, 맞춤형 그린수소 생산시스템의 최적화·운영·유지(O&M) 기술개발을 추진할 방침이다. 기존 알칼라인(Alkaline)과 PEM 수전해 기술의 고도화를 통해 경제성을 확보하고 내구성과 효율 향상을 목표로 하며, 이와 함께 생산된 그린수소의 정제, 압축, 저장기술도 병행 개발할 예정이다.

정 소장은 “물에너지연구소는 정부의 친환경 정책과 탄소중립을 위한 세계 각국의 노력에 발맞추어 기후위기에 대응하며 친환경 물에너지 산업에서 선도적 역할을 할 것”이라며 “물에너지 원천기술 개발과 관련 산·학·연들과의 협업을 통해 제도개선은 물론 공공기관으로서 사회적 책임을 다하기 위해 노력할 것”이라고 전했다.