- 독자 개발한 에너지시스템 분석 모형으로 탄소중립을 위한 수소에너지의 역할 분석

- 과학적 근거 도출로 탄소중립 관련 정부 정책, 연구개발 전략 수립에 활용 기대

- 에너지 분야 세계적 권위지인 ‘Energy’ 9월호에 게재

■ 한국에너지기술연구원 국가기후기술정책센터 박상용 박사 연구팀과 포항공과대학교 산업경영공학과 최동구 교수 공동 연구팀이 우리나라 환경에 최적화된 에너지시스템 모형을 개발하고 수소에너지의 최적 활용 전략을 제시했다.

□ 수소는 정부에서 발표한 ‘2050 탄소중립 시나리오’ 달성을 위한 핵심 자원으로 주목받고 있다. 그 자체로도 청정 에너지원이지만 재생에너지의 잉여 전력으로 생산해 놓고 필요할 때 다시 전기로 바꿀 수 있어 변동성 관리와 전력망 운영에 매우 적합하기 때문이다.

□ 하지만 현재까지 국가적인 수준의 에너지시스템에서 수소에너지의 역할을 정량적, 심층적으로 분석한 연구가 드물었다. 특히 우리나라의 에너지 환경을 고려한 연구는 매우 부족해 국가 정책을 뒷받침할 수 있는 과학적 접근이 필요한 상황이다.

■ 연구진은 국제에너지기구(IEA)의 에너지시스템 분석 모형인 TIMES(The Integrated MARKAL-EFOM System)*을 기반으로 우리나라의 에너지 환경을 반영한 KIER-TIMES 모형을 개발하는 데 성공했다. 또, 이를 기반으로 2050년 국가 탄소중립 달성을 위한 수소에너지의 최적 비중을 예측했다.

* TIMES 모형: 최적화 모형의 일종으로, 국가 또는 지역 에너지시스템의 최종에너지수요를 공급하기 위한 비용최소화 에너지기술 조합을 찾아내는 모형. 에너지기술별 비용 및 효율 등의 변화가 에너지시스템 비용 및 이산화탄소 배출량에 미치는 영향을 분석할 수 있어, 에너지 및 기후변화 정책의 경제적·환경적 효과 분석에 널리 이용되고 있음

□ KIER-TIMES 모형에는 우리나라의 에너지 수급 현황, 미래 에너지 수요, 전력수급계획, 에너지 가격 등이 반영됐다. 특히 정부의 ‘2050 탄소중립 시나리오 최종안^*(이하 ’시나리오)’에서 제시된 2050년 최종에너지 수요 등 다양한 전제조건을 반영해 정부정책과의 일관성을 높였다. 또, 전제조건이 바뀔 때 결괏값이 얼마나 민감하게 변하는지 확인하는 민감도 검사를 시행해 정부 정책의 조건 변화에도 적용할 수 있도록 신뢰성을 확보했다.

* 2050 탄소중립 시나리오 최종안(2021.10.18., 탄소중립녹색성장위원회) : 2050년 탄소중립이 실현되었을 때의 미래상과 부문별 전환 내용을 전망한 것으로 국내 탄소 순배출량을 0으로 하는 2개 시나리오로 구성. 화력발전 중단 유무에 따라 A안(전면 중단)과 B안(일부 유지)으로 구분

□ 개발된 모델을 통해 분석한 결과, 2050년까지 국가 탄소중립을 달성하기 위해서는 전체 에너지의 27%를 수소에너지로 공급해야하는 것으로 나타났다. 또 최종 소비되는 에너지 수요 측면에서도 수소에너지의 비중이 25%까지 증가해야 할 것으로 예측됐다.

■ 이 외에도 연구진은 개발된 모델을 활용해 시나리오에서 제안된 수소의 수입 비중, 수전해 기술의 효율 향상, 이산화탄소 포집 기술 활용 방안을 심층 분석했다.

□ 시나리오는 국내 재생에너지 잠재량을 고려해 수소의 수입 비중을 80%에서 82%까지로 설정했다. 하지만 연구진의 분석 결과, 탄소중립을 위해서는 최소 76% 이상을 수입해야 하며, 수입 비중이 높을수록 탄소중립 달성 가능성이 높아질 것으로 예측됐다.

□ 또, 수전해 기술의 효율 향상을 통해 감축되는 전력 소비량을 분석했다. 현재 수전해 효율의 국가 연구개발 목표는 94%로, 목표 달성 시 국가 전력 소비량의 6.4%, 수소 소비량의 10.3%를 감축할 수 있을 것으로 전망됐다.

□ 이산화탄소 포집 기술(CCUS)의 활용에 대한 전략도 제안했다. 연구진의 분석 결과에 따르면 이산화탄소 포집 기술은 천연가스 발전소에 설치되는 것보다 블루수소^* 생산 시설에 활용되는 것이 더욱 효율적인 것으로 나타났다. 블루수소의 생산량을 높이면 생산 비용이 높은 그린수소^**의 비중을 줄일 수 있어 비용적으로 우수하다는 것이다.

* 블루수소: 액화천연가스(LNG) 등의 화석연료를 개질해 수소를 생산(그레이수소)하는 과정에서 발생되는 이산화탄소를 포집하고 제거해 이산화탄소 배출량을 줄인 수소

** 그린수소: 재생에너지에서 생산된 전기로 물을 전기분해(수전해)해 이산화탄소 배출 없이 생산하는 수소

■ 공동 연구를 주도한 박상용 박사는 “이번 연구는 국제적 기준에 부합하는 방법론을 이용해 우리나라의 에너지 환경을 고려한 수소에너지의 역할과 최적 활용 전략을 도출했다는 데 의미가 있다.”며, “KIER-TIMES 모형을 확장해 섹터커플링 기술들의 탄소중립 기여도를 분석하고 보급, 확산하는 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

□ 한편, 이번 연구는 2023년 7월 출범한 국가과학기술연구회 섹터커플링(SCI) 융합연구단 과제를 통해 수행됐으며 연구 결과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 ‘Energy’에 9월 30일 게재됐다.