- 잉여 재생에너지를 이용한 그린수소 생산 경제성 분석 모델 도출과 타당성 검증 완료

- 재생에너지 출력 제한 문제 해결, 수소 생산 단가 획기적 절감 가능

- 재생에너지 출력제한, 그린수소로 해결한다.

- 에너지 분야 국제 저명 학술지 ‘Applied Energy’ 게재

[사진자료] 재생에너지 출력제한 기반 그린수소의 경제성 분석에 대해 설명하고 있는 박정호 책임연구원

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’) 계산과학연구실 박정호 책임연구원, 수소연구단 조현석 책임연구원 공동 연구진이 재생에너지의 출력제한*을 활용한 그린수소 생산에대해 경제적 타당성 분석 방법론과 결과를 도출함으로써 심각해지고 있는 재생에너지 출력제한을 해결함과 동시에 그린수소**를 경제적으로 생산할 수 있는 해법을 제시했다.

* 출력제한(Curtailment): 재생에너지의 전력 출력을 제한하는 것으로서, 발전량이 일정하지 않은 태양광이나 풍력에 의해 전력이 과도하게 공급될 경우 전력 계통의 안정성을 위해 발전 설비 출력을 직간접적으로 차단함

** 그린수소: 물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 태양광, 풍력 같은 재생에너지를 통해 얻은 전기에너지를 물에 가해 수소와 산소를 생산하며 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없다.

□ 연구결과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 ‘어플라이드 에너지(Applied Energy)’에 게재됐다.

□ 기후위기 해결을 위해 전 세계적으로 재생에너지를 확대하고 있지만 재생에너지의 가장 큰 문제는 불규칙한 풍속과 일사량, 그리고 전기 수요 예측 미비로 인한 출력제한이다. 전기는 공급이 부족할 때도 문제지만 공급이 과다해도 대정전(블랙아웃)이 발생할 수 있기 때문이다. 

* 한국전력거래소에 따르면 2015년 3건에 불과했던 제주도의 태양광과 풍력 발전 출력제한이 2022년 132건으로 크게 증가할 만큼 문제가 점점 심각해지고 있다.

□ 이러한 문제를 해결하기 위한 기술 중 하나가 P2G* 기술인데, 그중에서도 온실가스가 배출되지 않는 그린수소 기술이 각광 받으면서 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 이번 연구처럼 출력제한과 그린수소를 동시에 고려해 경제적 타당성을 파악한 연구결과는 거의 없으며, 특히 수전해 시스템의 최적 사이즈를 도출해 비용을 낮춤과 동시에 수소 생산을 극대화 할 수 있는 방안에 대한 연구가 필요하다.

* P2G(Power to Gas): 전력을 가스로 변환하는 기술로서 태양광·풍력과 같은 재생 전기에너지를 수소나 메탄 등으로 전환하여 저장하는 기술

■ 이러한 상황에서 연구진은 재생에너지, 그린수소의 투자와 운영 관련 의사 결정에 도움이 될 경제적 타당성 분석 방법론과 결과를 도출했다. 실제 제주도 기상 데이터를 기반으로 풍력과 태양광 발전량을 예측하고 이를 활용해 균등화 수소 생산 단가(LCOH)*와 수소 생산량 결과를 도출했다. 

* LCOH(Levelized Cost of Hydrogen): 수소 생산을 위한 총 자본비와 운전비를 총 수소 생산량으로 나누어 계산하는 균등화 수소 생산 단가를 의미하며, 보통 ‘kg당 가격’으로 표현되는 수소 생산 경제성 분석 지표

□ 개발된 통합 시스템 모델은 시간당 풍속, 일사량, 기온 등의 데이터를 입력하면 그에 대응하는 시간당 전력 생산량이 계산된다. 이 중에서 전력망으로의 송전량은 조정할 수 있으며, 잔여 전력을 그린수소 생산에 활용해 생산량 계산이 가능하게 설계됐다. 이는 다시 경제성 분석 모델의 입력 데이터로 활용되어 궁극적으로 그린수소 시스템의 자본비와 운영비를 계산할 수 있으며, 최종적으로는 그린 수소의 생산 단가를 도출할 수 있다.

□ 또한 수전해 시스템의 최소·최대 운전 부하, 장치 가격, 효율 등 핵심 성능과 가격 개선에 따른 경제 민감도를 분석, 어떠한 부분을 중점적으로 개선·개발해야 경제성을 높일 수 있는지 결과도 함께 도출했다. 특히 시스템의 장치 가격과 효율이 개선되는 경우 국내 기준 현재 최소 10,000원/kg 이상으로 추산되는 재생에너지 기반 그린 수소의 생산 단가가 3,000원/kg 이하 수준까지 개선될 수 있어 향후 P2G 분야에서는 획기적 변화가 일어날 전망이다. 

■ 주저자인 박정호 책임연구원은 “이번 연구결과는 심각해지고 있는 재생에너지 출력제한 문제를 그린수소로 해결하고자 때, 구체적으로 어떻게 해야 최적의 경제성을 확보하면서 문제를 해결할 수 있을지 방법론과 결과를 도출한 데 큰 가치가 있다.”며, “향후 다양한 재생에너지 공급이나 수요 조건에 따른 최적의 시스템을 설계하고 결과를 도출해, 정부나 기업의 설비 투자 및 운영과 관련한 의사 결정에 도움이 될 수 있도록 노력할 것”이라고 밝혔다.

□ 이번 연구는 미국 USC 화학공학과 이재형 교수 연구진 등과 공동으로 수행했으며, 과학기술정보통신부 공공연구성과 활용촉진 R&D사업, 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.