CCUS부터 친환경 그린수소까지… 脫탄소 에너지 신기술로 승부
온실가스 배출없는 그린수소 생산·저장… 수소발전 기술 확보 추진도
하루 1.5톤 탄소 → 메탄 전환 국내최대 그린메탄 생산시스템 구축계획
망간 활용 리튬이온 대체 차세대 배터리 개발… ESS 구축 비용 낮춰

전 세계 각국에서 '탄소중립'이 화두다. 석유·석탄 등 기존의 화석연료가 '기후재앙'의 원인으로 지목되면서 '친환경'은 새로운 핵심가치로 떠올랐다. 우리나라도 2050년까지 탄소 순배출량을 '제로'(0)로 만들겠다는 '2050 탄소중립'을 선언하고 에너지 전환을 추진 중이다.

하지만 국가 온실가스 배출량의 87%가 에너지 생산·소비 과정에서 발생하고 있는 우리나라로서는 친환경 에너지 기술 없이는 탄소중립 달성이 불가능하다. 화석연료에서 친환경 에너지로 전환하고, '탈(脫)탄소'를 위한 에너지 신기술 개발이 시급하다는 목소리가 나오는 이유다.

◇그린수소로 수소경제 선도= 업계에서는 석유·석탄을 대체할 수 있는 수소에너지 기술에 주목하고 있다. 한국전력공사는 친환경 '그린수소' 생산과 연료전지·터빈 등 수소 발전기술 등 수소 전(全)주기 기술 확보를 추진 중이다. 한전은 재생에너지를 활용한 물 전기분해로 온실가스 배출이 없는 그린수소를 생산·저장하는 P2G(Power to Gas) 기술을 개발했다.

국내 최대 규모인 2MW급 P2G 시스템 실증도 추진 중이다. 2019년에는 국내 최초로 시험생산 규모(20N㎥H2)의 액상유기수소운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier) 수소저장 시스템을 개발했다. 이를 적용한 수전해(그린수소 생산)-LOHC(저장)-연료전지(전기·열 생산) 연계시스템도 운영하고 있다.

한전은 산업통상자원부 지원 사업을 통해 '2MW급 하이브리드 수전해 시스템'도 개발 중이다. 이 시스템은 알칼라인과 고분자막 수전해 모듈을 연계한 것으로, 향후 수전해 효율을 높여 저비용·대용량화가 가능해질 것으로 기대된다. 그린수소를 대용량으로 생산할 수 있게 되면 기후요인에 따라 생산량이 간헐적인 재생에너지를 보완하고, 전력수급 불일치에 대응할 수 있다.

한전은 그린수소 생산-저장-활용 분야 기술 실증을 추진할 계획이다. 2025년에는 MW급 시스템을 수소발전소 현장에 적용해 트랙 레코드를 확보하고, 전력그룹사가 운영하는 청정수소 발전소에 확대 보급하겠다는 게 한전의 계획이다. 아울러 향후에는 10MW 규모의 상용급 P2G 시스템도 개발해 해상풍력발전 등 대규모 재생에너지 단지와 연계한 그린수소 생산 상업운전도 추진할 예정이다.

◇'탈탄소' 핵심은 탄소 포집·전환 기술 확보= 탄소중립 달성을 위해서는 CCUS(이산화탄소 포집·활용·저장)기술이 필수적이다. 석탄발전이 여전히 전 세계에서 주요 발전원 역할을 하고 있는 상황에서 완전한 '탈석탄'은 사실상 불가능하기 때문이다. CCUS는 화석연료 설비에서 배출되는 온실가스를 포집, 활용, 저장해 온실가스 배출량을 줄이는 데 핵심적인 역할을 한다. 국제에너지기구(IEA)는 올해부터 2030년까지 CCUS 연간 투자 규모가 280억달러에 이를 것으로 보고, 2040년 이후에는 전체 온실가스 감축량의 15%가 CCUS를 통해 가능할 것이라고 전망했다.

정부가 발표한 '2050 탄소중립 추진전략'에 따르면 온실가스 다배출 업종의 산업 구조 전환을 위해 CCUS 기술의 조기 도입이 추진된다. 2030년까지 대규모 탄소 포집·전환기술을 통한 CCUS 통합실증이 추진되고, 2050년까지는 탄소배출이 없는 화학제품 등 탄소중립형 원천기술을 확보한다는 계획이다.

탄소 포집(CCS) 기술은 화석연료를 사용하는 화력발전, 제철, 시멘트 등 업종에서 발생하는 탄소를 대기로 배출하기 전에 분리해 땅 속에 저장하는 기술이다. 대표적인 CCS 기술로는 습식, 건식, 분리막 기술이 있다. 이 중에서 습식 기술이 가장 상용화에 근접해 현재 전 세계적으로 고효율 습식 포집 기술 개발 경쟁이 치열하다.

한전은 2000년 초반부터 대규모 화력발전 설비에 적용할 수 있는 CCS 기술을 개발해왔다. 한국중부발전 보령화력본부에 국내 최대규모인 10MW 습식 탄소 포집 실증 플랜트를 운영 중이다. 10MW는 연간 약 7만톤, 일일 기준으로는 200톤 이상의 탄소를 포집할 수 있는 규모다. 한전의 습식 CCS 기술은 한전이 독자 개발한 탄소 습식흡수제와 에너지 저소비형 공정을 적용해 90% 이상의 탄소를 제거하면서도 에너지 소비량은 40% 이상 감소시킨다. 2019년 9월부터 지난해 11월까지 1만시간 장기연속운전도 달성해 장기운전 가능성에 대한 신뢰도 입증했다.

이에 따라 지난해 6월에는 '저에너지소비형 고성능 습식 이산화탄소 흡수제'와 '한전 연소 후 습식아민 이산화탄소 포집공정'이 산업부 지정 첨단기술에 선정됐다. 국내 CCS 분야 최초다.

탄소 전환(CCU) 기술은 탄소를 다른 유용한 물질로 전환해 활용하는 것을 말한다. 화학적 전환, 생물학적 전환, 전기화학적 전환, 광물탄산화 등 다양한 방식이 있다. 한전은 전력·에너지산업의 적합성과 가능성을 고려해 '광물탄산화를 통한 중탄산소다 생산기술'과 '메탄화 기술' 개발에 주력하고 있다. 메탄화 기술은 미활용 재생전력을 이용해 생산된 수소를 탄소와 반응시켜 메탄을 생산하는 기술이다. 생산된 메탄가스는 발전연료, 수송연료, 도시가스 등으로 활용된다. 한전은 2017년부터 생물학적 방법을 적용한 메탄화 기술 개발 실증을 추진 중이다. 생물학적 메탄화 기술은 공정의 기동·정지와 저부하 운전이 용이해 재생에너지를 이용해 생산되는 그린수소와 연계에 유리하다.

한전은 2019년부터는 '수소의 메탄화 공정 모듈화기술 개발' 정부과제에 착수했다. 2022년까지 하루 1.5톤의 이산화탄소를 메탄으로 전환할 수 있는 국내 최대규모의 열화학적·생물학적 30Nm3/h급 그린메탄 생산 시스템 각 1기를 구축·운영할 예정이다.

◇경제성·안전성 다 잡는다…ESS 배터리 기술 확보= 신재생에너지 발전량을 늘리기 위해서는 에너지저장장치(ESS)가 꼭 필요하다. 한여름이나 한겨울처럼 전력 수요가 몰리는 기간에는 신재생에너지의 발전 효율이 떨어지기 때문에 잔여 에너지를 저장할 수 있는 ESS 수요는 신재생에너지 발전설비와 함께 증가하고 있다. 정부는 '재생에너지 3020' 계획에 따라 2030년까지 재생에너지 발전량 비중을 20%까지 확대하는 정책을 추진 중이다. 한전은 2034년까지 3GW 규모의 ESS가 필요할 것으로 전망하고, 2022년부터 1.4GW 계통안정화용 ESS 건설을 본격적으로 추진할 계획이다.

현재 ESS 시장은 리튬배터리 중심으로 형성돼있다. 하지만 리튬이온전지에 사용되는 전해질은 비교적 불이 붙기 쉬운 인화성 유기물을 사용하고 있어 안전성 문제가 항상 따라다닌다. 또 핵심소재인 리튬이 볼리비아·칠레 등 일부 지역에서만 공급이 가능해 원재료 수급 불안정 위험도 높은 편이다. 전문가들은 단기적으로 리튬배터리의 안전성을 확보하고, 장기적으로는 리튬배터리를 대체할 수 있는 차세대 배터리 개발이 필요하다고 보고 있다.

한전은 ESS용 차세대 배터리 개발 계획을 장기적으로 추진 중이다. 리튬이온을 대체할 수 있는 '망간'을 ESS에 활용하는 안이다. 망간 수계 이차전지는 양극으로 망간 산화물(MnO2), 전해질로 황산아연(ZnSO4) 수용액 그리고 음극으로 아연(Zn) 금속을 사용한다. 한전 전력연구원과 전기연구원·서울대가 공동으로 지난해 20Ah급 단전지 개발에 성공했다.

망간 수계전지는 값이 싼 망간을 사용하기 때문에 경제적이고, 불이 붙지 않는 수용액을 사용해 안전하다는 장점이 있다. 한전은 배터리 수명을 늘릴 수 있는 전해질 첨가제를 개발했고, 열화 요소를 고려한 배터리 설계 최적화 기술도 확보했다.

한전은 자체적으로 운영자가 직접 배터리 상태를 진단하고 사고를 사전에 예방할 수 있는 기술도 개발했다. 전압, 전류, 온도 등 측정 데이터를 활용해 자체적으로 배터리 수명을 진단하고 사고 위험성이 있는 배터리 셀을 검출할 수 있는 기술이다. 이를 통해 내년부터 건설되는 계통안정화용 1.4GW ESS를 안정적으로 운영한다는 방침이다.

한전은 망간 수계전지 대량 생산을 위해 배터리 제조회사와 공동 개발을 추진 중이다. 향후 양산 기술을 확보하게 되면 제작사와 공동으로 MWh급 대용량 시스템 개발 및 계통 연계 실증을 통한 상용화도 추진할 계획이다. 리튬배터리를 대체할 수 있는 전력계통 단주기용 ESS와 한전 변전소 비상전원용으로도 활용할 예정이다.

배터리 진단 기술은 ESS 뿐만 아니라 리튬배터리가 사용되는 전기차, 전기선박 등 다양한 어플리케이션에서도 확대 활용할 수 있도록 기술 개발을 지속해나갈 예정이다.

한전 관계자는 "한전의 차세대 이차전지는 ESS 구축 비용을 절반 수준으로 낮출 수 있다"며 "국내 ESS 활성화를 통한 재생에너지 확대에 큰 도움이 될 것"이라고 밝혔다.