0. 목차
- '신재생에너지'란?
- '신재생에너지 하이브리드 시스템'이란?
- '신재생에너지 하이브리드 시스템' 주요 기술
- '신재생에너지 하이브리드 시스템' 기술 동향
- '신재생에너지 하이브리드 시스템' 산업 동향
- '신재생에너지 하이브리드 시스템' 관련 기업
1. '신재생에너지'란?
'신재생에너지(NRE: New-Renewable Energy)'는 재생 가능 에너지를 이용하는 에너지로써, 전환 수단과 에너지 형태에 따른 '신에너지(New Energy)', 에너지원의 종류에 따른 '재생에너지(Renewable Energy)'로 분류된다. 한국에서는 '신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법' 제2조에 의거해 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 '햇빛', '물', '지열' 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 총 11개 분야로 정의하고 있다. '신에너지'는 '연료전지', '수소에너지', '석탄액화가스 및 중질잔사유 가스화', 3개 분야의 에너지를 칭하며, '재생에너지'는 '태양광', '태양열', '바이오', '풍력', '소수력', '지열', '해양', '폐기물'을 포함하는 8개 분야의 에너지를 말한다.
최근 에너지 사용의 증가는 온실가스 배출 증가의 결정적인 원인으로 작용하고 있으며, 온실가스 감축 및 규제 환경 규제 대응이 필수이다. '화석에너지 고갈', '국제 환경 규제 강화'로 인해 향후 신재생에너지는 주요 에너지원으로 부상될 것으로 전망된다. 현재 온실가스 감축의무를 준수하고 지속 가능한 경제발전을 위해 신재생에너지 개발 보급 목표를 정하여 중점적으로 투자가 진행되고 있다. 특히 한국의 경우, 에너지 의존도가 높고 유가 변동에 의한 영향의 폭이 커서, 안정적 에너지 수금이 중요한 과제로 대두되고 있다. 에너지의 해외 의존도를 낮추고 에너지 수급의 불안정에 대비하여 신재생에너지 산업 개발 정책을 추진하고 있다.
또한 신재생에너지 산업의 가격경쟁력 확보 시, 미래 성장 동력산업으로 급성장이 예상된다. 미래 신에너지 산업과 녹색기술 개발로 새로운 '기술', '사업', '시장', '일자리' 창출이 가능하다. 주요 선진국은 '경제성장'과 '온실가스 감축'의 동시 달성을 목표로, 자국 특성에 맞는 에너지·기후변화 대응 분야에서 신성장 동력 창출을 위해 노력 중이다.
| 한국에서 지정한 신재생 에너지 분류 | |
| 신에너지 분야 | 연료 전지(Fuel Cell) |
| 수소 에너지(Hydrogen Energy) | |
| '석탄액화가스' 및 '중질잔사유 가스화' | |
| 재생 에너지 분야 | 태양광 에너지(Solar Energy) |
| 태양열 에너지(Solar Thermal Energy) | |
| 바이오 에너지(Bioenergy) | |
| 풍력 에너지(Wind Energy) | |
| 소수력 에너지 | |
| 지열 에너지(Geothermal Energy) | |
| 해양 에너지(Ocean Energy) | |
| 폐기물 에너지(Waste Energy) | |
2. '신재생에너지 하이브리드 시스템'이란?
'신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)'은 '에너지 효율 향상', '발전단가 저감', '안정적인 에너지 공급'을 위해 신재생에너지를 포함한 둘 이상의 '에너지 생산 시스템(Energy Production System)'과 '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Stoarage System)'을 결합해 전력, 열, 가스 등을 공급·관리하는 시스템을 말한다. 쉽게 말해, '태양광+풍력+에너지 저장 장치(ESS)'처럼 2개 이상의 신재생에너지를 조합하여 지역적 특성에 맞춰 친환경 에너지를 공급하는 융·복합 에너지 공급 시스템이다.
'신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)'은 '신재생에너지의 불균일한 생산', '지역별로 불균등한 자원 분포' 등도 신재생에너지 성장의 작용하면서, 이를 극복하기 위해 등장했다. 그래서 이를 극복하기 위해서 기존 개발 에너지원의 특성을 잘 반영하면서, 상호 보완할 수 있는 시스템을 개발하기 위해서 노력하고 있다.
2-1. '신재생에너지 하이브리드 시스템' 유형
'신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)'은 에너지 결합 방식에 따라 크게 다음과 같이 3가지 유형으로 구분된다.
- '신재생에너지'와 '에너지 저장 장치'가 결합된 형태: 이 형태는 생산한 에너지를 효율적으로 사용하기 위해 잠시 저장해 두었다가, 필요에 의해 안정적인 전력 공급이 이루어지는 방식이다. 시간에 따라 불균일하게 만들어진 전력을 저장했다가 필요할 때 공급해 안정적으로 전력을 수급할 수 있게 하는 장점이 있다. '태양광 발전'과 '이차 전지(Secondary Cell)'의 결합이 대표적인 사례이다. 관련 기술이 하루가 다르게 발전하고 있으며, 향후 가장 대표적인 '신재생에너지 하이브리드 시스템' 모델이 될 수 있을 것으로 전망된다.
- 서로 다른 특성을 지닌 신재생에너지가 결합된 형태: 각각의 신재생에너지가 상호보완을 통해 신뢰성을 향상시키고, 최종적으로 에너지 효율과 경제성 확보가 가능한 방법이다. 예컨대 '열병합발전'이 있다. '열병합발전(Cogeneration)'이란 태양광에너지와 태양열에너지를 결합하고, 전기를 생산하면서 발생한 열을 함께 활용하는 방식이다. 일반적으로 태양열을 이용한 온수 시스템은 50~60%의 효율성이 있으며, 여기에 15% 가량 효율의 태양광발전을 추가하면 75%의 병합 효율이 가능하다. 현재 이 시스템은 높은 가격이 단점이지만, 향후 안정세에 접어든다면 가정·지역 단위의 전기와 열 공급에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
- '기존의 화력 발전'과 '신재생에너지'가 결합된 형태: 기존 장치의 전력 생산 규모를 높이고 연료 사용량 및 이산화탄소 배출량을 낮추는 한편, 안정적이고 경제적인 전력 생산이 가능한 방식이다. 가장 대표적인 예로 화력발전에 태양에너지가 결합된 것이다. 이를 이용하면 화력발전 초기 구동 시간을 줄일 수 있고, 부하에 효율적으로 반응할 수 있으며, 연료 소비와 오염물질 배출을 줄일 수 있는 1석 3조의 효과를 얻을 수 있다.
2-2. '신재생에너지 하이브리드 시스템' 주요 개발 분야
'신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)'은 에너지 부문에서의 기후변화 대응 및 에너지 이용 효율성 제고를 위해 필수적인 미래 지향형 에너지 인프라이다. 이에 '스마트그리드(Smart Grid)' 체제하에서 가장 중요한 핵심 제품 서비스를 제공하는 시스템에 대한 기술 개발 요구가 증가하고 있다. 특히, 기존의 '에너지 인프라(Energy Infrastructure)'와 '신기술', '정보통신기술(ICT: Information and Communications Technology)'를 결합하여 에너지 산업의 새로운 '사업 모델(Business Model)' 등을 창출할 수 있어 그 중요성이 점차 커지고 있다.
'신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)'의 4대 중점 개발 분야로는 '발전 및 열 생산 개발 분야', '산업단지 에너지 고도화 개발 분야', '주거·생활 분야', '수송 분야'가 있다. 한국은 '신재생에너지 하이브리드 시스템'의 4대 중점 개발 분야를 통해 확보된 에너지 기술 융복합을 통해, 세계 시장을 선도할 수 있는 '에너지 신산업 창출'과 '에너지 산업 생태계 조성'을 이루고자 하고 있다. 신재생에너지 하이브리드 시스템'을 이루는 기본적인 산업 구조는 '신재생에너지 하이브리드 장비·부품', '신재생에너지 하이브리드 시스템 설비', '전력·열·연료 서비스'로 구성된다. 이는 '기후변화 대응'과 '지속 가능한 경제 성장'을 이루기 위한 전후방 연관효과가 매우 큰 국가의 미래 핵심 산업으로 성장할 수 있다.
| 개발 분야 | 적용 예시 |
| 발전 및 열 생산 개발 분야 | 태양광, 연료전지, '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage Sytem)', '히트펌프(Heat Pump)', '태양열', '축열' 등 다양한 에너지원의 융복합 |
| 에너지 효율을 극대화 한 분산형 또는 독립형 전력 및 열 생산 시스템 | |
| 산업단지 에너지 고도화 개발 분야 | 산업단지 에너지 구조를 고효율의 탄소 저감형으로 변화하기 위한 신재생에너지 하이브리드 시스템 |
| 주거·생활 분야 | 도심형 '제로 에너지 빌딩', 낙후지역 등의 에너지 자립과 저 탄소화를 위한 신재생에너지 하이브리드 통합솔루션 |
| 수송 분야 | '신재생에너지 하이브리드 기반의 친환경 자동자(전기차, 연료전지차 등)'의 전기·수소 공급 인프라 |
3. '신재생에너지 하이브리드 시스템' 주요 기술
'신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)'은 목적에 따라 '태양열', '태양광' 등의 '신재생에너지 생산 시스템'과 '에너지 저장 장치(ESS)', '연료전지(Fuel Cell)' 등의 '에너지 저장·공급·관리 시스템'을 융합하여 운영하는 것이 특징이다. 신재생에너지 하이브리드 시스템의 주요 수요 시장으로는 '도심형 신재생에너지 발전소', '독립형 에너지 자립 시스템', '가스 변환 하이브리드 솔루션' 등이 있으며, 시장 발전을 뒷받침하기 위해서는 다음과 같은 기술들이 필요하다.
3-1. 분산·독립형 발전·제어 기술
'분산·독립형 발전·제어 기술'은 '에너지 생산 시스템(Energy Production System)'과 '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Stoarage System)'을 융합하여, 분산 독립적으로 전력 및 열을 생산·관리하는 기능을 제공하는 것을 목표로 한다. 세부 기술로는 '태양광-ESS 하이브리드 시스템 기술', '풍력-ESS 하이브리드 시스템 기술', '태양광-풍력-연료전지 하이브리드 시스템 기술', '화력발전-태양열 하이브리드 시스템 기술', '계간축열 기반의 열에너지 활용 기술' 등이 있다.
3-1-1. 태양광-ESS 하이브리드 시스템 기술
'태양광-ESS 하이브리드 시스템'은 '분산·독립형 발전·제어 기술' 가운데 가장 사용화된 방식으로, 태양광 발전 방식을 통해 생산된 전기에너지를 '에너지 저장 장치(ESS)'에 저장해두는 구조로 되어 있다. 특히 '태양전지(Solar Cell)' 모듈은 태양전지가 태양광을 전기에너지로 바꿔주면, 전기에너지를 적절한 전압과 전류로 바꾸어 한곳에 모아준다. 수많은 태양전지가 생성하는 전기에너지를 회로에서 제어하여 ESS로 보내준다. '시스템 제어장치'는 태양전지 모듈을 통해 얻게 된 전기에너지를 ESS에 보관하고, 사용할 수 있게 변환·제어하여 보내주는 역할을 한다.
태양광 발전은 특성상 '일조량(일정한 물체의 표면이나 지표면에 비치는 햇볕의 양)'이 좋은 낮에 많이 생산된 전기에너지를 ESS에 저장해두었다가, 저녁 시간에 생기는 전기 수요를 대응할 수 있다. 전력 소비는 보통 밝은 낮보다 심야 시간에 많아지기 때문에, 유동적인 공급이 가능한 '에너지 저장 장치(ESS)'의 역할이 매우 중요하다.
3-1-2. 풍력-ESS 하이브리드 시스템 기술
'풍력-ESS 하이브리드 시스템'은 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 얻어낸 전기 에너지를 '에저지 저장 장치(ESS)'에 저장해둔 후 사용하는 구조로 되어 있다. 이러한 시스템은 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 사용하고 있어, 기존의 화석연료나 '우라늄(U)' 등을 이용한 발전 방식과는 달리 발열에 의한 열공해나 대기오염 그리고 방사능 누출 등과 같은 문제가 없는 무공해 발전 방식이다.
풍력 발전기는 발전용량이 마이크로 급에서 대형 발전기까지 아주 다양한 종류가 개발되어 있다. 마이크로급의 발전기는 손으로 들고 다닐 수 있을 정도로 작고, 전기가 들어오지 않는 외딴 집에서 사용하기에 적당하다. 한편, 대형 풍력 발전기는 많은 양의 전기를 생산해서 주위의 주택들에 전기를 공급할 목적으로 세워진다. 유럽과 미국에서는 대형 풍력 발전기들이 한 곳에 수십 개 이상 들어서 있는 풍력 발전 단지를 드물지 않게 찾아볼 수 있다.
3-1-3. 태양광-풍력-연료전지 하이브리드 시스템 기술
'태양광-풍력-연료전지 하이브리드 시스템'은 태양광 발전과 풍력 발전을 통해 동시에 전기에너지를 생산하여 수용가에 전력을 공급하고, 일부 전력을 수소의 생산·저장에 활용하는 시스템이다. 특히, 물을 공급해 수전해 시스템을 가동하여 수소를 생산하고, 이를 수소 저장 탱크에 저장하는 구조를 가지고 있다. 태양빛이 없는 밤이나 바람이 불지 않는 날에는 저장된 '수소'와 '연료전지(Fuel Cell)'를 통해 수용가에 전력과 열에너지를 공급하게 되는 형태를 가지고 있다.
이 시스템은 서로 다른 발전 특성을 내는 신재생에너지끼리의 결합을 통해 수급 변동성이 적고, 안정적으로 전력을 공급할 수 있다는 특징이 있다. 또한 태양광과 풍력을 같은 장소에 설치함으로써 각각의 특성을 살림과 동시에, 공간이나 기존 인프라를 활용하여 효율적이다.
3-1-4. 화력발전-태양열 하이브리드 시스템 기술
'화력발전-태양열 하이브리드 시스템'은 화력발전과 태양에너지 장치를 결합한 것이다. 태양에너지 장치에서 포집되는 태양 복사 에너지는 기존의 화력발전 플랜트들에서 사용되는 증기를 생산하도록 이용되며, 태양열에너지는 고온 고압의 증기를 생산하기 위하여 사용된다. 이렇게 화력발전과 태양에너지 장치를 연결함으로써 기존 장치의 전력 생산 규모를 높이고, 연료 사용량 및 이산화탄소 배출량을 낮출 수 있다. 또한 태양에너지 단독으로 사용될 떄보다 안정적으로 경제적인 전력 생산이 가능하다.
일반적으로 대부분의 태양열 발전 플랜트 설계는 '전통적인 화력발전 플랜트(500℃ 또는 그 이상)'에서 사용되는 증기 온도보다 낮은 300~400℃에서 운전된다. 따라서 태양열이 수집되는 과정에서 얻어지는 증기의 온도는 증기 터빈에서 운전되기에는 부족하나, 태양열을 통해서 생산된 증기를 직접적으로 터빈에 공급하는 것은 플랜트의 총괄효율을 증가시킬 수 있다.
'화력발전-태양열 하이브리드 시스템'에서 가장 각광받는 것은 '집광형 태양열 플랜트(Concentrated Solar Plant)'이다. '집광형 태양열 플랜트'를 통해 생산된 증기를 터빈으로 공급하면, 화력발전의 초기 구동 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 게다가 부하에 효율적으로 반응할 수 있고, 연료 소비와 오염물질 배출을 줄일 수 있어 보다 친환경적인 에너지 생산이 가능하다. '국제 에너지 기구(IEA: Internation Energy Agency)'의 Solar Paces 그룹 자료에서는, 2050년경 전력의 25%를 집광형 태양열 플랜트가 공급할 것으로 전망하였다.
이러한 흐름에 따라 미국 '에너지청(EIA: Energy Information Administration)'은 2013년부터 2000만 달러를 들여 '집광형 태양열 플랜 플랜트' 사업을 시작하였다. 미국 에너지청은 '집광형 태양열 플랜트'가 천연가스나 석탄 화력발전과 결합한 하이브리드 형태가 되면, 전기 요금을 대폭 줄일 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 이러한 '집광형 태양열 플랜트-화력발전 하이브리드 시스템'은 미국에서도 태양에너지가 풍부한 지역을 중심으로 빠르게 확산되고 있는 추세에 있다.
3-1-5. 계간축열 기반의 열에너지 활용 기술
'집열기(Solar Collector)'에서 생산되는 열은 여름철이 가장 많으나, 난방 및 급탕 소비량은 겨울에 가장 높다. 이러한 계절 간 불균형을 해소하기 위해 봄부터 가을가지 '태양열', '연료전지', '하수열 히트 펌프' 등을 통해 생산된 열을 물탱크와 같은 대형 축열조에 저장했다가, 난방·급탕 등을 위해 열에너지가 많이 필요한 겨울에 공급하는 시스템이 '계간축열(Seasonal Heat Storage)' 방식이다. 또 '발전 폐열', '산업 폐열', '폐기물 소각열', '연료전지', '바이오매스', '태양열' 등 연중 생산되는 폐열을 열원으로 이용한다. 간헐적이거나 배출 온도가 일정치 않거나 온도가 낮아서 전력 생산이나 상업용으로 이용하기 곤란한 열도 회수하여, 건물 냉난방 또는 농업용으로 사용이 가능하다.
이러한 계간축열 기반의 열에너지를 활용하는 시스템 중에는 대표적으로 '태양열 블록히팅' 또는 '태양열 지역난방'이라고 부르는 시스템이 있다. 이 시스템은 일정 규모 이상의 단지에 분산 또는 집중 설치된 태양열 집열기를 하나의 시스템으로 묶어서 '계간축열체'라는 대용량의 장기 축열 시스템과 연계시켜, 집열된 태양열을 중앙에서 축열 및 공급하는 일련의 중앙 열 공급 방식의 태양열 시스템이다. 적게는 소규모 단지에서부터 크게는 지역난방에 이르기까지, 그 규모도 다양하게 적용할 수 있다. 이러한 '태양열 블록히팅' 시스템은 일반적으로 열부하가 적은 봄부터 가을에 이르기까지 남는 태양열을 저장했따가 부족할 때 사용하는 대규모 용량의 중장기 축열체인 '계간축열 시스템'ㅇ르 필요로 한다.
'태양열 블록히팅' 시스템은 기존 열 설비는 물론이고, '지열 히트 펌프(Geothermal Heat Pump)', '바이오연료(Biofuel)', '우드펠릿(Wood Pellets)', '폐기물 에너지(Waste Energy)' 등 타 신재생 히팅 시스템과 복합적으로 구성도 가능하다. 또한 열부하 전체를 신재생에너지만으로 공급이 가능한 특징이 있어, 신재생 에너지원별 장점을 살리고 단점을 보완하며 태양열과 같은 자연에너지 활용을 극대화할 수 있다. 특히 비 난방기에 남는 잉여열을 저장하여 사용하므로 태양열 의존율을 크게 높일 수 있다. 또한 연중 태양열 이용이 가능하여, 태양열 분야의 단점이었던 난방 분야에 효율적 적용이 가능하다. 아울러 경제성을 높이고 건물별 신재생에너지 적용에 한계가 있는 건물 밀도가 높은 지역에 계간축열 시스템을 적용시키면, 기존 열원과의 효율적인 연계가 가능하여 폭넓은 보급 확대가 예상된다.
3-2. 천연가스 변환 시스템 (압력발전설비)
'천연가스 변환 시스템'이란 '천연가스(Natural Gas)' 또는 '바이오 가스(Bio Gas)'와 '용융탄삼염형(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)' 등의 '연료전지(Fuel Cell)'를 결합하여, 가스의 공급 압력 차이를 활용해 전력을 생산하는 '압력 발전 설비(Pressure Power Generation Equipment)' 기술이다. 천연가스 생산기지에서 송출된 고압의 천연가스를 배관을 통해 수요처인 발전소나 도시가스사에 보내는 데 있어서, 공급 관리소의 정압기를 이용해 고압의 천연가스를 감압하게 된다. '천연가스 변환 시스템'은 감압 시 소멸되는 압력인 폐압을 활용하는 기술이다. '폐압'을 버리지 않고 '임펠러(Impeller)'를 활용하여 면적당 가해지는 힘을 운동에너지인 '축 회전(Axis Rotation)'으로 변환시키고, '축회전'을 발전기에 적용해 전기를 생산하는 원리로 작동한다.
'압력 발전 설비 시스템'은 '정압(Static Pressure)'과 발전이 동시에 이루어지고, 생산기지에서 '승압(압력을 높이는 작용)'시 사용된 전력을 회수할 수 있다. 또한 발전소처럼 전력 생산 중 연소와 소음이 발생하지 않기 때문에 친환경 기술로 각광받고 있다.
3-3. 도심형 제로에너지 빌딩을 위한 통합 시스템
'제로 에너지 빌딩(ZEB: Zero Enrgy Building)'은 벽체나 창호 등에 건물 외피를 통해 외부로 손실되는 에너지양을 최소화하고, 건축물 설비의 에너지 절감 성능 향상 및 부지 내 태양열·지열과 같은 신재생에너지 활용을 통해 냉·난방 등에 사용되는 에너지로 충당함으로써 건축물의 연간 에너지 소비량이 제로가 되도록 하는 것을 목표로 하는 건축 기술이다. '제로 에너지 빌딩'을 실현하기 위한 방안으로는 '패시브(Passive)' 공법과 '액티브(Active)' 공법이 있으며, 두 공법을 결합하여 경제적인 제로 에너지 빌딩을 구축하려는 노력이 추진 중이다.
- 패시브 공법: 패시브 공법은 현재까지 알려진 건축 공법 중 가성비가 뛰어나면서 난방 에너지를 획기적으로 저감하는 공법이다. 일반 건축물에 비해 3배 이상의 고성능 단열재를 사용하여 열이 빠져나가는 것을 막아, 일반 건축물 대비 난방 에너지를 절감한다는 특징을 가지고 있다. 단열은 두꺼울수록 좋지만, 일정 한계치를 넘으면 효율성이 급격하기 떨어진다. 때문에 무조건 단열 두께를 두껍게 하기보다는 혹한에도 적당한 기준으로 설계해야 한다. 특히 창호는 주택 시공 자재 가운데 고가지만 단열에는 취약하기 때문에, 일사 및 공기 차단 성능이 좋은 제품을 사용해야 한다. 유리는 '아르곤(Ar)' 가스를 채운 '2~3중 유리'나 적외선을 차단하고 열 손실을 막는 '로이 코팅 유리'가 좋다. 또한 비슷한 열적 성능이 있는 것끼리 모아서 공간 배치를 하는 것이 열적 '조닝(Zoning)'의 기본이 되기 때문에, 기계설비와 관련해 건축물의 형태·평면에 따라 열적 조닝이 필요하다.
- 액티브 공법: 액티브 공법은 '태양광', '태양열', '지열' 등의 기계장치를 빌딩 내에 구축하여 신재생에너지를 자체 생산·공급하는 특징을 가지고 있다. 신재생에너지 가운데 전력 생산에 주로 사용되는 방식은 태양광 발전이다. 태양광 발전은 보통 건물 지붕이나 마당에 설치하지만, 최근 외벽 마감재 형태로 설치해 발전 면적을 넓히는 방법도 이용하고 있다. 또한 냉난방을 해결하는 방법은 태양열과 지열발전이 있다.
'제로 에너지 빌딩(ZEB)'을 실현하는데 필요한 추가 요소로 '건물 에너지 관리 시스템(BEMS: Building Energy Management System)'이 있다. '건물 에너지 관리 시스템(BEMS)'은 건물 내 주요 공간·설비에 부착한 센서를 통해 실시간으로 에너지 사용 데이터를 수집·분석해 에너지 소비 절감과 건물의 쾌적한 실내환경 유지에 활용하는 '정보통신기술(ICT: Information and Communications Technology)' 시스템이다. 그러나 최근에는 '건물 에너지 관리 시스템(BEMS)'만으로는 에너지 절감에 한계가 있어, 에너지 절감 효과 개선을 위해 패시브·액티브 공법을 융합하는 추세이다.
3-4. 에너지 자립형 스마트팜
'에너지 자립형 스마트팜'은 비닐하우스 같은 시설이나 기계장치를 설치하는 시설 농가에서 사용되는 에너지를 화석연료 대신 '태양광', '태양열', '지열' 등 다양한 신재생 에너지원으로 대체하여 에너지를 저장·공급하는 친환경적이고 효율적인 미래형 온실이다. 기존의 농업용 냉난방 설비는 가스보일러나 전기히터 등을 주로 사용해 왔다. 그러나 최근 개발되고 있는 '신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)' 기반 에너지 자립형 스마트팜은 '일반 태양열 집열기' 또는 태양 복사에너지를 이용해 열과 전기를 동시에 생산하는 'PVT 집열기'와 '지열원 히트 펌프 시스템(Ground Source Heat Pump System)', 그리고 계절 간 부하 평준화를 위한 '탱크축열(TTES: Tank Thermal Energy Storage)', '지중축열(BTES: Borehole Thermal Energy Storage)'을 복합 활용하는 계간축열조 등으로 구성된다.
한국에서는 '한국에너지기술연구원(KIER: Korea Institute of Energy Research)'이 '신재생에너지 하이브리드 시스템' 개발을 통해 농업 현장에서 친환경 신재생에너지를 안정적으로 생산·저장·공급할 수 있는 시스템을 구축하고 실증 사업을 수행하고 있다. 이를 통해 재생에너지의 스마트팜 적용 기술을 고도화하고, 시스템 확산을 위한 '비즈니스 모델' 및 '표준 모델' 개발, '사후관리' 등 유지 보수 방안을 개발하고 있다.
3-5. 신재생에너지 하이브리드 기반의 연료전지차
'연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'는 기존 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소 결합으로 전기를 자체 생산하는 '연료전지(Fuel Cell)'를 동력원으로 하는 차세대 친환경 자동차이다. 일종의 전기차로서 엔진이 없기 때문에, 배기가스 및 오염물질을 배출하지 않는 무공해 자동차이다. '연료전지차(FCEV)'는 '스택(Stack)', '연료 공급 장치(Fuel Supply System)', '보조 동력 장치(APU: Auxiliary Power Unit)', '모터(Motor)', '모터 제어기(Motor Controller)', '주변장치(공기압축기, 열교환기 등)' 등으로 구성된다.
4. '신재생에너지 하이브리드 시스템' 기술 동향
4-1. 다양한 신재생에너지를 융합한 '독립형 전원공급'
해외에서는 다양한 신재생에너지를 융합한 '독립형(Off-grid)' 전원공급에 대한 실증이 선진국 및 개도국에서 추진 중이다. 일례로, 아프리카의 전력 공급을 확대하기 위해 가정용 태양광 발전 시스템을 공급하고 있다. 아울러 독립형 태양광 발전 시스템을 휴대 전화망과 연결하여 모바일로 요금을 청구하는 시스템을 구축하고 있다.
4-2. P2G(Power to Gas)
또 신재생에너지 발전의 불안정성 해결을 위해 장기저장 방식으로써 'P2G(Power to Gas)' 방식의 중요성이 대두되고 있다. P2G 기술은 태양광, 풍력 등의 분산형 신재생 발전원에서 생산된 잉여자원을 저장성이 우수한 청정 '수소(H2)' 등으로 2차 변환하여, '연료전지(Fuel Cell)' 등의 발전원으로 활용하거나 이 수소를 이산화탄소와 반응시켜 생성된 '메탄(CH4)'으로 저장하는 기술이다. 미국·독일 등의 에너지 선진국에서는 신재생에너지에서 발생하는 잉여전력을 이용해 '수소(H2)', '메탄(CH4)'을 생산하는 상용화 연구가 추진 중이다.
P2G의 활용 방식은 제일 먼저 생산된 전력으로 물을 전기 분해하여 수소를 얻어낸다. 수소를 활용하는 방법에는 '얻어낸 수소를 직접 사용하는 방법'과 '이산화탄소와 결합하여 사용하는 방법'이 있다. '얻어낸 수소를 직접 사용하는 방법'에서는 수송 또는 산업 연료로 사용한다. '이산화탄소와 결합하여 사용하는 방법'에서는 메탄화한 가스를 가스망에 주입하여, 수송 연료나 '가스 터빈(Gas Turbine)'의 발전 연료로 사용한다.
하지만 P2G의 에너지 효율은 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'에 비하여 낮은 수준이다. 그럼에도 대용량의 에너지를 장기적으로 저장할 수 있다는 장점이 있다. 또한 P2G를 통해 생산된 가스를 천연가스 망에 연결할 수 있기 때문에, '전력망(Power Grid)'과 '가스망(Gas Grid)'의 유기적 결합이 가능하다. 전력 저장과 동시에 이산화탄소의 전환 및 연료화가 가능하기 때문에 온실가스 저감에 능동적으로 대처할 수 있는 기술 중 하나로 평가되고 있다. 특히 차세대 P2G 기술인 Advanced P2G의 경우, 태양광에서 전기를 거치지 않고 직접 청정 수소로 변환하여 중간에 변환 손실을 저감할 수 있어, 수소 변환효율을 극대화하고 있다.
5. '신재생에너지 하이브리드 시스템' 산업 동향
전 세계적으로 신재생에너지 산업은 '태양광', '풍력'을 중심으로 성장하고 있는 상황이다. 특히 2011년도 일본에서 발생한 후쿠시마 원전 사태 이후 유럽을 중심으로 원자력발전소 신규 설치 폐지 및 기가동 중인 발전소들을 축소하면서 '태양광', '풍력' 등을 융·복합한 신재생에너지 하이브리드 시스템'에 대한 관심이 높아지면서 새로운 '비즈니스 모델(Business Mode)'이 개발되고 있다.
이는 에너지 사업의 패러다임을 변환시키는 계기가 되고 있다. 국내외에서는 다양한 실증 단지를 구축하여 개발된 신재생 에너지 하이브리드 시스템을 '성능 검증', '신뢰성 확보'를 위해 노력하고 있다. 실증 단지에서는 단순히 에너지 결합이 아니라 '유지관리', '운영' 등에 대한 전반적인 기술 개발이 진행되고 있다. '신재생에너지 하이브리드 시스템' 산업은 아직 시작 단계이긴 하나, '그린 모델링(Green Modeling)', '에너지 자급자족', '에너지 프로슈머(Energy Prosumer)' 등과 같은 산업이 증가하고 있어 관련 산업도 지속적으로 성장할 것으로 전망된다. '그린 모델링(Green Modeling)'이란 건축물의 에너지 효율을 향상시킴으로써, 냉난방 비용 절감과 함께 온실가스 배출을 줄이면서 쾌적하고 건강한 주거환경을 조성하는 리모델링을 말한다.
세계적으로 '신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)'은 개별 신재생에너지원에 비해 주로 소규모로 개발하여 상업화가 진행 중이다. 특히 신재생에너지 선진국이나 주도하고 있는 국가에서 신재생에너지를 효율적으로 활용하기 위해서 '신재생에너지 하이브리드 시스템'을 개발하여 보급하고 있다.
- 유럽: 유럽 지역에서는 에너지 전환의 선두주자인 독일이 가장 활발한 움직임을 보이고 있다. '신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)'에 대한 다양한 프로젝트를 통해 지역 환경에 적합한 시스템 개발과 시장 창출을 위한 '비즈니스 모델(Business Mode)'을 개발해 나가고 있다. 또한 '태양광', '풍력', '디젤', '열병합 발전소', '에너지 저장 장치(ESS)' 등의 다양한 조합에 대한 '하이브리드 시스템(Hybrid System)'의 구성과 이에 대한 실증이 이루어지고 있다. 독일은 현재 여러 가지 시범 프로젝트 및 시설을 가동하고 있으며, 2020년부터 2030년까지 산업의 표준에 있어서 중요한 역할을 담당할 것으로 예상된다. 독일 이외에도 현재 네덜란드, 프랑스, 영국, 스페인 등 유럽의 주요국에서 하이브리드 시스템 실증을 위한 설비들이 가동 중이다.
- 일본: 일본의 '수소공급·이용 기술 연구조합(HySUT)'은 2011년 1월, '후쿠오카 수소에너지 전력회의' '키타큐슈시'와 협력하여, '키타큐슈 수소타운 프로젝트' 실증시험 운용을 세계 최초로 실시했다. '키타큐슈 수소타운 프로젝트'는 '수소발전 연료전지'와 '태양광'의 조합에 '바이오매스(Biomass)'로부터 수소를 제조하는 실증 프로젝트로, 키타큐슈시 시가지를 통과하는 파이프라인에 수소공급과 '일반가정', '상업시설', '공공시설' 등 세계 최초로 지역사회 규모의 순수소 연료전지 운전 실증사업이다. 일본 수소타운의 특징은 정부 차원에서 로드맵을 구축하고 직접 도시에 인프라를 구축하는 등 적극 지원하고 있다는 점이다.
- 미국: 미국은 캘리포니아에 설치된 풍력(14MW)-태양광(130MW) Pacific Wind and Catalina Solar Project를 운영 중이다. 또한 글로벌 에너지 장비 선도 기업들이 개발한 시스템을 이용하여 발전소 개발 사업에 집중적으로 투자하고 있다.
- 한국: '한국'에서도 다양한 '신재생에너지 하이브리드 시스템' 개발을 위한 노력들이 이어져오고 있다. '에너지관리공단'에서는 2013년부터 신재생에너지와 관련한 융복합 지원 프로그램을 추진하기 시작했으며, '2014 에너지기술 이노베이션 로드맵'에서 에너지 공급 기술 6대 프로그램에 선정된 바 있다. 또한 미래창조과학부 미래 19대 분야, 2014년 열린 5차 클린에너지 장관회의에서는 10대 청정 혁신 기술로 선정되었다. 또 정부가 주도하는 13대 '미래 성장동력 추진단'에 신재생에너지 하이브리드 시스템' 추진단도 발족된 이력이 있다.
6. '신재생에너지 하이브리드 시스템' 관련 기업
세계 주요국들은 신재생에너지 보급을 위한 정책을 시행함에 따라, 다양한 신재생에너지원을 조합하는 형태로 발전 중에 있다.
한국의 '신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)' 산업은 2008년부터 시작된 글로벌 금융위기가 유럽 국가들의 재정위기와 맞물려 유럽을 중심으로 한 신재생에너지 수요가 급격히 위축되고, 중국의 공격적 설비 확장과 맞물려 심각한 공급과잉 상황에 빠져 현재 글로벌 생존 경쟁 중에 있다. 국내 '태양광', '풍력', '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)' 분야를 비즈니스 생태계에는 '수직계열화(Vertical Integration)'를 추구하는 대기업의 존재가 때때로 부각되고 있지만, 생태계 전반을 주도하는 주축 플레이어가 없다고 볼 수 있다.
6-1. 이엠코리아
- 국적: 한국
- 설립: 2003년
'이엠코리아'는 공작기계 완성품 및 부품을 제작하여 국내 주요 공작기계 업체에 OEM 형식으로 납품하고 있다. 이 외에도 에너지 및 환경 설비, 항공 부품 등 다양한 부품 및 설비를 국내 주요 업체 중심으로 납품하고 있다. 제조공정의 특징 및 전방 사업의 종류 등에 따라 사업 부문을 구분하고 있다.
특히 '신재생에너지 하이브리드 시스템(NRE-H System)' 사업으로 '수소 발생 장치', '수소 스테이션(Hydrogen Station)', '수소 플랜트(Hydrogen Plant)' 사업, '그린홈&그린빌리지(Green Home&Green Villiage)' 등의 신규 사업을 개발 추진하고 있다. '이엠코리아'는 2000년도부터 수년간 수십억의 R&D 자금을 투자하여 '수전해 수소 발생 장치'를 독자적으로 개발하여 '수소 제조 장치', '수소 스테이션', '수소 플랜트' 시스템의 상용화 기술을 개발 완료하였다. 또한 전북 새만금 테마파크 및 제주도에 '이엠코리아'의 수소스테이션을 구축 가동중에 있으며, 2013년에 대구 세계 에너지대회를 위하여 대구시의 지원을 받아 50Nm3급 상용화 수준의 수소콤플렉스를 설치 완료하였따. 또 광주시에 상용화 수소스테이션을 구축 완료하였으며, 전국적으로 지속적인 수소 인프라 확충을 통하여 국내 수소 스테이션 사업 분야에 선도적인 역할을 담당하고 있다.
'그린홈&그린빌리지(Green Home&Green Villiage)' 사업의 경우, 일반적인 그린빌리지 사업과는 다르게 '하이브리드 그린빌리지(Hybrid Green VIlliage)'이다. 우선 이용 가능한 신재생에너지를 복합적으로 사용하여 각 가정에 에너지를 공급하고, 잉여전력으로 수소를 제조·압축·저장한다. 이후 신재생에너지의 발전이 어려운 시간대에 미리 저장해 둔 수소를 '연료전지(Fuel Cell)'에 공급하여, 생산한 전기를 가정에서 사용하는 시스템으로 구성되어 있다.