재생에너지의 새로운 성장동력 ‘하이브리드’

지난 5월 GE가 ‘하이브리드윈드터빈’을 출시하였다. 풍력터빈과 2차전지를 연결하여 터빈의 효율성과 활용도를 높인 시스템이다. 2012년 이후 태양광 발전 분야에서도 태양광패널과 2차전지를 결합한 형태의 시스템이 주목을 받고 있다고 LG경제연구원이 5일 내놓은 보고서에서 밝혔다.

태양광과 풍력을 하나의 시스템으로 도전장을 내민 기업도 있다. 재생에너지가 가진 한계를 극복하려는 모습들이다. 기존 화력 발전과 태양열을 결합한 경우도 있다. 재생에너지가 결합한 다양한 하이브리드 시스템이 하나의 트렌드로 자리잡기 시작하였다.

하이브리드 전력시스템이 새로운 돌파구

태양광을 비롯한 재생에너지 산업이 주춤거리는 가운데 재생에너지와 연결된 다양한 형태의 하이브리드 시스템이 새로운 전기를 마련할 것으로 기대되고 있다. 개별 에너지원의 특성을 잘 반영하면서 상호보완할 수 있는 하이브리드 전력시스템이 에너지, 전력 산업에서 새로운 트렌드로 자리잡는 형국이다.

하이브리드 전력시스템이란 둘 이상의 에너지 전환 방식을 결합하거나 한 방식에 둘 이상의 연료를 사용하는 것을 말한다. 기본적으로 양쪽의 문제를 상호보완하여 해결할 수 있는 장점을 가진다. 재생에너지는 지속가능하고 깨끗하다는 장점이 있지만, 시간이나 날씨, 계절, 지역에 따라 불균일한 전력을 만들어내어 신뢰성이 떨어지고 일부 풍력을 제외하고는 아직까지 경제성이 낮다.

한편, 석탄, 가스, 디젤 등 화력발전은 비교적 안정적이고 저렴하게 에너지를 만들 수 있지만, 자원의 고갈과 환경 오염 물질 배출이라는 치명적 단점을 갖고 있다. 2차전지나 수소 등 편리하고 광범위하게 사용할 수 있는 에너지 저장 기술도 아직은 상업성이 부족한 형편이다.

그러나 상호보완적인 발전-저장 또는 일정 수준의 안정적 공급을 위한 화력발전이 연결된 하이브리드 시스템을 통해 에너지 안보와 신뢰성은 물론 경제성도 높일 수 있다. 태양광과 풍력, 지열과 태양광 등 자원 여건에 따른 재생에너지의 하이브리드는 대규모의 단독 플랜트보다 경제성 확보에 훨씬 유리하다는 평가다.

재생에너지와 2차전지의 결합: 저장을 통한 안정성 확보

우선, 발전원과 에너지 저장 장치를 조합한 하이브리드 시스템 유형이다. 시간에 따라 불균일하게 만들어진 전력을 저장하였다가 필요할 때에 공급하여 안정적으로 전력을 수급할 수 있게 하는 것이 기본 개념이다.

◇ 태양광+2차전지 : 태양광 인버터 시장을 주도하는 SMA는 태양광 발전과 2차전지를 쉽게 결합할 수 있게 하는 시스템을 상품화하였다. 저장장치와의 결합은 세계 최대의 태양광 관련 행사인 Intersolar Europe 2011, 2012에서 관심을 끌기 시작했고, SMA는 2013년에 ‘Sunny Boy Smart Energy’라는 제품을 통해 하나의 트렌드를 만들기 시작했다.

발전과 저장을 결합하려는 시도가 전혀 새로운 것은 아니다. 효율이나 디자인 측면에서 획기적인 하이브리드 솔루션들이 다양하게 제시되어 왔다. 2010년에 이미 EnergyOnes은 태양광발전, 커패시터, 2차전지 등을 박막 형태로 일체화한 시스템을 개발, 특허를 출원하기도 하였다.

이러한 형태의 하이브리드는 에너지관리시스템까지 결합하면서 더욱 위력을 발휘할 것으로 보인다. 일본의 세키스이화학공업은 작년 4월에 용량 5.53kWh의 전지와 4.8kW의 태양광발전, 그리고 가정용에너지관리시스템(HEMS)을 결합한 ‘스마트하임’이라는 제품을 발매하였다. 12월에는 누적 2,000 세트 수주를 돌파했다. 월 350~400 세트가 팔리는 페이스다. 보조금 이용 시 230만 엔이 드는데 주간에 충전하고 아침 저녁에 사용하여 전기요금을 낮추고 잉여 전력 매수 제도를 활용하여 판매를 할 경우 7년 내 원금이 회수가 가능하다.

◇ 풍력+2차전지 : 앞서 언급한 GE의 ‘하이브리드윈드터빈’은 위의 경우와는 약간 다르다. 이 시스템의 포인트는 터빈의 정격 출력을 1분 동안 지속할 수 있는 전기를 저장하여 불균일한 출력의 풍력이 기존 전력망에 안정적으로 손쉽게 연결할 수 있도록 한 것이다. GE에 따르면 15분 출력을 보증하기 위해 15분에 해당하는 전력량을 저장할 필요가 없다고 한다.

2.5MW 터빈이면 15분 정격 생산 용량에 해당하는 625kWh의 배터리가 아닌 이보다 훨씬 작은 규모만이 필요하다는 것이 GE 측의 설명이다. 나아가 풍력 예측 프로그램과 2차전지를 통해 1시간 동안 안정적 출력도 가능하다. 실제 15분 정도면 기존의 발전소의 출력을 올릴 시간을 벌어줄 수 있다. 풍력 발전의 양의 변화가 아니라 증감 속도가 이슈가 된다는 데서 착안한 것이다.

‘하이브리드윈드터빈’과 같은 시스템은 기존 전력망의 안정성과 신뢰성을 높이면서도 풍력 발전의 확산을 가속시키는 역할을 할 것으로 평가 받는다. 이러한 움직임은 전력망 전체의 안정성과 신뢰성에 문제를 일으키지 않으면서 재생에너지 비중을 30~40%까지 높일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

서로 다른 재생에너지의 결합: 상호보완을 통한 효율과 신뢰성 제고

서로 다른 특성을 지닌 재생에너지를 결합하여 전체적인 에너지 효율과 경제성, 혹은 상호보완을 통한 신뢰성을 높이는 하이브리드 방식도 있다. 전력 생산의 신뢰성이 높으면 기존 전력망과의 연계성을 높여 재생에너지의 보급 및 확산을 보다 쉽게 할 수 있다.

◇ 태양광+태양열 : 우리가 주변에서 볼 수 있는 열병합 발전은 전기를 생산하면서 발생한 열을 함께 활용하는 방식으로 에너지 효율이 높다. 태양광 발전과 태양열을 결합한 형태도 비슷한 유형이다. 태양광을 모으면 저가로 태양에너지를 확보할 수 있다. 일반적으로 태양열을 이용한 온수 시스템은 50~60%의 효율이다. 여기에 15% 가량 효율의 태양광 발전을 추가하면 전체적으로 75%의 병합 효율이 가능하다.

2009년 이스라엘의 ZenithSolar는 태양에너지의 70~80%를 활용할 수 있는 시스템을 선뵈었다. Z20이라는 단위 모듈은 4.5kW의 전력과 11kW의 열원 생산을 통해 총 71%의 에너지 효율을 내세우고 있다. 이 시스템의 가격은 현재 29,500 달러 정도로 알려져 있으며, 가정 단위, 지역 단위의 전기와 열 공급에 유용하다는 평가다.

미국의 Cogenra라는 기업이 건물의 지붕에 설치하여 전기와 열을 공급할 수 있는 하이브리드 시스템을 개발하였다. 2012년에 Cogenra는 이 시스템을 빌딩 에너지 자동화 솔루션 기업인 JCI와 협력하여 빌딩의 공조 설비인 Chiller(냉각기)의 전원으로 사용함과 동시에 태양열을 이용하여 Chiller의 온도 차를 만드는 데 사용하였다.

JCI의 산업용 Chiller 사업 담당인 Brillant씨는 Greentechmedia와의 인터뷰에서 Cogenra의 시스템이 흡식Chiller의 극히 일부에 불과하지만 태양에너지가 풍부한 지역에서는 훨씬 큰 잠재력을 가질 것이라 하였다. 해가 있는 시간과 냉각 수요가 많은 시간과는 높은 상관관계가 있어 막대한 기회로 연결될 수 있다는 해석이다. Congenra의 시스템은 대형 아파트, 빌딩, 기숙사, 중소 규모 공장 등에도 적용이 되고 있다.

◇ 태양광+풍력 : 서로 다른 발전 특성을 내는 재생에너지끼리의 결합을 통해 수급 변동성이 적은 안정적 전력을 공급할 수 있다. 풍력과 태양광, 지열과 태양광의 하이브리드가 그 예이다. 지열은 시간에 따른 출력이 비교적 일정하고 태양광은 피크 부하시기와 거의 일치하여 상호보완적 결합이 가능하다.

미국 네바다주의 Still Water 프로젝트는 2009년 구축된 33MW의 지열 발전과 2012년 26MW의 태양광 발전을 결합하였다. 총 59MW의 전력은 인근의 45,000 가구에 공급할 수 있는 규모로, 전력회사인 NV Energy가 전량을 구매하고 있다. 기저 전력은 지열이, 피크 부하 전력은 태양광이 담당하면서 전체적으로 보다 안정적인 시스템으로 탈바꿈한 것이다. 이 지열-태양광 하이브리드는 재생에너지 영역 내에서 새로운 트렌드셋터로 알려지기 시작했다.

태양광과 풍력을 같은 장소에 설치함으로써 각각의 특성을 살림과 동시에 공간이나 기존 인프라를 활용하여 효율적이고 안정적인 시스템으로 묶는 형태도 눈여겨볼 만하다. 각각을 다른 장소에서 한 것보다 양적으로 2배의 전력을 만들 수 있다.

Solarpraxis사는 태양광발전과 풍력을 한 장소에 하나의 시스템으로 결합하는 방식을 개발하였다. 풍력 날개의 그림자에 의한 태양광 발전 손실은 2% 이하로 실질적인 손실이 거의 없는 수준이다. Solarpraxis의 시스템은 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 장점이 있다. 이미 많은 전력회사들이 태양광-풍력 하이브리드 플랜트를 운영 중이거나 계획 중이다.

미국 네바다주 Boulder시에서는 기존의 대규모 태양광 플랜트에 풍력터빈을 추가하였는데, 올해 151.8MW급의 프로젝트를 계획하고 있다. 현재 2012년 기준 103MW 풍력 발전시설이 있는 미국 매사추세츠주에서는 2017년까지 250MW의 태양광을 설치하려 했으나 목표를 1,600MW로 상향 조정할 정도로 적극적이다.

2013년 6월, 일반 건물 옥상에 쉽게 설치할 수 있는 컴팩트한 모습의 태양광-풍력 하이브리드 플랜트가 발표되어 이목을 집중시키고 있다. McCamley사가 개발한 이 시스템은 가벼운데다 소음도 거의 없어 도심 내 재생에너지 보급에 있어 새로운 하이브리드 기술로 평가를 받고 있다. 세찬 바람에도 안정적으로 발전할 수 있으며, 바람이 잔잔해도 망에서의 전력 공급 없이 자체 구동이 가능하고 한다. 우리가 일반적으로 보았던 대형 날개를 가진 풍력 터빈과는 디자인마저 생소하다.

기존 화력발전과 재생에너지의 결합: 하이브리드를 통한 상호 가치 향상

세 번째로는 재생에너지와 기존 화력발전과의 하이브리드 형태다. 2000년대 후반부터 화석연료와 태양에너지의 결합이 발전소의 미래 모습으로 부각되기 시작했다. 태양광과 같은 재생에너지가 확산되기 위해서는 초기 설비 투자 부담 완화와 망 연계성 확보가 필요하다. 망 연계성은 재생에너지를 통한 발전의 예측 불확실성 및 불균일성으로 인해 발생할 수 있는 망 전체의 안정성과 신뢰성 저하를 해결해야 얻을 수 있다.

화력발전의 경우 태양 에너지 플랜트를 연결함으로써 기존 플랜트의 전력 생산 규모를 높이고 연료 사용량 및 이산화탄소 배출량을 낮추는 동시에 발전사의 재생에너지 의무량 확보에도 기여할 수 있다. 무엇보다 기존 선로와 플랜트를 그대로 활용할 수 있으므로 기존 화력과 태양에너지의 경제성도 높일 수 있다.

화력과의 하이브리드에서 가장 각광을 받는 것이 집광형 태양열 플랜트(Concentrated Solar Plant, CSP)이다. IEA의 Solar PACES 그룹 자료에 따르면, 2050년경 전력의 25%를 CSP가 공급할 것으로 전망할 정도다. CSP는 태양열을 모아 증기를 생산해 터빈으로 공급한다. 이를 통해 화력발전의 초기 구동 시간을 줄이고 부하에 효율적으로 반응할 수 있고 연료 소비와 오염물질 배출을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

미국 라스베가스 인근의 El Dorado Energy 플랜트는 480MW의 가스 열병합 발전소로 2009년에는 바로 옆에 1MW급 태양광 발전 모듈 10개를 결합시켜, 운영 비용 감소뿐 아니라 전력 생산의 신뢰성도 높일 수 있었다. 400MW의 풍력과 100MW의 가스발전의 경우도 운전의 유연성을 높일 수 있고 연료 소비는 물론 질소산화물, 이산화탄소 등 오염물질도 대폭 절감할 수 있다. 전력 및 에너지 전문 조사기관인 Brattle Group의 자료에 따르면, 이 경우 75%의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다.

2010년 8월 호주에서는 세계 최초의 태양열-디젤 하이브리드 시스템이 가동되었다. 연 1,048MWh 규모로 호주 서부의 인근 Marble Bar와 Nullagine라는 두 도시 전력 수요의 30%를 충당할 수 있다. 태양열-화력 하이브리드 시스템의 대표적인 예로는 2010년 6월부터 시범운전에 들어간 스페인의 Abengoa Solar가 설계한 4MW CSP를 기존 44MW의 석탄 화력발전과 결합한 Xcel Energy의 플랜트(미국 콜로라도주 소재), 2010년 12월 가동을 시작한 이집트 최초의 150MW급의 태양열-가스 하이브리드 플랜트(카이로 남쪽, Kuraymat 소재) 등을 들 수 있다.

미국 에너지청(DOE)은 2013년부터 2,000만 달러를 들여 CSP와 화력발전 플랜트를 결합하는 사업(SunShot 프로그램)을 벌이고 있다. 미국 에너지청은 미국 안에만도 11~21 GW 규모의 CSP 구축 잠재력이 있는 것으로 추산하고 있다. 이는 3백~6백만 가구에 전력을 공급할 수 있는 규모다.

CSP가 천연가스나 석탄 화력발전과 결합한 하이브리드 형태가 되면 머지않아 보조금이 없이도 kWh당 10센트가 가능할 것으로 내다보고 있다. 2013년 현재 미국에만도 약 500MW의 전력이 CSP로부터 만들어지고 있다. 2013~2014년초 운전을 목표로 세계최대규모의 플랜트를 포함한 5개의 신규 플랜트(총 1.3GW 규모)가 건설 중에 있다.

이러한 CSP-화력 하이브리드는 미국에서도 태양에너지가 풍부한 지역을 중심으로 빠르게 확산되고 있다. 미국의 애리조나주 소재 156MW의 CSP가 결합한 Tucson Electrics Power, 네바다주에 있는 1,100MW의 가스발전에 95MW의 CSP가 결합한 NV Energy의 플랜트, 뉴멕시코주에 위치한 TriState G&T의 245MW 석탄화력에 36MW의 CSP 하이브리드 등이 대표적 사례다.

하이브리드, 스마트그리드로 가는 디딤돌

미국 전력 연구소(EPRI)는 향후 10~20년 새 주목할 만한 흐름으로 세 가지를 꼽았다. 첫째가 천연가스의 역할이 높아질 것이라는 점이다. 2035년까지 미국 내 발전 설비 증설분의 60%를 차지할 것으로 내다보고 있다. 두 번째로는 재생에너지를 통한 발전의 증가다. 그리고 마지막으로는 전력 생산에 따른 이산화탄소 등 각종 오염물질 배출을 절감하는 기술을 들었다. 화석연료 시대에서 재생에너지의 활로는 기존의 다양한 발전 시스템과의 효과적 결합을 통한 성장에서 찾아볼 수 있을 것이다.

재생에너지 하이브리드는 하나의 트렌드로 확실히 자리매김하고 있고, 재생에너지 자체의 확산은 물론 기존 석탄이나 가스 화력발전의 모습을 달라지게 할 것으로 보인다. 나아가 에너지 안보나 안정성 측면에서 궁극적인 형태로 평가되는 분산형 전력 체계의 정착에도 한몫 할 것이라는 예측이다.

지역별로 태양이나 바람, 지열 등 에너지 자원은 상이하다. 따라서 해당 지역의 특성에 맞는 최적의 하이브리드 솔루션도 늘어날 전망이다. 원자력이나 화력발전의 위세가 꺾이지 않는 현 상황에서 재생에너지 하이브리드는 재생에너지 산업 성장의 새로운 동력으로 평가할 수 있을 것이다.

재생에너지 하이브리드는 하이브리드 기술 자체뿐 아니라 저장기기, 통합 에너지 관리 솔루션 및 관련 서비스 등에 이르기까지 광범위한 산업적 파급 효과도 기대해볼 수 있다. 지역 기반의 분산형 발전 플랜트까지 고려한다면 고용 창출은 물론 지역 사회의 성장에도 기여할 수 있을 전망이다.

전세계는 전력의 생산과 소비가 가장 효율적으로 이루어지는 스마트그리드(지능형전력망)에 주목하고 있다. 재생에너지 하이브리드는 다양한 에너지 자원과 IT 기술의 융합을 통해 스마트그리드로 가는 과도기적인 현 시점에서 공급 측면의 현실적 솔루션을 제시하고 있는 것으로 볼 수 있다.

국내에서도 다양한 재생에너지 하이브리드가 본격적인 확산을 위한 채비가 이루어지고 있다. 에너지관리공단에서는 지난 5월부터 재생에너지와 관련한 융복합 지원 프로그램을 추진하기 시작하였다. 개별 시스템의 개발과 사업화도 중요하지만 하이브리드 형태를 통한 전체 시스템의 차별화, 가치 제고 등에 관련 기업과 정부 차원에서도 보다 적극적인 관심을 기울여야 할 것으로 보인다.