한국 신재생에너지 학회 2021 학술대회 : 한국 신재생에너지 지혜 교류의 장을 열다!

한국 신재생에너지 학회 2021 학술대회 : 한국 신재생에너지 지혜 교류의 장을 열다!

대학생신재생에너지기자단 19기 김정혁

 한국신재생에너지학회 2021 학술대회가 사단법인 한국신•재생에너지학회의 주최로 7월 13과 14일에 양일간 여수엑스포 컨벤션센터에서 이루어졌다. 2021년도 학술대회는 “2050 탄소중립과 신•재생에너지”라는 주제의 Main Session과 더불어 수상태양광 등의 특별세션, 환경 및 저탄소 등의 구두발표 등이 진행되었다. 해당 발표들은 국내 전문가 주도로 이루어졌고, 성장하는 신•재생에너지 산업을 위해서 전문가들이 한자리에 모여서 서로의 연구를 공유하고 국제경쟁령을 확보하기 위한 교류를 통하여 미래를 여느 지혜를 얻는 장이 되었다.

[한국 신재생에너지학회 2021 학술대회 포스터]

출처 : 한국신재생에너지학회

  양일간 다양한 발표와 토론이 이루어졌고, 본 기사에서는 Main Session이었던 “2050 탄소중립과 신•재생에너지”와 구두발표 중 “환경 및 저탄소/CCU&ESS/Grid”에 대해 간략히 소개하고자 한다.

 1. Main Session: 2050 탄소중립과 신•재생에너지

 김범석(2021 학술대회 조직위원장, 제주대학교) 좌장의 간단한 인사말로 Main Session이 시작되었고, 양태현(KIER 수소에너지연구본부장), 윤재호(KIER 태양광 연구단장), 한승수(노스랜드 파워 코리아 대표), 김영환(전력거래소 제주본부장)의 발제가 이어졌다.

 1) 수소산업의 미래

 2050년 탄소중립을 위한 최종에너지 Mix에서 수소가 차지하는 비중에 대한 BP와 IEA에서 분석한 최근 자료에 따르면 각각 15%와 약 10% 미만을 차지할 거라 예측하고 있고, 이는 상당히 많은 양이라고 볼 수 있다. 탄소중립을 위한 대전환에서 무탄소 전기 생산/탄소중립 연료/발전소, 산업공정 배출 및 온실가스 처리/효율향상이 수소와 연관되어 있다. 수소 연료전지 역할이 탄소 중립 실현을 위한 융합 기술 중 핵심이라고 할 수 있겠다. 맥킨지(Mckinsey & Company)에 따르면 2050년 세계 수소 시장이 약 3000조 원 정도에 이를 거라고 예측하고 있다.

[2050년 최종에서지 Mix 중 수소의 비중]

출처 : 한국 신재생에너지 학회 2021 학술대회 Main Session 

 이에 따라 정부에서 수소경제를 발표하면서도 에너지 자립이라는 이야기를 하였다. 하지만 재생에너지 자체도 나라별, 지역별로 편중이 되어있는 상태이기에, 재생에너지 기반의 그린에너지 생산 가격 또한 지역별로 차이가 생긴다. 그렇기 때문에 재생에너지 무역시대가 도래할 것이라고 예측도 하고 있고, 이때 중요한 매개체가 수소가 될 것이다.

 

 수소를 이야기할 때 재생에너지 기반의 그린수소만을 이야기하고 있지만, 최근 IEA에서 발표한 자료에 따르면 2050년에 수소 수요량 5억톤 정도가 될 것이고, 그 중에 60%가 그린수소 나머지가 화석연료와 CCS가 연계된 블루수소가 차지할 거라고 예측하고 있는 상황이다.

 이러한 수소의 큰 문제점 중 하나가 저장, 운송하는데 상당히 어려운 점이 있다는 것이다. 여기에는 영하 253도에 액체수소 저장, 유기화합물을 통한 저장, 암모니아를 통한 수소저장 3가지 방법이 있고, 현재 전 세계적으로 3가지를 놓고 고민하고 있는 상황이다. 이 중 암모니아와 메탄올이 수소 저장 밀도가 상당히 높고 저장 온도 측면에서도 편리하여 유리한 상황이다.

 수소 활용 중 운송부문에서는 큰 트럭, 선박, 기차 운송에 수소가 많이 쓰일 거라고 보인다. 수소 발전 부문은 기존의 가스터빈을 이용한 발전과 전기화학 변환이 주종인 연료전지 사이에 논란이 있는 상황이다. 대용량 발전으로 갔을 때는 가스터빈이 유리하고, 소용량 분산발전으로 간다고 했을 때는 연료전지 발전이 유리하다고 생각한다. 철강 부문에서는 수소환원제철기술을 통해서 온실가스 배출이 없는 철강을 생산하게 될 것이다. 하지만 중요한 것은 수소 가격이 적어도 900원이 되어야 하므로 수소 생산가격을 어떻게 낮추느냐가 산업분야에서 중요할 것이다.

2) . 2050 탄소중립 신재생에너지 강국으로의 도약을 위한 태양광 산업의 경쟁력 강화 전략

 국내 태양광 보급 현황과 전망을 살펴보면 2019년에 전체 전력 중 태양광 전력 비중이 약 2.2%를 차지하고 있다. 2019년과 2020년에 태양광을 4GW 정도를 보급함으로써 세계 TOP10 수준의 태양광 보급이 진행되고 있다. 탄소중립을 달성하기 위해서 태양광이 앞으로도 급속하게 보급되어야 한다. 하지만 이런 태양광 보급 확대를 위한 해결과제가 크게 6가지 존재한다. 이 중에서 본 발제에서는 산업 경쟁력 강화 부분에 대해 언급했다.

[태양광 보급 확대를 위한 해결과제]

 출처 : 한국 신재생에너지 학회 2021 학술대회 Main Session 

 실제 산업 측면에서 태양광이 빠르게 보급되는 이유 중 하나가 태양광 모듈이나 시스템 단가가 계속적으로 감소하고 있기 때문이다. 급격한 가격 하락이 보급 확대를 일으키고 있는 것이다. 하지만 현재 한국의 산업경쟁력 부분에서의 문제점은 바로 중국의 시장 점유율과 중국의 단일 공장의 발전량이다.

 현재 태양 전지 같은 경우에 한국이 중국 다음으로 큰 점유율을 보이고 있으나, 중국이 전체의 80% 가까운 점유율을 보이고 있고 한국은 7%를 차지하고 있다. 한국과 중국의 기술력은 큰 차이가 없는 걸 감안하면, 점유율 측면에서 많이 아쉬운 것이 사실이다. 그렇기에 국내 기업의 시장 점유율을 높일 수 있는 방안을 고민해야 한다. 또한 신규로 설치하는 전지나 모듈의 공장조차도 중국이 주도하고 있고 단일 공장의 발전량이 커지고 있다는 사실이다. 전세계적으로 태양광 시장은 급격하게 성장할 것이라는 자명하고 국내적으로도 보급의 필요성이 자명하기에, 현재 수준에서는 시장 점유율 대응 방안이 필요하다.

 그리고 이를 위한 방안을 크게 3가지로 나눌 수 있다.

① 결정적 실리콘 태양전지 기반 고부가가치 제품 개발을 통한 주력 시장 경쟁력 확보

: 혁신적 태양전지 기술 확보를 통한 차별화된 고부가가치 제품 개발 및 차이나 리스크 극복

② 입지 다변화를 통한 국내 보급 시장 확대 및 차세대 태양전지 적용을 통한 신시장 창출

-대규모 발전, 도시태양광, 수상, 모빌리티 등 고효율 태양전지 필요성 증대

-설치면적 대비 높은 발전량 확보를 위한 고효율 태양전지 이용 확대

③ 에너지 신산업 Supply chain 구축을 통한 중소-중견, 대기업 상생형 사업 생태계 창출

 3) 해외 해상풍력 전략과 전망

 유럽, 미국, 동유럽, 아시아 쪽에서 해상풍력은 엄청난 속도로 성장하고 있고, 이런 상황 속에서도 공급이 부족한 상황이다.

 이를 한국의 입장에서 본다면 한국의 제조업체에 엄청나게 큰 시장이 열리는 상황이다. 한국의 Developer 입장에서는 프로젝트를 개발하여도 장비 공급이 제대로 되지 않아, 한국에서 해상풍력 프로젝트를 제시간에 하기 힘들다는 우려가 있을 수 있다. 한국 입장에서는 해상 풍력이라는 산업분야에 참여할 수 있는 방법을 빠르게 마련하는 것이 중요할 것이다. 경험이 있는 해외업체와 빠르게 협업을 해서 해외의 프로젝트에 참여할 수 있는 기회를 잡는 것이 중요해 보인다. 

 4) 신•재생에너지와 새로운 전력계통 -제주 사례를 중심으로

 지금까지는 중앙집중형 전력공급체계로서 한전이 전력공급을 알아서 해왔지만, 전력공급체계의 분산화가 진행되면서 정부, 지방정부, 신사업자, 한전 등 모두 자신의 역할이 커지게 될 것이다. 전력공급체계가 분산화가 진행되면서 분산자원이 계속해서 증가했고 앞으로도 꾸준히 증가할 것이다. 국제에너지 기구의 재생에너지 도입단계를 기준으로 보면, 현재 제주는 3단계에 있고 우리나라 평균치는 1단계에서 2단계로 진입하고 있다. 그렇기에 제주를 통해서 분산 에너지로 가는 데 있어서 고민해야 할 부분들을 알아보겠다.

 ‘20년 제주지역 변동성 신재생에너지 발전량 점유율은 16.0%이고 제주지역은 유연성(Flexibility) 문제가 발생하는 3단계에 해당한다. 전력수급 불안정 해소 및 계통안정운영을 위해 출력 제어 시행 중이며, 계통보강이 필요하다.

 신재생에너지 증가에 따라 날씨, 계절 등의 변동에 의해 전력수요패턴 변화가 심화되고 계통운영에도 변화가 생긴다. 그렇기 때문에 신재생 통합관제체계, 신재생 발전량 예측시스템, 신재생 출력 변동성 파악과 신재생 초과 발전 제어 등이 필요하고 또 추진되어야 한다.

 이후 발제자들과 청중들의 참여로 이루어진 “신•재생에너지산업을 통한 탄소중립 추진전략”에 대한 토론이 이루어졌다.

 

 2. 구두발표: 환경 및 저탄소/CCU&ESS/Grid

정승민(국립한밭대학교), 윤여일(한국에너지기술연구원), 이성곤(한국에너지기술연구원) 좌장을 통해 환경 및 저탄소/CCU&ESS/Grid 구두발표가 진행되었다. 장상순, 채태영, 이호수, 장윤재 순으로 발표가 진행되었다.

1) 고에너지밀도 레독스 흐름 전지를 위한 다전자 반응의 액체 활물질 연구

 레독스 흐름 전기(redox flow battery_RFB)는 레저버와 스택을 순환하는 흐름 전지로서 대용량성 및 안전성 높은 차세대 에너지 저장 장치이다. 활물질과 용매에 따라 Metal-/Oranic-/비수계/수계 RFB로 나눌 수 있다.  이러한 레독스 흐름 전지는 차세대 에너지 저장 장치로서 장수명, 용량과 출력의 독립적인 설계, 우수한 화재 안정성의 장점을 가지고 있다.

[레독스 흐름 전지]

출처 : 한국 신재생에너지 학회 2021 학술대회 구두발표: 환경 및 저탄소/CCU&ESS/Grid

 레독스 흐름 전지의 기술 진보를 위해 해결되어야 할 과제는 에너지 밀도이다. 현재 기술 성숙도가 높고 상용화되고 있는 Vandium RFB 기준 에너지 밀도가 약 ~35Wh/L를 가지고 있다. 이는 ~300Wh/L의 에너지 밀도를 갖는 Lithium Ion Batteriy에 대비 낮은 수치이다. 그렇기에 RFB가 갖고 있는 엄청난 장점을 활용해서 기술 경쟁력을 높이기 위해서는 에너지 밀도를 향상시키는 게 무엇보다 필수적이다.

 이를 위해서 활물질 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 차세대 활물질 후보로서 산화-환원 활성이 있는 Redox Active Organic Materials이 활발하게 진행되고 있다. 고에너지밀도 RFB 전략으로는 활물질의 농도를 높이는 방식/셀 전압을 높이는 방식/산화-환원 반응에 참여하는 전자수를 늘리는 방식 3가지가 있다. 본 연구에서는 다전자 반응을 하는 유기물을 Moiety로 액체 활물질을 합성하여 2배 이상의 에너지 또는 용량을 가진 활물질을 얻을 수 있는 전략을 활용하고자 하였다. 즉, 활물질의 농도를 높이는 것과 다전자 반응을 하는 다전자 반응을 활용한 것을 통해서 에너지 밀도를 높이고자 하였다.

 연루의 결론은 다음과 같다. 가역적인 2 전자 반응과 2M의 용해도, 18C의 녹는점을 갖는 액체 활물질을 합성하는 것을 연구할 수 있었고, 최대 용해도 기준으로 68Wh/L의 이론적 에너지 밀도를 갖는 것으로 다른 활물질에 비해 2배 이상의 에너지 밀도 향상을 이루어 낼 수 있었다.

보완점으로는 -2.0V 이하로 환원 전위를 튜닝하는 것과 물질 자체가 갖고 있는 부피로 인해서 용해도가 제안되는 점이 있다. 추후 통해 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상한다. 이 실험에 대한 기여는 RFB용 새로운 액체 활물질을 제시했고 새로운 타입의 Ionic liquid 물질을 제시했다. Viologen 유도체가 갖고 있는 기존 최대 용해도인 1M에서 2배 이상의 용해도를 얻을 수 있다는 것에 RFB 분야에 기여했다고 보고 있다.

2) 석탄/바이오매스 혼소 및 첨가제 적용 시 생성되는 Slag 생성특성 해석

현재 바이오매스는 기후 변화 대응을 위한 탄소 중립 연료로 사용되고 있다. 하지만 바이오매스 연소의 문제점은 회분에 포함된 무기물들이 연소 중 회분에 저 용융점 물질을 생성한다는 것과 Slagging/fouling 생성량을 증가시켜 열 전달양 감소와 열효율 저하 문제를 발생시킨다는 것이다. 그렇기에 현재 바이오매스 혼소 문제점 해결을 위해 첨가제 투입 연구가 진행되고 있다. 운전 조건이나 연료 내 회 성분 등의 특성에 따라 첨가제 별 효과가 크게 다르다는 문제가 발생한다. 그러므로 본 연구에서는 연료와 연소 조건 첨가제 종류에 따른 slagging 생성 특성을 예측했고 화학/상 평형 계산 S/W인 FactSage를 사용하여 해석을 진행했다.

 연구의 결론은 다음과 같다. FK biomass의 경우, K, Ca, Mg 성분의 함량이 높았다. Kaolin 첨가할 경우, 고용융점 화합물을 생성했다. KITECH co-firing의 slag 증감 결과 1200도 이하에서는 Mullite, aluminosilicate(Al2SiO5)등 저용융점 화합물을 생성했다. Slag 생성량이 감소하는 1300~1600도에서 고용융점 화합물이 증가했고 Al2SiO5, Feldspar (KAlSi3O3)이 생성되었다. 혼소율 변화에 따른 Slag 증감 결과는 고용융점 생성물이 증가하면 Slag 감소 고, 저용융점 생성물이 증가하면 Slag 증가했다. 추후 연구는 어떤 경우에 고용융점 화합물과 저용융점 화합물이 생성되는 지를 공정해석이나 실험을 통해서 연구를 할 예정이다.

 3) 한국생산기술연구원 가압 순산소 연소 발전 시스템에서 습식 및 건식 배가스 재순환에 따른 영향 평가

 순산소 연소 기반 발전 플랜트 시스템은 탄소를 포집하는 목적을 가지고 산화제인 공기 대신에 고순도의 산소를 유입하게 된다. 이를 통해 배가스 내에 CO2 분율을 15%->63%로 높여서 CO2 포집을 용이하게 하는 컨셉이다. 하지만 이러한 순산소 연소 시스템은 공기에서 질소를 분리하고 CO2를 포집하기 위해 ASU(air separation unit), CCS(carbon capture system)이 필요하게 된다. 이러한 시스템은 전력 소모량이 크기 때문에 플랜트 효율이 공기 연소 대비 약 10% 정도가 낮다.

 이에 순산소 연소 시스템의 단점을 보완하고자 가압 순산소 연소 시스템(Pressurized Oxy-fuel combustion)이라는 새로운 시스템이 대두되었다. 이 시스템은 기존 연소를 상압에서 운전하는 거에 비해서 가압으로 하여 연소를 운전하고 있다. 이를 통한 장점은 3가지가 있다.

1. 배가스 밀도 감소-> 시스템 크기 감소

2. 산화제 가압-> CPU필요 동력 소모 감소, 산화제 가열기 열 부하 감소

3. 가압조건에서 FGC 활용(배가스 응축기 활용 극대화)->배가스 내 잠열 회수, SOX, NOX 동시 저감 가능

 이를 통해 가압 순산소 연소 시스템은 탄소 중립, 고효율, 청정에너지를 달성할 수 있는 시스템이라고 볼 수 있다.

[FGC의 특성]

출처 : 한국 신재생에너지 학회 2021 학술대회 구두발표: 환경 및 저탄소/CCU&ESS/Grid

 배가스 응축기(FGC)는 다음 사진과 같은 특성을 가지고 있다. 하지만 본 연구의 배경은 순산소 조건에서 공기 연소 조건보다 연소실 온도가 매우 높기 때문에 배가스 재순환 시스템이 필요하게 된다는 데 있다. 이를 위해 연소실 온도 제어를 위한 배가스 재순환 시스템(FGR)을 필수적으로 적용해야 한다. 하지만 이러한 배가스 재순환에 따른 엑서지 손실로 인해 플랜트 효율이 저감 된다는 단점을 가지게 된다.

 배가스 시스템은 배가스를 재순환하는 장소에 따라서 Wet FGR과 Dry FGR로 나눌 수가 있다. Wet FGR 시스템은 FGC에 들어가기 전에 배가스를 재순환하는 시스템이고, Dry FGR은 FGC에서 배가스 내 수분이 응축되어 건조 조건의 배가스가 재순환하는 시스템이라고 보면 된다. 그렇기 때문에 Wet FGR과 Dry FGR의 영향성 평가가 필요하고, 최적 FGR ratio 제시가 필요하게 된다.

 본 연구의 목표는 1 GWE고효율 가압 순산소 연소 시스템을 제시하고 공정해석 모델을 기반으로 Wet FGR와 Dry FGR을 적용했을 때 영향성 평가를 플랜트 효율의 관점에서 비교하는 것이었다. 또한 최적은 FGR ratio를 제시하여 최종적으로 공기 연소 기반, 상압 순산소, 가압 순산소 연소의 플랜트 효율을 비교하는 것이었다.

 연구의 결론은 다음과 같다. 1 GWe A-USC급급 가압 순산소 연소 기반 플랜트를 제시하여 탄소중립, 고효율, 청정 에너지 달성을 목표로 하였다. Wet FGR과 Dry FGR 효율을 비교하여 Wet FGR이 Dry FGR보다 효율이 3.5% 높은 효율을 보였다. 이는 최종적으로 상압 순산소 연소 기반 플랜트보다 약 10% 상승한 39.5% 효율을 제시하였다. 하지만 초초임계압 조건 (32 bar, 700도)을 견딜 수 있는 재료소재 개발과 Wet FGR의 오염물질에 의한 부식 문제 해결이 필요하다는 극복점들이 있다.

 4) 전기화학법을 이용한 폐배터리 침출수에서의 선택적 리튬 회수 

 최근 전기자동차의 상용화에 따라 리튬 이온 배터리와 리튬의 수요가 크게 증가하고 있다. 뿐만 아니라 사용하고 난 후의 폐배터리 재활용 문제도 중요하게 되고 있다. 폐배터리의 재활용 방법에는 습식 재련과 건식 재련 방법이 있다. 습식 재련 방법이 재활용 효율이 높다고 알려져 있어서 습식 재련 방법이 많이 사용하고 있는 추세이다. 습식 재련 방법은 사용하고 난 폐배터리를 강산으로 완전히 녹여서 침출수를 얻고 침출수 내의 여러 금속 이온들을 하나씩 용매 추출 및 침전 과정으로 회수하는 과정이다. 이 과정에서 리튬은 다른 이온들 대비 리튬이 선택성이 낮기 때문에, 가장 마지막 단계에서 회수할 수 있다고 알려져 있다. 따라서 리튬 회수의 효율을 높이기 위해 리튬을 우선적으로 선택하는 연구를 진행했다.

 리튬 회수 방법은 여러 가지가 있지만 그중에서 전기화학 방법을 이용하고자 하였다. 전기화학적 리튬 회수로는 리튬의 선택성이 있는 리튬이온 배터리 물질을 사용하여, 다른 이온들이 많이 포함되어 있는 용액에서도 리튬이 선택적으로 회수가 될 수 있기에, 리튬에 대한 선택성이 높기 때문이다. 또한 다른 방법들 대비 회수에 걸리는 시간도 짧은 편이며 산을 이용하지 않고도 일반 용액에서도 리튬을 회수할 수 있다는 장점이 있어서 친환경적이다고 판단했기 때문이다.

 따라서 이러한 폐배터리 침출수에서 전기화학적 리튬 회수 방법을 이용해서 리튬을 선택적으로 회수해보고자 하였고, 폐배터리 침출수에 들어있는 다른 이온들 대비 리튬의 선택성을 확인해보고자 하였다.

 연구의 결론은 다음과 같다. 이 실험에서 사용한 LMO 그리고 활성탄 전극을 전기화학적 리튬 회수 시스템에서 폐배터리 침출수에 적용한 결과 리튬이 선택적으로 회수된 것을 확인했다. 따라서 이러한 전기화학적 리튬 회수 시스템은 산성용액 그리고 폐배터리 침출수 용액에서도 활용될 수 있다. 기존에 폐배터리 침출수에서 리튬을 회수하기 위해 여러 이온을 제거하는 긴 공정 대신 전기화학적 리튬 시스템을 이용한다면 리튬을 효율적으로 회수할 수 있을 것이다.  

 

 이 밖에도 7월 13일 학술대회에서는 다양하고 한국의 탄소중립 달성과 신•재생에너지의 발전에 유의미한 특별세션과 구두발표들이 진행되었다. 학회의 참여자로서 소중한 발표들과 연구 내용들을 접할 수 있어서 소중한 시간이 되었다. 앞으로도 이와 같은 학회 및 학술대회가 꾸준하게 진행되고 신•재생에너지 산업 네트워크 교류가 활발하게 이어져 탄소중립을 달성하고 한국이 세계의 에너지 시장을 선도하길 바란다.

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