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[모두의 무탄소마블 - ⓶] 미래 도시의 전기는 이렇게 움직입니다⚡ 전력망과 에너지 저장 기술

탄소 중립을 위한 에너지 관리의 핵심은 지능형 전력망(스마트 그리드)에 있습니다. 이 기술은 전력의 수요와 공급을 실시간으로 파악하고 최적화하며, 전력망 곳곳에 설치된 센서와 스마트 미터를 활용해 전압과 주파수 같은 상태를 정밀하게 모니터링합니다. 만약 전력 수요가 급증하거나 예상치 못한 고장이 발생하더라도 지능형 전력망이 스스로 전력 경로를 변경하거나 발전소 출력을 조절하여 계통의 안정성을 확보합니다. 이는 전력망을 보다 유연하고 안전하게 운영할 수 있도록 돕는 디지털 교통경찰과 같은 역할을 수행합니다. 불규칙한 재생 에너지의 한계를 극복하기 위해서는 에너지를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓰는 에너지 저장 시스템(ESS)이 필수적입니다. 리튬 이온 전지나 슈퍼 커패시터를 활용한 단주기 저장 장치는 순간적인 전력 변화를 잡아내며, 4시간 이상의 대용량 저장이 가능한 장주기 장치는 장기적인 에너지 변동성에 대응합니다. 또한 전기차에서 사용된 후 수명이 다한 사용 후 배터리를 폐기하지 않고 재사용하거나 재제조하는 기술도 주목받고 있습니다. 현재 주요 기관과 기업들은 이러한 사용 후 배터리의 성능 및 안전성을 평가하는 실증 사업을 통해 자원 순환 체계를 구축하고 있습니다. 앞으로는 전기를 열이나 가스 등 다른 형태의 에너지로 변환하여 사용하는 섹터 커플링 기술이 더욱 중요해질 전망입니다. 잉여 전기로 물을 데워 난방에 쓰는 P2H, 물을 분해해 청정 수소를 만드는 P2G, 그리고 주차된 전기차를 배터리로 활용해 전력망에 공급하는 V2G 기술이 대표적인 사례입니다. 이외에도 콘크리트를 가열해 열을 저장했다가 다시 전력을 생산하는 열에너지 저장 시스템(TES)처럼 에너지를 관리하는 방법은 점차 다양해지고 있습니다. 이러한 혁신적인 에너지 통합 시스템은 탄소 중립 사회로 나아가는 시계를 더욱 빠르게 앞당기는 핵심 동력이 될 것입니다.

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[모두의 무탄소마블 - ⓵] 한국은 어떻게 탄소중립을 하려는 걸까?: 탄소없는 전기의 비밀

탄소 중립을 실현하기 위한 가장 대표적인 기술인 태양광 발전은 현재 초고효율 전지 개발을 통해 새로운 도약을 준비하고 있습니다. 기존의 넓은 부지 확보 문제를 해결하기 위해 과학자들은 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤 태양 전지 기술에 집중하고 있습니다. 이 기술은 같은 면적에서 훨씬 많은 전기를 생산할 수 있게 해줍니다. 나아가 고속도로 방음벽이나 건물의 유리창처럼 일상적인 구조물에 태양광 모듈을 설치하는 방식으로 공간 제약을 극복하고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 태양광 에너지를 도시 곳곳에서 더 효율적으로 활용할 수 있는 길을 열어주고 있습니다. 미래형 풍력 발전은 거대화된 터빈과 해상 설치 기술을 중심으로 진화하고 있습니다. 날개 길이가 100미터를 넘는 기가와트급 터빈은 발전 효율을 극대화하며, 육지보다 강하고 일정한 바람을 얻기 위해 더 깊은 바다로 나가는 부유식 해상 풍력 기술이 주목받고 있습니다. 바다 위에 안정적으로 터빈을 띄우는 시공 기술은 풍력 자원의 온전한 활용을 가능하게 합니다. 또한, 수백 대의 터빈을 통합 관리하는 스마트 운영 시스템과 원격 진단 기술은 발전소의 효율적인 운영과 신속한 고장 수리를 지원하여 에너지 공급의 안정성을 높이는 핵심 역할을 수행합니다. 수소는 다양한 에너지 시스템을 연결하는 섹터 커플링의 중심 매개체로 각광받고 있습니다. 태양광이나 풍력으로 생산된 전기가 남을 때, 이를 수소로 전환하여 저장하거나 전기차 배터리 충전 등 다른 용도로 활용함으로써 에너지 낭비를 최소화할 수 있습니다. 특히 대용량의 수소를 해외에서 들여오거나 장거리 운송할 때는 화합물 형태로 변환하여 저장하는 기술이 매우 중요하게 다뤄집니다. 이러한 고도의 저장 및 운반 시스템은 수소 경제를 실질적으로 구현하고 재생 에너지의 변동성을 보완하여 무탄소 전력 공급망을 구축하는 데 필수적인 기반이 됩니다. 무탄소 전력 공급을 위해 우리나라는 수소와 친환경 화합물 연료를 기존 발전 방식에 결합하는 방안을 적극 추진 중입니다. 새로 건설되는 발전소에 수소 연소 설비를 도입하거나 기존 화력 발전의 연료를 단계적으로 대체하는 방식은 인프라를 활용하면서도 탄소 배출을 획기적으로 줄이는 대안입니다. 이와 더불어 발전용 수소 연료 전지 분야에서도 초고효율 복합 발전 기술을 통해 앞서나가고 있습니다. 특히 대한민국은 수소 연료 전지 연구 성과에서 세계적인 수준의 경쟁력을 보유하고 있으며, 이는 지속 가능한 에너지 미래를 선도하는 중요한 원동력이 되고 있습니다. 차세대 원자력 기술의 핵심인 소형 모듈 원자로(SMR)는 뛰어난 안전성과 범용성을 자랑합니다. 사고 저항성 핵연료를 사용하여 비상 상황에서도 스스로 열을 식히는 냉각 시스템을 갖추고 있어 안전성을 획기적으로 높였습니다. SMR은 송전망이 부족한 오지에도 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 친환경 수소 제조에도 활용될 수 있어 그 가치가 매우 높습니다. 이와 함께 원자력 에너지의 지속 가능성을 확보하기 위해 사용후핵연료를 지하 깊은 곳에 영구적으로 보관하는 폐기물 관리 기술에 대한 연구와 논의도 활발히 진행되며 탄소 없는 세상을 뒷받침하고 있습니다.

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(2022 글로벌기계기술포럼) 윤석호 열에너지솔루션연구실장

탄소중립 실현을 위해 열에너지의 전환은 선택이 아닌 필수입니다. 전 세계 최종 에너지 소비의 약 절반이 열에너지 형태로 사용되고 있으며, 한국 역시 화석 연료에 대한 의존도가 매우 높기 때문입니다. 이에 따라 한국기계연구원은 에너지 설비의 효율을 극대화하는 동시에, 열 생산 방식을 무탄소화하거나 전기화하는 전략을 수립했습니다. 또한 분산된 열에너지를 하나로 묶는 네트워크화를 통해 버려지는 미활용 에너지를 재사용함으로써 에너지 자립도를 높이고 온실가스 배출을 획기적으로 줄이는 데 집중하고 있습니다. 산업 부문에서는 기존 화석 연료 연소 방식을 대체하기 위한 고온 히트펌프 개발이 핵심 과제로 꼽힙니다. 히트펌프는 폐열을 저온 열원으로 활용하고 재생 전력을 사용하여 열을 펌핑함으로써 이산화탄소 배출량을 제로에 가깝게 구현할 수 있는 기술입니다. 기계연구원은 기존 냉매의 환경 문제를 해결하기 위해 낮은 지구온난화지수(GWP)를 가진 냉매를 적용하고, 오일 사용이 없는 무급유 터보 압축기를 결합한 시스템을 연구해 왔습니다. 이를 통해 향후 300도 이상의 고온 공정열까지 커버할 수 있는 기술적 토대를 마련하고 있습니다. 건물 부문에서의 탄소중립은 냉난방 시스템의 파괴적 혁신을 통해 이루어집니다. 단순히 효율을 높이는 단계를 넘어, 물과 같은 자연 냉매를 사용하거나 화학적 흡착 시스템을 이용하는 차세대 냉난방 기술이 대표적입니다. 특히 화학적 흡착 기술은 40도 정도의 낮은 미활용 열원만으로도 냉난방이 가능하도록 설계되어 기존 방식의 한계를 뛰어넘습니다. 또한 수열이나 지열과 같은 재생 열원을 히트펌프와 연계하여 실제 도심 건물에 적용하는 실증 연구를 병행함으로써 화석 연료 기반의 난방 체계를 전기화로 전환하고 있습니다. 신재생 에너지의 변동성 문제를 해결하기 위한 대용량 에너지 저장 기술도 중요한 축을 담당합니다. 잉여 전력을 활용해 공기를 액화한 뒤 필요할 때 다시 발전하는 액체 공기 에너지 저장(LAES)과, 포집된 이산화탄소를 수소와 반응시켜 액상 연료로 만드는 이퓨얼(e-Fuel) 공정은 장주기 저장 수단으로서 가치가 높습니다. 이러한 기술들은 재생 에너지의 발전량을 안정적으로 유지하는 동시에 산업 공정에서 발생하는 탄소를 포집하여 유용한 자원으로 전환하는 CCS 기술과 맞물려 전환 부문의 탄소 저감에 크게 기여하게 됩니다. 미래의 열에너지 전략은 개별 설비의 최적화를 넘어 통합적인 네트워크 구축으로 나아갑니다. 생산된 열을 서로 주고받는 양방향 열에너지 네트워크를 통해 산업 폐열과 재생 열원의 활용도를 극대화할 수 있습니다. 특히 열이 발생하는 시점과 사용되는 시점의 불일치를 해결하기 위한 '열 배터리' 기술과 에너지를 단계적으로 활용하는 카스케이드(단계적 열 활용) 이용 방식은 시스템 전체의 에너지 효율을 높이는 핵심 동력이 될 것입니다. 이러한 체계적인 열관리 솔루션은 지속 가능한 탄소중립 사회를 구현하는 든든한 기반이 될 전망입니다.

한국기계연구원[글로벌 기계기술 포럼│Global Forum on Mechanical Engineering]

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