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Nikkei X-TECH_2020.8.24

EU가 재생에너지ⅹ수소 사회로 선회
탄화수소 연료도 잉여 전기로 합성

태양광발전이나 풍력발전 등의 재생가능에너지는 일반적인 공업제품과 마찬가지로 대량생산을 하면 할수록 제조 비용과 발전 비용이 내려간다는 특징을 갖고 있다. 태양광발전은 이미 약 45년 동안, 풍력발전도 약 30년 동안 그 특징을 지속적으로 보여왔고, 앞으로도 당분간 그것이 이어질 것으로 보인다. 대량생산, 대량도입을 계속적으로 하게 되면 기존의 다른 발전원의 비용을 크게 밑돌게 되고, 전력이나 에너지의 혁명이 일어날 가능성이 높다.

이 방향성에 빠르게 조준을 맞춘 것은 유럽이다. EU의 정책집행기관인 유럽위원회(EC)는 20년 봄에, 14년부터 이어왔던 50년 시점의 EU의 에너지모델에 대한 연구의 최종보고를 발표했다. 자료편도 포함하면 202페이지의 상당히 긴 분량이다. ‘재생가능 에너지ⅹ수소 사회’의 실현을 목표하는 방향성을 명확하게 밝혔다.

구체적으로는 지금까지 16년 파리협정의 ‘50년 시점에서 온실효과가스 배출을 60% 줄인다’는 EU 내의 합의(Baseline)를 더욱 발전시켜, 거의 제로 에미션을 목표하는 방향성을 제시했다. 그 경우 50년 시점에서 약 2500GW로, 발전 설비 용량의 약 85%를 풍력발전과 태양광발전, 바이오매스발전 등의 재생에너지로 충당하는 것을 상정한다. 화석연료에 근거한 화력발전이나 원자력발전은 각각 수 %의 비율밖에 되지 않는다. 이것들도 포함한 연간 발전량은 약 6000TWh가 될 전망이라고 한다.

그러나 출력 변동의 컨트롤이 어려운 이들 재생에너지를 대량 도입하기 위해서는 그 출력을 평준화하기 위한 대규모 축전시스템의 도입이 필수다. 그에는 양수발전이나 EU 내에서의 풍력 융통 외에 Li이온 2차전지 등의 선택지가 여러 개 있다. EC는 각 축전시스템의 도입 비율은 시기별로 변한다고 본다. 2030년 시점에서는 Li이온 2차전지도 약 100GW로 일정 비율을 차지하지만 2050년 시점에서는 최대 약 50GW로 줄어버린다. 50년의 주류가 될 축전시스템으로서 EC가 상정하는 것은 그린 수소다.

--2030년까지 그린 수소 40GW --
그린 수소는 재생에너지로 발전한 전력으로 물을 전기 분해해 생성하는 수소로, 완전하게 CO₂ 프리다. EC의 최종보고서에서는 재생에너지의 잉여 전력 550GW를 이 그린 수소 생성에 투자한다.

이 보고서 자체는 EU의 정책으로서 승인되지 않았다. 그러나 EU는 30년까지의 사실 상의 정책으로서 그린 수소를 대량생산해 나가는 전략을 20년 7월에 발표했다.

구체적으로는 24년까지 그린 수소를 제조하는 수전해장치를 6GW분, 30년까지 40GW분 도입한다. 그리고 30년 이후에는 본격적인 대규모 도입을 시작한다는 것이다. 수소의 용도가 확립되지 않은 단계에서 이 규모로 도입한다는 것은 놀랄만한 일이다. 이 10년 동안에 수소사회를 향하는 ‘흐름’을 속공으로 구축하려는 목적이 있을지도 모른다.

EC가 상정하는 수소의 용도는 우선은 전력의 평준화다. 하루 중에서의 전력평준화에 필요한 전력량의 50% 이상을 이 그린 수소로 충당한다. 아울러 10% 이상은 전기자동차(EV)의 축전지, 또한 10% 이상을 전력 융통에서 각각 전력량을 공급한다. EC는 양수발전이나 정치형 Li이온 2차전지 등은 모델에 따라서도 다르지만 50년 시점에서는 그다지 큰 역할을 하지 못할 것으로 보고 있는 듯하다.

수소에 의한 전력평준화의 비율은 평준화하는 시간 간격이 늘어나면 더 증가해, 1주일 단위에서는 전체의 60%, 계절을 넘기는 경우는 약 70%를 수소로 평준화하는 것을 상정하고 있다.

-- ‘잉여 수소’로 연료를 합성 --
그러나 50년 시점에서 550GW분의 그린 수소는 전력의 평준화만으로는 다 사용할 수 없다. 실제로 현재 EU의 전력 수요량은 약 3000TWh다. 2050년에도 4000TWh로 밖에 증가하지 못할 것으로 EC는 상정한다. 50년의 발전량 6000TWh 중, 잉여분 2000TWh는 ‘Power to X(P2X)’라고 불린다. 전력으로 ‘그린 연료’를 생성∙합성하는데 사용한다.

그린 연료는 화석연료가 아니라 전력으로 제조한 연료다. 수소는 그 상태로는 사용하기 어려운 것도 있기 때문에 일부를 일산화탄소(CO) 혹은 CO₂ 등과 합성함으로써 메탄(CH4)이나 그 외의 탄화수소를 합성해 ‘재생 가능한 화력발전’의 실현이나 기존의 석유 수요 등의 대체를 도모해 나갈 방침이다.

EC는 이미 재생에너지에서 그린 수소, 그린 수소의 탄화수소화, 그것을 이용한 재생가능 화력발전에서의 발전. 그리고 그 전력으로 다시 그린 수소와 같은 순환 사이클의 실현을 상정하고 있다.

-- 연료전지가 불필요? --
이 메탄은 ‘e-gas’, 보다 고차원의 탄화수소 재료는 ‘e-fuel’ ‘e-gasoline’라고도 불린다. 모두 연소시켜도 CO₂를 실질적으로는 늘리지 않는다. 이것이 실현되면 장거리 주행용 자동차는 내연기관을 동력으로 한 채 카본 뉴트럴이 되고, 화력발전소는 그린 수소나 e-gas를 연로로 해서 최소의 설비 개수로 가동을 계속할 수 있는 가능성이 있다.

이미 독일 아우디는 13년부터 e-gas의 플랜트를 건설, 천연가스엔진의 개발 등, 이 P2X를 상정한 대책을 시작하고 있다. 가와사키중공업도 수소를 연료로 해서 이용하는 화력발전용 ‘수소터빈’의 개발이나 실증실험을 계속하고 있다.

연료전지도 수소터빈도 발전 효율은 최고 60% 전후지만 소형 시스템에서는 연료전지가 유리하고, 대형 시스템에서는 수소터빈이 유리하다. 현재, 그 분수령은 1MW 전후라고도 하지만 수소터빈 또는 수소가스엔진의 개량이 진행되면 연료전지가 있을 장소는 없어질 가능성도 있다.

EC는 17년 무렵까지는 수소 전략을 연료전지 전략과 함께 논의했지만 이번 202페이지의 최종보고서에서 연료전지에 대해 언급한 것은 불과 2곳. 현 시점에서는 연료전지를 중요한 기술로는 보고 있지 않을지도 모른다.

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