[투데이에너지 장재진 기자]
풍력, 괄목할 기술적 진보
풍력 발전은 바람의 운동 에너지를 이용하여 터빈을 회전시키고, 이 회전력을 통해 발전기가 전기를 생산하는 원리다. 과거에는 단순한 구조의 소규모 풍력 발전기가 주를 이루었으나, 이제는 거대한 블레이드와 첨단 기술이 접목된 거대 풍력 터빈이 전 세계 곳곳에서 깨끗한 전력을 생산하고 있다. 현재 풍력 에너지는 괄목할 만한 기술적 진보를 이루어냈다.
풍력 터빈은 블레이드(날개)의 길이와 타워의 높이가 점점 커지면서 더욱 강력한 바람을 포착 하고 더 많은 전력을 생산할 수 있게 됐다 . 기술 발전으로 터빈 하나의 발전 용량이 메가와트 (MW)급을 넘어 기가와트(GW)급으로까지 향상 되고 있으며, 이는 발전 효율을 극대화하여 풍력 발전의 경제성을 크게 향상시켰다.
육상 풍력은 부지 제약과 소음, 경관 문제 등민원 발생 가능성이 있지만, 해상 풍력은 바람의 질이 좋고 대규모 발전단지 조성이 용이하며, 소음 및 경관 문제에서 비교적 자유롭다는 장점으로 인해 전 세계적으로 빠르게 성장하고 있다. 특히 해상풍력은 풍부한 해안 자원을 가진 국가들 에서 활발히 추진되고 있으며, 덴마크는 풍력 발전을 적극 추진하여 에너지 전환에 성공한 대표 적인 사례다 .
태양광과 마찬가지로 풍력 발전의 균등화 발전비용(LCOE)은 지속적으로 하락하여, 이제는 많은 지역에서 화석 연료 발전과 대등하거나 더저렴한 수준의 경쟁력을 갖추게 됐다. 이러한 경제성 확보는 정부 보조금 없이도 풍력 시장이 자생적으로 성장할 수 있는 기반을 마련했다.
풍력 에너지의 미래는 현재의 기술을 뛰어넘는 혁신을 통해 더욱 확장될 전망이다. 해상 풍력 중에서도 특히 '부유식 해상 풍력'은 미래 풍력 발전의 게임 체인저로 주목받고 있다 .
고정식 터빈은 수심이 얕은 연안에만 설치할 수있었지만 부유식 터빈은 수심이 깊은 먼 바다에도 설치할 수 있어 풍력 자원이 풍부한 해양 공간을 더욱 넓게 활용할 수 있게 한다. 이는 세계 풍력 잠재량을 크게 늘려줄 것으로 기대된다.
풍력 발전의 간헐성은 에너지 저장 시스템 (ESS)과의 통합을 통해 효과적으로 관리될 수있다. 대용량 ESS 기술의 발전과 보급은 풍력 발전의 안정성을 높여 전력망에 안정적으로 기여할 수 있도록 하며, 이는 궁극적으로 재생에너지 기반의 유연한 전력망 구축에 필수적이다.
풍력 에너지는 다른 재생에너지원(태양광 등) 과의 융복합 발전이나, 그린 수소 생산과 같은 새로운 에너지 시스템과의 연계를 통해 그 활용 가치를 더욱 높여나갈 것이다. 이는 에너지 생산의 효율성을 높이고 다양한 산업 분야에서의 탄소 감축에 기여할 수 있다.
풍력 발전은 친환경적이지만, 터빈 블레이드등 일부 부품의 재활용 문제나 철새 이동 경로 등환경적 이슈가 발생할 수 있다. 미래에는 재활용이 용이한 신소재 개발, 생태계 영향을 최소화하는 설계 기술, 그리고 환경 데이터 기반의 최적 입지 선정 등 더욱 고도화된 기술과 시스템을 통해 이러한 문제들을 해결해 나갈 것으로 보인다.
수소, 미래 에너지 핵심 연결고리
수소는 미래 에너지 시스템에서 없어서는 안될 중요한 역할을 수행하며 다양한 분야에서 혁신을 이끌어낼 잠재력을 가지고 있다.
기후 변화 위기와 불안정한 에너지 시장은 전세계를 탄소 중립과 에너지 독립을 향한 대전환의 길로 이끌고 있다. 이러한 에너지 전환 시대의 가장 유력한 대안이자 미래 에너지 시스템의 핵심 연결고리로 수소 에너지가 주목받고 있다. 수소는 풍부하고 깨끗한 특성 덕분에 상당한 전력 손실이 있더라도 미래 에너지 시스템에서 필수 불가결한 연결고리가 될 수 있다. 이는 수소가 화석 연료를 대체하고 다양한 산업과 유기적으로 연결될 수 있는 무한한 잠재력을 가졌기 때문이 다.
수소 에너지가 미래 에너지 시스템의 핵심 연결고리로 불리는 이유는 재생에너지의 약점 보완, 다양한 분야를 잇는 에너지 캐리어라는 점 때문이다.
태양광, 풍력과 같은 재생에너지는 발전량이 햇빛이나 바람의 조건에 따라 달라지는 간헐성 (間歇性)이라는 한계를 가지고 있다. 이때 남는 잉여 전력을 물 전기분해(수전해) 방식을 통해 수소로 변환하여 저장할 수 있다. 이를 'P2G(Power to Gas) 시스템'이라고 하는데, 이 시스템은 낭비되는 재생에너지 자원을 활용해 친환경 '그린수소'를 생산하므로 '궁극의 친환경 에너지 발전 방식'으로 불린다. 필요할 때 이 수소를 다시 전력이나 열로 전환하여 공급함으로써 재생에너지의 단점을 보완하고 안정적인 전력 공급을 가능하게 한다 .
수소는 생산된 후에도 다양한 형태로 저장 및 운송이 가능하며, 전력, 열, 수송, 산업 등 여러 부문에서 최종 에너지원으로 활용될 수 있는 다재 다능한 에너지 캐리어이다. 이러한 특성 덕분에 수소는 서로 다른 에너지 생산과 소비 분야를 효율적으로 연결하는 역할을 수행한다.
수소 에너지는 생산, 저장, 운송, 활용 등 전주 기에 걸쳐 기술 혁신이 활발하게 이루어지고 있니다. 미래 수소 경제의 핵심은 재생에너지로 생산 하는 '그린수소'이다. 수전해 기술의 효율성을 높이고 생산 비용을 낮추는 것이 가장 중요한 과제 이며, 현재는 알칼라인(AEC) 수전해, 고분자 전해질(PEMEC) 수전해, 고체산화물(SOEC) 수전해 등 다양한 기술이 개발되고 있다. 특히 고온 수전해 기술은 전력뿐 아니라 열도 활용하여 효율을 높일 수 있어 주목받고 있다.
수소는 부피가 크고 저장 및 운송이 까다롭다는 특징이 있다. 이를 극복하기 위해 액화수소, 암모니아, 액상 유기 수소 운반체(LOHC) 등 다양한 형태의 저장 및 운송 기술이 발전하고 있다.
특히 암모니아는 대량 운송 및 저장에 용이하여 그린수소를 국제적으로 교역하기 위한 주요 매개체로 연구되고 있다. 수소 배관망 구축 또한 중요한 인프라 과제다.
수소를 전기화학 반응을 통해 직접 전기로 바꾸는 연료전지는 수소 활용의 핵심 기술이다. 높은 에너지 효율과 낮은 오염물질 배출이 장점이 며, 발전용 연료전지는 건물, 산업단지, 발전소 등에서 전력과 열을 동시에 생산하며 분산 전원의 중요한 축이 될 것이다 . 차량용 연료전지 또한 지속적인 효율 개선과 비용 절감을 통해 수소차 보급 확대에 기여하고 있다.
수소 모빌리티 확대로 승용차를 넘어 수소 버스, 트럭, 기차, 선박, 그리고 항공기에 이르기까지 수소는 다양한 운송 수단의 친환경 연료로 활용 범위가 넓어지고 있다. 이러한 수소 모빌리티는 운송 부문의 탈탄소화에 결정적인 역할을 할 전망이다.
산업 분야에서의 활용도도 확대되고 있다. 철강, 화학, 시멘트 등 탄소 배출이 많은 산업 분야 에서 수소는 핵심적인 탈탄소화 솔루션으로 부상하고 있다. 화석 연료 대신 수소를 연료나 환원 제로 사용함으로써 산업 공정의 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있다 . 일본과 같은 국가는 2050년까지 수소 시장을 창출하고 철강, 화학, 시멘트 산업에서 수소를 적극 활용하는 클러스터 조성 사업을 진행 중이다.
수소 경제 시대의 전망과 과제
수소 에너지는 미래의 에너지 지형을 바꿀 '궁 극의 에너지'로 불리지만, 상용화를 위해서는 여전히 해결해야 할 과제들이 있다. 생산 비용 절감, 안전성 확보, 인프라 구축, 그리고 국제적인 협력을 통한 글로벌 수소 공급망 구축 등이 그것 이다. 이러한 과제들을 극복하고 수소 경제 시대를 성공적으로 열어가기 위해서는 정부의 정책적 지원과 기술 개발 투자, 그리고 민간 부문의 적극적인 참여가 필수적이다.
태양광·풍력·수소의 유기적 결합
태양광, 풍력, 수소 세 가지 에너지원이 결합될때 발휘되는 시너지 효과는 미래 에너지 시스템의 안정성과 효율성을 극대화하는 핵심 요소이 다. 태양광과 풍력 발전은 날씨 조건에 따라 발전 량이 변동하기 때문에, 전력 수요보다 발전량이 많아지는 경우가 발생한다. 이처럼 남는 잉여 전력은 종종 버려지곤 했는데, 이 잉여 전력을 물전기분해(수전해) 방식을 통해 수소로 변환하여 저장할 수 있다. 이를 'P2G(Power to Gas)' 기술 이라고 하며, 낭비될 수 있는 재생에너지를 효과 적으로 활용하여 친환경 '그린 수소'로 만들고, 장기간 대용량으로 저장할 수 있게 한다. 이는 재생 에너지 보급 확대에 있어 가장 큰 걸림돌인 간헐 성과 출력 변동성 문제를 근본적으로 해결하는 방안이다.
생산된 그린 수소는 필요할 때 다시 연료전지를 통해 전력이나 열로 변환하거나, 직접 산업용 연료, 수송용 연료 등으로 사용될 수 있다. 즉, 태양광과 풍력이 생산한 전력을 수소 형태로 '장기 배터리'처럼 활용하는 것이다. 이는 계통 안정성을 높여 전력망의 유연성을 확보하고, 재생에너지 중심의 안정적인 24시간 전력 공급을 가능하게 한다.
태양광과 풍력으로 생산된 전력은 주로 전력 부문의 탈탄소화에 기여한다. 하지만 수소는 전기로 직접 전환하기 어려운 산업 부문(철강, 화학), 장거리 운송 부문(항공, 해운, 대형 트럭), 고열을 필요로 하는 건물 부문 등 다양한 '하드-투-어베이트(Hard-to-Abate)' 섹터의 탈탄소화를 가능하게 하는 연결고리 역할을 한다. 즉, 태양광과 풍력이 만든 청정 에너지를 수소라는 매개체를 통해 전력 외 다른 최종 에너지 소비 분야로 확산시키는 것이다.
지역 및 계절적 특성상 풍력이나 태양광 발전 량이 편차가 클 수 있다. 수소는 이러한 지역 간, 시간 간 불균형을 해소하고 국가 간 에너지 교역의 매개체가 되어 재생에너지를 기반으로 한 안정적인 글로벌 에너지 공급망을 구축하는 데 기여한다.
태양광, 풍력, 수소의 유기적 결합은 단편적인 재생에너지 보급을 넘어, 전체 에너지 시스템을 근본적으로 변화시키는 핵심 동력이 될 것이다.
기술 혁신과 더불어 정책적 지원, 경제성 확보, 그리고 수소 인프라 구축이라는 도전 과제가 남아있지만, 이러한 시너지 효과는 이미 여러 국가 에서 대규모 프로젝트를 통해 실현 가능성을 입증하고 있다.
궁극적으로 태양광, 풍력, 수소를 유기적으로 연동하는 스마트 에너지 시스템은 화석 연료 없는 탄소 중립 사회로 나아가기 위한 가장 현실적 이고 강력한 로드맵을 제공할 것이다. 이 세 에너 지원의 조화로운 발전은 인류가 직면한 기후 위기를 극복하고 지속 가능한 번영을 누리는 데 결정적인 역할을 할 전망이다.