재생E 잉여전력, 열로 활용한다
재생E 잉여전력, 열로 활용한다
  • 류희선 기자
  • 승인 2021.01.22
  • 댓글 0
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열분야 탄소중립 승부수, ‘P2H(Power to Heat)’ 주목
한난, P2X 활용방안 개발나서
인센티브·RHO 인정 등 시장제도 변화 필요

 

[투데이에너지 류희선 기자] 재생에너지 비중을 빠르게 늘려가면서 탈탄소사회 전환이 가속화되고 있다. 이에 재생에너지로 전력 공급 외에도 전기나 열, 가스 형태로 활용할 수 있는 기술에 대한 관심이 제고되는 가운데 특히 열에너지를 재생에너지 잉여전력으로부터 공급할 수 있도록 하는 P2H(Power to Heat)를 주목할 필요가 있다. 장기적으로 전체 에너지시스템의 변화가 예고되면서 확대되는 재생에너지 변동성을 보완할 기술적 대안들이 대두되고 있는 가운데 국내에서 열에너지분야의 P2H 역할과 활용방안 등에 대해 알아봤다. /편집자주      

저탄소를 넘어 탈탄소 사회로, 청정에너지로의 전환을 위해 준비하고 있다. 

기존 석탄 등 화석연료 발전비중은 축소되고 친환경적이고 지속가능한 에너지로 태양광이나 풍력 등 청정에너지 중심의 재생에너지 발전 비중이 확대되는 것이 이제는 당연 시 된다. 

3차에너지기본계획에 따르면 2040년 기준 재생에너지 발전 비중은 30~35%로 확대할 전망이며 2030년까지는 재생에너지 발전비중 목표가 20%로 설정돼 있다. 또한 정부는 2050년까지 탄소배출을 제로화하겠다는 의지를 표명하기도 했다.

다만 태양광이나 풍력 등 기상여건에 따라 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지는 이를 뒷받침해 줄 수 있는 기술력이 반드시 동반돼야 한다. 이에 에너지 저장기술을 활용해 잉여전력을 저장해두고 필요할 때 사용하거나 난방이나 수송 등 다른 에너지부문으로 활용을 할 수 있는 섹터커플링(Sector Coupling)이 주목받고 있다. 

에너지 공급과 소비를 효율적으로

2012년 독일에서부터 사용되기 시작한 Sector Coupling 용어는 그린에너지 통합시스템으로도 불리며 재생에너지를 기반으로 에너지 공급과 소비가 상호 통합·연계되도록 하는 에너지시스템이다. 3차 에기본에도 분산에너지 친화형 시장제도 마련을 위한 통합에너지시장 구축이 포함돼있다.

또한 최근 산업부 분산에너지 활성화 로드맵 초안에서는 전력-비전력 부문간 결합(P2H 등) 개발 및 경부하 시간대 수요를 늘리는 플러스 DR제도 도입(제주 우선 추진)을 발표한 바 있다.

중장기적으로 전력과 비전력에너지(가스, 열, 수소)를 연계한 시장을 구축하고 사업자를 육성할 전망이다. 전기나 열 가스 등을 함께 공급하거나 지역 내에서 가장 비용효율적인 에너지원을 선택하고 에너지원간 전환(P2X)을 통해 서비스 제공을 허용하는 것이다.

한 국가의 에너지전환 과정은 4단계로 나눌 수 있다. 첫 단계는 재생에너지 기술개발이며 2단계는 최종 수요처의 전력화를 통한 공급 및 수요 부문간 결합, 즉 섹터커플링 단계를 거쳐야 한다. 3단계는 전력화가 어려운 소비부문의 에너지전환과 과잉 생산된 재생에너지의 저장을 위한 수소경제의 실현, 최종목표인 4단계가 화석연료발전의 완전한 중단으로 에너지전환 완료라고 볼 수 있다.

현재 우리나라는 에너지전환 과정의 2단계에 있으며 섹터커플링은 전력수급 불안정성 해소를 위한 유연성 자원 확보 및 전력시장 개편을 포함한다.

섹터커플링은 난방이나 수송 등 다른 에너지부문에 효율적으로 에너지를 이용할 수 있어서 재생에너지 변동성 대응 측면과 전력계통의 유연성을 제공한다. 섹터커플링을 통해 보다 효율적인 에너지전환을 이룰 수 있는 것이다.

섹터커플링은 에너지 인프라와 저장가능한 에너지를 통해 난방 및 수송 부문을 연결하는 시스템인만큼 재생에너지 잉여전력을 다양한 에너지부문으로 통합하는 에너지변환 기술이 필요하다. 

이러한 에너지변환 기술을 Power to X라고 하는데 재생에너지 전력을 열이나 가스, 수소 등 기타 합성연료 형태로 변환해 저장하는 방식이다. X에 열(H), 가스(G) 등을 대입한다.

P2X기술은 잉여전력을 타 에너지원으로 활용해 전력계통 수급 안정화를 도모하며 재생에너지 수용성 확대, 전력계통 안정성과 신뢰성을 확보한다. 

재생에너지가 확대 보급되는 미래에는 계통의 신뢰성과 안정성 확보를 위해 시스템 구축이 필수적이다. 

‘P2H’로 재생에너지 변동성 잡는다

한국지역난방공사는 지난 2017년부터 재생에너지의 잉여전력을 집단에너지용 열에너지로 변환하는 P2H 도입을 위한 준비를 하고 있다. 

P2H는 전기보일러, 히트펌프 등을 활용해 재생에너지 잉여전력을 열부문으로 연계하며 연계된 열 에너지는 지역난방 사용자에게 공급하거나 저장한다. 기존 화석연료를 활용하는 것보다 탄소배출량이 저감되며 효율도 훨씬 높은 것으로 나타났다.

한난은 열병합발전에 전기보일러를 결합해 다양한 운전모드를 활용할 수 있는 기술을 도입할 전망이다. 

전기보일러는 전력시장 가격신호에 따라 잉여전력을 이용해 열로 변환하며 재생에너지와 집단에너지의 유연성 향상을 위한 전기보일러 제어기술이 개발됐다. 

전기보일러는 가스보일러에 비해 컴팩트한 형태로 효율은 높고 중량과 규모는 작다. 전기보일러는 가스보일러대비 효율은 9% 우위를 점하며 중량은 가스보일러에 비해 13% 수준, 공사면적 역시 13% 수준이다. 

한난은 P2H를 △CHP 경직성 대응 △P2H 단독운전 모드 △대규모 재생에너지 단지 중심 P2H 활용 집단에너지사업 등으로 활용할 방침이다. 

열 제약 발전 시 거래소 에너지관리시스템(EMS) 신호을 P2H설비에 직접 연결해 경제급전(AGC)에 응동하게 하며 CHP 없이 P2H 단독으로 운전해 재생에너지의 잉여 전력 발생 시 전력수요를 증가시켜 재생에너지 출력 제한을 완화한다. 또한 A지사와 B지사 간 열 교환으로 손실이 발생할 때 이에 대한 보상용으로 P2H를 사용할 수 있도록한다. 

한난은 P2H 관련 기술특허도 출원해 계통안정화 기여에 열을 올리고 있다.

출원된 특허 주요 내용으로는 주파수 제어가능 P2H기기, 시스템 구성, 운영, 에너지관리 및 거래 방법 등이다. 지난해 8월에는 전력계통과 집단에너지계통의 전력거래시스템 및 이를 이용한 전력 거래 방법을 등록했으며 11월 전력계통 안정화를 위한 전력 소모 장치 및 이를 이용한 전력 소모 제어 방법, 12월에는 전력계통과 집단에너지계통의 에너지변환 제어 장치 및 이를 이용한 변환 제어 방법을 특허 등록했다. 

플러스 수요반응자원인 P2H 도입 시 경제성도 고려해야 한다. 

플러스 수요반응시장은 기존 DR과 달리 약속한 시간(09~18시)에 전기를 사용하면 정산금을 받는 제도로 공급이 넘칠 때 소비를 하도록 해 과잉공급을 해소하고 이때 전기를 쓰면 쓸수록 더 많은 보상을 받을 수 있도록 하는 것을 의미한다.

한난의 관계자에 따르면 재생에너지 과잉공급에 의한 플러스 DR 급전발령 시 한전 수전용 경부하 전력요금을 적용한다면 가스보일러대비 생산단가는 경제성이 있다.  

그러나 재생에너지의 과잉공급 발생이 집중되는 최대·중간 부하 시간대를 고려해 플러스 수요반응자원 수전용 전기요금을 책정할 필요가 있다. 

또한 전력거래소 직거래 시 전력시장가격(SMP) 70원/kWh 이하에서 가스보일러대비 생산단가가 경제성이 있으며 플러스 DR로 거래 시 SMP 상한 적용 및 송배전망 이용요금 인하 조정 등이 필요하다.

해외 활용 사례

유럽 전력거래 시장에서 전기보일러는 플러스 수요반응자원으로 활발하게 적용되고 있다. 
지역난방설비에 전기보일러를 활용하고 있는 덴마크는 에너지저장 형태 약 95%가 열이며 이 중 전기보일러에 의한 저장비율은 15~20% 수준이다. 덴마크는 전기보일러 용량을 2040년 2,000MW까지 확대할 전망이다. 

덴마크는 지역난방 사업자가 열과 전력 공급 및 밸런싱 시장에 참여한다. 열병합발전은 전력시장 가격 신호에 따라 운전되며 전력시장가격이 전력생산가격보다 낮을 시 P2H로 열을 생산한다. 

P2H 활성화 위한 과제는

국제 최종에너지 소비 비중 중 절반은 ‘열에너지’로 전력이 차지하는 최종에너지 비중은 전체17%에 불과해 열에너지에 비하면 절반도 되지 않는다. 다만 재생에너지를 활용해 생산한 열에너지는 이 중 10%로 미미한 편이다. 

전문가들은 재생에너지가 전력부문에서는 많이 발달해 있지만 열분야에서는 많이 활용되지 못하고 있어 탄소중립을 위해서는 열분야 탈탄소도 동반돼야하며 재생에너지와 열에너지를 연계하기 위한 시장과 요금 제도가 재책정돼야 한다고 주장한다.

한난의 관계자는 “P2H가 실효성 있게 운영되기 위해서는 수익모델 확보를 위한 플러스 수요반응자원 전기요금 책정이 필요하다”라며 “수요증가분에 대해서는 한전의 수전용 전기요금체계 정비와 거래소 직거래 시 SMP 상한을 적용해야 한다”고 설명했다.

또한 전력계통 안정화를 목적으로 긴급 수요반응자원 응동 시 보조서비스 비용에 대한 추가적 정산을 할 수 있도록 시장을 개선해야 한다. 이는 계통편익이나 계통안정화 기여에 대한 항목을 포함해 조금이라도 알파계수를 줘야 한다는 것이다. 

이어 전력 직접거래제도 완화 및 지원도 확대돼야 한다. 현행제도에서는 특정 기업이 직접거래제도를 도입한다고 해도 조건이 추가되면서 결국 적접거래 메리트가 없다. 직접거래 활성화를 위해서는 조건 완화 등 비용을 절감할 수 있는 제도개선이 필요하다. 

또한 P2H는 온실가스 감축과 에너지효율이 높은 만큼 가스보일러대비 환경개선 효과에 대해 탄소배출권할당 우대나 세제 우대 등 지원이 필요하다. 

아울러 현재 연료전지가 전력을 생산할 시 REC를 인정해주듯 재생에너지를 활용해 전기보일러가 열에너지를 생산·공급할 시 RHO를 인정하는 방안도 고려돼야 한다.

현재 P2H 실증과 관련해 한난은 탄소없는 섬을 목표로 하고 있는 제주도를 실증에 가장 적합한 지역으로 고려하고 있다. 전문가들은 제주도는 재생에너지 발전비중이 높고 전력계통이 독립적으로 운영되고 있어 실증에 가장 적합하다고 의견을 모으고 있다.


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