에너지원 확보가 국가 경쟁력이다

에너지원 확보가 국가 경쟁력이다: 편집국 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2007-09-17 14:08:00

국제사회는 기후온난화 및 석유, 화석연료의 고갈을 대비하기 위하여 국가의 모든 역량을 기울이고 있다. 이를 대체할 에너지가 필요하다. 기술개발 속도에 따라 그 변화는 예상보다 훨씬 빠르게 올 수도 있다. 지난 1997년 전 세계 에너지 중 22%였던 천연가스 비중이 오는 ’20년에는 29%로 늘어난다는 전망도 환경친화적인 에너지의 빠른 증가세를 볼 수 있게 하는 대목이다.

우리나라도 1987년 대체에너지개발촉진법이 만들어진 이후 11개 분야에 2,000억원에 달하는 정부의 기술개발자금이 지원됐다. 사업초기 대학이나 연구소 중심의 기초연구 위주에서 민간기업의 점진적인 참여를 유도해 실용화 기반 구축에 나서고 있다, 이에는 태양열, 태양광, 바이오, 폐기물, 석탄이용, 풍력, 연료전지, 소수력, 수소, 지열, 해양부문 등 다양하다.

국내 신재생에너지 사업은 정부 주도 아래 빠른 속도로 추진되고 있다.
기본계획(’03~’12년)에는 기술개발을 포함, 보급 활성화를 위한 다양한 제도가 포함됐으며 ’04년 ‘신재생에너지 원년’ 선포에 이어 ’05년에 ‘수소경제 마스터플랜’을 수립하고 획기적으로 예산을 증액시키고 서두르고 있다. ’07년도 신재생에너지 예산은 지난해 4,096억원 대비 6.2% 증가된 4,351억원이다.

신재생에너지 기술개발 사업에 1,326억원이 투입되며 보급사업 1,541억원, 보급융자 1,213억원, 발전차액에 270억원이 지원된다. 올해 신재생에너지 보급은 570만toe가 목표이다. 세부목표를 살펴보면 폐기물의 열이용 설비가 411만toe로 가장 높다. 이밖에도 영흥, 곡성, 보령 등에서 추진되는 소수력발전 98만3000toe를 비롯해 바이오디젤, 바이오가스 등 바이오에너지 311toe가 원별 주요공급목표량으로 추진된다.

최근에는 대기업들의 신재생에너지 참여가 확대되면서 국내 신재생 에너지 시장은 어느덧 국내 대기업들에게도 미래 성장산업으로 인식되고 있을 만큼 급성장을 하고 있다. 국내 에너지공급사와 신재생에너지 공급협약인 ‘RPA(Renewable Portfolio Agreement)’가 본격적으로 시작돼 한전, 발전회사 등 국내 9개 에너지공급사에서 2006년부터 2008년까지 1조1000억원을 투자키로 해 신재생에너지 보급에 가속페달을 밟고 있다. 이밖에도 신재생에너지 인증대상 품목이 기존 8개에서 태양열 온수기, 축전지 등을 추가로 지정해 11개로 확대됐다.

주요선진국의 신재생에너지 정책
「Economy」「Energy」「Environment」를 통합하는 이른 바 3E정책을 전개하고 있는 선진외국은 국가주도의 중장기 개발계획을 수립하여 신재생에너지를 개발하고, 이용효율을 향상하는데 주력하고 있다. 풍력발전의 경우 지난 ’00년말 기준으로 국내 발전설비의 1/3에 가까운 수준인 총1만7,700㎿가 45개국에서 가동되고 있을 정도다.

미국의 경우 이미 1986년부터 「Clean Coal Technology Program」을 추진해왔으며 1991년에는 국가에너지 전략을 수립하여 종합적인 기술개발 능력을 확보하는데 초점을 맞추고 있다. 1993년 클린턴 행정부에서는 환경보호를 위해 에너지부문의 기술개발에 중점을 둔 「기후변화 실천계획」을 수립했다. 이 같은 기술개발로 120만 가구와 20만개의 상업시설이 태양열 온수설비를 갖추고 있다.

유럽연합은 총 에너지 중 대체에너지 비중을 ’10년까지 12%로 확대한다는 목표를 세워놓고 있다. 1997년에는 CO₂ 배출량을 ’10년까지 1990년 대비 15% 감축하도록 하는 정책목표를 채택했다. 이외에도 「대체, 청정, 절약기술개발 프로그램」 등을 수립하여 EU공동으로 추진해 오고 있다. 특히 유럽국가들은 원자력 발전설비를 증설하지 않고 풍력발전에 집중적으로 투자하고 있다.

일본은 1차 오일파동 후 신재생에너지 개발의 내용을 담은 「Sunshine plan」을 추진하고 2차 오일파동을 겪은 후에는 에너지이용 효율향상 및 절약기술개발을 주요 내용으로 하는 「Moonlight plan」을 수립했다. 1990년대 들어서는 기후변화협약 이후 환경을 고려하여 두 계획을 통합한 종합 에너지기술개발계획인 「New Sunshine plan」을 수립해 오는 2020년까지 1조 5,500억엔을 투자한다는 계획이다.
@P1@02@PE@

국내에서 실용화된 대체에너지
21세기 신성장동력의 바로미터 신재생에너지의 국내 보급 및 기술개발이 최근에는 다양한 방법과 방향으로 추진되고 있다. 우리나라의 신재생에너지로 태양열, 풍력, 수력 등이 있지만 제한된 개발로 소규모 주택용 에너지로 사용되고 있을 뿐이다. 공급비중은 ’05년 기준 총 1차 에너지 중 2.2%에 불과한 걸음마 수준으로, 일부에서 원자력발전을 포기하고 다른 대체에너지로 전환해야한다는 주장을 하고 있으나, 현실적으로 볼 때 기술적, 경제적으로 해결해야 할 과제가 너무 많은 것은 사실이다.

태양열이나 풍력으로 원전 1기와 동일한 전력량을 얻으려면 광대한 면적이 필요하기 때문에 국토가 협소한 국내 여건에는 적합하지 않다. 또한 설비에 많은 비용이 들고, 간헐적으로밖에 이용할 수 없을 뿐더러 생태계 파괴, 소음 등 또 다른 환경문제가 발생할 수 있다. 그동안 원자력발전을 통해 저렴하고 안정적인 전력을 공급해 온 우리나라는 현재 2% 내외인 대체에너지 보급률을 ’11년경에는 에너지 사용량의 5%까지 끌어올리는 것을 목표로 신재생에너지 개발과 보급에 적극적으로 나서고 있다.

산업자원부는 한국전력 등 9개 에너지 공기업과 신재생에너지 발전설비 건설과 연구개발(R&D)을 위해 올해 4,299억원, 내년에 7,068억원 등 모두 1조1,367억원을 투자키로 하는 ‘신재생 에너지 개발공급협약’을 체결했다. 협약에 참가하는 회사는 한전과 한전의 6개 발전 자회사와 한국수자원공사, 한국지역난방공사 등이다. 산자부는 투자가 ’08년까지 마무리되면 현재보다 추가될 발전설비는 348MW, 열공급 설비는 107Gcal/h에 이르며 또한 정부는 오는 ’11년까지 태양광, 풍력, 지열 등 신재생 에너지를 발전량의 7%로 확대한다는 중장기 계획을 세워놓고 있다.

천연가스 액체연료 디메틸에테르(DME)
한국가스공사, 삼성엔지니어링, 두합크린텍 국책과제 수행중
천연가스는 가스전에서 채취하여 분리·정제한 후 소비지까지 파이프라인을 통해서 수송·활용되지만 가스전으로부터 멀리 떨어져 있는 나라는 장거리 수송하기에 적합한 액체 상태인 LNG로 전환하여 수송되어진다.

“우리나라의 경우 한국가스공사가 1998년도 산업자원부의 지원으로 ‘천연가스로부터 액체연료 제조를 위한 기획연구’를 수행하여 천연가스를 액체화하는 GTL(Gas to Liquid) 공정에서 DME 제조 기술이 ’00년 한국가스공사 연구개발원에서 ‘천연가스와 이산화탄소로부터 DME 제조 기술개발’ 사업을 수행하여 연간 3,000kg의 DME 제조 소형 벤치플랜트를 구축했다”고 한국가스공사 연구개발원 LNG기술연구센터장 백영순 박사는 밝혔다.

최근 보다 경제성이 있고 활용 용도가 넓은 천연가스 액체연료 중의 하나인 DME(Dimethyle ether, 이하 DME) 개발은 신·대체 연료 에너지로서의 가능성이 높을 뿐 아니라 경제적인 에너지 수송수단으로서의 가능성도 높게 평가되고 있다.

이를 바탕으로 과학기술부의 ‘온실가스 저감 중점기술개발 사업’과 맥을 같이해 과학기술부 국책과제로 약 14억원의 연구비를 지원 받아 총 21억 5천만원 (한국가스공사: 5억원, 삼성엔지니어링: 2억원, 두합크린텍: 5천만원)의 개발비를 투자하여 ’01년 10월부터 하루 50 kg에서 최대 100 kg DME를 제조할 수 있는 파일럿 플랜트 구축 및 운전 기술개발을 수행하고 있다.

파일럿 플랜트로부터 DME를 제조 운전하면서 하루 5~10톤 데모 플랜트 설비로의 스케일-업에 필요한 설계 데이타 및 공정 운전 데이터를 수집할 계획이다. 이를 통하여 데모 플랜트 설비를 지어 국내 수요의 일부를 담당하는 한편 해외 가스전 액체연료화 개발 진출의 교두보를 마련할 계획이다.

물만 있으면 마르지 않는 에너지, 수소
수소는 우주에서 발견할 수 있는 원소로 우주 질량의 75%, 우주 분자의 90%를 구성한다. 수소는 결코 고갈되지 않는다. 수소는 연료전지를 이용해 전기에너지를 얻을 수도 있으며, 핵융합반응을 통해 수소폭탄과 같은 엄청난 에너지를 만들 수도 있다.

최근 국내외에서 활발하게 연구되고 있는 분야가 자동차연료로서의 수소다. 수소자동차에서는 일반 가솔린자동차와 달리 가솔린 대신에 수소를 연료로 엔진을 구동시키므로 배기가스는 물이 주성분으로 공해물질의 배출이 거의 없는 장점이 있다. 실제 BMW는 ’20년까지 20%의 수소 연료 자동차를 만들 것을 목표로 하고, GM, 다임러크라이슬러, 포드, 토요타를 포함하는 거의 모든 주요 자동차 회사들은 비슷한 연구를 하고있다. 국내에서도 현대자동차 등에서 실험용 차량이 제작된 바 있다.

대규모 실용화를 목표로 1980년대 중반 독일에서 시작된 수소기술 개발계획은 이후 미국과 일본에서도 본격적인 계획 수립에 착수하여 미국은 1990년, 일본은 1993년을 기점으로 대규모 수소기술 개발 프로그램(WE-NET)을 시작했다. 아이슬랜드는 세계 최초로 국가프로젝트를 시작하였다.

우리나라의 수소연구는 1970년대 말부터 한국에너지기술연구소 등을 중심으로 관련 기초연구가 시작되었으나 G7 과제에 채택되지 않아 대체에너지 기술개발사업 및 관련 연구소에서의 중장기 계획에 따른 연구만이 수행되었다. 이후 1992년부터 수소에너지 연구개발에 정부 지원이 본격화되면서 연구소 및 일부 대학에서 지속적으로 수소에너지 관련 연구에 나서 열화학법에 의한 수소제조기술, 저가의 청정연료 제조기술, 금속수소화물을 이용한 열수송 기술 등의 연구가 수행되었거나 진행 중에 있다.

연료전지 80년대부터 개발 본격화, 상용화 단계
연료전지의 가장 큰 장점은 친환경성을 들 수 있다. 우리나라의 연료전지기술은 1980년대부터 개발이 본격적으로 시작돼 현재 일부 생활에 적용할 수 있는 수준에 이르고 있다. 우리나라의 연료전지 개발은 외국 선진국보다는 늦은 85년 한국에너지기술연구소(현 한국에너지기술연구원)와 한전전력연구원이 5.9kW급 인산형 연료전지를 수입해 이를 대상으로 성능실험에 나선 것이 국내 연료전지 연구의 시작으로 볼 수 있다.

한국에너지기술연구원은 87년부터 과학기술처의 국책 연구 사업을 주관해 각 연구소와 대학 등이 공동으로 참여하는 인산형 연료전지 발전시스템개발을 추진했으며, 92년에는 우리나라 최초로 1kW급 인산형 연료전지 본체를 개발, 이후 친환경적인 신에너지개발에 국가적인 관심이 높아지면서 기술개발은 급속도로 성과를 거두게 되었다.

현재 우리나라의 기술은 10kW급 연료전지를 개발해 상용화를 위한 발전설비를 개발하고 있는 단계로, 연료전지 선진국인 미국이 200kW급의 생산에 들어간 것과 비교해 큰 격차를 보이고 있으나, 연료전지 개발에 대한 관심이 더욱 높아져 산ㆍ학ㆍ연 공동으로 연구를 추진하는 등 개발 속도가 빨라짐에 따라 앞으로 연구 성과는 배가 될 것으로 기대된다.

바이오 에너지 매립지가스(LFG)
친환경적인 요소를 충족시키면서 고도 산업사회에서 발생되는 대량의 폐기물을 효율적으로 활용할 수 있는 에너지원이 대체에너지개발의 핵심 분야로 떠오르고 있다. 그 대표적인 에너지원이 바로 바이오 에너지이다.

바이오 에너지는 크게 3가지로 분류되지만 국내에서 가장 활발하게 추진되고 있는 분야는 쓰레기 매립장에서 발생되는 메탄가스를 활용한 기술이다. 이를 바이오가스 즉 매립지가스(LFG-Land Fill Gas)라고 한다.

국내 매립가스 활용은 대부분 대규모 형태의 매립장을 통해 발생되는 메탄가스로 전기발전 용도로 활용되고 있다. 앞으로 LFG를 전기발전용 보다는 고부가가치의 가스생산쪽으로 활용되는 방안이 모색되어야 할 것이다. 이는 민간사업체가 내놓은 매립지 가스활용에 대한 비교자료에 의하면 LFG 1㎥가 약 1.57kwh의 전기를 생산으로 102원, 중질가스나 청정연료로 사용될 경우 158원에서 180원까지 높은 경제성을 보인 것으로 파악되고 있다. 이는 전기생산보다 도시가스나 자동차 연료 등 가스생산으로 활용하는 것이 경제성을 한층 높인다는 것이다.

이와관련 최근에 국내에서는 대규모 매립지의 경우 LFG자원화 사업이 추진되고 있고 그 대표적인 사례가 난지도 LFG활용시설이다. 9,200만톤의 쓰레기가 묻힌 난지도 매립지는 LFG 생산량이 분당 238㎥으로 연간 가스생산량은 무려 1억2,509만㎥에 이른다.

이중 120㎥/분을 강제로 포집해 지역난방공사에 공급하고 그 열로 월드컵 경기장과 주변지역 아파트 1,992세대에 공급하고 있다. 난지도 매립지는 상암택지지구 신규 아파트를 포함한 총 1만2천여세대의 아파트와 상암동 디지털미디어시티(DMC) 등에 20년 동안 메탄가스를 활용, 지역난방 열원으로 공급할 계획이다.

또한 울산광역시 성암매립장 역시 분당 40㎥의 LFG를 생산해 매립장 내 소각장에 있는 보조버너 연료로 활용되고 있다. 부산시 생곡매립장에서는 2.7MW급 전력을 생산하는데 LGF가 재활용되고 있고, 포항 호동매립지(3MW)에서도 비슷한 수준의 전력생산에 활동되고 있다. 이 같은 추세는 전국적으로 대규모 매립장을 중심으로 활발히 추진되고 있다.

태양광·태양열
햇빛을 반도체 소자인 태양전지판에 쏘이면 전기가 발생하는 원리(광전자 효과, photovoltaic effect)를 이용하는 태양광발전시스템은 무공해, 무소음, 무한에너지로서 대표적인 대체에너지이다. 태양광발전은 1954년에 Bell 연구소에서 4%의 효율을 내는 첫번째 결정질 실리콘 태양전지가 만들어진 이래 인공위성의 통신용 전원과 무선중계소, 등대 등에 응용됐다.

국내에서의 태양광발전 기술개발은 70년대 초부터 대학과 연구소를 중심으로 기초연구를 시작한 이래 88년부터 정부와 에너지관리공단의 지원아래 본격적으로 수행됐다. 국내 태양광발전 기술은 2001년까지 총 3단계 사업을 통해 태양전지 및 주변장치의 국산화와 독립형, 계통연계형 등 시스템이용 요소기술, 고효율 실리콘 태양전지의 실용화와 시스템을 구성하는 주변장치(인버터, 축전지 등)의 표준화에 역점을 둔 기술개발이 이루어졌다.

이후 고효율 태양전지 상용화 기술개발 4단계 기간인 ’02∼’06년까지 수행 완료된 요소기술을 최대한 활용하여 패키지 형태로 기술개발을 추진 태양전지의 저가, 대량 양산기술과 함께 주택용 3kW급 태양광발전 시스템의 상용화 기술개발을 적극 추진하였다.
특히 우리나라는 일사량이 풍부하고 전국적으로 고른 분포를 보이고 있기 때문에 지역의 영향을 덜 받는 것도 태양열을 이용한 기술개발 및 보급이 유리한 조건 중 하나이다.

가스하이드레이트
최근 깊은 바다 속 퇴적층에 쌓인 생물의 사체에서 발생한 메탄가스 등이 물과 결합해 얼음과 같은 형태로 묻혀 있는 가스하이드레이트(천연가스 수화물) 발견은 21세기 화석에너지를 대체하여 자리매김 하기에 충분한 매장량과 분포를 지닌 에너지로 평가받고 있다.

특히 일본 해역 주변에는 자국에너지 소비량의 100년 이상 사용할 수 있는 가스 하이드레이트가 매장되어 있다고 발표하여 더욱 주목을 끌고 있다. 우리 나라의 경우 에너지 확보 사업의 일환으로 산업자원부의 지원하에 한국가스공사가 가스 하이드레이트 탐사 및 기술개발을 ’00년부터 본격적으로 수행하고 있다. 부존 가능성이 높은 동해 울릉도 부근 해역(면적: 44,530 ㎢)을 5년간 탐사하고 관련 기술 개발을 수행하고 있으며, 총 26억원(산업자원부 11억원과 가스공사 15억원)의 기술 개발비를 투입하여 한국지질자원연구원과 공동으로 실시하고 있다.

한국가스공사 연구개발원에서는 가스하이드레이트 물성, 저장·수송 및 파이프라인의 관막힘 현상에 관한 기술개발이 진행되고 있으며, 생산시 필요한 기초 데이터를 확보하는 한편 생산하여 활용하는 많은 기술을 확보하고 있다. 가스하이드레이트는 풍부한 매장량과 환경 친화적인 차세대 에너지이면서도 동해에 부존 가능성이 크다는 점에서 좋은 기회임에 틀림없다.