대전환 시대와 전력 산업

21세기의 인류는 급격한 대전환 시대에 직면해 있다. 이른바 4차 산업혁명의 혁신 기술로 촉발된 디지털 전환 및 탄소 중립 실현을 위한 에너지 전환, 그리고 글로벌 전염병 대유행으로 인한 새로운 일상이라는 뉴노멀로의 전환을 경험하고 있는 것이다.

이러한 대전환의 시대에는 정치, 사회, 경제, 그리고 산업적 패러다임의 근간이 변화하고 있으며, 전력 산업도 그 변화의 중심 속에서 위기와 기회를 모색해야 하는 상황에 놓여 있다. 특히 본격적인 에너지 전환 시기를 맞이하고 있는 전력 산업이 주목해야 하는 부분은 기존 전원 믹스(Power Mix)의 변화를 넘어, 전체 에너지 믹스 최적화와 저효율 소비구조 개선, 에너지 신산업 육성 등을 포괄하는 에너지 산업 전반의 혁신이 이루어지고 있다는 점이다. 이와 같은 에너지 산업 혁신의 배경에는 보다 ‘안전하고 깨끗한 에너지원’을 통해 온실가스 감축이라는 전 지구적 환경 문제를 해결해 나가려는 세계적 흐름이 깔려 있다.

에너지 산업 혁신에는 재생에너지와 에너지저장장치(ESS)가 큰 축을 담당하고 있다. 화석 연료 및 원자력과 같은 전통적인 발전원에 대한 정책적 조정은 에너지 정책 변화나 이슈에 따라 언제든지 발생할 수 있는 변수이지만 탈석탄화와 재생에너지 비중 확대는 국제 협약 속 불가피한 하나의 목표가 되었다.

또한 유럽과 달리 우리나라는 지정학적으로 전력 계통이 고립되어 있어 주변국과 전력 이동이 불가능한 상황이다. 더불어 지역적으로는 특정 지역으로의 재생에너지원 편중 속에서 재생에너지 비중 확대에 대응하는 전력 계통 보강이 지연되고 있는데 이는 안정적인 전력 공급을 위협하는 요인이 되고 있다. 최근 발생하고 있는 전남 지역 내 전압 불안정 현상이나 제주 지역 내 재생에너지 출력 제한 사례는 에너지 전환과 전력 공급의 안정성이 양립될 수 있는 대안이 필요하다는 것을 강력하게 시사하고 있다. 이에 에너지 산업 혁신과 국가적 에너지 안보 솔루션의 역할을 담당할 수 있는 에너지 신산업으로서 압축공기에너지저장(CAES) 기술을 소개하고 그 가능성을 살펴보고자 한다.

전력 계통에서의 ESS

에너지저장장치(ESS, energy storage system)는 전기에너지를 저장 가능한 상태로 변환하는 방식과 그 운영 주기에 따라 분류할 수 있다. 전기에너지의 변환하는 방식에 따라 전기화학적 에너지저장장치와 위치, 운동, 압력, 열 에너지 등과 같은 물리적 에너지로 변환하는 기계적 에너지저장장치로 구분할 수 있다.

전기화학적 에너지저장장치로는 LiB, NaS, 레독스흐름전지(RFB, redox flow battery)와 같은 2차전지(rechargeable battery)가 대표적이며, 기계적 저장 장치로는 양수발전, 중력에너지저장(위치 포텐셜), 플라이휠(운동 포텐셜), 카르노배터리(열 포텐셜), 그리고 CAES(압력 포텐셜) 등이 있다. 또한, 운영(충방전) 주기에 따라 단주기 에너지저장장치(SD ESS, short duration ESS)와 장주기 에너지저장장치(LD ESS, long duration ESS)로 분류할 수도 있다.

ESS가 전력 계통에 연결되어 제공할 수 있는 서비스는 전력 계통과 지리적 위치에 따라 에너지도매, 계통보조, 재생에너지통합, 송배전보완 등 다양하며(표 1), 각 서비스 시장에서 요구하는 사양에도 차이가 있다(표 2). 장치 특성(충방전 시간, 에너지저장 용량, 수명 등)을 고려할 때 CAES는 양수발전과 함께 대용량 장주기 저장장치로서 요구사항을 충족시킬 수 있는 경쟁력 있는 에너지저장장치이다.

CAES 기술

기술 개요와 특징

대용량 장주기 에너지저장장치로서 CAES는 유휴전력이나 간헐적 특성을 지닌 재생에너지 등을 수전하여 압축기를 통해 압축공기에너지로 변환한 뒤 별도의 공간에 저장하고, 필요 시 압축공기를 이용하여 발전하는 기계적 에너지저장장치의 일종이다.

CAES는 크게 전기에너지를 압축공기로 변환하는 압축부, 변환된 압축공기를 저장하는 저장부, 그리고 저장된 압축공기를 전기에너지로 변환하는 발전부로 구성되며, 부가 장치로는 모터/발전기(Motor & Generator), 재생열교환기(Recuperator) 등이 있다(그림 1).

CAES는 외기(外氣)와의 열교환 유무에 따라 비단열시스템(Diabatic system)과 단열시스템(Adiabatic System)으로 구분할 수 있으며, 그 외 액분사와 같은 방식으로 등온압축/등온팽창 과정을 유도하는 등온시스템(Isothermal System)이 있다.

비단열시스템의 경우 전기에너지를 압축공기에너지 형태로 변환하는 과정(압축 과정)에서 압축 효율을 높이기 위한 외기와의 열교환으로 열에너지가 손실되기 때문에 발전 시 열원으로 가스터빈(G/T)의 배기열을 사용한다. 이러한 특성으로 인해 SF CAES (supplementary fired CAES)라고도 하며 가스터빈과 결합된 시스템 형태라 할 수 있다. 반면 단열시스템은 압축 시 발생하는 열을 별도의 열에너지저장장치(TES, thermal energy storage)에 저장하여 발전 시 저장된 열을 활용하기 때문에 외부 열원이 불필요한 시스템으로 NSF CAES (non-supplementary fired CAES)라고도 한다(표 3). 등온시스템 역시 압축과 팽창이 이루어지는 왕복동 실린더(reciprocal cylinder) 내에서 액분사를 통해 등온압축/등온팽창 과정을 구현하기 때문에 열에너지가 불필요하다는 특징이 있다.

그 외 다른 분류 방식으로는 발전 시(방전 시) 저장된 압축 공기의 압력 변화 유무에 따라 변압식과 정압식으로 구분할 수 있으며, 압축공기 저장 방식에 따라서는 지질 조건을 활용하는 방식과 인공구조물을 활용하는 방식으로 분류할 수 있다. 정압식은 지하수나 해수의 정수압 상태를 활용하는 방식과 정수압 유지를 위해 별도의 지상 저수지와 통수갱을 통해 비압축성 유체인 물로 압축 공기 배출에 따른 저장 탱크 내 체적 변화를 보상하는 방식으로 구분한다(그림 4).

최근에는 배출가스를 없애는 방식으로 가스터빈 대신 수소터빈(혼소/전소)을 결합하거나 비단열시스템으로의 시스템 형식과 입지 유연성(site flexibility)을 확보하는 인공구조물 형식으로 발전하고 있다. 또한 CAES의 시스템적 특성을 활용하여 발전원 효율 향상 및 냉난방 열에너지 공급과 같은 복합 서비스에 대한 활용 모델도 제안되고 있다.

CAES의 역사

기계적 에너지저장장치로서 CAES는 일반적으로 알려진 것보다는 훨씬 역사가 길다(그림 5). 전기에너지를 압축공기로 변환하여 저장하는 기본 아이디어는 1940년대 초로 거슬러 올라간다. 이 시기에 F.W. Gay가 "발전을 위한 유체 저장 수단"이라는 미국 특허 출원을 제출하였으나, 1960년대 후반까지 전력 계통에서 에너지 저장 필요성이 크게 대두되지는 않았기 때문에 CAES가 과학이나 산업 분야에 본격적으로 등장하지는 않았다.

1960년대에 원자력 발전과 석탄 화력 발전이 기저부하 발전원으로서 도입되면서 기저부하 발전원으로부터 저렴한 오프피크 전력을 저장하고 피크부하 시간에 전력을 공급함으로써 경제적 편익을 얻을 수 있는 기회가 생기게 되었다. 이를 계기로 양수발전이 보급되어 활용되기 시작하였으나 지형 조건이 산악 지역으로 제한된다는 단점이 있었다. 1969년 독일 북부에 Unterweser 원자력 발전소가 건설되었으며, 이에 따라 이 지역에 급전용(black start) 및 피크 수요에 대응하기 위한 대용량 저장 장치가 필요하게 되었다. 이에 따라 1978년 독일 Huntorf에 최초 상업용 CAES 플랜트가 건설되었다. Huntorf CAES는 290 MW 출력의 설비를 갖추고 저장공간으로는 암염돔(salt dome) 내 용해채광(solution mining)으로 형성된 총 체적 300,150 의 두 개의 공동을 활용하였다. 50~70기압 운영 압력으로 2시간 정격 전력을 공급하도록 설계되었다.

한 가지 흥미로운 사실은 Huntorf 플랜트 건설을 결정한 독일 북서부 발전사(NKW, Nordwestdeutsche Kraftwerke)는 이 신기술 이름으로 ASSET (air storage system energy transfer plant)이라는 약어를 선택했다는 점이다. 반면에 기술 공급업체인 BBC에서는 가스터빈 기술에서 파생되었음을 강조하기 위해 “가스터빈 공기저장 피킹 플랜트”(Gas Turbine Air Storage Peaking Plant)라는 용어를 대신 제시하기도 했다.

최근 유럽에서의 D-CAES 플랜트 계획으로서 2개의 165MW 파워 트레인으로 구성된 330MW 플랜트는 압축공기 저장을 위해 지하 암염층을 활용하여 북아일랜드 Larne에 건설될 예정이며, 영국, 독일, 덴마크 및 네덜란드 등에서는 입지 타당성이 확인된 지역들을 제시한 바 있다.

Huntort CAES를 산업 주도로 추진한 유럽과 달리 미국 에너지부(DOE)는 1970년대 후반부터 태평양 북서부 국립 연구소(PNNL, Pacific Northwest National Laboratory)를 통해 CAES R&D 및 사전 실증 프로그램을 시작했다. 1980년대 초 연구 개발 프로그램은 CAES 운영 조건과 연소에 필요한 화석 연료 사용 최소화 등 두 가지 목표를 중심으로 진행되었으며, 그 결과 단열 CAES (A-CAES)를 포함한 2세대 CAES 개념의 실현 가능성을 제고했다. R&D 프로그램으로부터 비롯된 비단열 CAES (D-CAES)는 실현 가능한 단기 기술로 추진된 결과 미국 전력연구소(EPRI, Electric Power Research Institute)로 이전되었다.

하이브리드, 단열 또는 등온 CAES (I-CAES)와 같은 차세대 CAES의 개발이 연기되기도 하였으나, 이는 미국에서 단열 CAES (D-CAES)의 성공적인 구현과도 관련이 있었다. PNNL은 다양한 유형의 차세대 CAES 중에서 A-CAES를 유망 기술로 선정하였으나 EPRI는 고온 열에너지 저장(TES) 및 추가 가스 연소를 결합한 하이브리드 CAES 플랜트를 가장 유망한 차세대 솔루션으로 선정하기도 하였다.

미국 Soyland Power Cooperative Inc.는 사전 실증 프로그램으로 정압저장 방식과 재생열교환기를 채택한 220 MW D-CAES을 계약하였지만 1982년 전력 회사에서 건설을 취소한 바 있다. 이는 예상보다 더 완만한 전력 수요 증가와 같은 전력 계통 환경 변화에 기인하였다.

미국 최초의 상업용 CAES 플랜트는 1991년 알라바마주 매킨토시카운티 부지에 건설되었다. 운영사는 Alabama Electric Coopertative였으며 2008년에는 이름이 PowerSouth Electric Coopertative로 변경되었다. McIntosh CAES는 테네시강 유역 개발 공사(Tennessee Valley Authority) 및 하와이 전기공사(Hawaiian Electric Co.)와 같은 여러 미국 전력 회사에 CAES 기술에 대한 관심을 유도하는 계기가 되었지만 이후 상용 플랜트의 추가 건설은 이루어지지 않았다. 이후 오하이오주 석회석 광산을 활용하는 Norton 프로젝트(2001), NYSEG (New York State Electric and Gas)가 계획한 Seneca CAES 프로젝트(2012), PG&E (Pacific Gas and Electric Company)는 캘리포니아주에서 추진한 다공성 암반을 활용한 300 MW D-CAES 프로젝트 등이 계획되기도 하였다.

비록 대규모 상업용 플랜트 계획은 실행에 옮겨지지 않았지만, 다양한 실증 연구를 위해 SMUD (Sacramento Municipal Utility District)는 풍력발전 연계형 15~50 MW D-CAES 관련한 연구를 추진하였다. 또한, 뉴욕전력공사(NYPA, New York Power Authority)는 10 MW, 4.5시간 저장용량의 D-CAES에 대한 설계, 성능 및 열역학 연구 등이 진행되었으며, NPPD (Nebraska Public Power District)는 Dakota 다공성 사암층 내 공기를 저장하는 방식의 100–300 MW CAES를 시험 운영 중이다.

미국 McIntosh CAES 이후 상업용 CAES 플랜트가 운영되고 있지는 않으나, 여전히 그 가능성을 예상하고 다양한 CAES 프로젝트 계획을 수립하여 추진하고 있는 상황이다(표 4). 이와 같은 최근 CAES에 대한 관심이 증가하고 있는 주요 동인은 앞서 언급한 Huntorf 및 McIntosh CAES과는 차이가 있다. 이는 전 세계 많은 국가들에서 주력하고 있는 풍력 및 태양광과 같은 간헐적 재생에너지의 비약적 보급 확대와 관련이 있다. 사실 재생에너지를 보상하는 CAES의 능력은 이미 1976년과 1981년에도 언급되었지만 당시에는 그다지 중요하게 여겨지지 않았다. 이는 Huntorf및 McIntosh CAES가 블랙 스타트 기능 및 피크 시간 대 더 저렴한 기저부하 전력 공급과 같은 경제적 최적화에 목적을 두었기 때문이다. 반면 오늘날에는 간헐적 재생에너지의 계통 수용성 향상과 계통 안정성 확보에 대한 필요성이 시급한 현안으로 등장함에 따라 CAES는 이러한 재생에너지 자원의 통합을 위한 핵심 기능 기술로 인식되고 있다.

CAES 서비스 포트폴리오

대용량 장주기 에너지저장장치로서 CAES는 전력계통 내에서 기존 알려진 바와 같이 부하이동, 재생에너지 통합, 송변전 설비 투자 유보 등 기본적인 기능 외 CAES만의 특장점을 활용하면 보다 다양한 서비스 포트폴리오를 구성할 수 있다.

CAES는 전기화학적 방식의 BESS나 양수발전과 다르게 부하단(충전)과 발전단(방전)이 분리되어 있는 시스템으로 부하단의 압축기 출력과 발전단의 터빈 출력을 반드시 동일하게 구성할 필요가 없다. 이는 저장 주기와 출력 주기를 다르게 운영할 수 있음을 의미한다. 즉 탄력적인 운영과 충방전 동시 운영이 가능하며, 이는 재생에너지의 부하 관리 측면에서 큰 강점이라 할 수 있다.

또한 CAES의 시스템 구성에 따라 재생에너지원을 포함하는 발전단 및 송/변전단에서의 대용량 장주기 ESS의 고유 기능 외 기존 발전원 효율 향상, 열전 동시 공급 등 활용범위가 매우 넓은 특징이 있다.

CAES에서 적용할 수 있는 에너지변환 설비인 압축기, 터빈, 열교환기 등은 제조업, 발전산업 및 해양플랜트 분야에서 필수 기자재이며, 최근 국산화에 성공한 가스터빈, 대용량 고압 압축기 등은 다양한 트렉레코드 확보에도 기여할 수 있다. 또한, 지하 암반 내 복공식 저장소 개발(LRC, lined rock cavern)은 수소저장, 고온열에너지 저장, LNG 및 PNG (pipeline natural gas), 액화암모니아 저장 등 다양한 저장 플랜트로도 활용이 가능하다.

결언

‘2050년 탄소중립’선언 및 추진 전략 발표로 인해 저탄소·분산형 에너지 확산을 통한 에너지 산업 생태계 변화가 더욱 가속화될 것으로 예상되며, 특히 탄소중립을 위한 재생에너지 발전 비중 확대는 전력 계통 운영에 있어 다양한 문제를 야기할 수 있다.

저탄소 에너지 전환과 안정적인 전력 공급의 양립을 위해 탈석탄화, 대규모 송전망 설비 증설 계획, 원자력 정책 변화, ESS 보급 정책 등 다양한 정책적 대안이 제시되고 있다. 하지만, 대규모 송전망과 같은 전력 설비 건설은 사회적 수용성 문제에 직면할 수 있으며, 급속한 탈석탄화 정책은 안정적 전력 공급의 불확실성을 키울 수 있기 때문에 이에 대한 대책도 시급한 상황이다. 특히 ESS 보급 정책은 여전히 2차전지 기술(리튬 기반 전지) 중심으로 이루지고 있기 때문에 화재 문제와 같은 기술적 리스크와 전력계통에서의 기능적 한계가 있을 수 있다.

재생에너지 보급과 탈석탄화와 같은 저탄소 에너지 전환과 안정적 전력 공급의 양립이라는 정책 취지를 살리기 위해서는 ESS 보급 정책 역시 ESS 기술 포트폴리오 내에서 다양성과 함께 기술 성숙도와 특장점을 고려하여 전력계통 내 최적의 ESS 믹스를 찾는 것으로부터 출발해야 할 것이다.

급격한 에너지 전환기의 ESS 믹스에서 발전원 규모(utility scale)의 장주기 ESS 기술의 필요성이 더욱 커질 것으로 예상할 수 있으며, 대용량 장주기 에너지 저장이 가능한 CAES는 재생에너지 전환과 관련된 전력망 투자 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 기술적 대안이 될 수 있다.

대용량 장주기 ESS로서 CAES는 ESS 포트폴리오의 주요 축을 담당할 수 있으며, 국가 에너지 전환 정책과 함께 새로운 전원믹스 하에서의 전력 계통 불확실성을 줄이는 에너지 안보 솔루션(ESS, Energy Security Solution)을 제공할 수 있을 것이다.

류동우 한국지질자원연구원 책임연구원 keaj@kea.kr