한국전력은 에너지밸리 R&D(연구개발)인프라의 확대와 신산업 연구개발의 전문성을 더하기 위한 에너지신기술연구원 건립업무를 추진했다. 2019년 11월 착공을 시작으로 지난해 1월 ‘그린에너지 기술혁신을 이끌어가는 세계 정상의 연구원’을 비전을 가지고 개소했다. 1년의 세월이 흐른 현재 에너지신기술연구원은 빛가람 에너지밸리의 지역 거점 R&D 혁신성장에 앞장서고 있으며, 수소, 에너지저장, 태양광, 해상풍력, 재생에너지 O&M, MVDC(Medium Voltage Direct Current), 신소재 등 7개 분야를 중점으로 두고 기술개발을 추진하고 있다.

에너지밸리 기업들과 연구개발 공동 추진

전라남도 나주에 위치한 에너지신기술연구원은 축구장 약 14배 크기인 10만 5,500㎡(약 3만 1,913평)에 종합실증연구동(8,768㎡), 기업협력시험동(3,341㎡), 특화기술시험동(5,009㎡)과 5만㎡ 규모의 옥외 실증시험장등으로 구성돼 있다.

정문을 지나자 오른쪽에는 종합실증연구동이, 왼쪽에는 연구시설들이 나타났다. 종합실증연구동은 사무실, 회의실, 세미나실, 대강당 등이 있다. 특히 구내식당이 운영 중으로 주변 에너지밸리 기업 직원들도 많이 방문한다고 한다. 종합실증연구동과 함께 연구성과의 기술이전·사업화·창업 공간으로 활용되는 기업협력시험동이 있다.

연구원 관계자는 “인근 에너지밸리 기업들과 미래 전력사업 생태계를 조성하는 연구개발을 공동으로 추진하고 있다”고 강조다.

특화기술시험동에서는 에너지신산업 중점분야에 대한 연구개발을 위해 전력반도체 기반 송·배전 기자재 평가 등의 실험이 이뤄진다. LiB계 이차전지를 비롯, EV 폐배터리 모듈까지 성능평가가 가능한 고용량 충방전 실험설비 구축을 완료하고, 다양한 실험 및 기술지원을 수행중이다. 향후에는 MVDC용 친환경 케이블에 대한 절연 및 온도성능 등에 대한 평가가 진행될 예정이다.

탄소중립을 이끌어갈 핵심기술 개발

에너지신기술연구원은 탄소중립을 이끌어갈 핵심기술인 수소에너지, 재생에너지, 에너지저장, 미래전력기술인 MVDC 등을 중점적으로 개발하고 실증하기 위해 총 4개의 연구실과 1개의 팀으로 구성됐다. 수소에너지연구실은 수소 생산·저장·활용 등 전주기 기술을 다루며 대용량ESS 연구실은 LiB·NaS등 화학적ESS와 압축공기저장·해수양수등 기계적 ESS 실증을, 신재생실증연구실은 고정식/부유식 해상풍력과 융복합 태양광 등 재생에너지 운영관리 기술을 개발한다. 전력실증연구실은 MVDC, 전력반도체 등 미래 전력망 기술확보에 힘쓴다.

옥외실증시험장은 △미래전력망(MVDC) △신재생 △에너지저장 △수소 생산 등으로 구성돼 있다. 우선, 미래에 MVDC 기술을 활용하기 위해 개발에 한창이다. MVDC 기술은 1.5kV ~ 100kV의 DC전압을 이용하는 중규모 직류 배전망 기술이다. 대용량 신재생에너지 발전원 증가에 따라 기존 AC계통 용량으로는 수용하기에 한계점이 있어 이러한 문제의 해결을 위해 새로운 기술로 부각되고 있다. 이에 에너지신기술연구원은 기존 AC배전 선로에 MVDC를 적용하기 위해서 국내·외 기술 조사를 통해 선로의 적정 용량을 계산했다. 애자의 경우 건조·주수 섬락시험 및 전계해석을 통해 적용 가능성을 검토 완료했다. 또한 한전 배전망 실계통에 연계됨에 따라 시뮬레이션을 통해 과도·정상상태 및 사고해석을 통한 보호계전기의 정정값을 도출했다. 이러한 연구성과를 활용하여 ±35kV급 MVDC 전력망 설계/운영(안)을 마련할 예정이다.

연구원 관계자는 “±35kV급 MVDC 실증시스템을 구축했고 MVDC 스테이션 및 MVDC 선로로 구성했다”며 “MVDC망은 가공선로와 지중선로로 구성된다. 가공선로는 일반선로(160㎟) 4선구간, 대용량선로(240㎟) 2선구간 및 AC/DC병가구간, 지중의 경우 기존에 사용 중인 AC케이블과 친환경 소재인 P.P케이블을 활용한 DC케이블 구간으로 구성하여 다양한 실증데이터를 취득할 수 있도록 했다"고 설명했다. 또한, 구축된 실증시험장을 활용해 MVDC 시스템의 주요 설비의 결함판정 기술개발을 진행중에 있으며, 고장유형에 따른 대응기술 개발, 상용화에 필요한 주요 기술을 확보하는 계획을 수립다. 기술이 상용화될 경우, 배전계통의 선로용량을 증가시켜 신재생발전원 수용성의 증대에 기여할 것으로 예상된다.

신기술연구원은 확보된 실증데이터를 통해 MVDC 설계/운영(안)을 마련할 예정이다. 기술이 상용화될 경우, 배전계통의 선로용량을 증가시켜 신재생발전원 수용성의 증대에 기여할 것으로 예상된다. 

MVDC 실증시스템 옆에는 태양광, 풍력 등 신재생 발전 장비들이 설치돼 있었다. 연구원 관계자는 “20kW급 실증용 풍력발전 설비를 설치해 블레이드, 타워 등 주요 부품의 이상상태를 조기에 감지할 수 있는 진단시스템을 개발하고 있다” 며 “단·양면 모듈을 활용한 수직형 태양광 등 다종의 태양광 발전패턴을 실증해 태양광 발전 시스템의 계통 수용성 개선에 대해 연구하고 있다”고 말했다.

대용량ESS 실증시험장에서는 100kW/1MWh VRFB-ESS 시스템 개발 및 실증을 하고 있다. 또한 중주기용 ESS 후보 기술 확대를 위한 다종 ESS(LiB, VRFB, NaS, Re-Use Battery) 실증 테스트베드가 올해 완공될 예정이고, 대용량 장주기용 양수발전-압축공기 Hybrid ESS 파일럿 시스템을도 2024년에 구축될 예정이다.

수소연료전지 전기자동차 6대 충전량 생산

청정 에너지원으로 각광받고 있는 수소의 경우 MW급 하이브리드 수전해 시스템은 1MW급 알칼라인 수전해 중심으로 구성돼 있다. 구축된 알칼라인 수전해는 제로갭 구조가 적용된 단일스택으로 개발됐고 전극의 유효면적은 9,000cm2 이상의 큰 대면적을 가지고 있다.

구원 관계자는 “1MW급 수전해는 시간당 약 200 Nm3/hr (18 kg)의 수소를 생산할 수 있으며, 1일 최대 4,800 Nm3/day (432 kg)의 수소를 생산할 수 있는 능력을 갖추고 있다”며 “즉, MW급 하이브리드 수전해의 경우 시간당 최대 400Nm3/hr (36 kg)의 수소를 생산할 수 있다. 이는 현재 국내 수소연료전지 전기자동차를 6대를 충전 할 수 있는 양”이라고 강조했다.

향후 신기술연구원은 한국에너지공과대학교(Kentech)와 기초연구를 공동 수행하고 응용 기술 개발 및 적용을 통해 국내 전력산업계의 신성장동력을 창출, 에너지밸리 활성화 및 국가 지역사회 발전에 기여한다는 방침이다.

김강식 에너지신기술연구원장은 “에너지신기술연구원이 탄소중립 달성을 위한 에너지혁신기술분야 핵심연구기관으로서 광주전남지역의 공동연구 플랫폼을 구축하고 확산가능한 성공모델을 만들어냄으로써 ‘에너지 혁신기술의 글로벌 허브’로 발전할 수 있도록 적극 지원하겠다”고 밝혔다.

한편 에너지신기술연구원은 나주 강소연구개발특구의 기술핵심기관으로 연구 협력을 하고 있으며 기술자문·교류, 기술지원, 장비공유, 협력연구 등 4가지 방식으로 진행하고 있다.

기술자문·교류를 위해기술 클리닉, 찾아가는 기업컨설팅, 기술개발 자문, 전문가 기술교류회등을 운영하고 있으며 분야별 전문가들이 기술자문등의 형태로 에너지밸리 기업의 기술적 애로사항들의 해소를 위해 노력하고 있다. 현재 옥외실증시험장과 특화연구시험동내 구축 중인 연구장비에 대해서 공동 활용을 통해 입주기업들이 구축하기 어려운 연구장비를 공동활용해 지원할 예정이다. 연구협력을 위해서는 기업공동 R&D 수요조사 및 기획, 구가연구과제 공동 수주, 중점분야 기술발굴 T/F참여등을 수행하고 있다. 에너지신기술연구원은 이러한 노력을 바탕으로 에너지 생태계 조성 및 강소연구개발특구의 성장을 견인하고 있다.

이훈 기자 hoon@kea.kr

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