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포커스 // 신재생에너지 하이브리드 시스템 주요 기술 및 산업 동향

편집부 기자
입력 2025.05.19 00:00

신재생에너지 하이브리드 시스템 주요 기술 및 산업 동향

‘스마트 에너지 사회’에 필수적인 미래 지향형 에너지 인프라

신재생에너지 산업의 가격경쟁력 확보 시 미래성장동력 산업으로의 급성장이 예상된다. 미래 신에너지 산업과 녹색기술 개발로 새로운 기술·사업·시장·일자리 창출이 가능하다. 주요 선진국은 ‘경제 성장’ 및 ‘온실가스 감축’ 동시 달성을 목표로 에너지 대응 분야에서 자국 특성에 맞는 신성장 동력 창출을 위해 노력 중이다.

정리 편집부

참조 KISTI 외

GE의 하이브리드 윈드 터빈 (출처 : LG경제연구원)

‘신재생에너지(New-Renewable Energy, NRE)’는 전환 수단과 에너지 형태에 따른 ‘신에너지(New Energy)’와 에너지원의 종류에 따른 ‘재생에너지(Renewable Energy)’로 분류된다. 국내에서는 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」 제2조에 의거하여 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 총 11개 분야로 정의한다.

‘신에너지’는 ▶연료전지(Fuel Cell) ▶수소에너지(Hydrogen Energy) ▶석탄액화가스 및 중질잔사유 가스화 등 3개 분야의 에너지를 칭한다. ‘재생에너지’는 ▶태양광(Solar Energy) ▶태양열(Solar Thermal Energy) ▶바이오(Bioenergy) ▶풍력(Wind Energy) ▶소수력 ▶지열(Geothermal Energy) ▶해양(Ocean Energy) ▶폐기물(Waste Energy) 등 8개 분야의 에너지를 말한다.

화석에너지 고갈, 국제 환경규제 강화 등으로 인해 신재생에너지는 향후 주요 에너지원으로 부상할 것으로 전망된다. 따라서 각국들은 온실가스 감축 의무를 준수하고 지속 가능한 경제 발전을 위해 신재생에너지 개발 및 보급에 중점적으로 투자하고 있다. 우리나라 또한 에너지의 해외 의존도를 낮추고 에너지 수급의 불안정에 대비하여 신재생에너지 산업 개발 정책을 추진하고 있다.

ZenithSolar의 태양광-태양열 하이브리드 (출처 : LG경제연구원)

신재생에너지 하이브리드 시스템 유형

신재생에너지 하이브리드 시스템(이하 NRE-H System)은 ▶에너지 효율 향상 ▶발전단가 저감 ▶안정적인 에너지 공급을 위해 신재생에너지를 포함한 둘 이상의 에너지 생산 시스템과 에너지저장시스템을 결합하여 전력, 열, 가스 등을 공급·관리하는 시스템을 말하며, 에너지 결합 방식에 따라 크게 3가지 유형으로 구분된다.

① 신재생에너지와 에너지저장장치가 결합된 형태

시간에 따라 불균일하게 만들어진 전력을 저장했다가 필요시 공급해 안정적으로 전력을 수급할 수 있게 해주는 방식. ‘태양광 발전’ + ‘이차전지’의 결합이 대표적인 사례이다. 관련 기술이 하루가 다르게 발전하고 있으며, 향후 가장 대표적인 ‘NRE-H System’ 모델이 될 것으로 전망된다.

② 서로 다른 특성을 지닌 신재생에너지가 결합된 형태

각각의 신재생에너지가 상호보완을 통해 신뢰성을 향상시키고, 최종적으로 에너지 효율과 경제성 확보가 가능한 방법이다. 대표적인 사례로 ‘열병합발전’을 들 수 있다. 열병합발전(Cogeneration)이란 태양광에너지와 태양열에너지를 결합하고, 전기를 생산하면서 발생한 열을 함께 활용하는 방식이다. 높은 가격이 단점이지만, 향후 안정세에 접어들면 가정/지역 단위의 전기와 열 공급에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.

③ 기존 화력발전과 신재생에너지가 결합된 형태

기존 발전장치의 전력 생산 규모를 높이고 연료 생산량 및 이산화탄소 배출량을 낮출 수 있을 뿐 아니라, 안정적이고 경제적인 전력 생산이 가능한 방식이다. 대표적인 사례로 ‘화력발전 + 태양에너지’의 결합을 들 수 있다. 이를 이용하면 화력발전의 초기 구동 시간을 줄일 수 있고, 연료 소비 및 오염물질 배출도 줄일 수 있다.

미국 콜로라도주에 위치한 Xcel Energy의 석탄화력-태양열 하이브리드 (출처 : LG경제연구원)

NRE-H System 주요 개발 분야

‘NRE-H System’은 필수적인 미래 지향형 에너지 인프라로, 스마트그리드(Smart Grid) 체제하에서 가장 중요한 핵심 제품 서비스를 제공하는 시스템에 대한 기술 개발에 대한 요구가 증가하고 있는 추세다. 특히 기존의 에너지 인프라와 신기술, 정보통신기술(ICT)을 결합하여 새로운 에너지 사업 모델을 창출할 수 있어 그 중요성이 점점 커지고 있다.

‘NRE-H System’의 4대 중점 개발 분야로는 ▶발전 및 열 생산 개발 분야 ▶산업단지 에너지 고도화 개발 분야 ▶주거·생활 분야 ▶수송 분야가 있다. 한국은 이 네 가지 중점 개발 분야를 통해 확보된 에너지 기술 융·복합을 통해 세계 시장을 선도할 수 있는 신산업 창출과 에너지 산업 생태계 조성을 동시에 이루고자 한다. ‘NRE-H System’을 이루는 기본 산업구조는 ▶NRE-Hybrid 장비 및 부품 ▶NRE-H System 설비 ▶전력, 열, 연료 서비스 등으로 구성된다.

NRE-H System 주요 기술

‘NRE-H System’은 목적에 따라 에너지 저장·공급·관리 시스템을 융합하여 운영하는 것이 특징이다. 주요 수요 시장으로 ▶도심형 신재생에너지 발전소 ▶독립형 에너지 자립 시스템 ▶가스 변환 하이브리드 솔루션 등이 있으며, 시장 발전을 뒷받침하기 위해서는 다음과 같은 기술들이 필요하다.

Ⅰ. 분산·독립형 발전·제어 기술

ⅰ. 태양광-ESS 하이브리드 시스템 : 분산·독립형 발전·제어 기술 중 가장 상용화된 방식. 특히 태양전지(Solar Cell) 모듈의 경우 태양전지가 태양광을 전기에너지로 바꿔주면, ‘시스템 제어장치’가 태양전지 모듈을 통해 얻은 전기에너지를 ESS에 보관하고 필요시 적절한 전압과 전류로 변환·제어하여 보내주는 역할을 한다.

ⅱ. 풍력-ESS 하이브리드 시스템 : 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 에너지로 발전기를 구동하여 얻어낸 전기에너지를 ESS에 저장해둔 후 사용하는 구조로 되어 있다. 청정에너지인 바람을 동력원으로 사용하고 있어 발열에 의한 열 공해, 대기오염, 방사능 누출 같은 문제가 없는 무공해 발전 방식이다.

ⅲ. 태양광-풍력-연료전지 하이브리드 시스템 : 태양광 발전과 풍력 발전을 통해 동시에 전기에너지를 생산하여 수용가에 전력을 공급하고, 일부 전력을 수소의 생산·저장에 활용하는 시스템. 특히 물을 공급하여 수전해 시스템을 가동해 수소를 생산하고, 이를 수소탱크에 저장하는 구조이다. 서로 다른 발전 특성을 내는 신재생에너지의 결합을 통해 수급 변동성이 적고, 안정적으로 전력을 공급할 수 있다는 특징이 있다.

ⅳ. 화력발전-태양열 하이브리드 시스템 : 태양에너지 장치에서 포집되는 태양 복사에너지는 기존의 화력발전 플랜트에서 사용되는 증기를 생산하는데 이용되고, 태양열 에너지는 고온 고압의 증기를 생산하는데 사용된다. 이로써 기존 장치의 전력 생산 규모를 높이고, 연료 사용량 및 이산화탄소 배출량을 낮출 수 있다. 또한 태양에너지 단독으로 사용될 때보다 안정적이고 경제적인 전력 생산이 가능하다.

ⅴ. 계간축열 기반의 열에너지 활용 기술 : 계간축열(Seasonal Heat Storage)이란 봄부터 가을까지 태양열이나 연료전지, 하수열 히트펌프 등을 통해 생산된 열을 대형 축열조에 저장했다가, 열에너지가 많이 필요한 겨울에 공급하여 계절 간 불균형을 해소하는 방식이다. 계간축열 시스템 중 대표적인 것은 ‘태양열 블록히팅(태양열 지역난방)’으로, 일정 규모 이상의 단지에 설치된 태양열 집열기를 하나의 시스템으로 묶어서 ‘계간축열체’라는 대용량의 장기 축열 시스템과 연계시켜, 집열된 태양열을 중앙에서 축열 및 공급하는 시스템이다. 기존 열 설비는 물론, 지열 히트펌프, 바이오연료, 우드펠릿, 폐기물 에너지 등 타 신재생 히팅 시스템과 복합적인 구성도 가능하다.

천연가스 변환 시스템 개념도

Ⅱ. 천연가스 변환 시스템

천연가스(Natural Gas) 또는 바이오 가스(Bio Gas)와 용융탄삼염형(MCFC) 등의 연료전지를 결합하여, 가스의 공급 압력 차이를 활용해 전력을 생산하는 압력발전설비 기술이다. 감압 시 소멸되는 압력인 폐압을 활용하는 기술로, 임펠러(impeller)를 활용하여 면적당 가해지는 힘을 운동에너지인 ‘축 회전(Axis Rotation)’으로 변환시키고, 축 회전을 발전기에 적용하여 전기를 생산하는 원리이다.

이 시스템은 정압(Static Pressure)과 발전이 동시에 이루어지고, 생산기지에서 승압 시 사용된 전력을 회수할 수 있다. 또한 발전소처럼 전력 생산 중 연소와 소음이 발생하지 않기 때문에 친환경 기술로 각광받고 있다.

화력발전-태양열 하이브리드 시스템

Ⅲ. 도심형 제로에너지 빌딩을 위한 통합 시스템

제로 에너지 빌딩(Zero Energy Building, ZEB)은 벽체나 창호 등 건물 외피를 통해 외부로 손실되는 에너지를 최소화하고 신재생에너지 활용을 통해 냉난방 등에 사용되는 에너지를 충당함으로써, 건축물의 연간 에너지 소비량이 제로(0)가 되도록 하는 것을 목표로 하는 건축 기법이다.

ⅰ. 패시브 공법 : 일반 건축물에 비해 3배 이상의 고성능 단열재를 사용하여 열이 빠져나가는 것을 막아 난방 에너지를 절감한다. 적당한 두께의 단열재 사용, 아르곤(Ar) 가스를 채운 다중유리나 적외선을 차단하고 열 손실을 막는 ‘로이 코팅’ 유리 사용, 비슷한 열적 성능이 있는 것끼리 모아서 공간을 배치하는 열적 조닝(Zoning) 등을 적용한다.

ⅱ. 액티브 공법 : 태양광, 태양열, 지열 등의 기계장치를 빌딩 내에 구축하여 신재생에너지를 자체 생산·공급한다. 전력 생산에 태양광 발전이 주로 사용되고, 냉난방은 태양열과 지열발전으로 해결한다.

ⅲ. 건물 에너지관리 시스템(BEMS) : ZEB 실현에 필요한 추가 요소로, 건물 내 주요 공간·설비에 부착한 센서를 통해 실시간으로 에너지 사용 데이터를 수집·분석해 에너지 소비 절감과 건물의 쾌적한 실내환경 유지에 활용한다. 최근에는 BEMS와 패시브·액티브 공법을 융합하는 추세다.

재생에너지에서 생산된 가스의 전력화(P2G)

NRE-H System 기술 동향

Ⅰ. 독립형 전원공급

현재 다양한 신재생에너지를 융합한 ‘독립형(Off-grid)’ 전원공급에 대한 실증이 선진국 및 개도국에서 추진 중이다. 아프리카의 경우 전력 공급을 확대하기 위해 가정용 태양광 발전 시스템을 공급하고 있는가 하면, 이 시스템을 휴대전화망과 연결하여 모바일로 요금을 청구하는 시스템을 구축하고 있다.

Ⅱ. P2G(Power to Gas)

신재생에너지 발전의 불안정성을 해결하기 위한 장기저장 방식. 분산형 신재생발전원에서 생산된 잉여자원을 저장성이 우수한 수소(H2) 등으로 2차 변환하여 연료전지 등의 발전원으로 활용하거나, 수소를 다시 이산화탄소와 반응시켜 생성된 메탄(CH4)으로 저장하는 기술로 미국, 독일 등 에너지 선진국에서 상용화 연구가 추진 중이다.

P2G의 에너지 효율은 에너지저장장치(ESS)에 비해 낮은 수준이지만, 대용량의 에너지를 장기적으로 저장할 수 있다는 장점이 있다. 또한 P2G를 통해 생산된 가스를 천연가스망에 연결할 수 있기 때문에 전력망(Power Grid)과 가스망(Gas Grid)의 유기적 결합이 가능하다. 전력 저장과 동시에 이산화탄소의 전환 및 연료화가 가능하기 때문에 온실가스 저감에 능동적으로 대처할 수 있는 기술 중 하나로 평가되고 있다.

국내외 NRE-H System 개발 동향

NRE-H System 산업 동향

‘NRE-H System’ 산업은 아직 시작 단계이지만 그린 모델링(Green Modeling), 에너지 자급자족, 에너지 프로슈머(Energy Prosumer) 등과 같은 산업이 증가하고 있어, 관련 산업도 지속적으로 성장할 것으로 전망된다. 세계적으로 ‘NRE-H System’은 개별 신재생에너지원에 비해 주로 소규모로 개발하여 상업화가 진행 중이다.

Ⅰ. 유럽 : 유럽 지역에서는 독일이 가장 활발한 움직임을 보이고 있다. 다양한 프로젝트를 통해 지역 환경에 적합한 시스템 개발과 시장 창출을 위한 비즈니스 모델을 개발과 함께 시설을 가동하고 있다. 네덜란드, 프랑스, 영국, 스페인 등 유럽 주요국들도 ‘NRE-H System’ 실증을 위한 다양한 설비들을 가동 중이다.

Ⅱ. 미국 : 캘리포니아에 풍력(14MW)-태양광(130MW) 용량의 <Pacific Wind and Catalina Solar Project>를 운영 중이다. 또한 글로벌 에너지 장비 선도기업들이 개발한 시스템을 이용하여 발전소 개발 사업에도 집중적으로 투자하고 있다.

Ⅲ. 일본 : 2011년 1월 ‘수소공급·이용 기술연구조합(HySUB)’은 ‘후쿠오카 수소에너지 전력회의’ 등과 협력하여 <키타큐슈 수소타운 프로젝트> 실증시험 운용을 세계 최초로 실시했다. 이 프로젝트는 수소발전 연료전지와 태양광의 조합에 바이오매스(Biomass)로부터 수소를 제조하는 것으로, 세계 최초로 지역사회 규모로 진행된 실증 프로젝트였다. 일본은 정부 차원에서 로드맵을 구축하고, 직접 도시에 인프라를 구축하는 등 적극적인 지원을 하고 있다.

Ⅳ. 한국 : 한국의 ‘NRE-H System’ 산업은 유럽을 중심으로 한 신재생에너지 수요 위축 및 중국의 공격적인 설비 확장 등과 맞물려 ‘글로벌 생존 경쟁’ 중에 있다. 그럼에도 ‘NRE-H System’ 개발을 위해 다양한 노력이 이어지고 있다. 에너지관리공단은 2013년부터 신재생에너지와 관련한 융복합 지원 프로그램을 추진하고 있다. 2014년 서울에서 개최된 <클린 에너지 장관회의>에서는 ‘NRE-H System’이 ‘10대 청정 혁신 기술’로 선정되었다. 또 정부가 주도하는 ‘미래성장동력 추진단’에 ‘NRE-H System 추진단’이 발족된 이력도 있다.

스마트 에너지 사회 실현

2011년의 후쿠시마 원전사태 이후 EU를 중심으로 원전폐쇄 또는 축소하면서 태양광 시장이 지속적으로 확대되어 왔다. 이를 통해 안정적으로 에너지 수요를 관리하기 위한 방법으로 ‘NRE-H System’ 시장이 열리고 있다. 신재생에너지로 생산된 전력이 남는 경우, 잉여전력을 활용하여 가스를 생산하는 기술을 접목한 ‘NRE-H System’에 대한 관심이 높아지면서 ‘전력-열-가스’의 에너지 네트워크를 구축한 “스마트 에너지 사회(Smart Energy Society)”의 실현에 조금씩 다가서고 있다.

에너지가 단순한 전력이 아니라, 사람들이 사용할 수 있는 모든 에너지를 융·복합할 수 있는 사회가 곧 도래할 것으로 전망된다. 이를 구현하기 위한 다양한 ‘NRE-H System’이 개발·실증되면서 에너지 시장의 새로운 패러다임이 시나브로 시작되고 있다.