해상풍력 기반의 신재생 에너지 생산 및 저장기술 동향

■ 풍력에너지 개론

최근 급속히 가속화되는 지구온난화에 대응하기 위하여 에너지산업은 석유기반의 에너지 포트폴리오에 재생에너지를 포함시켜 다각화하고 있다. 여러 재생에너지 가운데 풍력에너지는 높은 가격경쟁력으로 신재생에너지생산이 가능하여 많은 국가에서 이용되고 있다. 풍력발전기는 압력차이로 인한 바람으로 터빈을 회전시켜 전력을 생산하며 바람이 적절하게 부는 곳에선 24시간 운전이 가능하다는 장점이 있다. 통상 풍력발전기를 설치하는 위치에 따라 육상풍력 또는 해상풍력으로 분류된다. 
 육상풍력의 특징은 초기설치비용이 상대적으로 적게 들며 유지 보수 및 관리가 쉽고 높은 수준의 기술력이 요구되지 않는다. 하지만, 풍속이 낮고 바람이 균일하게 공급되지 않을 수 있으며, 설치 시 공간적인 문제가 크다. 또한, 소음 및 공해문제로 인한 지역주민의 반발 가능성이 높다. 
반대로 해상풍력의 특징은 풍속이 높고 바람이 균일하며 우수한 품질의 바람을 이용할 수 있다. 설치 시 공간적인 제약을 상대적으로 적게 받아 큰 용량의 풍력터빈의 설치도 가능하며, 지역주민들의 반발도 크지 않다. 하지만 전력망의 길이가 더 길고 수시보수가 필요하기 때문에 초기설치비용 및 운전비용이 높다는 단점이 있다. 또한, 해상설치 및 운전은 높은 기술력이 요구된다.
풍력 에너지와 더불어 재생에너지의 종류는 태양열(광)에너지, 수력에너지, 염도차에너지, 바이오매스 등 다양하며, 여러 재생에너지원을 효율적으로 적용하여 에너지수요를 맞추는 것이 제일 중요하다고 볼 수 있다.
 

■ 수소 에너지를 접목한 에너지 생산 공정 개요

재생에너지원으로 생산된 에너지와 에너지수요의 밸런스를 맞춰주는 것은 기술적으로 매우 어렵다고 볼 수 있다. 사용되지 못한 에너지는 열에너지로 소멸되므로 재생에너지 생산기술과 동시에 에너지저장기술(Energy Storage Technology)이 필수적으로 도입되어야 한다. 에너지 저장기술 중 배터리 기술은 소규모 기기에는 효율적으로 에너지 저장이 가능하지만, 대용량 기기에 안정적으로 에너지를 저장하기엔 여러 한계가 존재한다. 이에 잔여에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 매체로 수소가 각광받고 있다. 수소는 분자량이 가장 작은 원소로 매우 가벼워 수송과 저장시에 매우 편리하며, 단위질량당 함유할 수 있는 에너지량이 가장 많이 때문에 생산한 에너지를 저장하기에 합리적이며, 현재 국내에서도 수소경제를 구축하기 위해 활발한 인프라투자가 진행중이다. 
수소를 에너지 저장 매체 (energy storage carrier)로 이용하기 위해서는 두가지 기술이 필수적으로 필요하다. 잔여에너지(전기에너지)를 활용해 수소를 생산하는 기술 및 수소를 이용해 전력수요에 맞게 전기에너지를 생산하는 기술이다.
	수전해(Water electrolysis): 잔여전력으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 기술
	연료전지(Fuel Cell): 수소를 사용하여 전기에너지를 생산하는 기술이며, 전해질의 종류에 따라 분류됨
다음과 같은 기술을 기반으로 풍력단지의 종류 및 수소 시스템의 규모를 설계할 필요성이 있으며, 이에 풍력에너지를 접목한 수소 생산 및 활용은 아래와 같은 단계를 거친다.

■ 풍력 에너지 기반 전기생산(풍력 터빈)

풍력 에너지로 전기를 생산하는 방법은 다양한 기술이 있으며, 기본적으로 프로펠러타입(Propeller Type), 다리우스타입(Darrieus Type), 사보니우스타입(Savonius Type), 자이로밀타입(Gyro-mill Type), 헬리컬타입(Helical Type) 등이 활발하게 개발 중에 있다. 이 중 현재 널리 상용화 되어있는 프로펠러형 풍력 터빈은 바람에 의해 3개의 블레이드가 회전하며 이에 의해 전기를 생산한다. 본문에서는 이 장치의 사용을 가정하였다.

에너지 저장 및 활용기술

풍력터빈을 통해 생산한 전기에너지로 물을 분해하여 수소로 저장할 수 있다. 물을 분해하여 수소를 생산하는 수전해기술은 촉매, 전해질, 분리막 등의 다양한 핵심소재로 구성된다. 물(H2O)분자가 양극의 촉매표면에서 반응하여 양성자(Proton, H+)와 산소(O2)로 분해되며, 산소는 시스템을 빠져나가고, 양성자는 양성자분리막(PEM)을 통과하게 된다. 분리막을 통과한 양성자는 다른 촉매와 만나 수소분자(H2)가 되어 저장가능한 형태가 된다. 수소는 고압으로 압축 저장되며 수요에 따라 다시 전기로 변환할 수 있다. 

수전해기술을 통해 생산된 수소분자(H2)는 수요에 따라 다시 전기에너지로 변환시킬 수 있으며 수소연료전지를 사용한다. 즉, 연료전지는 수전해기술을 역으로 활용한 것이다. 수소가 촉매와 반응하여 전기를 발생시키고 수소이온(H+)로 분해되고, 산소(O2)와 만나 물(H2O) 분자가 만들어진다. 

앞서 소개한 풍력에너지를 이용하여 1차적으로 전기에너지를 생산하고, 수전해장치를 통해 전기에너지를 저장하며 연료전지를 사용해 다시 전기를 소비할 수 있는 풍력-수소 에너지 생산 공정은 아래 그림3.과 같다. 예비 평가 및 실제 공정설계 시 효율 이외에도 바람 방향, 경사진 지형, 터빈의 경사 및 각도, 전하율, 시스템 수명, 출력밀도 등을 고려한 자세한 공정설계가 필요할 것이다.