전력산업 기초연구 기술, ‘퍼스트 무버’를 꿈꾼다
2020년 01월 05일 (일) 10:28:46 전력경제 epetimes@epetimes.com
<한국전력 기초연구 R&D 로드맵>
2012년부터 핵심원천기술 육성, 전력 기술개발 저변 확대 기여
에너지 산업 생태계가 급격하게 변하고 있다. 최근 대외적으로 전통적인 에너지 기업이 아닌 구글, 애플, 소프트뱅크 등 ICT 기반 글로벌 회사가 에너지 자회사를 설립하고, ENEL, TESLA 등은 에너지 분야의 스타트 기업을 공격적으로 인수하는 것이 대표적인 사례다. 전력산업에도 빅데이터, 인공지능, 블록체인, 클라우드, 사물인터넷 등 4차 산업혁명 기반 기술이 빠르게 도입되면서 새로운 비즈니스가 창출되고 있다.
온실가스 감축도 당면과제로 떠올랐다. 2019년 10월 취임한 국제통화기금(IMF) 총재는 온실가스로 인한 지구 온난화가 경제 안정을 위협하고, 국가별로 기후변화 성적을 매긴다는 등의 발언으로 화석연료에서 신재생에너지원으로 에너지 전환 가속화를 촉구하고 나섰다. 우리나라 또한 2021년 신(新)기후체제 시행으로 2030년 온실가스 배출전망치의 37% 감축이라는 목표를 설정했다.
이같은 페러다임 변화는 세계 각국이 재생에너지 확대, 에너지효율 향상, 천연가스 비중 확대 등에 집중하는 요인으로 작용한다. 이는 에너지 기술개발 메가트렌드인 탈탄소화(Decarbonization), 분산화(Decentralization), 디지털화 (Digitalization)와 맥락을 같이 하는 것이다. 변화된 페러다임 변화에 능동적으로 대처하기 위해서는 기존 사고방식과 경직된 구조와는 전혀 다른 파괴(Destruction)와 혁신(Innovation)의 각오로 나아가야만 에너지 산업분야에서 패스트 팔로워(fast Follower)가 아닌 퍼스트 무버(First Mover)로 자리매김하는 필수조건일 것이다.
최근 에너지 분야에서는 기존 태양광 효율을 페로브스카이트 태양광, 부유식 풍력, 고체 액화·액상 수소에너지 등의 효율 향상과 단가절감을 통한 이종 기술간 경쟁이 심화되고 있다. 인공지능 기술 적용을 통해 기존 기술의 한계를 극복하고 신(新)서비스를 창출하는 노력도 지속되고 있다. 이와 더불어 급성장하고 있는 에너지 전환, 디지털 변환 시장의 주도권을 확보하기 위해 원천기술 개발에 열을 올리고, 다수 기업들이 무한 경쟁체제에 돌입한 것 또한 전력산업 생태계가 직면한 냉혹한 현실이다.
때문에 전력 등 에너지 산학연 전문가들은 역량 결집을 통한 R&D 체계 구축과 기술혁신에 나서 당면한 어려움을 극복해야 한다. 국내 관련 종사자 모두 급변하는 대내외 환경 변화에 적응과 도전을 멈추지 말아야 할 것이다.
최근 한전 전력연구원이 전력산업 기초연구 R&D 로드맵을 제시했다. 로드맵은 전기, 에너지, 재료, 전기화학, 정보통신 분야 등 총 652개 기술의 방향타 역할을 할 것으로 기대된다. 한전은 2012년부터 국내대학의 전력분야 학과 교수가 참여하는 기초연구과제를 발굴, 지원하는 ‘전력산업 기초연구과제’를 시행해 전력산업의 핵심 원천기술을 육성해왔다. 기초연구과제 지원사업은 지금까지 총 972건 이상의 논문 게재와 110건의 특허출원 성과를 거둬 지적재산권 확보의 기반을 다졌다.
또한 대학생·대학원생 등 연구인력 1,987명을 양성하는 것은 물론, 각종 국제학술대회에서 연구책임자가 젊은 연구자상을 수상하는 등 전력산업 기술개발의 저변을 확대하는 데 크게 기여했다 향후 미래 전력산업의 이정표가 될 기술들의 개발 동향과 타깃을 정리했다.
◇ 전기/전자
▲차세대 전력계통 기반 구축
아날로그기술 중심의 AC 전력계통을 디지털기술 중심의 AC/DC 혼합 전력계통으로 전환하기 위한 기반 기술이다.
국가 간 계통 연계 슈퍼그리드 구성과 신재생에너지원 도입을 위해 LVDC 및 MTDC 과제가 다수 진행 중이다.
(개발목표) AC/DC 융복합 전력망 설계 및 해석기술을 확보하고, 혼합망의 효율적인 시스템 구성을 위한 전력 요소기기별 특성 분석 및 최적타입을 결정하며, 전력망 안정도 및 효율향상을 위한 인버터 제어 기술을 개발한다.
AC/DC 혼합 grid
▲재생발전원 계통연계
재생발전원의 불확실성 및 변동성을 고려해 기존 전력계통에의 수용능력을 향상시키고, 전체 전력계통을 안정적으로 운영하기 위한 기술이다.
IEA(International Energy Agency)는 재생발전원의 발전량 비율에 따라 변동성 대책을 4단계로 제시해, 기존과 다른 계통 안정도해석이 요구된다.
(개발목표)신재생에너지원의 거시/미시적, 광역/권역/지역별, 기기/단지별, 단기/중기/장기적 출력 예측 및 전력계통의 건전성을 감시·분석·평가 기술을 개발한다.
배전계통의 역조류로 인한 전압상승 사례
▲전력저장 및 운영
고효율, 저가, 대량생산이 가능한 이차전지, 또는 이를 장착한 에너지저장시스템을 개발 및 개선하는 기술이다.
에너지밀도가 높고 효율이 좋은 리튬이온전지가 주목받고 있고, 기술적으로는 고에너지 밀도와 저가격화, 소형화 등으로 차별화 진행 중이다.
(개발목표) 전력저장장치(배터리, PCS, 제어기)의 고장 진단 및 사고를 통해 설비 안전성을 향상시키거나 다수 전력저장장치를 통합 운영하는 기술을 개발한다.
▲빅데이터를 활용한 송배전 관리
빅데이터를 활용해 부하의 수요를 예측하고 나아가 신재생에너지 제어 및 수요반응을 통한 안정적이고 친환경적인 전력계통 운영을 위한 기술이다.
스마트 미터링은 전력생산 및 유통기반을 정보화하고 수요 정보의 획득, 수집, 가공이 가능한 수단을 마련하여 다양한 서비스를 제공하고 있음.
(개발목표) 전력계통의 빅데이터를 이용한 정적 및 동적 부하 모델 개발하고, 정전 비용 모델일을 해 평가하는 기술을 개발한다.
에너지거래 플랫폼 개념도
▲전기재해 예방
자연재해 및 설비 노후화 등으로 인한 전력설비의 화재 및 폭발과 같은 사건사고를 사전에 인지하고 예방하기 위한 기술이다.
행정안전부는 ‘4차 산업혁명 기반 재난안전 연구개발 중장기 계획 수립 연구(’18)‘진행하고, 한국전력은 2015년 재난안전 R&D 로드맵을 수립했다.
(개발목표) 전력설비 안전도 평가기술과 인체 안전 확보 기술, 전자파 노출량 안전 기준 제시와 전자파 노출량 최소화 신기술을 개발한다.
전기안전 R&D 추진전략
◇ 에너지/자원
▲차세대 태양광 발전
- 기술정의 : 태양광 에너지로 만들어지는 전력은 지구 온난화 가스를 방출하지 않는 미래형 발전 기술로 고효율, 투명·유연한 태양전지 구현을 위한 제조공정, 구조 관련 기술과 경향 접합 필픔 태양광 모듈 응용 관련된 기술로 구분됨.
태양광 산업의 가치 사슬별로 태양전지 부품, 소재, 설비 등과 같은 원천 소재별로 고효율 및 가격 저감을 위한 연구 개발이 진행되고 있다. 발전량 손실을 최소화하기 위해 현재 중앙 집중식 인버터로부터 분산형 인버터로 옮겨가고, 에너지 생산을 최대화하려는 시도들이 계속 이어지고 있다. 또한 중국의 저가화 공세를 타개하기 위해 태양광 발전 시스템의 에너지 효율 향상 및 원가절감 모듈(Cell/PCS/ESS) 단위의 발전 효율 향상에 집중한다.
(개발목표) 개별 부품이나 에너지 변환 단위나 그 과정이 아닌 태양광 발전 시스템 관점에서 손실을 최소화 한다. 태양광 발전 시스템의 효율 향상을 위해 IT 기술과의 융합에 의한 모듈단위, 환경/상황요인 대응 전력/환경 감시 및 제어 기반의 차세대 고효율 태양광 스마트 시스템 개발을 통해 태양광 발전 효율을 20%이상 높이고 원가를 30 %이상 절감한다.
▲고효율 가스터빈 발전
공기와 천연가스 혹은 수소가 연소해 발생한 고온·고압의 연소가스를 이용해 터빈을 고속으로 회전시켜 전력을 생산하는 기술이다.
가스터빈은 고효율화, 대용량화, 제작비용 절감을 위해 기술개발 하고 있고, 순산소 가스터빈은 기존의 가스터빈을 대체할 핵심기술로 개발 진행 중이다.
(개발목표) 설계, 제작, 평가 요소기술 확보 및 고온부품 국산화 추진을 통한 세계 최고 수준의 1600℃, 효율 41% 300MW 가스터빈을 개발한다.
▲풍력발전 시스템 및 단지
바람의 운동에너지를 블레이드를 이용해 기계적 회전운동 에너지로 변환하고, 이를 발전기를 통해 전기에너지로 바꿔 전력을 생산하는 시스템이다. 복수의 풍력발전 시스템을 설치해 풍력 발전단지를 개발하기 위한 입지를 선정하고, 단지를 설계하며 운영하는 기술을 포함한다.
유럽과 미국에서는 균등화 발전단가 저감을 위해 대형화와 해상풍력발전 기술개발에 집중하고 있다. 국내에서는 5MW급 대형 해상풍력 실증연구 진행 중으로 풍력 발전용 핵심 부품기술인 100m 이상 하이브리드 타워, 저하중 대형블레이드, 5~7MW급 YAW, Pitch 시스템 개발 등 핵심 기술을 개발 중이다.
(기술목표) 풍력터빈 상태진단, 수명예측, 수명연장을 위한 제어 기술을 개발하고 10MW 이상급 초대형 부유식 풍력시스템을 개발한다. 또한 출력계수 0.35 이상, 정격풍속 10m/s 미만, 선단 속도비 5 미만의 고효율, 저풍속, 조속 소형풍력 시스템을 개발함. O&M 비용 저감하고, 미래 기술인 부유식 풍력발전기술 선점하며, 대형 풍력 및 소형풍력 기술 고도화하고 디지털 풍력단지를 구현하기 위한 기술을 개발한다.
◇재료/물성
▲에너지 하베스팅 소재
자연계에 존재하는 다양한 형태의 에너지원을 사용가능한 에너지 즉 전기에너지로 변환시킬 수 있는 소재 관련 기술로 열전, 압전, 광전, RF로 구분된다.
압전/마찰 기술은 물질의 구조에 의해 압전성의 발현과 특성이 좌우되므로 물질의 절연성과 분극성에 대한 연구가 진행 중이다. 열전 소재기술은 물질의 전도성에 기반한 기술로 전기/열전도도 조절 기술 개발에 집중한다.
(개발목표) 압전 소재 기술은 에너지 변환 효율이 우수한 반면에 출력이 수 mV 수준으로 낮기 때문에 다가오는 사물인터넷용 센서 및 무선 통신을 위한 자가 발전 전원으로의 응용 기술 개발을 목표로 설정했다. 열전 소재 기술은 ㎾급 열발전과 ㎼ ? ㎽급 미소 전원 개발로 구분, 개발한다.
▲전력저장 소재
신재생에너지 발전 등의 발전설비를 통해 간헐적 혹은 연속적으로 생산된 전력을 효율적으로 저장해 필요시 사용할 수 있도록 도와주는 전력저장장치 및 부대설비에 사용되는 소재 기술이다.
전력저장소재 기술은 크게 미국, 유럽, 일본 등의 선진국을 중심으로 전력저장 용량을 중대형화하기 위한 방향으로 발전하고 있다. 더불어 차세대 전력저장소재 원천기술 확보를 위한 연구개발 투자가 활발히 이뤄지는 추세다.
(개발목표) 생산 및 공급된 에너지를 고밀도로 안정적으로 저장해 필요시 고출력으로 활용하고, 이런 소재들이 장수명이고 낮은 가격으로 경쟁력을 높인다.
▲차세대 전력설비용 소재
전력 송전 배전 변전에서 사용되는 절연재료 중 현재 사용되거나 미래에 사용가능한 소재의 성능 향상 및 개발을 목적으로 한 소재다.
전력수요의 증가는 전력계통의 초고압화와 송변전 설비의 대용량화를 요구하고 있다. 변전소의 안전성 제고로 2차 사고의 파급을 방지하고, 절연유의 친환경성 요구에 맞게 기술 개발 중이다.
(개발목표) 중장기적으로 1,000kV 이상의 초고압 송전케이블 절연재료 개발을 하고 변압기 절연유는 식물성 절연유로 대체하며, 초전도 전이온도가 높은 소재 개발을 목표로 잡았다.
▲전력 반도체 소재
전기에너지를 직류-교류 변환, 전압·주파수 조정 등의 목적에 따른 스위치 역할의 제어처리를 수행하는 전력반도체로 정의한다.
탄화물 반도체는 n과 p형 농도제어가 가능한 SiC 단결정 박막 성장 기술을 개발하고, 질화물 반도체는 수직형 소자용 문턱 전압 조절이 가능한 GaN 단결정 박막 성장 기술에도 나선다. 산화물 반도체는 β-Ga2O3 단결정 박막 성장 기법 개발이 목표다.
(개발목표) 전력 반도체의 핵심 성능 지수인 온-저항, 항복전압, 그리고 동작가능 온도 등의 한계가 존재해, 물성적 한계를 재료적인 관점에서 개선하는 것을 목표로 한다.
◇전기화학/화공
▲전기화학적 에너지 생산
전기화학적 산화·환원 반응을 활용해 다양한 화합물의 화학에너지, 염수에너지, 열에너지나 압력에너지로 부터 에너지를 직접 생산하는 기술을 말한다.
(개발목표) 에너지 생산기술의 핵심요소기술과 부품소재의 기능성 이해를 통한 설계 및 제조 요소기술을 확보한다. 신재생 에너지 생산을 위한 핵심요소·부품소재의 통합 및 에너지 생산 검증 및 개선하는 시스템화 기술을 개발하고, 에너지 생산 시스템의 전기화학적 내구성 검증 및 개선/보완하는 실증 기술개발을 목표로 한다.
액상 및 증기상 메탄올이나 열화학적 개질반응을 통해 생산된 수소의 화학에너지를 전기화학 촉매반응을 통해 전기에너지로 직접 변환하는 발전기술.
▲전기화학적 에너지 이용
전기에너지를 가해 전기화학반응을 유도해 화합물을 합성하는 에너지 활용기술로 정의하고, 질소계 화합물 전해 기술, 수소계 화합물 생산 기술, 할로겐 화합물 생산 기술, 전기화학적 물 생산기술로 구분된다.
(개발목표) 고분자 전해질로 우수한 내구성과 높은 이온전도성, 박막형 두께, 제조단가가 절감하도록 하고, 촉매전극은 낮은 과전압과 내구성이 우수한 소재 개발을 목표로 한다. 전기화학 시스템은 일정압력 이상의 차폐성을 유지하며, 높은 수율 및 전해효율을 갖는 전기화학 시스템에 집중한다.
암모니아 전해를 위한 고분자전해질 기술 개념도
▲CO₂ 포집 소재
액상과 고상 흡수제를 이용한 CO₂ 포집 기술은 석유화학공정 내 산성가스를 제거하기 위한 목적으로 개발돼 일부 상용화된 기술이다.
(개발목표) 기존 아민계 CO₂ 흡수액의 단점을 보완하는 차세대 습식 흡수제 개발을 하고, 용매인 물을 대체해 낮은 잠열과 현열을 갖는 비수계 흡수제를 개발한다. 또한 포집과 전환을 하나의 과정으로 처리 가능한 시스템 개발을 위해 반응 속도와 결과물의 선택성 향상이 가능한 촉매 기술 개발에도 나선다.
이산화탄소의 포집 소재 기술 모식도
▲화학적 CO₂ 전환
이산화탄소를 간접, 직접, 그리고 타 석유화학종과 화학?화공 전환법을 활용해 유용한 탄소 화합물로 자원화하는 기술을 의미한다.
(개발목표) 경제성 확보를 위해 촉매 반응속도 제어, 촉매의 재활용 가능성, 반응 화학종의 분리 등을 포함하는 화학공정 기술 개발이 필요하며. 고분자의 Tg 조절 기술, 고분자의 Mn 조절 기술, 촉매의 반응속도 제어, 촉매의 분리 성질 개선, 저가 촉매 구현 등의 요소기술 개발이 필요하다.
이산화탄소의 화학적 전환 기술 모식도
▲전기화학적 CO₂ 전환
전기에너지를 투입해 전기화학적으로 CO₂를 환원해 에틸렌, 옥살레이트와 같이 유용한 고부가가치 화합물로 전환하는 합성 기술을 의미한다.
(개발목표) 태양광 직접 활용 CO₂전환 기술은 태양광 에너지를 화학에너지로 전환하는 기술로써 태양광 발전 기술을 벤치마킹하여 전환 효율 10 %를 상업화 지표로 하고 있다. 가압형 스택화 기반 CO₂전환 기술의 경우 가압을 통해 CO₂ 공급량을 확보해 전환 속도를 향상시킨다.
전기화학적 CO2 전환 기술을 통한 탄소순환 모식도
◇ 정보통신 및 기타
▲에너지 데이터 분석
에너지를 생산, 분배 및 소비하는 과정에서 에너지 생산성과 에너지 소비 효율을 증가시키기 위한 구조형, 비구조형 및 스트림형 데이터 분석 기법을 말한다.
(개발목표) 에너지 생산, 유통 및 소비 상황뿐만 아니라 관련된 주변 상황 정보와 결합해 보다 지능적으로 주변 상황을 파악한다. 과거에 축적된 경험 정보와 음성/이미지/비디오 인지 능력과 결합해 재난이나 이상 상황 발생에 대한 사전 탐지 능력 등과 같은 지능형 의사 결정 정보처리 기술을 개발한다.
▲빅데이터 플랫폼
에너지 데이터 분석 기술과 밀접한 연관이 있으며, 전력계통에서 발생하는 빅데이터를 수집, 저장, 관리와 활용에 이르는 전 단계의 기능을 지원?제공하는 플랫폼 기술을 말한다.
(개발목표) 데이터 저장·관리에 대한 인프라 및 지능형 분석에 소요되는 컴퓨팅 자원을 최소화하고 효율화하기 위한 기술이 필요하다. 고성능 NVMe(비회발성 메모리 익스프레스)와 같은 저지연, 고대역폭의 데이터 스토리지 기술을 이용한 대용량 및 고성능 환경을 지원하며, 소프트웨어 정의 기반 가상 스토리지 기술을 통해 기존 시스템의 스토리지 및 이종 형태의 스토리지 솔루션의 활용 기술을 개발한다.
▲스마트 그리드 정보보호
SCADA, 드론, 클라우드, 센서 등 다양한 ICT 시스템에서의 IoT 물리보안, 해킹, 악성코드, SW 취약점 탐지 및 대응 등 이와 관련된 보안 기술을 말한다.
(개발목표) ICT 시스템 기기 간 통신 환경에서 유무선 네트워크 프로토콜 보호, 네트워크 데이터 암호화 및 인증과 관련된 비밀 키 관리, 네트워크 구성 및 관리의 취약점으로 발생할 수 있는 네트워크 위협에 대응할 수 있는 네트워크 보안 기술 등을 개발한다.
▲전력통신망 및 IoT
전력시스템 간을 연결하는 유무선 통신기반의 통신망을 의미하며, 이를 통해 의미있는 정보를 신뢰성 있고 적절한 시간 내에 전달하는 것이다.
(개발목표) 연결된 센서로 수집된 데이터를 데이터의 상호운용성, 가상화, 분산화 기능, 실시간 전송 기능을 보장하는 장/단거리 시간-민감형 유무선 통신기술과 통신망을 개발해 Industry4.0의 에너지 분야인 Energy4.0의 기반을 제공하는 것을 목표로 한다.