[독일] 태양에너지·수소연구센터(ZSW-BW), 미래 에너지 시스템에서의 재생가능연료 활용 전망 20190710
지속가능하고 기후친화적인 연료를 개발하는 ZSW
2024-04-19 오전 10:15:10
미래 에너지 시스템에서의 재생가능연료 활용 전망
□ 연수내용
◇ 지속가능하고 기후친화적인 연료를 개발하는 ZSW
◯ 태양에너지와 수소에너지는 현재 21세기의 지속가능한 에너지 공급을 위한 주 대체에너지로써 산업적 규모로 널리 사용되고 있다.
◯ 슈투트가르트 소재 바덴뷔템베르크 태양에너지 및 수소연구센터(ZSW-BW:Zentrum fuer Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forsc hung Baden-Wuettemberg)는 1988년 3월16일 바덴뷔르템베르크(Baden-Württemberg)주의 의해 민법에 따라 슈투트가르트대학교, 독일항공우주센터, 에너지 및 물관리협회 등의 도움을 받아 설립되었다. 연구센터는 독일 △슈투트가르트 △울름 △비더스탈 3곳에 위치하고 있다.
◇ 기존 연료 대체용과 혼합용 연료 모두 연구
◯ ZSW는 태양에너지 및 수소기술분야에 있어서 연구·개발된 결과를 구현하고, 신재생에너지 사용흐름 및 변화, 저장 분야의 운영을 촉진시켜 국가 경제에 기여할 목적으로 설립되었다.
◯ 지속가능하고 기후 친화적인 전기, 열 및 재생연료공급 기술을 연구 및 개발하고, 시장성 있는 제품의 R&D결과를 구현, 정부와 협회 등에 기술을 이전하고, 조언하기도 한다.
◯ 독일 대부분 대체연료는 ZSW의 주관아래 수소연료, 알코올, 바이오매스추출유 등 기존 연료 대체용 또는 혼합용 연료가 연구되는데, 이러한 재생가능 연료는 분산적 에너지 생산 및 소비구조를 가진 미래의 에너지시스템에서 폭넓게 활용될 것으로 예상된다.
◇ 다양한 협력체를 보유한 유럽의 주요에너지 연구기관
◯ 현재 약 230명의 직원과 90명의 학생, 전문인력 등을 보유하고 있으며 유럽의 주요에너지 연구기관 중 하나로 설립되었다. ZSW에 대한 합작투자와 산업부문 비중이 지속적으로 늘어남에 따라 입지가 강화되고 있다.
◯ 중점 연구 분야는 △박막기술에 대한 광전지 재료 연구 및 개발 △광전지 모듈 및 시스템 기술 및 모듈 및 시스템 특성화 △수소 기술 △전기 화학 에너지 기술 △연료 전지 개발 및 생산 △재생 연료 및 공정 공학 △모델링 및 시뮬레이션 △재생 가능 에너지와 스마트 그리드의 그리드 통합 △에너지 경제 시스템 분석 등 매우 다양하다.
◯ ZSW의 연구 프로세스는 재료연구, 프로토타입 및 생산 프로세스 개발부터 응용 시스템, 품질 테스트 및 시장 분석 등을 포함한다.
현재 호헨하임대학, 칼스루에대학 등 4개 대학과 카셀 소재 태양에너지기술연구소, 연방임목경제연구소, 독일항공우주센터 등 4개 연구기관, 폴크스바겐, 연료전지연구조합 등 민간기업과 연구소가 연구개발에 참여하고 있다.
◇ 통합 연구개발을 위한 다양한 프로젝트 실시
◯ 독일에는 전국적으로 25개의 기관에서 수소에 대한 연구를 실시하고 있으며 바덴뷔르크주와 협력을 통해 주민들에게 에너지발전 과정을 직접 보여주는 ‘The Light project’라는 프로젝트를 실시하고 있다.
그 외에도 Power to X concept이라는 프로젝트를 통해서 개발된 수소에너지와 전기에너지를 개선하고 공급 가격을 줄이고자 하는 노력을 실시하고 있다.
◯ 이러한 프로젝트를 기반으로 △광학에너지 △해상풍력 △육상풍력 등을 통합적으로 연구·개발하는 것이 목적이다.
▲ ZSW 조직도[출처=브레인파크]
◇ 수소 충전소 위험성에 대한 과제는 아직 미해결
◯ 독일은 원전 발전량을 줄이고 재생에너지 비중을 증가하면서 전기 요금과 부가 세금이 20% 상승했으며 타 국가에 비해 세금 비율이 높은 편이다.
이에 따라 수소에너지 개발로 인하여 에너지 사용에 대한 요금을 줄이는 부분에 있어서 중요한 과제이기도 하다. 현재 수소에너지는 디젤에너지 수준의 가격으로 맞춰진다면 보급화가 가능할 것으로 예측하고 있다.
◯ 관련하여 2012년부터 슈투트가르트에서는 수소버스 운행을 실시했으며 시민들과 수소충전소 운영에 있어서 폭발 사고 등 위험 부분에 대해서는 100% 해결되지 않은 상황이다. 관련 연구기관에서는 수소 위험성에 대한 연구를 실시하고 주민들에게 현 상황을 알리고자 노력하고 있다.
◯ 독일 연방정부에서는 수소 버스 운영을 지속적으로 확대해 나갈것인가에 대한 결정은 정해지지 않은 상황이지만 수소에너지를 포함한 대체에너지에 대한 개발이나 운영에 대해서는 ZSW를 포함한 연구기관과 의견을 나누고 종합적인 정책 마련을 위해 노력 중이다.
◇ 40억 유로 규모의 장기 프로젝트 P2G 실시 중
◯ ZSW에서 시행하는 대표적인 프로젝트로 Power to Gas(P2G)가 있다. 이는 4년 동안 진행되는 장기 프로젝트로 슈투트가르트 시에서 40억 유로 규모의 연구비를 지원받았다.
◯ 이 프로젝트는 물을 전기 분해하여 수소로 변환하고 변환된 수소를 즉시 사용하거나 이산화탄소와 결합하여 메탄으로 전환하도록 하며 이 과정에서 전기분해(electrolysers)와 통합원자로(synthesis reactors)도 개발하고 있다.
▲ Power-to-gas : 에너지시스템 공정 과정[출처=브레인파크]
◯ P2G 공정으로 수소와 메탄 생산이 가능하며 전기분해와 메탄생성 과정(methanisation processes)에서 효율성 향상이 가능할 것으로 기대하고 있다.
◯ 프로젝트를 통해 생산되는 에너지로 자동차 1,000대에 공급할 수 있고, 이 기술로 20% 정도의 전력밀도를 높일 수 있으며 최종 목표는 기술 상업화에 기여하는 것이다. 또한 전기 그리드와 가스 네트워크가 함께 발전하고 통합된 전체 시스템을 구축하는 것이 장기 목표이다.
◇ ZSW 건물의 신재생에너지를 사용한 에너지 공급방법
◯ ZSW건물은 PV 모듈을 이용하고 있는데, (초록색으로 표시된 곳) 남동, 남서, 북서 3방향으로 나눠져 있다. 해가 뜨는 시간대에 따라, 방향별로 에너지를 생산할 수 있다.
◯ 여름일 때 이 건물의 장점은 옥상의 모듈을 이용해서 에너지를 생산하는 것이다. 겨울엔 파사드시스템(옆쪽으로 태양광이 들어오는)으로 에너지를 생산해서 쓰는 것이 더 효율적이라고 한다.
◯ 파사드시스템의 또 다른 장점은 시간대 별로 골고루 에너지를 생산이 가능하다는 것이다. 32개의 지열과 히트펌프를 이용해서 건물에너지를 공급방법. 열 시스템의 50% 또는 100% 쿨링시스템을 커버할 수 있다고 한다. 이를 통해 건물에서 사용하는 전기나 가스를 아낄 수 있다.
◇ 1950년대부터 시작된 태양에너지와 수소기술 연구
◯ 1950년대 후반과 1960년대에 베르너H블로스교수는 슈투트가르트대학의 물리학전자학회(IPE) 소장 겸 대학교수로 에너지 전환 분야에서 연구를 수행해왔다.
◯ 그의 비전은 태양에너지를 유용한 에너지로 효율적으로 전환하고, 저장에너지를 보조에너지 운반체로 저장 및 운반할 수 있도록 하는 것이었다. 블로스교수는 이 과제를 장기적으로 바라봤고, 그의 연구 초기단계에서는 태양전지 연구에 집중되었다.
◯ 독일의 슈투트가르트와 독일항공우주센터에서는 태양에너지와 수소기술분야를 기반으로하여 1980년 협력네트워크가 등장하기 시작하였다.
국가의 지도력하에 슈투트가르트와 울름의 네트워크들이 ZSW의 기초기반으로 통합되었다. ZSW는 바덴뷔르템베르크주의 세계적인 연구소로 성장하였고, 최근 기술이전 및 업계와의 협력에 최선을 다하고 있다.
◇ 2025년까지 재생에너지 비율 80%로 확대가 목표
◯ 2019년 상반기 통계를 보면 사용한 에너지 중 생산된 에너지원의 44%가 신재생에너지원(Renewable Energy Sources, RES)으로 만들어졌으며 장기적 목표는 2030년까지 65% 재생에너지 사용량을 늘리는 것이다.
◯ 2050년까지는 재생에너지 사용량을 80% 확대하고 에너지 수요보다 공급이 많도록 하는 것이 목표이다. 특히 풍력과 PV로 만들어내는 잉여전기를 사용하여 △모빌리티 △축열식 충전 △동력가스 등으로 사용할 예정이다.
▲ 독일 전력 사용량[출처=브레인파크]
◯ 위 표의 노란색은 PV를 이용해서 만든 에너지, 옅은 파란색은 해상풍력, 짙은 파랑색은 지상풍력 그 외에 수력, 바이오매스를 이용한 에너지 생산 수치를 나타내고 있다. 기존 사용량보다 재생에너지 만드는 양이 아직은 더 낮지만 수치가 거의 비슷해지고 있는 추세이다.
◯ 이에 따라 ZSW의 연구목표 중 하나는 사용자가 사용할 충분한 에너지를 만드는 것과 다양한 에너지원을 이용할 수 있게 도움을 주는 것이다.
독일에서 추구하는 것은 에너지가 한가지 에너지원으로 생산되는 것이 아닌 여러가지 에너지원을 사용해 에너지를 만들어 공급하는 것이 목표이기 때문이다.
□ 질의응답
- 수소에너지 발전소를 수력발전소 옆에 위치하게 된 이유는.
"물을 분해해서 에너지를 사용하기 위해서 바로 옆 발전소를 세우게 되었다. 수력발전소는 1년 동안 늘 운영되고 있으며 총 8천 시간 동안 에너지를 생산하고 있다. 그 중에서 생산되는 에너지는 4유로이고, PV는 1년 1000시간 18유로이다. 결과적으로 조금 더 경제적인 에너지원을 사용하기 위해서다."
- 지열을 이용한 쿨링시스템이 100% 커버가 가능한지.
"바깥에서 끌어오는 물(8-12도)과 공기의 순환으로 지하수로 끌어올려서 시스템을 가동한다. 겨울엔 25%의 전기와 75%의 히트펌프를 사용해서 물을 가열한다."
- 물을 사용한 수소에너지 생산 과정에서 문제점은
"아직까지 사고가 생기는 문제는 없었다."
| 태양에너지·수소연구센터(ZSW-BW:Zentrum fuer Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung Baden-Wuettemberg) | ||||
 |
Meitnerstraße 1, 70563 Stuttgart Tel: +49 711 7870 278 www.zsw-bw.de |
|||
| 방문연수 | 독일 | 슈투트가르트 | ||
□ 연수내용
◇ 지속가능하고 기후친화적인 연료를 개발하는 ZSW
◯ 태양에너지와 수소에너지는 현재 21세기의 지속가능한 에너지 공급을 위한 주 대체에너지로써 산업적 규모로 널리 사용되고 있다.
◯ 슈투트가르트 소재 바덴뷔템베르크 태양에너지 및 수소연구센터(ZSW-BW:Zentrum fuer Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forsc hung Baden-Wuettemberg)는 1988년 3월16일 바덴뷔르템베르크(Baden-Württemberg)주의 의해 민법에 따라 슈투트가르트대학교, 독일항공우주센터, 에너지 및 물관리협회 등의 도움을 받아 설립되었다. 연구센터는 독일 △슈투트가르트 △울름 △비더스탈 3곳에 위치하고 있다.
 ▲ ZSW Widderstall[출처=브레인파크] |
 ▲ ZSW Stuttgart[출처=브레인파크] |
 ▲ ZSW Ulm[출처=브레인파크] |
◇ 기존 연료 대체용과 혼합용 연료 모두 연구
◯ ZSW는 태양에너지 및 수소기술분야에 있어서 연구·개발된 결과를 구현하고, 신재생에너지 사용흐름 및 변화, 저장 분야의 운영을 촉진시켜 국가 경제에 기여할 목적으로 설립되었다.
◯ 지속가능하고 기후 친화적인 전기, 열 및 재생연료공급 기술을 연구 및 개발하고, 시장성 있는 제품의 R&D결과를 구현, 정부와 협회 등에 기술을 이전하고, 조언하기도 한다.
◯ 독일 대부분 대체연료는 ZSW의 주관아래 수소연료, 알코올, 바이오매스추출유 등 기존 연료 대체용 또는 혼합용 연료가 연구되는데, 이러한 재생가능 연료는 분산적 에너지 생산 및 소비구조를 가진 미래의 에너지시스템에서 폭넓게 활용될 것으로 예상된다.
◇ 다양한 협력체를 보유한 유럽의 주요에너지 연구기관
◯ 현재 약 230명의 직원과 90명의 학생, 전문인력 등을 보유하고 있으며 유럽의 주요에너지 연구기관 중 하나로 설립되었다. ZSW에 대한 합작투자와 산업부문 비중이 지속적으로 늘어남에 따라 입지가 강화되고 있다.
◯ 중점 연구 분야는 △박막기술에 대한 광전지 재료 연구 및 개발 △광전지 모듈 및 시스템 기술 및 모듈 및 시스템 특성화 △수소 기술 △전기 화학 에너지 기술 △연료 전지 개발 및 생산 △재생 연료 및 공정 공학 △모델링 및 시뮬레이션 △재생 가능 에너지와 스마트 그리드의 그리드 통합 △에너지 경제 시스템 분석 등 매우 다양하다.
◯ ZSW의 연구 프로세스는 재료연구, 프로토타입 및 생산 프로세스 개발부터 응용 시스템, 품질 테스트 및 시장 분석 등을 포함한다.
현재 호헨하임대학, 칼스루에대학 등 4개 대학과 카셀 소재 태양에너지기술연구소, 연방임목경제연구소, 독일항공우주센터 등 4개 연구기관, 폴크스바겐, 연료전지연구조합 등 민간기업과 연구소가 연구개발에 참여하고 있다.
◇ 통합 연구개발을 위한 다양한 프로젝트 실시
◯ 독일에는 전국적으로 25개의 기관에서 수소에 대한 연구를 실시하고 있으며 바덴뷔르크주와 협력을 통해 주민들에게 에너지발전 과정을 직접 보여주는 ‘The Light project’라는 프로젝트를 실시하고 있다.
그 외에도 Power to X concept이라는 프로젝트를 통해서 개발된 수소에너지와 전기에너지를 개선하고 공급 가격을 줄이고자 하는 노력을 실시하고 있다.
◯ 이러한 프로젝트를 기반으로 △광학에너지 △해상풍력 △육상풍력 등을 통합적으로 연구·개발하는 것이 목적이다.
▲ ZSW 조직도[출처=브레인파크]
◇ 수소 충전소 위험성에 대한 과제는 아직 미해결
◯ 독일은 원전 발전량을 줄이고 재생에너지 비중을 증가하면서 전기 요금과 부가 세금이 20% 상승했으며 타 국가에 비해 세금 비율이 높은 편이다.
이에 따라 수소에너지 개발로 인하여 에너지 사용에 대한 요금을 줄이는 부분에 있어서 중요한 과제이기도 하다. 현재 수소에너지는 디젤에너지 수준의 가격으로 맞춰진다면 보급화가 가능할 것으로 예측하고 있다.
◯ 관련하여 2012년부터 슈투트가르트에서는 수소버스 운행을 실시했으며 시민들과 수소충전소 운영에 있어서 폭발 사고 등 위험 부분에 대해서는 100% 해결되지 않은 상황이다. 관련 연구기관에서는 수소 위험성에 대한 연구를 실시하고 주민들에게 현 상황을 알리고자 노력하고 있다.
◯ 독일 연방정부에서는 수소 버스 운영을 지속적으로 확대해 나갈것인가에 대한 결정은 정해지지 않은 상황이지만 수소에너지를 포함한 대체에너지에 대한 개발이나 운영에 대해서는 ZSW를 포함한 연구기관과 의견을 나누고 종합적인 정책 마련을 위해 노력 중이다.
◇ 40억 유로 규모의 장기 프로젝트 P2G 실시 중
◯ ZSW에서 시행하는 대표적인 프로젝트로 Power to Gas(P2G)가 있다. 이는 4년 동안 진행되는 장기 프로젝트로 슈투트가르트 시에서 40억 유로 규모의 연구비를 지원받았다.
◯ 이 프로젝트는 물을 전기 분해하여 수소로 변환하고 변환된 수소를 즉시 사용하거나 이산화탄소와 결합하여 메탄으로 전환하도록 하며 이 과정에서 전기분해(electrolysers)와 통합원자로(synthesis reactors)도 개발하고 있다.
▲ Power-to-gas : 에너지시스템 공정 과정[출처=브레인파크]
◯ P2G 공정으로 수소와 메탄 생산이 가능하며 전기분해와 메탄생성 과정(methanisation processes)에서 효율성 향상이 가능할 것으로 기대하고 있다.
◯ 프로젝트를 통해 생산되는 에너지로 자동차 1,000대에 공급할 수 있고, 이 기술로 20% 정도의 전력밀도를 높일 수 있으며 최종 목표는 기술 상업화에 기여하는 것이다. 또한 전기 그리드와 가스 네트워크가 함께 발전하고 통합된 전체 시스템을 구축하는 것이 장기 목표이다.
◇ ZSW 건물의 신재생에너지를 사용한 에너지 공급방법
◯ ZSW건물은 PV 모듈을 이용하고 있는데, (초록색으로 표시된 곳) 남동, 남서, 북서 3방향으로 나눠져 있다. 해가 뜨는 시간대에 따라, 방향별로 에너지를 생산할 수 있다.
◯ 여름일 때 이 건물의 장점은 옥상의 모듈을 이용해서 에너지를 생산하는 것이다. 겨울엔 파사드시스템(옆쪽으로 태양광이 들어오는)으로 에너지를 생산해서 쓰는 것이 더 효율적이라고 한다.
◯ 파사드시스템의 또 다른 장점은 시간대 별로 골고루 에너지를 생산이 가능하다는 것이다. 32개의 지열과 히트펌프를 이용해서 건물에너지를 공급방법. 열 시스템의 50% 또는 100% 쿨링시스템을 커버할 수 있다고 한다. 이를 통해 건물에서 사용하는 전기나 가스를 아낄 수 있다.
◇ 1950년대부터 시작된 태양에너지와 수소기술 연구
◯ 1950년대 후반과 1960년대에 베르너H블로스교수는 슈투트가르트대학의 물리학전자학회(IPE) 소장 겸 대학교수로 에너지 전환 분야에서 연구를 수행해왔다.
◯ 그의 비전은 태양에너지를 유용한 에너지로 효율적으로 전환하고, 저장에너지를 보조에너지 운반체로 저장 및 운반할 수 있도록 하는 것이었다. 블로스교수는 이 과제를 장기적으로 바라봤고, 그의 연구 초기단계에서는 태양전지 연구에 집중되었다.
◯ 독일의 슈투트가르트와 독일항공우주센터에서는 태양에너지와 수소기술분야를 기반으로하여 1980년 협력네트워크가 등장하기 시작하였다.
국가의 지도력하에 슈투트가르트와 울름의 네트워크들이 ZSW의 기초기반으로 통합되었다. ZSW는 바덴뷔르템베르크주의 세계적인 연구소로 성장하였고, 최근 기술이전 및 업계와의 협력에 최선을 다하고 있다.
◇ 2025년까지 재생에너지 비율 80%로 확대가 목표
◯ 2019년 상반기 통계를 보면 사용한 에너지 중 생산된 에너지원의 44%가 신재생에너지원(Renewable Energy Sources, RES)으로 만들어졌으며 장기적 목표는 2030년까지 65% 재생에너지 사용량을 늘리는 것이다.
◯ 2050년까지는 재생에너지 사용량을 80% 확대하고 에너지 수요보다 공급이 많도록 하는 것이 목표이다. 특히 풍력과 PV로 만들어내는 잉여전기를 사용하여 △모빌리티 △축열식 충전 △동력가스 등으로 사용할 예정이다.
▲ 독일 전력 사용량[출처=브레인파크]
◯ 위 표의 노란색은 PV를 이용해서 만든 에너지, 옅은 파란색은 해상풍력, 짙은 파랑색은 지상풍력 그 외에 수력, 바이오매스를 이용한 에너지 생산 수치를 나타내고 있다. 기존 사용량보다 재생에너지 만드는 양이 아직은 더 낮지만 수치가 거의 비슷해지고 있는 추세이다.
◯ 이에 따라 ZSW의 연구목표 중 하나는 사용자가 사용할 충분한 에너지를 만드는 것과 다양한 에너지원을 이용할 수 있게 도움을 주는 것이다.
독일에서 추구하는 것은 에너지가 한가지 에너지원으로 생산되는 것이 아닌 여러가지 에너지원을 사용해 에너지를 만들어 공급하는 것이 목표이기 때문이다.
□ 질의응답
- 수소에너지 발전소를 수력발전소 옆에 위치하게 된 이유는.
"물을 분해해서 에너지를 사용하기 위해서 바로 옆 발전소를 세우게 되었다. 수력발전소는 1년 동안 늘 운영되고 있으며 총 8천 시간 동안 에너지를 생산하고 있다. 그 중에서 생산되는 에너지는 4유로이고, PV는 1년 1000시간 18유로이다. 결과적으로 조금 더 경제적인 에너지원을 사용하기 위해서다."
- 지열을 이용한 쿨링시스템이 100% 커버가 가능한지.
"바깥에서 끌어오는 물(8-12도)과 공기의 순환으로 지하수로 끌어올려서 시스템을 가동한다. 겨울엔 25%의 전기와 75%의 히트펌프를 사용해서 물을 가열한다."
- 물을 사용한 수소에너지 생산 과정에서 문제점은
"아직까지 사고가 생기는 문제는 없었다."
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