다양한 ESS 기술개발과 대형 풍력발전 상용연구 본격화
내연기관 CHP·고효율 태양전지·저급석탄 가스화 연구도
[이투뉴스] 지난해 12월 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원은 에너지효율 향상을 필두로 신재생에너지 및 글로벌 에너지전문기업 육성 등을 위한 하반기 에너지 R&D 신규과제를 선정했다. 특히 ICT를 활용한 EMS(에너지관리시스템)과 ESS(에너지저장장치) 등 에너지자원융합원천 분야와 고효율 태양전지 기술개발 등 신재생에너지융합원천 분야에 대한 투자를 크게 늘렸다.
아울러 혁신적 에너지기술 확보를 위해 나트륨 이차전지, 15% 유기태양전지, 연료전지 백금촉매 저감기술, 미생물을 활용한 바이오연료 생산, 생물학적 석탄 고품위화 기술 등 6개 전략 기술에는 3년간 170억원을 지원한다.
올해부터 에너지기술평가원을 통해 본격 진행되는 국가 에너지 R&D 과제 중 주목해야 할 10개 프로젝트의 연구목표와 기대효과 등을 소개한다.
◆내연기관을 이용한 Micro-CHP 개발
내연기관을 이용한 Micro-CHP 개발내연기관 중 하나인 가스엔진으로 전기와 열을 생산, 전기는 가정에 공급하고 열은 난방과 온수를 사용하는 시스템 개발이 본격화된다. (주)테너지가 주관하는 열병합발전시스템(Micro-CHP) 개발은 종합효율 95% 이상의 1kWe급 가정용 열병합발전시스템에 대한 기술 표준화와 함께 실증 연구까지 진행될 예정이다.
이번 연구과제는 ICE(내연기관)와 콘덴싱보일러, 축열조를 연계해 소형이면서 경량화까지 이뤄낸 가정용 열병합발전시스템 기술개발을 통해 가정용 1kWe급 내연기관(ICE) 국산화와 함께 시스템 최적화를 위한 24kWh급 초고효율 콘덴싱 보일러 및 열공급 기술개발을 목표로 세웠다.
아울러 실증사업을 통한 경제성 분석 및 정책지원 근거를 마련해 국내 전력사용 증가에 따른 발전소 및 송변전설비 증설비용 해소와 대규모 블랙아웃에도 대비한다는 계획이다. 목표대로 개발이 이뤄질 경우 정부가 적극 지원하는 분산형 전원으로서 송전손실 제로화가 가능한 에너지 절감용 마이크로-CHP의 탄생이 기대된다.
◆셰일가스층 파쇄효율 향상을 위한 탐사 및 실증연구
전 세계적으로 개발이 가속화되고 있는 셰일가스의 시추공 선정을 위한 핵심기술에 대한 연구도 본격 착수한다. 기술개발이 완료되면 현장 광구를 대상으로 실증까지 포함해 해외 세일가스전 개발 경쟁령 확보를 목표로 하고 있다.
가스공사 연구개발원이 수행하는 셰일가스 파쇄효율 향상을 위한 탐사프로세스 및 실증 연구는 셰일 탐사프로세스 확립 및 현장실증을 통한 생산효율을 증대시키는 것이 목표다. 기술개발은 근원암 저류층 특성화를 통한 지질학적 sweet spot을 도출하고, 물리검층자료 분석과 구조해석을 위한 물성추출, 자연균열대와 인공균열대 예측 및 응력장 도출을 꾀하는 방식으로 이뤄진다.
여기에 생산영향인자에 대한 분석과 매장량 평가, 시추공 위치결정 및 수압파쇄 모니터링을 통한 현장 실증 등을 통해 셰일가스 생산기술 축적 및 셰일자산 평가능력 확보로 국내기업의 해외 셰일가스 광구 개발에 대한 경쟁력 확보를 기대하고 있다.
◆ N-type 110μm급 고효율 태양전지 기술 개발
현대중공업은 초슬림 웨이퍼를 이용한 22%대 박형 고효율 태양전지 설계 및 제작공정 기술, 모듈화 공정개발을 통해 양산 가능성을 타진할 계획이다. 이를 위해 N-type 박형 기판용 22%급 변환효율 태양전지 원천기술 개발 및 시작품을 제작하고, 6인치 취급 기술개발 및 박형 태양전지용 특수 공정 장비도 개발한다.
박형 태양전지 모듈화 공정 개발 및 검증은 관련 기술의 국산화와 산업 기술 인프라 확보, 태양전지의 초고효율화와 생산원가 절감을 위한 핵심기술이다. 이를 통해 차세대 태양광 그리드-패리티에 대비한 국내 태양전지 산업의 경쟁력을 확보하는 것이 최종 목표다.
태양전지 기판의 진공증착장비 제조업체인 나인테크도 고효율 태양전지 상용화를 위한 PECVD/ALD기반의 5G급 대면적 패시베이션 장비 개발에 도전한다. 이를 통해 태양전지 효율 상승을 위한 특수 박막 형성 기술 개발 및 실증으로 고효율 원천기술 개발 및 상용화를 달성한다는 계획이다.
◆바이오에탄올 생산 플랜트 구축 및 활용
내년부터 실증 규모의 바이오에탄올 생산 플랜트 구축에 나서는 등 바이오에탄올 생산플랜트 구축 연구도 진행된다. 젠닥스가 진행하는 이번 연구과제는 팜부산물을 기반으로한 바이오에탄올 생산 실증기술 및 통합시스템 개발이 목표다.
하루 1톤 가량의 섬유소계 바이오에탄올을 생산하는 실증 플랜트 구축 및 실증 연구를 통한 상용화가 가능한 통합 패키지 기술을 확보할 계획이다. 특히 고효율 전처리 기술과 동시당화발효 및 정제 공정 개발과 함께 바이오에탄올 사업화를 위한 통합패키지 개발에도 나선다. 팜부산물을 활용한 바이오에탄올 실증 플랜트 구축과 상용화 기술이 확보되면 국내 생산시스템 구축은 물론 해외 진출이 가능하며, 바이오에너지 상업화를 통해 화석연료 대체 및 온실가스 감소효과가 기대된다.
한양대학교가 진행하는 바이오에탄올 생산 실증플랜트 구축도 추진된다. 전기활성 미생물을 이용한 저급탄소원의 바이오연료 전환기술로서 하루 1톤의 생산을 통해 상용화 기술을 확보하는 것이 목표다.
저급 탄소원(acetic acid)을 원료로, 전기를 에너지원으로 활용하는 이 연구는 전극 계면에서 미생물 유전자 배치와 성장 인자에 관한 연구를 통해 효율저하로 인해 상용화되지 못한 미생물 기반 에너지원 문제를 해결하는데 획기적인 해결방안을 제시할 것으로 예상된다.
◆풍력발전 블레이드 및 구조물 개발 확산
이를 통해 블레이드 소재의 국산화는 물론 설계기술 자립화와 공정기술 고도화를 꾀한다. 궁극적으로 국내 풍력발전 블레이드 산업의 경쟁력 강화로 수출산업화를 이룩한다는 방침이다.
대영산전과 한국전기연구원이 공동진행하는 풍력터빈용 블레이드 개별 피치제어시스템 개발도 본격 진행된다. 풍력터빈 피치제어를 위한 핵심기술 개발과 함께 이를 풍력터빈에 적용해 실증하고, 추후 2MW급 풍력터빈용 피치제어시스템 상용화모델과 5MW이상급 풍력터빈용 개별 피치제어 핵심기술 개발에 나선다.
◆대형 해상풍력발전 기반연구 본격화
현대스틸산업은 해상풍력 대형 지지구조물 설치시스템 기술개발에 나선다. 서남해 연약지반용 3200톤급 잭업 시스템과 함께 플랫폼(Platform) 구조 설계 및 제작 기술까지 개발한다. 이같은 기술개발은 국내 해상풍력 프로젝트 공사에 직접 적용해 단지구축 비용 절감과 더불어 국내 해상풍력시장 활성화에도 기여할 수 있다.
한국에너지기술연구원과 우림기계는 7MW급 풍력발전기용 Yaw & Pitch Drive 기술개발에 착수한다. 풍력에너지 핵심부품에 대한 국산화와 함께 국내 및 국외인증을 획득, 상용화 시기를 단축하기 위한 것이다.
삼보건설기계는 7MW 해상풍력 하부구조물 모노파일 적용을 위한 굴착경 10M급 C.D.H시스템 기술개발에 나선다. 이를 통해 초대구경 해상시공의 원천기술을 확보함과 동시에 해상풍력 시공비 감소에 따른 경쟁력 확보에도 도움이 될 것으로 기대된다.
◆ESS용 리튬이온전지 품질향상 연구 활발
에너지저장장치에 대한 연구개발도 활발하게 전개된다. 먼저 아모그린텍은 리튬이온전지(LIB)에 들어가는 고내열성 및 고강도 나노 분리막 기술개발에 착수한다. 이 회사는 200℃ 이상 고온에서도 리튬이온전지 안정성을 유지하기 위한 고강도 복합 분리막 개발 및 양산을 통한 오는 2018년 세계 3대 분리막 생산메이커로 발돋움 한다는 전략이다.
아울러 기존 대비 80% 수준의 가격은 물론 폭발 안정성 및 우수한 수명 특성을 가진 분리막을 글로벌 이차전지 업체에 제공, 안정성과 가격경쟁력을 갖춘 ESS 보급활성화에 기여한다는 목표를 세웠다.
에코프로는 ESS용 리튬이온전지 수명연장을 위한 3차원 조성 제어형 高입자강도 양극소재 개발에 나선다. 10년 이상의 수명을 실현하기 위해 고밀도 농도구배형 전구체를 합성, 양극 소재 합성 및 표면 안정화를 꾀한다는 계획이다.
◆나트륨 및 레독스 ESS 연구도 가속화
전자부품연구원은 전력저장용 용융염 나트륨 이차전지 원천기술을 개발, kWh당 150달러 이하의 초저가 ESS 개발에 착수했다. 상온에서의 작동과 불연성을 가진 초저가 용융염 액체전해질 나트륨 이차전지 개발 및 세계 최초로 상용화 한다는 목표다.
이를 위해 다공성 탄소 소재 양극개발과 나트륨 음극개발, 전해질 개발 및 합성공정 최적화를 달성해 대용량 전력저장에 적합하면서도 가격 경쟁력까지 확보된 Na/SO2 이차전지 원천기술을 확보한다는 전략이다.
서울대학교 산학협력단은 전력저장 RFB(레독스흐름전지)용 redox couple 개발에 나선다. 특히 리터당 75Wh 이상의 에너지 밀도를 갖는 전유기계를 통해 기술경쟁력을 끌어올릴 계획이다.
◆저등급 석탄 고품위화 및 합성 천연가스 생산기술 개발
저등급 석탄을 생물학적으로 전환해 합성 천연가스나 고품위석탄 또는 화학연료를 생산하는 원천기술도 개발된다. 한국에너지기술연구원이 주도하는 생물학적 전환에 의한 저등급 석탄 고품위화 및 합성 천연가스 통합 생산기술 개발과제가 바로 그것이다.
특히 압력이나 수소첨가 등이 아닌 생물학적 석탄 전환 메커니즘을 규명해 원천 균주개발과 함께 합성 천연가스 및 화학원료 통합 생산시스템을 개발한다는 것이 목표다. 성공할 경우 세계 최초로 생물학적 석탄 리파이너리 원천기술을 개발하는 것은 물론 화석연료 청정에너지화 기술도 비약적인 발전이 기대된다.
◆더 저렴하고, 이동 가능한 연료전지 개발
자동차용 연료전지 가격 저감을 위한 비백금 촉매 원천기술도 개발된다. 한국과학기술연구원 주관으로 진행되는 이 연구는 비싼 백금이 아닌 비백금 촉매를 개발, 자동차용 연료전지 가격을 낮추고 상용화를 촉진하기 위한 것이다.
이를 위해 양자역학적 계산과학을 이용한 신규 전극 촉매를 설계하고, 비백금 촉매 설계 및 합성기술을 개발할 계획이다. 또 신개념 나노 박막 전극 제조기술과 신규 전극의 촉매에 적용할 막-전극 접합체 제조기술을 개발해 연료전지 핵심 구성요소인 촉매 원천기술 확보 및 국산화를 달성한다는 목표다.
CNL에너지가 추진하는 이동용 에너지전원을 위한 연료전지 모듈개발도 이어진다. CNL은 공랭식 200W급 PEMFC(고분자 전해질형 연료전지) 파워모듈 개발을 통해 각종 이동용 에너지전원으로서의 연료전지를 개발할 계획이다.
채덕종 기자 yesman@e2news.com
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