美 신재생에너지 개발 '속도와 규모' 놀라워

한욱 산업기술연구회 이사장, 한문희 에너지기술연구원 원장, 강용혁 에기연 신재생연구본부장 등은 지난달 11일부터 12일까지 이틀간 미국 콜로라도주 댄버에 있는 미국 신재생에너지연구소(New & Renewable Energy Lab, 이하 NREL)를 방문했다. 양 기관간 협력의제를 논의하고 공동연구를 발굴하기 위한 이번 방문의 성과와 NREL의 연구현황을 정리해 본다. 

 양 기관은 이 자리에서 공동연구 협력분야로 이미 제안된 3세대 태양전지 개발, 실리콘 나노입자 및 양자점 박막이용 태양전지 제조 및 성능평가 공동개발 및 재생에너지 평가기법 공동개발을 합의했다. 

미국 재생에너지연구의 산실 'NREL'

NREL은 1977년에 설립되었으며 2001년 미국 에너지부(DOE) 산하 국가연구소로 지정돼 현재는 바텔의 위탁경영을 받고 있다.

NREL의 지난해 예산은 3억2839만달러로 시설 및 인프라에 7620만달러, 태양에너지 7240만달러, 바이오 3540만달러, 풍력에 3390만달러, 수소 2840만달러, 자동차 1930만달러, 건물 1110만달러, 기초연구 1350만달러 등으로 구성돼 있다.

NREL의 주요 R&D 활동은 효율적인 재생에너지(재생전기, 재생연료, 통합에너지시스템, 전략적인 에너지 분석) 연구개발 및 활용을 통해 국가에너지 문제를 해결하는 데 초점이 맞춰져 있다. 

협동연구 및 공공ㆍ민간 단체에서 인증한 기술을 통해 기술 및 전문지식을 재생에너지 분야 시장으로 이전하는 활동도 주요 임무로 맡고 있다. 

즉, 기가와트(GW) 규모 재생에너지 보급을 위해 단가, 신뢰도, 인프라, 신속한 조치 등을 꾀하고 원유 근간의 연료 대체를 위해 단가, 수명과 지속성, 연료 인프라 등을 해결하며 건물, 차량과 산업의 에너지 수요 감소를 위한 조직적 이행, 효율, 단가, 성능 및 신뢰도 해결 등을 추진하고 있다.

태양에너지로 2025년까지 전체 전력의 10% 공급

태양에너지는 태양광발전(PV)과 집광식 태양열발전(CSP: concentrated solar power)을 포함하며, 2025년까지 미국 총전력의 10% 보급을 위해 새로운 공급 옵션, 성능 향상 및 제조단가 감소, 나노구조ㆍ신물질 개발 등을 추진하고 있다.

태양광발전단가의 목표는 2010년 kWh당 11~18센트, 2015년까지 5~10센트이며, 현재 1000MW가 설치되어 kWh당 약 18~23센트의 수준을 유지하고 있다. 

NREL에서는 고성능 셀 및 모듈 개발, 새로운 나노물질 적용,  제조공정 향상 등을 진행중이며 특히 2세대 박막전지, 나노입자-나노튜브(전자전달의 직진성), 3세대 PV셀(quantum dots) 등을 중점적으로 개발하고 있다. CIGS박막전지는 NREL이 세계 최고효율 19.9%를 기록중이며 한국은 에기연이 18.8%를 달성한 상태다.

집광식 태양열발전(CSP)의 경우 현재 미국내에 419MW가 설치되어 있으며 현 발전단가는 kWh당 12센트 수준이다. 태양열발전단가 목표는 2010년에 kWh당 8.5센트, 2015년에 6센트를 목표로 저가 및 고성능 에너지저장, 흡수제, 반사판, 열전달유체의 향상 및 차세대 태양 집광기 개발에 주력하고 있다.

풍력ㆍ바이오연료 상용화에도 사활

미국의 풍력발전 분야 목표는 2020년까지 총 전력의 20%, 2012년까지 육상풍력발전 단가를 kWh 3.6센트로,  2014년까지 해상풍력발전 단가를 kWh당 3.6센트로 달성하는 것이다. 현재 미국은 2만2820MW의 풍력이 설치되어 있으며 발전단가는 kWh당 6~9센트 수준이다. 

NREL은 이같은 국가목표 달성을 위해 풍력발전과 나노기술(첨단 물질코팅)에 의한  신뢰도 및 수명 증가, 해상풍력의 높은 부식 환경 개선, 고스트레스 부품들, 윤활시스템 및 표면 장비, 내부식(fouling) 시스템, 터빈 날개의 얼음 감소 및 수명증가 관련 연구를 진행하고 있다.

바이오 연료는 2012년 셀루로스 에탄올을 갤런당 1.33달러, 2022년까지 연간 재생연료 360억갤런, 2030년까지 연간 에탄올 600억갤런 생산을 목표로 설정했다. 이를 위해 NREL은 다양한 바이오분야의 첨단기술을 개발하고 있으며 실험실수준에서 상업화로의 기술이전 로드맵을 수립해 추진중이다.

즉, 단기적으로는 바이오에탄올, 바이오디젤, 열분해(Pyrolysis Liquid)를, 중기적으로는 합성가스(Synthesis Gas), 조류(Algae)를 추진중이다.  바이오 발전단가 목표는 현재 kWh당 8~10센트에서 kWh당 4~6센트로 낮추는 것이며 2007년 발전용량은 10.5GWe에서 2030년에는 160TWh(600억갤런/연간 바이오정제)의 에너지 생산을 목표로 하고 있다.

자체 자금으로 '선택과 집중'에 의한 연구 수행 

이번 방문기간 중 NREL의 연구시설물 및 기술센터를 견학할 수 있었다. 또 연구실을 방문해 연구환경을 살펴볼 기회도 있었다. NREL 홍보관에서는 세계적으로 유명한 NREL 연구업적 및 연구자를 소개하고 있었고  특히 태양전지의 개발단계별 실적 및 제품의 소개가 인상적이었다.

또한 바이오플랜트, 태양광 실험실을 방문했는데 바이오플랜트 경우 원료로부터 오일이 생산되는 전 생산공정을 갖추고 각 단계별 성능개선, 신개념 기술 적용 연구 등을 수행중이다.

세계 최고 수준을 기록중인 CIGS 박막태양전지 실험실에서는 CIGS 태양전지 제조, 성능시험 장비와 나노물질 제조 및 박막코팅(진공) 시설을 견학했다. NREL의 경우 연구실과 실험실을 분리해 사용하고 연구실은 통합해 사용하도록 되어 있었으며 쾌적한 연구환경을 위한 자연채광 및 통풍시설 등이 잘 갖춰져 있었다.

NREL 본원에서 30분 정도 떨어진 곳에 위치한 신재생에너지 연구소 풍력기술센터 (NREL-WTC)는 1976년 설립 이래 1986 SERI(NREL)로 통합된 후 지금에 이르고 있으며  터빈설계, 평가, 각 업체 제품의 성능시험, 엔진 동력시험(Dynamometer Test), 브레이드 강도시험 등을 수행하고 있다.

미국내 160개 이상 실증사이트가 있으나 시스템 성능 및 요소시험은 이곳에서만 수행하고 있다.
 
이번 방문을 통해 NREL의 경우 자체 연구자금으로 선택과 집중에 의한 연구를 기업에 이전할 수 있도록 진행하고 있음을 확인했고, 우리 연구원 연구제안 공동연구에 대한 논의는 바텔을 통해 후속 전문가 회의를 거쳐 구체화하기로 합의했다.

아울러 제안된 과제외 협력분야 확대, 전문가 교류 및 정보 교환 확대 등도 합의했다.