재생에너지를 타에너지로 변환·활용하는 기술, 즉 전력과 비전력 부문간 연계로 공급과 소비부문이 서로 연계되는 융합시스템을 섹터커플링(Sector Coupling)이라고 한다. P2X(Power to X: 그린수소생산(P2G), 열생산(P2H&Boiler), 모빌리티 이용(P2M)기술과 재전력화(X to Power)기술 등이 해당한다. 국내에서 올해 섹터커플링 과제가 본격 시작됐다. 에너지기술평가원에서 섹터커플링 과제를 기획한 김성수 신재생융합PD를 만나봤다.

최종 에너지소비의 전력화, 전력생산의 탈탄소화, 분산화, 디지털화 등 전력시장이 변화하고 있다. 전통전력망(공급유연성)에서 재생에너지 저탄소 분산 전력망으로 변화하고 있는 것이다.

전력시장 변화에 대응하기 위해서는 신재생에너지, 분산자원의 계통수용성 확보, 사이버보안 대응, 소비자 시장참여 확대, 전력계통 신뢰도 및 품질을 유지해야 한다. 통합관제시스템 구축, 발전량 예측, 예비력 운영체계 구축, Regulation, 관성, 유연성자원확보, DR활용 등이 필요하며 입찰시장개선 (실시간)가격신호, 보조서비스 시장 및 소비자 시장참여 확대 및 유연화시스템(P2X-X2P), 공급-소비 통합관리시스템 구축 등 제도적·기술적 보완 및 설비운영 포트폴리오 구성이 시급하다.

신재생에너지 잉여전력을 히트펌프, 전극보일러를 이용 냉난방열을 생산해 축열조나 빙축열설비에 저장해 필요시 공급하는 열저장 및 활용기술(Power-to-heat: P2H)이 있다. 히트펌프를 이용해 친환경열에너지 생산기술 고도화와 열에너지의 효율적 저장 및 안정적 공급이 가능한 축열 시스템, 부하측 수요에 대응하는 효율적 축열조 활용기술, 집단에너지 연계 전극보일러 구동 전력-열 변환 및 저장기술, 에너지 수요관리 프로그램 연계 에너지신사업 모델 개발 등이 필요하다.

독일은 풍력발전 연계 전극보일러(45MW급)를 설치해 지역난방에 이용하고 있으며 덴마크는 에너지저장의 95%를 열로 저장할 수 있는 히트펌프 및 전극보일러를 활용하고 있다. 2040년까지 설치용량을 2,000MW까지 확대할 예정이다.

수소저장 및 활용기술(Power-to-hydrogen)은 재생에너지 잉여전력을 수전해를 통해 수소 또는 메탄 등 가스연료를 생산·저장, 활용하는 기술이다. 수전해 수소저장, 수송연료, 연료전지 열, 원료 등 다방면에 활용할 수 있으며 그린수소 확대를 위한 대규모 수전해 기술개발로 경제적 대량공급 기반을 확보할 수 있다. 목표는 2040년 수소가격 3,000원/kg 달성하는 것이다. 

국내 실증은 2MW급 하이브리드 수전해 그린수소 생산 및 저장 기술개발을 진행하고 있다. 전기차 충·방전 및 이용기술(Power-to-Mobility)은 전기차량의 충전상태, 충전 패턴, 시장가격, 충전비용, 계통영향, DR정보 분석을 통한 자동차별 최적 충전스케줄링 기술을 말한다.

열-전력 변환기술은 열-전기 에너지저장(Electric Thermal Energy Storage: ETES) 기술로 카르노배터리(Carnot Battery) 축열발전 기술, 유연탄발전소 Retrofit 적용기술 등을 개발하는 것이다. 현재 IEA와 에너지기술연구원은 대용량, 장주기, 저비용 전력저장 카르노 배터리 국제연구를 진행 중이다.

섹터커플링 기술개발 성과관리 및 플러스DR제도 실증을 총괄해 재생에너지 초과 전력자원의 계통 유연화를 위한 플러스DR 개발 및 실증이 최종목표다. 먼저 재생에너지 출력제한(VRE Curtailment)대응 P2Heat 기술개발 및 실증연구의 최종목표는 재생에너지 초과전력을 연계한 히트펌프, 축열조 및 보일러 등과의 연계시스템 운영을 통한 플러스 수요반응자원 등록 및 활용 시스템을 구축하는 것이다. 

초과전력 활용 MW급 친환경 멀티소스 열에너지 생산 기술 및 공급-소비 최적화 P2Heat 기술과 2개소 이상의 이종대형 열에너지 수요처에 적합한 축열조, 열매체 등을 이용한 전력-열소비 기술, 출력제한에 대응하는 플러스 수요반응자원의 정확성 및 실효성을 위한 플랫폼, 경제성 분석 및 에너지수요관리 프로그램 연계비즈니스 모델 등을 개발한다.

재생에너지 잉여전력 사용 극대화를 위한 전기자동차 스마트충전시스템 개발 및 실증의 최종목표는 재생에너지 초과전력 연계 전기차 배터리 활용 스마트충전시스템 구축 및 충·방전 소비자 참여기술을 개발하는 것으로 △전기차 폐배터리를 활용한 충전스테이션 개발 및 실증(배터리 재사용·재활용 사업 등과 연계) △ICT 기반 스마트 충방전 서비스 플랫폼 및 BM 개발(공유·개방형 플랫폼) △플러스DR 신뢰성 확보를 위한 데이터 분석기술 및 소비자 참여기술 △스마트충전 제도실증 방안설계 및 효과평가기법 등을 개발한다.

재공고 예정인 집단에너지 연계 전기보일러 구동 전력-열 변환 및 저장기술은 5MW 이상 전기보일러와 집단에너지시스템을 연계하는 전력-열부문간 에너지변환 및 저장, 활용하는 기술이다. △전력계통 유연성 확보용 대형(MW급)전기보일러의 Pilot Plant 건설 △집단에너지연계 P2eB(boiler) 실증운영 데이터 취득시스템 구축 △P2eB 진입 시 전력계통 안정화 및 경제적 편익 산출 △P2eB 반영한 전력시장 운영기술 △상변화물질(PCM: Phase Change Material)을 이용한 에너지저장 기술 및 실증 △지역에너지 자립을 위한 열·전기 통합관리 플랫폼 실증 등을 진행할 예정이다.

재생에너지 보급에 따른 변동성, 간헐성 대응 수단확보로 재생에너지 확대에 대한 신뢰성을 제고할 수 있다. 열에너지의 상당 부분이 화석연료에 의존해 생산되고 있지만 P2H를 통해 재생에너지를 직접 열에너지로 사용하거나 재생에너지로부터 생산된 전력을 활용해 무탄소 열생산기술을 개발할 수 있다.

재생에너지의 일간 및 계간 변동성을 보완하는 수단으로 고온의 열에너지 형태로 저장하는 장주기 대용량 열저장기술 개발로 저장된 고온의 열에너지는 전력생산에 활용되거나 고온열이 필요한 산업공정에 직접 활용할 수 있다. 산업 및 건물부문의 효율향상과 직접적 연관으로 고온부터 저온까지 포함하는 양방향 열에너지 네트워크 구축 및 운영기술 확보는 물론 열 네트워크와 IT기술을 접목해 열거래를 현실화할 수 있다.

특히 변동성재생에너지(VRE) 출력제한 및 과전압 해소 등 전력계통 유연성제고로 공급의 신뢰성, 안정성 제고, 전기 품질을 유지할 수 있으며 플러스 DR 등 에너지신산업도 창출할 수 있다.

에너지원간 섹터커플링 활성화를 위해 열(RHO)·연료(RFS)·전력(RPS) 등 에너지유형별 공급 의무화제도를 통합할 필요가 있다. 특히 에너지 공급 및 수요자원간 통합, 효율화하는 종합에너지시스템도 구축해야 하며 열공급의무화(RHO) 등 시장 활성화제도도 시행해야 한다.