[독일] 물 전기분해를 이용한 신재생 에너지의 저장시설 건설
최근에 풍력과 태양 에너지에 크게 의존하게 된 독일은 물을 수소 기체와 산소로 분해함으로써 에너지를 저장하는 것이 포함되는 20개 이상의 시범 사업을 시작하였다. 이 프로젝트는 전기분해(electrolysis) 방법이 간헐성(intermittency)이라는 신재생 에너지가 가진 가장 큰 도전과제 가운데 하나를 해결할 수 있는지를 증명하는데 도움이 될 수 있다.
독일에서 건설 중인 전기분해기 프로젝트는 일반적으로 몇 개의 건물로 구성되어 있다. 각각의 건물은 선적용 컨테이너의 크기를 가지며, 화창하고 바람이 부는 날에 발생된 여분의 신재생 에너지는 물 분해 반응에 전력으로 공급하도록 하여 소비된다.
결과적으로 만들어진 수소는 저장소와 이미 천연가스를 위하여 사용되었던 분배 기반시설로 보내지며, 마침내 연소 혹은 연료 전지를 통하여 전기로 다시 반환된다. 또한, 이것은 천연가스 자동차에 대한 동력 공급, 가정용 난방, 비료 제조 등과 같이 다양한 다른 목적으로도 활용될 수 있다. 독일은 수소 에너지 저장에 투자하는 유일한 국가가 아니다. 캐나다는 온타리오(Ontario)에 계획 중인 주요한 수소 에너지 저장 시범 시설에 대한 투자로 행동을 시작하고 있다.
전기분해법은 다른 에너지 저장법을 이용하는 것과 비교하여 여러 가지 장점을 가진다. 이 방법은 거의 모든 곳에 설치될 수 있으며, 막대한 양의 에너지를 저장할 수 있으며, 수소는 전기 생산뿐만 아니라 훨씬 더 많은 탄소 배출량을 가지는 산업 및 수송 분야에서도 화석 연료를 대체하는데 사용될 수 있다. 이러한 많은 장점에도 불구하고, 전기분해법은 원래 전기의 약65퍼센트가 손실되는 낮은 효율을 가지기 때문에 오랫동안 에너지 저장법으로는 상대적으로 형편없다고 여겨지고 있었다.
그러나 이 기술에 대한 개선이 이루어지면서 비용을 줄이고 있으며, 신재생 에너지의 대규모 사용은 저장에 대한 새로운 수요를 창출하고 있어 점점 더 많은 장소에서 전기분해법이 실용적인 대안이 되고 있다. 올해(2014년) 초반에 지멘스(Siemens)는 세계에서 가장 큰 양자교환막(PEM: proton exchange membrane) 전기분해기에 대한 공사를 독일의 마인츠(Mainz)에서 시작하였다. 다른 전기분해기들은 정상 전력 수준에서 동작하도록 설계되었지만, 양자교환막(PEM) 시스템은 가변하는 동력을 가지는 풍력이나 태양 에너지에 대하여서도 양호한 성능을 나타낸다.
내년(2015년)에 완공될 예정인 이 시설은 매년 수소 650,000킬로그램을 생산할 능력을 가질 것이며, 이는 휘발유 650,000갤런이 가진 에너지에 상당하는 양이다. 그러나 시범 발전소의 경우 아마도 연속적으로 동작하지는 않을 것이다.
독일에서 많은 대형 프로젝트를 위하여 전기분해기를 공급하고 있는 기업인 하이드로제닉스(Hydrogenics)는 매년 휘발유 430만 갤런 상당량의 수소를 생산하게 될 40메가와트 시스템을 설계하고 있다. 최근에 하이드로제닉스는 기존의 알칼리 전기분해기보다도 크기가 10분의 1 미만인 양자교환막(PEM) 전기분해기를 개발하였다. 이렇게 작은 크기를 가진 시스템은 전기분해기의 위치 선정을 쉽게 만들 뿐만 아니라 비용을 낮추는 데도 도움이 될 수 있다.
또한, 여분의 풍력 및 태양 에너지는 전력 계통에 전력의 과잉 공급을 제공하므로 비용을 절감하고 있다. 전력 계통을 안정적으로 유지하려면 전력이 발생하자마자 사용될 필요가 있기 때문에 구매자가 있으면 때때로 비용이 영(zero)의 수준으로 떨어질 수 있다. 저렴한 전기는 전기분해법을 훨씬 더 경쟁적인 것으로 만들고 있다.
적어도 천연가스의 가격이 저렴한 미국에서는 전기분해법을 이용한 수소 생산은 천연가스에서 수소를 만드는 것보다 더 비싸다. 그러나 전기분해법은 배터리와 같은 저장 대안들과 경쟁할 수 있다고 미국 콜로라도(Colorado) 주의 골든(Golden)에 위치한 국립 신재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)에서 수석 공학자인 케빈 해리슨(Kevin Harrison)이 말했다.
또한, 전기분해법은 물을 언덕으로 올려 보내고 이를 다시 내려 보내 터빈을 구동시키는 가장 저렴한 방법보다도 훨씬 더 다재다능하다. 전기분해기는 거의 모든 곳에 설치될 수 있다고 케빈 해리슨이 전했다.
[원문보기]
Improving technology is making electrolysis a viable way to store excess energy from renewable sources.
Germany, which has come to rely heavily on wind and solar power in recent years, is launching more than 20 demonstration projects that involve storing energy by splitting water into hydrogen gas and oxygen. The projects could help establish whether electrolysis, as the technology is known, could address one of the biggest looming challenges for renewable energy—its intermittency.
The electrolyzer projects under construction in Germany typically consist of a few buildings, each the size of a shipping container, that consume excess renewable energy on sunny and windy days by turning it into an electric current that powers the water-splitting reaction. The resulting hydrogen can then be pumped into the storage and distribution infrastructure already used for natural gas and eventually turned back into electricity via combustion or fuel cells. It can also be used for a variety of other purposes, such as powering natural-gas vehicles, heating homes, and making fertilizer.
Germany isn’t the only country investing in hydrogen energy storage. Canada is getting in on the action, too, with a major demonstration facility planned for Ontario.
Electrolysis has advantages over some other energy storage options. It can be deployed almost anywhere, it can store vast amounts of energy, and the hydrogen can be used to replace fossil fuels not only in electricity production but also in industry and transportation, which account for far more carbon emissions.
Even so, it has long been considered a relatively lousy way to store energy because of its low efficiency—about 65 percent of the energy in the original electricity is lost. But improvements to the technology are reducing costs, and the large-scale use of renewable energy is creating new needs for storage, making electrolysis a practical option in a growing number of places.
Earlier this year, Siemens broke ground in Mainz, Germany, on what it says will be the world’s largest proton exchange membrane (PEM) electrolyzer. Whereas other electrolyzers are designed to operate with steady power levels, the PEM system performs well even with quickly changing amounts of power from wind and solar. When it opens next year, it will have the capacity to produce 650,000 kilograms of hydrogen a year, the energy equivalent of 650,000 gallons of gasoline. (As a demonstration plant, however, it probably won’t run continuously.)
Hydrogenics, which has supplied electrolyzers for many of the biggest projects in Germany, is designing a 40-megawatt system that will produce the equivalent of 4.3 million gallons of gasoline a year. The company recently developed a PEM electrolyzer that’s less than a tenth the size of its conventional alkaline ones. The small size, in addition to making it easy to site the electrolyzers, can help lower costs.
Costs are also decreasing because excess wind and solar power creates a glut of power on the grid. Because power needs to be used as soon as it’s generated to keep the grid stable, prices are sometimes dropped to zero so buyers can be found. Cheap electricity makes electrolysis far more competitive.
Electrolysis remains more expensive than producing hydrogen from natural gas—at least in the United States, where natural gas is cheap. But it can compete with storage options such as batteries, says Kevin Harrison, a senior engineer at the National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado. It’s also more versatile than the cheapest way to store energy: pumping water up a hill and then letting it back down to drive a turbine. That approach is severely limited by geography—but, he says, “you can put an electrolyzer almost anywhere.”
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