태양광을 비롯한 재생에너지 산업이 주춤거리는 가운데 재생에너지와 연결된 다양한 형태의 하이브리드 시스템이 새로운 전기를 마련할 것으로 기대되고 있다.
개별 에너지원의 특성을 잘 반영하면서 상호보완할 수 있는 하이브리드 전력 시스템이 에너지, 전력 산업에서 새로운 트렌드로 자리 잡는 형국이다.
하이브리드 전력 시스템이란 둘 이상의 에너지 전환 방식을 결합하거나 한 방식에 둘 이상의 연료를 사용하는 것을 말한다.
기본적으로 양쪽의 문제를 상호보완하여 해결할 수 있는 장점을 가진다. 재생에너지는 지속가능하고 깨끗하다는 장점이 있지만 시간이나 날씨, 계절, 지역에 따라 불균일한 전력을 만들어내어 신뢰성이 떨어지고 일부 풍력을 제외하고는 아직까지 경제성이 낮다.
한편, 석탄, 가스, 디젤등 화력발전은 비교적 안정적이고 저렴하게 에너지를 만들 수 있지만, 자원의 고갈과 환경 오염 물질 배출이라는 치명적 단점을 갖고 있다.
2차전지나 수소 등 편리하고 광범위하게 사용할 수 있는 에너지 저장 기술도 아직은 상업성이 부족한 형편이다.
그러나 상호보완적인 발전-저장 또는 일정 수준의 안정적 공급을 위한 화력발전이 연결된 하이브리드 시스템을 통해 에너지 안보와 신뢰성은 물론 경제성도 높일 수 있다.
태양광과 풍력, 지열과 태양광 등 자원 여건에 따른 재생에너지의 하이브리드는 대규모의 단독 플랜트보다 경제성 확보에 훨씬 유리하다는 평가다.

(1) 재생에너지와 2차전지의 결합
우선, 발전원과 에너지 저장 장치를 조합한 하이브리드 시스템 유형이다. 시간에 따라 불균일하게 만들어진 전력을 저장하였다가 필요할 때에 공급하여 안정적으로 전력을 수급할 수 있게 하는 것이 기본 개념이다.
태양광 + 2차전지 : 태양광 인버터 시장을 주도하는 SMA는 태양광 발전과 2차전지를 쉽게 결합할 수 있게 하는 시스템을 상품화하였다. 저장장치와의 결합은 세계 최대의 태양광 관련 행사인 Intersolar Europe 2011, 2012에서 관심을 끌기 시작했고, SMA는 2013년에 ‘Sunny Boy Smart Energy’라는 제품을 통해 하나의 트렌드를 만들기 시작했다. 발전과 저장을 결합하려는 시도가 전혀 새로운 것은 아니다.
이러한 형태의 하이브리드는 에너지관리시스템까지 결합하면서 더욱 위력을 발휘할 것으로 보인다.
풍력 + 2차전지 : 앞서 언급한 GE의 ‘하이브리드윈드터빈’은 위의 경우와는 약간 다르다.
이 시스템의 포인트는 터빈의 정격 출력을 1분 동안 지속할 수 있는 전기를 저장하여 불균일한 출력의 풍력이 기존 전력망에 안정적으로 손쉽게 연결할 수 있도록 한 것이다.
GE에 따르면 15분 출력을 보증하기 위해 15분에 해당하는 전력량을 저장할 필요가 없다고 한다. 2.5MW 터빈이면 15분 정격 생산 용량에 해당하는 625kWh의 배터리가 아닌 이보다 훨씬 작은 규모만이 필요하다는 것이 GE 측의 설명이다.
나아가 풍력 예측 프로그램과 2차전지를 통해 1시간 동안 안정적 출력도 가능하다. 실제 15분 정도면 기존의 발전소의 출력을 올릴 시간을 벌어줄 수 있다. 풍력 발전의 양의 변화가 아니라 증감 속도가 이슈가 된다는 데서 착안한 것이다.
‘하이브리드윈드터빈’과 같은 시스템은 기존 전력망의 안정성과 신뢰성을 높이면서도 풍력 발전의 확산을 가속시키는 역할을 할 것으로 평가 받는다. 이러한 움직임은 전력망 전체의 안정성과 신뢰성에 문제를 일으키지 않으면서 재생에너지 비중을 30~40%까지 높일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

(2) 서로 다른 재생에너지의 결합
서로 다른 특성을 지닌 재생에너지를 결합하여 전체적인 에너지 효율과 경제성, 혹은 상호보완을 통한 신뢰성을 높이는 하이브리드 방식도 있다.
전력 생산의 신뢰성이 높으면 기존 전력망과의 연계성을 높여 재생에너지의 보급 및 확산을 보다 쉽게 할 수 있다.

태양광 + 태양열 : 우리가 주변에서 볼 수 있는 열병합 발전은 전기를 생산하면서 발생한 열을 함께 활용하는 방식으로 에너지 효율이 높다. 태양광 발전과 태양열을 결합한 형태도 비슷한 유형이다. 태양광을 모으면 저가로 태양에너지를 확보할 수 있다.
일반적으로 태양열을 이용한 온수 시스템은 50~60%의 효율이다. 여기에 15% 가량 효율의 태양광 발전을 추가하면 전체적으로 75%의 병합 효율이 가능하다.
태양광 + 풍력 : 서로 다른 발전 특성을 내는 재생에너지끼리의 결합을 통해 수급 변동성이 적은 안정적 전력을 공급할 수 있다. 풍력과 태양광, 지열과 태양광의 하이브리드가 그 예이다. 지열은 시간에 따른 출력이 비교적 일정하고 태양광은 피크 부하 시기와 거의 일치하여 상호보완적 결합이 가능하다.
태양광과 풍력을 같은 장소에 설치함으로써 각각의 특성을 살림과 동시에 공간이나 기존 인프라를 활용하여 효율적이고 안정적인 시스템으로 묶는 형태도 눈여겨볼 만하다. 각각을 다른 장소에서 한 것보다 양적으로 2배의 전력을 만들 수 있다.

(3) 기존 화력발전과 재생에너지의 결합
세 번째로는 재생에너지와 기존 화력발전과의 하이브리드 형태다. 2000년대 후반부터 화석연료와 태양에너지의 결합이 발전소의 미래 모습으로 부각되기 시작했다.
태양광과 같은 재생에너지가 확산되기 위해서는 초기 설비 투자 부담 완화와 망 연계성 확보가 필요하다.
망 연계성은 재생에너지를 통한 발전의 예측 불확실성 및 불균일성으로 인해 발생할 수 있는 망 전체의 안정성과 신뢰성 저하를 해결해야 얻을 수 있다.
화력발전의 경우 태양 에너지 플랜트를 연결함으로써 기존 플랜트의 전력 생산 규모를 높이고 연료 사용량 및 이산화탄소 배출량을 낮추는 동시에 발전사의 재생에너지 의무량 확보에도 기여할 수 있다.
무엇보다 기존 선로와 플랜트를 그대로 활용할 수 있으므로 기존 화력과 태양에너지의 경제성도 높일 수 있다.
화력과의 하이브리드에서 가장 각광을 받는 것이 집광형 태양열 플랜트(Concentrated Solar Plant, CSP)이다. IEA의 Solar PACES 그룹 자료에 따르면, 2050년경 전력의 25%를 CSP가 공급할 것으로 전망할 정도다. CSP는 태양열을 모아 증기를 생산해 터빈으로 공급한다. 이를 통해 화력발전의 초기 구동 시간을 줄이고 부하에 효율적으로 반응할 수 있고 연료 소비와 오염물질 배출을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

ICT 기반 에너지 관리 추진

이런 가운데 정부는 전기 사용량을 절감할 수 있도록 정보통신기술(ICT)을 활용한 ‘에너지 수요 관리 기술’ 및 국민생활과 밀접한 가스 분야의 안전성 강화를 위한 ‘가스 에너지 안전기술’ 등을 적극적으로 추진하고자 하는 2013년도 하반기 에너지기술개발사업 신규과제 지원계획을 발표하였다.
산업부는 지난 8월 ‘창조경제시대 ICT 기반 에너지 수요관리 신시장 창출 방안’을 발표하고 정보통신기술을 활용해 국민 불편을 최소화하는 전력 수요관리를 추진 중에 있다.
이에 대한 후속 조치로 ICT 기반 스마트 플러그 관련 기술, 정보가전기기 전력절감 기술, 에너지 다소비 기기(건조기, 조명 등) 효율향상 기술, 산업 공정상에서의 소비전력을 줄일 수 있는 공정개선 기술 등을 이번 공고 과제에 포함하였으며, 2014년도 중장기 R&D 과제 기획에도 ICT 관련된 기술 수요를 적극 반영하여 지원할 예정이다.
그리고, 우수 기술력을 보유하고 있는 에너지 분야 중소·중견기업을 대상으로 해외 진출을 적극 지원하기 위해 ‘글로벌 전문기업 육성’을 위한 기술개발 과제를 신규로 지원하게 된다.
그 동안 에너지 산업은 에너지의 안정적인 공급과 유지관리 등을 위해 주로 공기업과 대기업 위주의 대규모 플랜트와 시스템 구축을 지원해 옴에 따라, 상대적으로 중소·중견기업의 기술 경쟁력이 타 산업보다 낮은 문제점이 있다.
이를 개선하기 위해 해외 진출 가능성이 높은 분야의 기술을 선별하여 해당 기업이 강점으로 가지고 있는 과제를발굴, 집중 지원함으로써 국내 에너지 중소·중견기업이 세계 에너지 시장에서 기술 경쟁력을 갖춘 기업으로 육성될 수 있도록 지원하고자 한다.
아울러, 기존 에너지 산업에서 성능향상, 비용절감, 상용화 시기 단축 등 기존 패러다임의 획기적인 개선이 가능하도록 하는 에너지 혁신형 기술과제, 시장 수요를 충족시키기 위한 자유 공모형 단기과제와 중장기 과제도 함께 지원하기로 했다

(LG경제연구원)