일본의 에너지 기술 주요 기술과제 로드맵(2)

  • 번역/정리 : 박한돌 기자
  • 2016-08-09 오전 11:53:51

일본은 대지진과 원자력 발전소 사고 이후 원자력 발전소 가동을 잇달아 중단한 가운데 석유, 천연 가스 등의 화석 연료에 대한 의존도가 증가하고 에너지 자급률 악화, 에너지 비용 상승, 이산화탄소 배출량의 증가 등 다양한 문제에 직면하였다. 본 제4차 기본 계획은 일본이 이러한 문제에 어떻게 적절하게 대응하면서 중장기적으로 에너지 수급 구조의 취약점을 해결해나가고자 하는지, 현실적이고 실현 가능한 에너지 정책의 방향성을 종합적 · 거시적으로 보여주고 있다.
본 기본 계획에는 초기 선샤인계획 등 역사적인 에너지기술 개발 계획이 소개되어 있지만, 여기서는 우리나라의 에너지 기술 개발계획에 참고가 될 수 있는 부분으로서, 제3장 「기술개발 로드맵」의 내용을 번역하여 6회에 걸쳐 게재한다.

 

3. 지열발전

가. 해당기술을 필요로 하는 배경

 재생에너지는 CO2를 배출하지 않고 일본 국내에서 생산할 수 있는 중요한 저탄소에너지원이기 때문에 그 도입을 최대한 빨리 추진한다는 계획이다.
 그중에서 지열발전은 설비 이용률이 약 80%로 높고, 다른 재생에너지 중에서도 비교적 발전비용이 낮은 기저부하 전원이라는 장점이 있다. 특히 일본은 세계 3번째로 풍부한 지열자원 잠재력(약 2340만 kW)을 가지고 있다. 그러나 현재의 총 출력은 약 52만 kW로, 일본 전체 총발전량의 1%에도 미치지 못하는 상황이다.
 이 때문에 지열발전에 있어서 높은 개발 비용이나 리스크 등의 과제를 해결하기 위해 지하를 정밀하게 분석하는 기술과 환경 친화적인 고성능 지열발전 시스템의 개발 등이 요구되고 있다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향

 지열탐사기술은 지하에 존재하는 지열 저류층을 보다 정확하게 파악하기 위한 기술이며, 굴삭 비용 등의 저비용화를 위한 기술과 함께 플래시 발전의 보급을 위해 필요한 기술이다. 또한 지하에 존재하는 지열 저류층을 정확하게 평가하고 관리하는 등 안정적인 전력 공급에 이바지하는 기술 개발도 중요하며, 일본의 주도로 이러한 기술개발이 진행되고 있다.
 또한 장기적으로는 지열의 활용 범위를 비약적으로 확대할 수 있는 EGS(Enhanced Geothermal System) 기술에 대해서도 검토가 진행되고 있다.
  저온 지열자원을 유효하게 활용할 수 있는 바이너리 발전의 확대를 위해 발전 실증이나 고효율화를 위한 연구가 필요하며, 일본에서는 국가적으로 개발이 진행되고 있다.
  참고로 일본의 터빈기술은 세계시장의 약 70%를 차지하고 있다.

다. 도입을 위한 제도적 제약 등 사회적 과제

 지열발전 도입을 촉진해 나가기 위해서는 지열 탐사 기술의 고도화와 환경친화적인 고성능 지열발전 시스템 개발을 추진함과 더불어 다음과 같은 대책을 추진해 나간다는 계획이다.

① 일본의 지열자원 개발에 대해서는 자연공원 내도 포함하여 지역의 지열자원을 충분히 살린 규모의 지역과 공생하는 지속 가능한 개발을 추진하기 위해 대규모 개발을 촉진하기 위한 과제 해소와 지역이해 촉진사업을 착실히 진행한다.

② 대규모 발전을 하려면 개발 기간만 10년 정도 걸리게 된다. 이 기간을 단축하기 위한 신속한 환경영향평가와 지역 내 송전선 등을 강화한다.

라. 미국 및 유럽의 동향
지열발전 보급 현황을 보면, 미국이 세계 최대의 설비용량을 보유하고 있고, 필리핀과 인도네시아, 멕시코, 이탈리아가 그 뒤를 잇고 있다. 미국에서는 바이너리 발전 개발도 적극적이며 다수의 상용플랜트가 가동되고 있는 외에도 EGS기술을 포함한 고도 지열발전 시스템에 대한 검토도 진행되고 있다.
 미국의 기술개발 동향을 보면 2025년을 위한 개발계획에 있어서 저비용이면서도 고효율인 굴삭 및 가공기술을 개발, 저류층의 수명 및 생산성 유지를 위한 관리기법 개발 등의 분야에 대한 연구개발을 추진하는 것으로 되어 있다. 또한 유럽 지열에너지협회(EGEC)의 기술 로드맵 중에는 2020년을 위한 기술개발 테마로서 발전효율 개선, 열원의 탐사기법과 굴삭기술 개량 등이 들어있다.

 


4. 바이오매스 활용

가. 해당기술을 필요로 하는 배경
바이오 연료는 가솔린이나 경유 등 모든 석유계 연료의 대체로서 동등한 열량을 가지며 비용면에 우수하고, CO2배출을 저감하고, 기존 인프라나 엔진 사양을 바꾸지 않고 그대로 적용할 수 있다.
  사탕수수 등을 원료로 하는 제 1세대 바이오연료는 식량과의 경합 등이 지적되고 있어, 먹지 못하는 바이오매스에서 생산된 제 2세대로서 셀룰로즈계 에탄올이나 제 3세대로서 BTL(Biomass to Liquid), 미세조류의 원료 이용 실용화 등 새로운 변환기술 확립을 위한 연구개발이 각국에서 진행되고 있다.
  바이오매스 발전이나 열 이용에 대해서도 여러 국가에서 도입 및 보급이 추진되고 있다.

나. 해당기술의 개요와 기술개발 동향
  액체 바이오 연료에 대해서는 제 2 세대 인 셀룰로즈계 바이오에탄올을 고효율, 저비용으로 생산하는 기술이나 제 3 세대인 BTL, 미세조류 유래의 바이오연료 등 차세대 기술의 연구개발이 추진되고 있다. 
  바이오 가스 및 고체 연료 등 바이오매스 에너지에 대해서도 고효율, 저비용화를 위한 기존 인프라에 실장 및 실용화에 속도를 내고 있다.
  또한 지역의 특성을 살린 바이오매스 에너지 이용기술의 확립, 실증을 추진하고 있다.

다. 도입을 위한 제도적 제약 등 사회적 과제

  일반적으로 바이오매스 에너지의 도입 확산은 특히 원료수집, 운반에 많은 비용을 요하는 등 구조적으로 비용이 높아지기 쉽다. 따라서 ① 스케일의 이점 ② 원료의 안정적인 조달, ③ 생산지 근방에서의 소비(지산 지소)를 확립하는 것이 과제이다.
 이를 위해 현재 도입 의무량과 환경 부하의 저감 등의 정책 목표도 감안하면서 다음 사항에 대응할 필요가 있다.
- 개발 수입과 고부가가치 제품의 병행제조 등의 검토
- 원료와 제품의 성상, 성능 관련 규격이나 기술의 실장 관련 규제 등의 정비
- 지역 순환형 사회 시스템의 구축

라. 미국과 유럽의 동향
  미국은 에너지성 산하의 에너지 고등연구계획국(ARPA-E)에서 에너지 생산성 향상을 위한 기술개발을 공모하고 채택한다. 유럽에서는 유럽 인텔리전트에너지 계획의 일환으로 지역에서의 바이오연료 공급망 구축 촉진을 목표로 하는 지역 실증프로젝트를 실시하고 있다.

 


5.해양 에너지 이용

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
조력, 해류발전 등은 유럽에서도 연구개발 단계에 있다. 해양으로 둘러싸인 일본의 경우는 지역이나 해역 특성에 따라 조류, 해류, 파력, 해양온도차 등의 로컬에너지가 존재하고, 저비용, 고효율화 등을 해결하려면 향후 분산형 에너지로서 중요한 역할을 맡을 가능성이 있다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향
해양에너지는 파력이나 조력, 조석, 해양온도차에서 얻어지는 에너지에 의해 터빈을 회전시켜 발전을 하는 발전방법이다.
현시점에서는 각각 개발과 실증이 동시 병행적으로 진행되고 있다.
지역특성이나 해양에너지 잠재력에 따른 분산형전원 개발이 추진되고 있다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
  발전비용 저감(발전효율 향상, 설치비용 저감 등), 내구성과 신뢰성 향상 등이 이루어져야 하며, 어업, 항만이나 항행 등 다른 해역 이용자와의 협조와 지역에 도입하기 위한 사회 수용성을 높이는 것이 과제이다.

라. 미국과 EU의 동향
  세계 전체의 2010년 도입량은 526MW(파력: 3.2MW, 조석: 518MW, 조력:5.2MW, 해양온도차: 0.3MW)로 조석 이외의 도입량의 대부분은 실증설비이다. EU에서는 파력이나 조력을 이용한 해양에너지 발전의 상업화에 적극적으로 대응하고 있으며, 2008년부터 실험 및 실증설비가 가동되고 있다. 또한 미국에서도 2011년부터 파력발전 150kW. 조력발전 60kW에 대한 실증을 시작하였으며 현재는 보다 규모가 큰 실증을 진행하기 위한 플랫폼 건설을 진행하고 있다.



6. 인공광합성

가. 해당기술을 필요로 하는 배경
화학산업은 화학품 원료로 화석자원(석유/나프타)을 대량으로 소비하는 것은 물론 대량의 이산화탄소를 배출하고 있는 상황이다.
  지구온난화가 우려되고 수입에 의존하는 석유 가격 상승이나 고갈 리스크에 직면하는 가운데 자원문제와 환경문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
 일본은 강점을 가지고 있는 촉매기술 활용함으로써 당해 사회문제를 해결하기 위한 혁신적인 기술이 “인공광합성”이다.

나. 해당 기술의 개요와 기술개발 동향
인공광합성이란 태양에너지를 이용하여 물에서 수소와 산소를 제조하고 수소와 이산화탄소에서 플라스틱 원료 등 기간 화학품(올레핀)을 공업적으로 제조하는 프로세스 기술이다.
  일본 경제산업성은 본 기술이 사업화까지 장기간을 요해 민간에서는 리스크가 높지만, 에너지와 환경제약 등 국가 주도에 의한 발본적인 대책이 필요한 혁신적인 기술개발로서 2012년도에 “이산화탄소 원료화 기간화학품 제조 프로세스 기술 개발(통칭: 인공합성프로젝트)을 시작했다.
  2016년도에 소형 파일럿 규모의 올레핀 합성 프로세스 기술을 확립하고, 2021년도에 물에서 수소를 고효율로 제조하는 광촉매 개발과, 수소를 안전하면서도 고효율로 분리하는 분리막을 개발하는 것을 목표로, 기업, 대학, 공적 연구기관이 연계하여 실용화를 향한 연구개발을 진행하고 있다.

다. 도입 시 제도적 제약과 사회적 문제
  인공광합성 프로세스에서 제조되는 올레핀은 나프타 유래의 올레핀에 비해 비용 경쟁력이 예상된다.
 향후 미국의 셰일가스 유래의 올레핀이 생산 및 공급될 것으로 보이지만 세계시장의 주류는 나프타 유래의 올레핀이 예상되고 있다.
 또 북미에서 셰일가스 공급이 계속적으로 진행되는 것, 또 그에 따른 저렴한 올레핀이 생산 및 공급되는 것 등의 상황을 주시하고 있을 필요가 있다.

라. 미국과 EU의 동향
  미국 에너지성은 2011년에 설립한 인공광합성 조인트센터 (JCAP: Joint Center for Artificial Photosynthesis)에서 인공광합성의 고효율 변환기술 개발을 대학 등을 중심으로 실시하고 있고, 기존 수송연료의 대체연료의 실현을 목표로 하고 있다. JCAP는 10년 이내에 자연계 광합성의 10배 효율을 달성하는 것을 목표로 하고 있으며 그 목표를 실현하기 위해 필요한 요소기술 추출과 개발을 추진하고 있다.
  EU에서는 FP7(Framework Programme 7)의 공모형 연구 중에서 인공광합성을 사용하여 액체연료를 생성하는 연구가 복수 채택되었으며, 대학 등을 중심으로 광촉매에 관한 기초연구가 실시되고 있다.



7. 우주태양광발전 시스템(SSPS)

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
청정에너지이면서 밤과 낮, 기후에 좌우되지 않고 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 우주태양광발전 시스템(SSPS)은 전원이 부족한 일본으로서는 미래의 에너지가 될 것으로 기대하고 있다.
 다만, 우주공간에서 정확하면서 안정적으로 대용량 전력을 송출하는 시스템을 확립하는 데는 다양한 요소기술 개발이 필요함은 물론 저비용화를 달성하지 않으면 안 된다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향
핵심기술인 전력 마이크로파의 변환효율 향상 및 소형화를 추진하기 위해 일본에서는 세계 최고 수준의 기술을 가지고 질화갈륨을 소재로 하는 송전용 반도체 증폭소자 및 수전용 정류소자 개발이 진행되고 있다.
장거리 무선 송수전에 필요한 정밀 빔 제어를 위해 고주파대(5.8GHz)의 페이즈드 어레이 방식에 대해 올해 중에도 세계 최초로 지상 실증시험을 실시할 예정이다.
JAXA에서 우주공간에서의 대형구조물 구축에 필요한 전개 방식의 지상 실증시험이 진행 중이다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
기존의 에너지원과 같은 수준의 발전비용을 실현하기 위해서는 비용을 대폭 절감할 필요가 있다.

라. 미국과 중국의 동향
미국에서는 2011년에 NASA가 조사연구자금을 대어 개념검토가 실시되었다. 그 후 민간기업에서 검토가 계속되고 있다. 또 미국해군연구소(NRL)에서 발송전 일체형 패널의 연구개발이 실시되고 있다.
중국에서는 중국공간기술연구소(China Academy of Space Technology: CAST)이 중심이 되어 SSPS에 관한 조사연구가 실시되고 있다. 국제 심포지엄 등에서 SSPS 시스템 구축방법이나 요소기술의 검토결과 등이 발표되고 있다.



8. 원자력발전

가.  해당기술을 필요로 하는 배경
안전성 확보를 대전제로 원자력발전을 활용할 때, 후쿠시마 제1원자력발전소 사고의 교훈을 통해, 과혹사고대책을 포함한 경수로 안전성이나 신뢰성, 효율성 향상이나, 세계에도 전례가 없는 후쿠시마 제1원자력발전소의 어려운 폐로, 향후 늘어가는 낡은 원자력발전소의 안전성 및 원활한 폐로를 위해 높은 수준의 원자력기술, 인재를 유지 발전시켜 나갈 필요가 있다.
또 일본은 현재 약 17,000톤의 사용후연료를 보관하고 있으며, 이와 같은 원자력 이용에 수반하는 확실히 발생하는 방사성폐기물의 적절한 처리, 처분을 추진함은 물론 높은 레벨의 방사성 폐기물의 감용화?유해도 저감이나 전원의 유효이용 등에 기여하는 핵연료 사이클에 대해 지속적으로 대응할 필요가 있다.
이에 더해, 국제협력 하에서 미래의 다양한 선택지를 확보하기 위해 혁심 노형개념의 검토 등의 중장기적인 대응을 추진하고 있다.

나. 해당기술 개요 및 기술개발 동향
경수로에 대해서는 고온환경 하에서도 용융되지 않는 연료 개발 등, 원자력발전소의 안전대책 고도화에 이바지하는 기술개발이나, 폐로를 위한 연구개발을 중점적으로 실시하고 있다.
2013년 8월, 후쿠시마 제1원자력발전소의 폐로, 오염수 대책에 관해 국제적인 연구개발, 정보발신의 창구로서 역할을 맡은 기술연구조합 국제폐료연구개발기구(IRID)를 설립. 국내외 관계기관과 전문가와 제휴하여 활동하고 있다.
방사성폐기물 처리에 대해서는 기술적 신뢰성 향상에 기여하는 연구개발이나, 회수 가능성 담보나 대체처리기술에 관한 조사와 연구 등을 실시하고 있다.
고속로에 대해서는 국제협력 하에서 연구개발이 진전되고 있다. 2014년 5월, 프랑스의 제4세대 나트륨냉각고속로 실증로(ASTRID) 계획에 협력하기 위해 일본 정부기관 간 약정을 체결, 즉 고속증식로의 원형로인 「몬쥬」는 장치 트러블이나 규제대응 등에 의해 운전재개에 이르지 못하고, 규제위원회에서의 처치명령해제에의 대응을 실시 중이다.
국제협력이 진행 중이며, 일본 문부과학성에서 고온가스로에 관한 연구개발 상황의 평가와 금후 연구개발의 방법에 대한 조사와 검토를 실시하고 있다.


다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
원자력 이용의 규모 등, 향후 전망이 불투명한 가운데 원자력 관련 인재 부족으로 일본에서는 원자력기술의 연구개발 능력이 저하할 가능성이 있다.
안전성 향상이 가동률 상승으로 이어지고, 다시 안전대책이 실시되는 선순환을 어떻게 실현하는가.
일본에서는 방사성폐기물의 최종 처분지 선정목표가 수립되어 있지 않은 상황이어서 정부가 전면에 나서서 최종 처분을 위한 대책을 진행할 필요가 있다.

라. 미국, 프랑스, 러시아의 동향
  미국의 경수로 안전연구는 전력연구소(EPRI)가 중심이 되어 임의가맹국 내외의 회원에 의한 회비를 사용하고, 정부기관이나 국내외 원자력사업자?연구기관 등과 연계하면서, 산업계의 니즈에 타이밍 맞게 합치하는 연구개발이 실시되고 있다. EPRI가 실시한 사업에서 원자력 관련 예산은 80%는 기존 경수로에 관한 연구개발에 투입되어 안전성 향상에 크게 공헌하고 있다.
  일본은 2014년 8월, 더욱 내실있는 후쿠오카 원자력발전소의 폐로를 진행하기 위한 새로운 지원체제제로서 원자력배상기구를 개정하여, 원자력손해배상과 폐로 등 지원기구를 발족하였다.
 에너지의 안전보장과 방사성폐기물의 감용화?유해도 저감의 관점에서 세계 각국은 고속로 폐기를 추진하고 있다. 러시아의 실증로인 BN-800은 금년 초 임계를 달성, 인도의 원형로인 PFBR은 연내에도 운전개시 예정이며, 프랑스는 2025년경 실증로 운전 개시를 위한 ASTRID 계획을 실시 중이다.
  제4세대 원자력 시스템 국제 포럼(GIF)에서는 일본이 국가차원에서 고속로와 고온 가스로 등에 관련된 국제협력에 참여 중이다.
  고온가스로 연구에 대해서는 미국 등에서는 국가와 산업계가 연계한 계획, 중국 등에서는 상용로를 포함한 계획을 추진하고 있다.
방사성폐기물의 처분에 대해서는 각국에서 자국 내에 분포하는 지층에 맞는 최적 매립장소에 관한 연구개발이 진행되고 있다.


 

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