일본의 에너지 기술 주요 기술과제 로드맵(4)

  • <번역/정리 : 박한돌 기자>
  • 2017-03-06 오전 10:12:32

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 기본계획은 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 에너지기술 개발계획에 참고가 될 수 있는 부분으로서, 제3
장 「기술개발 로드맵」의 내용을 번역하여 6회에 걸쳐 게재한다.

 

16. 해저열수광상(seafloor hydrothermal deposit)

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
일본은 지금까지 광물 자원이 가지는 재료로서의 특성을 극대화하여 제조 산업 등에서 높은 산업 경쟁력을 유지해왔다. 그러나 육지의 광물 자원이 부족하여 사회 · 경제 활동의 기반을 지탱하는 광물 자원의 거의 모두를 해외에서 수입하고 있다. 이러한 광물 자원은 희소성과 지역 편재성 때문에 공급의 불확실성을 안고 있기 때문에 안정적인 공급을 확보해 나가는 것은 매우 중요한 과제이다.

해저열수광상은 해저의 열수활동에 의해 생성된 동, 납, 아연, 금, 은이나 게르마늄, 갈륨 등의 희소금속(rare metal)을 포함하는, 근래 일본 영해·EEZ역 내에 상당량 존재하는 것으로 밝혀졌다.

일본은 해저열수광상의 개발·생산기술을 확립하여 광물자원의 안정적인 공급확보를 통해 고도의 제조산업을 유지·발전시키고자 하는 것이다.

나. 해당기술의 개요와 기술개발 동향
해저열수광상은 수심 500~3,000m의 해저에 분포하고 있기 때문에 개발을 위해서는 심해저에서 연속하여 광석을 채굴하는 (채광)기술, 해상에 연속하여 광석을 인양하는 (양광)기술, 또 지상광물보다 입자의 크기가 매우 작은 불순물도 많이 광석에 있기 때문에 금속을 채출(선광·제련)하는 기술 등을 확립할 필요가 있다. 해저열수광상의 개발은 세계적으로도 아직 상업화된 예가 없기 때문에 일본은 세계 기술동향을 주시하면서 해양 기본계획, 해양에너지·광물자원개발계획에 따라 국가주도하에 기술을 확립해 나갈 계획이다. 

 

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
일본은 2017년도에 파일럿 시험을 실시할 계획이다. 이에 따라 기술적인 과제에 추가하여 환경영향에 대한 고려, 법률상 및 제도상 과제 정리 및 그 대응이 필요하다.

또 향후 상업기반에서 생산하기 위해서는 사업실시에 수반하여 사회적인 이해의 폭도 넓혀나갈 필요가 있다.

라. 한국과 중국의 동향
해저열수광상을 포함한 해저광물자원에 대해서는 한국과 중국에서 탐사가 활발하게 진행되고 있지만 상업 기반에서의 생산(채광, 양광, 선광·제련)의 예는 없다. 한국, 중국, 인도에서는 채굴시험기를 제작하고 있는 예가 있다. 또 이들 국가에서는 최첨단 기술을 사용한 생산기술 개발뿐만 아니라 해저열수광상 등의 광역에 걸쳐 효율적인 탐사를 위한 센서, 탐사기 등을 실용화하기 위한 기술개발과 병행하여 광상이 만들어진 원인을 규명하기 위한 연구개발도 진행되고 있다.

17. 초전도송전

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
대도시권의 송전은 지하매설방식이 주류를 이루고 있지만, 공동구 사용은 포화상태에 달했는데 반해 사무 환경의 고도화, 주택 설비의 전기화 등으로 인해 신규 전력수요 확대에 대응하기 위해서는 보다 효율적인 송전망으로 전환되어야 한다.

초전도케이블은 송전용량을 약 3배 증가시킴은 물론 발열에 의한 송전손실도 지금의 구리선의 1/2~1/3 정도로 낮기 때문에 기존 지하전력망 인프라를 활용하여 보다 효율적으로 수요에 대응할 수 있다. 또 구리선 케이블의 경우는 일정 거리마다 승압설비, 관로의 공조설비가 필요하지만 초전도선에서는 승압설비를 절감할 수 있고 관로공조도 필요 없기 때문에 장기적으로 운용비용면에서도 매우 유리한 것으로 전망된다.

나. 해당 기술의 개요와 기술개발 동향
케이블 궤설에는 거리와 고저차를 고려한 온도관리가 필요하다. 이 때문에 냉각계에 대해서 액체질소 송액 압력 및 유속, 장거리에 걸쳐서 냉각온도를 적절히 제어하고 냉매중계기지 간에도 연계 시스템을 구축한다.

실용화에는 낙뢰?단선 등 사고도 고려하여 절연파괴 시의 상태, 냉매의 거동 등을 파악함으로써 케이블 설계, 궤설, 관리시스템을 최적화하여 장거리 지하궤설환경에서도 안전성을 확보할 필요가 있다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
케이블과 냉각시스템에 관한 「안전성·신뢰성」 검증과 평가지표가 필요하다. 초전도 케이블의 안전성 평가 시험항목과 평가방법에 있어서 세계 표준 정비가 필요하며, 이를 토대로 한 국내법 정비가 중요하다.

 

라. 미국 및 일본의 동향
초전도기술은 일본이 앞서있는 분야이며 초전도 케이블 개발에서는 기술적으로 일본이 미국이나 유럽에 앞서있다. 선진국에서도 송전손실 저감과 대용량 송전이 모두 가능하므로 도시부의 전력수요대책으로서 이를 지중케이블에 활용하는 것을 목표로 하고 있다. 미국 뉴욕주에서는 2006년부터 약 1년간 약 7만 세대에 실계통에서 송전실증시험을 실시하고 있다(올바니 프로젝트). 일본은 2012년 말부터 고온초전도 케이블 실증 프로젝트(NEDO사업)의 일환으로 실계통에 연계운전 실증을 실시하였다.

그 성과를 토대로 2014년도부터 차세대송전시스템 실증사업(본 프로젝트)를 추진하여 초전도케이블 시스템의 「안전성·신뢰성」검증을 실시하였다. NIMS에서는 초전도 메커니즘을 규명함으로써 새로운 선재 개발을 추진하고 있으며, 송전손실 저감에 이바지하는 첨단초전도선재에 관한 연구를 진행하고 있다.

뿐만 아니라 일본은 IEC/TC90(초전도케이블) 및 TC20(절연케이블) 활동에 적극적으로 참여하여 자국의 비스무스계 케이블 기술개발(본 프로젝트)에 있어서 시험수단이나 시험방법 등에 대해 정보를 제공하고, 케이블 시험법에 관한 지침(guidance) 작성을 주도하고 있다. 향후에는 IEC TC20/TC90의 합동 특별위원회(joint ad hoccommittee)에 본 프로젝트 성과를 제공하는 등, 초전도케이블 시험법의 규격화에 적극적으로 대응해나간다는 계획이다.

18. 고성능 전력저장

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
재생가능 에너지를 추가 도입 시 계통안정화 대책으로서 수급 밸런스의 불균형이나 주파수 변동 등의 과제를 해결할 필요가 있다.또 피크아웃, 피크시프트 대책이나 순간정전대책, 방재대책으로서의 활용에 대해서도 기대되고 있다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향
재생가능 에너지의 대량도입 시 잉여전력을 저장하거나 주파수 변동을 흡수하는 기술로서 배터리나 플라이휠과 같은 전력저장기술이 있다. 대형 배터리 등 전력저장시스템의 비용 저감, 장수명화, 안전성 확보를 위한 기술개발이 진행되고 있다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
안전성 평가기법의 고도화나 보안기준의 검증 재검토를 포함하여 안전성 고도화, 장수명화가 중요하다. 또 양수발전 등 기존의 조정전원 수준으로 비용을 절감하여야한다. 이에 추가하여 배터리 등 전력저장기술 도입을 확대하기 위한 사회시스템이 구축되어야 한다.

 

라. 한국, 유럽, 미국의 동향
한국과 유럽, 미국을 중심으로 재생가능 에너지 도입 시의 계통안정화 대책 등으로서 배터리를 응용하기 위한 기술개발이나 실증시험이 진행되고 있다. 일본 환경성에서는 직류급전기술을 이용한 자립 및 분산형 에너지시스템 기술개발과 실증 등을 진행하고 있다.

19. 축열·단열 등의 기술

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
1차 에너지의 약 70%는 미이용 열로서 소비되고 있다. 특히 수송부문은 에너지 소비량의 약 23%를 차지하는데 비해, 그 대부분은 효율이 40% 정도인 자동차에서 소비되고 있기 때문에 자동차의 열 이용 효율향상은 매우 중요하다. 기술적으로 볼 때 에너지에서 일로의 변환효율 향상기술은 점차 한계에 도달하고 있기 때문에 배열에너지의 회수 및 재이용 기술이 세계적으로 문제해결의 핵심과제이다. 예를 들면 자동차를 HV화하여 연비를 향상할 수 있지만, 자동차산업 경쟁력 강화 차원에서도 배열을 유효하게 활용하는 기술이 필수적이다.

대상은 중온영역(100~500℃)의 배열회수 및 재이용기술의 실용화가 추진되지 않았으므로 주로 이 영역의 기술개발을 추진할 필요가 있다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향
엔진은 항온상태에서 운전하는 것이 가장 효율적이므로 시동 직후부터 항온환경을 유지하기 위해 24시간 이상 성능을 유지하는 축열재, HV 모터 주행 시l엔진이나 촉매를 보온하기 위한 단열재, 또 실내 환경을 유지하기 위해 차내외의 열이동을 저감하기 위한 단열재, 엔진배열에서 직접 냉열을 얻기 위한 냉각기, 엔진 배열에서 전력을 회수하기 위한 열전 변환재료 등의 개발이 필요하다.
또 이들 개별 기술들을 조합하여 시스템으로서 최적화할 수 있는 열관리기술 개발이 필요하다.

이들 기술은 기술적으로도 경제적으로도 요구가 강한 자동차에서 먼저 실용화를 추진하고, 그 성과를 바탕으로 공장, 주택 등 산업 및 민수분야에 응용해나가는 것이 순서이다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
축열성·열전변환성 등 각 성능에 대해 성능평가지표가 필요하다. 성능평가지표를 설정, 표준화함으로써 조악한 제품을 걸러내는 등 제도적 인프라를 구축해야 한다.


라. 한국, 중국, 미국, 유럽의 동향
미이용 열에너지 문제는 전세계적인 문제이며 따라서 세계적으로 문제해결을 위한 기술개발이 추진되고 있다. 한국, 미국(DOE), 유럽(FP7), 중국 등에서는 이미 대규모 연구 프로젝트를 시작하였으며, 산학관이 일체가 된 열관리 실용연구를 진행하고 있다. 일례로 미국 DOE에서는 차세대자동차연구·개발 프로젝트의 일환으로 자동차 메이커가 참여한 산학관 협동체제로 배열발전기술 프로젝트(자동차배열이용 발전 프로젝트)를 진행하고 있으며, 동시에 기초연구는 대학과 연구소, 기업이 연대하여 팀을 구성하여 진행하고 있다.

20. 에너지관리시스템

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
지금까지 전력사용량을 시각화하는 등의 에너지관리 서비스가 진행되고 있다. 향후에는 소비자가 에너지 수급관리에 주도적으로 참여함으로써 현명한 소비를 실현하는 것이 필요하다.

이를 위해 에너지관리시스템을 활용한 수요반응(DR) 등 다양한 서비스 보급이 빠르게 추진되어야 한다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향
주택·빌딩·지역 등에서 에너지 수요 분석이나 수요·행동예측 등에 의해 에너지 절감이나 피크컷에 기여하는 기술. 수요기술로서 수요나 PV 등의 발전량 예측기술, 각종 센서에 의한 행동예측기술, 시각화·권장·자동제어·DR 등 제어기술(ECHONET Lite 등 통신인터페이스 표준화도 포함) 등이 있다. 일본에서는 4개 지역에서 스마트 커뮤니티 실증사업이 추진되고 있으며, 이를 통해 기반기술 확보가 진행되고 있다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
세계적인 보급을 위해 데이터통신 등의 표준화, 사이버 보안 강화 등이 과제이다. 또 전력시스템 개혁 등을 통한 DR 보급을 위한 환경정비(예를 들면 유연한 전기요금 설정, 총괄원가방식의 폐지, 네가와트 시장 거래 지침 제정 등)도 필요하다. 가정부문의 전력이용 데이터를 활용한 서비스 창출 등에 의한 경제성 향상도 중요하다.

 

라. 미국, 유럽, 한국의 동향
에너지관리시스템에 대해서는 한국, 미국, 유럽 등에서 연구개발이 진행되고 있으며 스마트홈이나 스마트빌딩의 중요기술로 되고 있다. 에너지관리시스템을 활용한 DR에 대해서는 미국과 한국에서 일부 전력시장을 중심으로 거래가 이루어지고 있다. 한편 유럽에서는 다양한 실증시험이 진행되고 있지만 본격적인 도입에 이르지는 못했으며 발전 도상에 있다.

21. 혁신적인 디바이스(전력전자)

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
전력전자는 반도체를 이용하여 직류에서 교류로, 교류에서 직류로 변환, 전압이나 전류, 주파수를 자유자재로 제어하는 기술이며 전기에너지의 발생·수송·소비를 효율적으로 진행하는 핵심 기술이다. 풍력발전이나 태양광발전, 철도나 자동차, 산업기계, 가전 등 일상에서 다양한 곳에 인버터나 컨버터라는 장치로서 적용되고 있다.

특히 모터 구동 제어에서는 높은 에너지 절감효과를 발휘함으로써 전력전자를 모터제어에 적용하는 것은 이제 필수적인 것으로 되고 있다. 더욱이 적용범위를 확대하여 비약적인 에너지절감을 이루기 위해서는 인버터 등의 전력전자 기기가 대형화하거나 고비용 등이 불가피하여 현상기술의 연장선에서 이를 실현하는 것은 매우 어려운 상황이다.

따라서 브레이크스루로서 전력전자 기기의 주축인 반도체 디바이스의 성능향상이나 혁신적인 디바이스 개발이 획기적인 에너지 절감을 위해 반드시 필요하다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향
반도체 디바이스 재료에 규소를 사용하는 것이 주류로, 인버터 등의 장치에 꾸려넣고 스위칭에 의해 전력제어를한다. 인버터를 탑재함으로써 에어컨은 약 30%, 철도에서는 약 50%의 전력소비를 절약하고 있다.

향후 전력전자의 적용범위를 확대하기 위해서는 보다 대용량화(고전압화와 대전류화) 및 고효율화가 필요하며, 스위칭의 고속동작(고주파화)이 요구된다.

이들을 실현하는 데는 규소보다 화합물반도체가 유리하며 대용량화에는 SiC가, 고주파화에는 GaN가 차세대재료로서 기대된다. 그러나 이들은 원료인 기판(wafer)을 제조하는 데 결정을 성장시키는 것이나, 비교적 저렴하고 대량으로 디바이스를 생산하는 것이 어렵기 때문에 이들 과제 극복을 위한 기술개발이 진행되고 있다.

또 비용 측면에서는 SiC에 우위성이 있으므로 Si 디바이스 성능향상에 관해서도 기술개발이 이루어지고 있다. 성능 한계에 도달한 현재, 그 한계돌파가 주목되고 있다. 일본의 경우 고품위 SiC 단결정기판을 제작하는 것을 중심으로 기술개발을 진행하고 있으며, 최근 SiC 디바이스를 적용한 기기의 실용화에 진전을 보이고 있다. 또 다이아몬드나 산화갈륨은 Si, SiC, GaN 성능을 능가하는 미래 신재료로서 인식되고 있으며 그 실용화를 위한 연구개발도 진행되고 있다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
신뢰성 평가를 위해 파워모듈이나 모듈 구성부재 등의 가속열화시험이나 수명추정 등의 시험방법이나 평가기준 등의 검토가 필요하다.

 

도입 보급을 위해 전력전자의 에너지절감 효율을 염두에 둔 성능기준의 정비도 시급하다.

라. 미국과 유럽의 동향
일본은 파워반도체 분야 강국으로, 고성능 파워반도체(IGBT)에서도 세계 셰어의 약 50%를 점유하고 있다. 또 제조업이 고르게 발전하고 있기 때문에 전력전자를 널리 적용할 수 있으며, 기술력을 더욱 향상시킬 수 있는 환경이 조성되어 있다. 한편 일본 내각부에서는 부처를 초월한 이노베이션을 창조할 수 있는 「전략적 이노베이션 창조 프로그램」(SIP)을 창설하였는데, 그 대응분야에 차세대 파워일렉트로닉스가 있다. 차세대 재료를 중심으로 파워일렉트로닉스 성능향상, 용도와 보급 확대를 통해 더욱 에너지를 절감하고 산업경쟁력을 강화하기 우해 차세대 파워일렉트로닉스 기술개발 프로젝트와 연계하여 2014년도부터 시작하였다.

유럽에서는 파워반도체의 응용 면에서의 과제추출을 축으로 파워모듈을 줌심으로 하는 실용화 연구개발이 산과 학의 긴밀한 연계체제를 토대로 추진되고 있다. 미국에서는 첨단기술을 제조에 적용하기 위한 연구개발이 진행되어 2014년에는 대학을 중심으로 화합물반도체 디바이스를 테마로 하는 산학공동 연구개발 거점을 구축한다고 표명하였다.

22. 고효율에너지 산업이용

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
공업용 노는 철강, 비철금속, 화학 등 열을 이용하는 산업에서 널리 이용되고 있으며, 제조공정에 필요불가결한 기반기술이다. 기후변화로 세계가 몸살을 앓고 있는 가운데, 일본은 환경 성능이 우수하고 CO2배출을 크게 줄일 수 있는 세계적인 공업로 기술을 더욱 고효율화함으로써 세계 에너지절감과 CO2 배출량 삭감에 기여할 수 있다는 것이다.

나. 해당기술의 개요 및 기술개발 동향
연소배출가스에 의한 열손실을 억제하는 재생용버너(regeneration burner)가 개발되어 있지만 연소기기 공간이 커서 기존 로에 적용하는데 한계가 있다. 보다 광범위하게 적용 가능한 고효율 중소형 재생용버너를 실현하기 위해서는 버너 형상 등의 구조 변경 등에 의해 재생용버너의 소형화·저비용화가 필요하다.

고효율산소연소기술에서는, 고온으로 가열한 산소를 사용한 고온산소연소기술이나, 보다 산소농도를 높인 산호부화연소기술의 실용화기술 개발이 진행되고 있으며, NOx 억제나 산소제조비용 저감을 위한 기술개발 등이 필요하다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
향후 고효율산소연소기술의 폭넓은 보급을 위해서는 현재 통상의 공기연소방식이 전제하고 있는 산소산화물 배출 기준 등을 보정하는 등 새로운 기술 환경성능을 적정하게 평가하기 위한 환경정비가 필요하게 될 가능성이 있다.

 

라. 독일과 미국의 동향
독일이나 미국에서도 산소연소와 같은 저CO2, 저NOx 특성을 갖는 간헐연소(pulse 연소) 등의 개발이 진행되고 있다. 또 소형 버너 분야에서도 프레임리스 연소로서 소형 축열식 버너나 recuperator 버너(금속성의 폐열회수장치 내장형 버너)를 개발하고 있다.

23. 환경조화형 제철 프로세스

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경
일본의 경우 제철산업은 중핵산업의 하나로, 세계최첨단 에너지절약형 산업이다. 현재 일본의 제철프로세스는, 연속화·가스재이용 등 기존 프로세스형 에너지절약기술은 세계최고수준의 에너지 효율을 보이고 있다. 그러나 제철업이 배출하는 CO2의 약 70%는 고열프로세스에서 발생하고 있으므로 고로 프로세스에 대한 발본적인 기술개발에 의한 큰 폭의 CO2 저감이 중요한 과제이다. 기술적 장애가 높고 장기적인 기술개발이 필요하며, 일개 회사 단독으로는 실현할 수 없으므로 철강업계 차원에서 추진하고 있다.

나. 해당 기술의 개요와 기술개발 동향
코크스 제조 시에 발생하는 고온의 부생가스에 50% 정도 함유된 수소를 활용하여 코크스의 일부대체에 당해 수소를 사용하여 철광석을 환원하는 기술 개발과, CO2 농도가 높은 고로 가스에서 CO2를 분리하기 위한 새로운 흡수액 개발, 물리흡착기술 개발, 제철소 내의 미이용저온 배열을 이용한 새로운 CO2 분리·회수기술 개발 등이 진행되고 있다.

CCS는 CO2 분리·회수·저장의 일련의 기술. 고로 가스에서 CO2 분리·회수에 대해서는 독자 개발을 진행하고 있는 한편, 저유에 대해서는 발전소의 배출가스에서 CO2 저유와 공통기술을 이용할 예정이다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제
CO2 저유에 관한 인프라 정비와 기계화에 경제적 합리성이 확보되는 것이 전제되어야 한다.

 

라. 미국, EU, 호주의 동향
미국, EU, 호주에서는 신규 플래시 제철 프로세스나, 로실내로의 철광석 직접투입 프로세스 개발, 대체연료의 개발 등에 대해 연구했지만 현재 자금부족 등으로 인해 중단되어 있다. 현재는 일본에서만 실용화를 위한 연구개발이 진행되고 있다.

 

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