양수발전 및 수소 저장 기본 정보 — 시간 단위 저장과 계절 단위 저장 중 어떤 방식을 선택해야 할까요?

태양광 및 풍력 발전이 증가함에 따라 전력망은 여러 가지 서로 다른 시간 규모, 즉 "다음 몇 초"뿐 아니라 "오늘 저녁", "이번 주 악천후", "계절에 걸친 수요"에 걸쳐 불균형 문제를 겪게 됩니다. 리튬 이온 배터리는 출력(kW)과 용량(kWh)을 비교적 독립적으로 설계할 수 있어 몇 분에서 몇 시간 단위의 수요 조정에는 적합합니다(배터리 기본 사항은 Power Battery Primer 참조). 하지만 배터리만으로 며칠에서 몇 계절에 걸쳐 에너지를 저장하려면 필요한 용량이 급격히 증가하고 비용 효율성이 떨어집니다. 양수 발전은 오랫동안 이러한 장기적인 수요 문제를 해결해 왔으며, 최근에는 수소가 더욱 장기적인 수요를 충족할 수 있는 기술로 주목받고 있습니다. 이 글에서는 수력 터빈의 기본 물리적 원리에 대한 자세한 설명은 수력 발전 입문서에 맡기고, 양수 발전과 수소 저장 기술을 하나의 문제, 즉 "에너지를 저장하고 나중에 다시 전기로 변환하는 것"에 대한 두 가지 해결책으로 비교 분석합니다.

30초 핵심 요약

• 양수 발전은 상부 저수지와 하부 저수지 사이에서 물을 왕복시키는 방식으로, 대용량 장기 에너지 저장에 널리 사용되는 기술입니다. 왕복 효율은 약 70~87%이며, 평균치는 80% 정도입니다.

• 가변속 펌프 터빈은 양수 시 소비 전력을 지속적으로 조절할 수 있으며, 주파수가 떨어질 때 양수 부하를 빠르게 줄여 발전기 출력 증가와 같은 방향으로 전력망을 지원할 수 있습니다(자세한 내용은 [수력 발전 입문서] 참조).

• 수소는 "전기를 전기 형태로" 저장하는 것이 아니라, 물을 전기분해하여 수소를 생성하고 저장한 후, 필요할 때 연료전지나 가스 터빈을 통해 다시 전기로 변환합니다. 현재 왕복 효율은 약 30~50% 수준으로, 양수발전보다 낮습니다.

• 하지만 수소는 저장 매체(탱크 또는 지하 저장 시설)와 에너지 변환 장비(전해조, 연료전지)를 별도로 설계할 수 있어, 원칙적으로 지형에 구애받지 않고 수주에서 수 계절에 이르는 장기 저장에 적합합니다.

• 양수발전을 "수 시간에서 수일에 걸쳐 효율적인 저장"으로, 수소를 "효율은 떨어지지만 위치에 구애받지 않는 장기 저장"으로 보는 관점은 두 에너지원의 관계를 경쟁 관계라기보다는 상호 보완적인 관계로 이해하는 데 더 가깝습니다.

1. "장기 저장" 문제를 시간 척도별로 분류하기

재생에너지의 변동성은 단일 시간 척도로 설명할 수 없습니다. 구름이 지나가면서 발생하는 몇 분간의 변동, 저녁 시간대 수요 증가와 태양광 발전량 감소가 동시에 나타나는 수시간에 걸친 변동, 정체된 저기압으로 인한 며칠간의 풍력 부족, 계절에 따른 일조량 및 강우 패턴의 변화 등, 필요한 에너지 저장 기술의 특성은 상황에 따라 달라집니다.

배터리는 셀 개수를 조절하여 출력(kW)과 용량(kWh)을 비교적 자유롭게 설계할 수 있지만, 용량이 커질수록 비용도 거의 비례하여 증가합니다. 양수 발전과 수소 에너지는 각각 "물의 위치 에너지" 또는 "수소 분자의 화학 에너지" 형태로 에너지를 저장하기 때문에 저장 용량 확장에 따른 비용 곡선이 배터리와는 다른 구조를 보입니다. 바로 이 때문에 양수 발전과 수소 에너지가 장기 에너지 저장 분야에서 중요한 역할을 할 수 있는 것입니다.

2. 양수 발전 - 대용량 에너지 저장 기술의 재조명

양수 발전의 기본 원리와 터빈의 물리적 특성은 수력 발전 입문에서 다루었습니다. 여기서는 양수 발전의 에너지 저장 기술로서의 성능에 초점을 맞추겠습니다.

저장 가능한 에너지량은 수량(V), 유효낙차(H), 그리고 전체 효율(\eta)을 이용하여 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

배터리의 kWh에 해당하는 용량은 상부 및 하부 저수지의 유효 저장 용량과 낙차에 의해 결정되며, 출력(kW)은 펌프 터빈과 모터 발전기의 정격 용량에 의해 결정됩니다. 이 두 가지를 독립적으로 설계할 수 있다는 점은 양수 발전이 배터리와 공유하는 장점이지만, 양수 발전의 경우 지형 및 용수 사용권과 같은 제약 조건이 용량 설계의 필수 조건입니다.

왕복 효율(펌핑(충전) 및 발전(방전)의 한 주기 후 되돌아오는 전력의 비율)은 펌프 효율, 터빈 효율, 모터 발전기 효율 및 배관 손실의 곱이며, 측정값은 대략 70~87% 범위에 속하며 중심값은 약 80%입니다. 이는 수십 년간의 운영 경험을 바탕으로 입증된 수치로, 리튬 이온 배터리의 왕복 효율과 비슷하거나 약간 낮은 수준입니다.

고정 속도 펌프 터빈은 양수하는 동안 거의 일정한 전력을 소비하기 때문에 불규칙적인 양으로 발생하는 잉여 재생 에너지 발전량을 효과적으로 제어하기 어렵습니다. 가변 속도 양수 발전은 전력 전자 장치를 사용하여 회전 속도를 연속적으로 변화시키므로 양수 부하를 정밀하게 조절할 수 있습니다. 또한 주파수가 떨어질 경우 양수량을 신속하게 줄여 발전량 증가와 같은 방향으로 전력망을 지원할 수 있습니다. 일본 군마현에 위치한 간나가와 발전소(도쿄전력)는 세계 최대 규모의 양수 발전소 중 하나로, 유효 낙차 653m에 각각 47만 kW의 정격 출력을 가진 6개의 모터-발전기 유닛으로 설계되어 모든 유닛을 가동할 경우 최대 282만 kW의 출력을 낼 수 있습니다. 현재 1호기와 2호기가 가동 중이며, 현재 최대 출력은 94만 kW입니다. 가변속 운전 및 용량 확장 등 양수 발전의 기술적 세부 사항은 수력 발전 입문서의 관련 부분을 참조하십시오.

3. 수소를 이용한 장기 저장 — 분자 형태로 전기 저장

수소 저장의 기본 아이디어는 잉여 전력을 사용하여 물을 전기분해하여 수소를 생성하고, 이를 압축, 액화 또는 지하에 저장한 다음, 필요할 때 연료 전지 또는 수소/혼합 연료 가스 터빈을 통해 다시 전기로 변환하는 것입니다. 이 전체 과정을 P2G2P(Power-to-Gas-to-Power)라고 합니다. 재생 에너지에서 얻은 전력을 사용하여 생산된 수소는 다음과 같은 에너지원을 활용할 수 있습니다. 태양광이나 풍력과 같은 에너지원을 이용한 수소 생산을 "녹색 수소"라고 부르며, 생산 과정에서 이산화탄소(CO₂) 배출량이 적다는 점이 특징입니다.

전해조 종류로는 알칼리수 전기분해, 고분자 전해질막(PEM) 전기분해, 고온에서 작동하는 고체산화물 전기분해 전지(SOFC) 등이 있습니다. 알칼리수 전기분해는 규모 확장성과 실적 면에서 우위를 점하고 있으며, PEM 전기분해는 반응성이 뛰어나 변동성이 큰 재생에너지에 적합하다고 알려져 있습니다. 생산된 수소는 저장 및 운송을 위해 고압 가스, 액체 수소, 암모니아 등 다른 화학 형태로 변환되기도 합니다.

재변환 측면에서는 고분자 전해질 연료 전지(PEFC)나 고체산화물 연료 전지(SOFC)를 이용한 발전 외에도 수소 연료 가스 터빈을 이용한 발전이 대규모 적용을 위해 검토되고 있습니다. 전기분해와 재변환을 결합한 왕복 효율은 단순 구성(전기분해 효율 약 80% × 연료 전지 효율 약 60%)의 경우 약 48%이며, 전체 시스템의 효율은 보고된 바에 따라 다양합니다. 문헌에 따르면 대략 28%에서 52% 사이의 효율을 보입니다. 일부 연구에서는 고체 산화물 시스템과 결합된 더욱 발전된 전해조의 경우 60%대에 달하는 효율을, 미래의 고효율 시스템에서는 80% 이상의 효율을 제시하기도 하지만, 현재 주류 구성의 왕복 효율은 양수 발전보다 낮습니다.

일본의 대표적인 실증 시설로는 2020년 3월 후쿠시마현 나미에시에 개장한 후쿠시마 수소 에너지 연구소(FH2R)가 있습니다. 이 시설은 20MW급 태양광 발전 시설과 세계 최대 규모 중 하나로 알려진 10MW급 알칼리 수전해 장치(정격 출력 6MW, 최대 소비 전력 10MW)를 결합하여 정격 운전 시 시간당 1,200Nm³의 수소를 생산할 수 있습니다. 이는 약 560대의 연료전지 자동차(FCV)를 충전하기에 충분한 양이며, 이 시설은 수소를 수소로 변환하는 전체 기술 체인을 검증하는 실증 시설로 자리매김하고 있습니다. 잉여 재생 에너지를 수소로 변환한 후 저장하고 사용합니다.

그림 2 — 수소는 전기를 분자 형태로 변환하여 저장합니다. 전기분해와 재변환 과정에서 손실이 발생하기 때문에 왕복 효율은 양수발전보다 낮지만, 발전 설비와 저장 매체를 분리하면 장기 대규모 저장에 적합합니다.

4. 두 기술 비교

응답 속도 | 수초에서 수분 (가변 속도 장치는 더 빠름) | 전해조/연료전지 시동 특성에 따라 다름 |

기술 성숙도 | 성숙 단계 (수십 년간의 상업 운영 경험) | 실증 및 규모 확대 단계 |

부가 용도 | 동기식 응축기 운전, 블랙 스타트 | 산업용 수소 및 수송 연료로서의 다용도성 |

효율성만 놓고 보면 양수 발전이 우세하지만, 이는 "적합한 지형이 있는 경우"에만 해당되는 조건부 이점입니다. 수소는 평지나 기존 인프라가 있는 지역에 설치할 수 있고, 전력 외에도 다양한 용도(산업 원료, 연료전지 차량, 미래 연료)로 활용될 수 있다는 장점을 가지는 대신 효율성을 다소 희생합니다. 따라서 두 기술이 서로를 대체하기보다는 지형, 수요, 기존 인프라에 따라 역할을 분담하는 것이 더 현실적입니다.

5. 전력망 운영 관점에서의 모습

전력망 운영 관점에서 볼 때, 양수발전이나 수소 저장 장치는 "발전소"가 아니라 "시간을 조정하는 장치"입니다. 주파수 조절과 같은 초 단위에서 분 단위의 단기적인 반응은 반응 속도가 뛰어난 배터리나 가변속 양수발전이 가장 효과적으로 처리할 수 있습니다. 시간 단위에서 일 단위의 에너지 조정은 왕복 효율이 우수한 양수발전이 가장 적합합니다. 그리고 배터리나 양수발전만으로는 해결할 수 없는 장기간의 변동성, 예를 들어 며칠간 지속되는 악천후나 계절적인 수요-공급 불균형과 같은 상황에서는 수소와 같은 분자 저장 장치가 대안이 될 수 있습니다.

전력 균형 시장과 같은 시장 설계에서는 각 목표 반응 시간에 맞춰 다양한 전력 조절 제품 범주가 설정되어 있으며, 저장 기술의 최적 시간 규모를 시장의 제품 설계에 맞추는 것이 각 기술의 잠재력을 최대한 활용하는 핵심입니다. 이 시장 시스템에 대한 자세한 내용은 VPP(가상 발전소) 입문과 계통 관성 및 주파수 조절 입문에서 확인할 수 있습니다.

요약: 효율성과 입지 선정의 균형점

양수 발전은 이미 검증된 기술과 높은 왕복 효율을 바탕으로 수 시간에서 며칠에 이르는 기간 동안 에너지 저장을 가능하게 해왔습니다. 수소는 효율성 측면에서는 다소 불리하지만, 발전 설비와 저장 매체를 분리할 수 있는 유연성 덕분에 양수 발전으로는 불가능한 장기 대규모 저장이 가능하며, 전력 생산 외 다양한 용도로 활용될 수 있습니다.

대규모 에너지 저장 프로젝트를 평가할 때는 다음 사항을 고려해야 합니다.

1. 목표 기간은 몇 시간, 며칠 또는 계절 단위인가?

2. 왕복 효율은 양수 발전과 비교했을 때 어떠한가?

3. 설계는 부지 조건(지형, 토지, 기존 기반 시설)에 얼마나 의존하는가?

4. 전력 생산 외 다른 용도(산업용, 연료용)와 가치를 공유할 수 있는가?

이 네 가지 사항을 염두에 두면 양수 발전과 수소 저장 기술을 "구식 대 신식"의 경쟁 구도가 아닌, 서로 다른 시간 규모에 적합한 상호 보완적인 기술로 이해할 수 있습니다.

참고 자료

• [미국 에너지정보청 — 대규모 배터리와 양수발전소는 저장한 전력의 약 80%를 회수합니다. (미국 에너지정보청 — https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=46756)
• 미국 국립연구원 — 양수발전, 연간 기술 기준선 (미국 국립연구원 — https://atb.nrel.gov/electricity/2024/pumped_storage_hydropower)
• 도쿄전력 신재생에너지 — 대표 수력발전소 (가나가와 발전소) (미국 국립연구원 — https://www.tepco.co.jp/rp/business/hydroelectric_power/domestic/main.html)
• 도시바 에너지 시스템즈 & 솔루션 — 후쿠시마 수소에너지 연구 분야 (FH2R) (미국 국립연구원 — https://www.global.toshiba/jp/company/energy/topics/hydrogen/fh2r-ceremony.html)
• 일본 국가에너지개발기구 — 후쿠시마 수소에너지 연구 분야 관련 자료 (미국 국립연구개발기구 — https://www.nedo.go.jp/content/800050905.pdf)
• 일본 천연자원에너지청 — 수소 정책 (미국 국립연구원 — https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/hydrogen/)
• 국제에너지기구 — 수소 (미국 국립연구원 — https://www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/hydrogen)
• 국제수력발전협회 — 양수발전 (미국 국립연구원 — https://www.hydropower.org/factsheets/pumped-storage) )