지구 온난화, 기후 변화 대응, 환경 오염 방지, 지속 가능성 등의 미래 도전 과제에 맞서 독일 내에서도 차세대 에너지 개발을 위해 재생에너지를 위시해 에너지 저장기술, 지열 발전, AI 등 신기술을 접목한 다양한 시도가 이뤄지고 있다. 이는 새로운 해법을 제시해 줌과 동시에 시장의 수요 변화에 편승한 수요 발생 전망과 더불어 독일 시장 진출 및 협업을 모색할 수 있는 좋은 기회로 작용할 것으로 기대된다.

그린 에너지 전환의 도전과제

지구 온난화, 기후 변화 대응, 환경 오염 방지, 지속 가능성 등은 미래 에너지를 개발해야 하는 주요 핵심 동인이다. 여기서 재생에너지, 에너지 저장기술, 지열 발전 등 기존의 기술과 더불어 새로운 산업 신기술을 위한 각국의 투자는 향후 미래 에너지를 확보하는데 중요한 열쇠라 하지 않을 수 없다. 특히 러-우 사태를 겪으며 독일은 에너지 자립 기반을 확충하고자 하는 부단한 노력을 기하고 있다. 과거와 현재의 경험과 더불어 미래 에너지 경쟁력, 즉, ‘에너지 자급’이 향후 산업의 경쟁력, 국가 경쟁력을 좌지우지할 수 있는 시대가 도래하고 있기 때문이다. 이러한 시점에서 독일이 축적한 미래 에너지 개발을 위한 역량을 점검해보고 향후 협업 기회를 모색하기 위한 신기술 개발 트렌드 현황을 살펴보고자 한다.

에너지 유연성 확보: 기존 발전소의 대변신

독일 작센주에 위치하고 한때 최대 규모의 갈탄 발전소였던 복스베르크(Boxberg) 발전소는 현재 해체 작업이 진행되고 있다. 과거 석탄 산업의 중심지였던 이곳에 미래를 겨냥한 산업용 수소 허브가 들어서게 된다. 에너지 공급기업인 리그(Leag)의 주도 하에 그린 수소 허브인 ‘H2 허브’가 5년 내 건설될 예정이다. 이 기업은 재생에너지를 사용해 생성된 전기를 주변 지역에서 공급받고 전기분해를 통해 물을 녹색수소로 전환하게 되며, 이는 연료전지를 이용해 저장되고 다시 전기로 변환된다. 여기서 배터리 저장 시스템은 허브를 보완해야 한다. 시스템은 모듈식으로 계획돼 있고, 이는 부품별로 확장이 가능하다. 전체적으로 수소 허브는 총 25헥타르(㏊)의 면적을 차지하게 되며 7.5km 길이의 구불구불한 튜브 저장시설에는 최대 60톤(t)의 수소를 100bar의 압력으로 저장할 수 있다. 이와 같이 기존의 발전 시설에 수소 허브를 구축하게 되면, 전력망이 이미 연결돼 있고 기타 물류상의 이점이 있어 입지에 유리하게 작용할 것으로 예상된다.

<독일 복스베르크(Boxberg) 갈탄 발전소 부지>

[자료: Leag 홈페이지]

이외에도 몇 주안에 녹색수소로 전환할 수 있는 최첨단 천연가스 발전소 공사도 진행 중인데, 독일 에너지 대기업인 EnBW는 이 발전소 개조에만 총 2억5000만 유로(한화 약 3593억 원)를 투자할 계획이다. 석탄에서 천연가스 또는 수소로 각각 전환하는 2개의 연료 전환 프로젝트가 동시에 계획돼 있으며 여기에는 총 16억 유로(한화 약 2조3000억 원)가 투자될 예정이라고 한다.

이러한 기업의 행보와 함께 2024년 2월 5일 독일 정부는 이른바 ‘발전소 전략’을 발표하며 향후 20년에 걸쳐 총 150억 유로(한화 21조5000억 원)를 투자해 총 10GW 규모의 가스 발전소를 건설할 계획이라고 밝혔다. 발전소는 처음에는 천연가스로 운영되나 2030년대 중반 이후 수소 발전으로 전환될 예정이라고 한다. 이는 당초 계획한 목표인 25GW에 크게 미치지 못하는 규모이긴 하나 약 20개의 대규모 화력 발전소 용량에 해당한다.

이러한 정부의 대대적인 발전소 전략은 이것이 에너지 전환에 얼마나 중요한지 보여준다. 이를 통해 장기적으로 수소 저장기술을 에너지 전환의 핵심으로 삼고 기존의 전력망 네트워크 및 기타 물류상의 이점을 활용해 나가고자 하는 독일 정보의 의도가 뚜렷하게 드러난다. 프라운호퍼시스템혁신연구소(Fraunhofer ISI)의 수소 전문가인 빗췔(Martin Wietschel)도 저장 기술로 수소가 에너지 전환의 핵심이며, 유연한 발전소나 추가적인 대규모 저장시설이 필요하다고 말한다. 즉, 유연한 발전소 건설은 필수적이며, 이들 발전소는 2030년까지 최소 50% 수소, 2035년부터는 100% 수소로 운영될 예정이라고 한다.

성공적인 에너지 전환을 위한 에너지 저장기술

전기 저장장치는 에너지 저장과 전력 공급의 안전성에서 중요한 역할을 한다. 빠르게 증가하는 풍력에너지(2030년 육상풍력 115GW, 해상풍력 30GW 목표)와 태양광 발전(2030년 목표 215GW)의 전력 생산 비중을 통합하려면 많은 유연성이 필요하다. 발전 피크의 균형을 맞추기 위해 무엇보다 에너지 저장에 대한 필요성*이 커지고 있다. 즉, 성공적인 에너지 전환을 위해서는 에너지 저장이 필수다.

  주*: 이에 따라 지난 2023년 12월 8일 독일 경제기후보호부는 전기 저장장치 보급 확대를 지원하고 이를 전기시스템에 최적으로 통합하는 것을 목표로 하는 ‘전기 저장장치 전략’을 발표한 바 있음.

국제에너지기구(IEA)는 2040년까지 글로벌 에너지 저장수요가 1000만㎿h에 달할 것으로 추산하고 있다. 현재 독일연방네트워크청에 따르면, 현재 집계 기준 최신 수치로 2020년 말 독일 내 에너지 저장시설의 누적용량은 1950㎿h 규모이며 총 17만5000개의 배터리 저장 시스템(주로 리튬이온 시스템)을 보유하고 있다고 한다. 2030년까지 독일의 에너지 저장 수요는 약 100GWh로 추산되고 있다.

아직은 이러한 수요 전망에도 현실은 그렇지 못하나 점차 산업계에서도 열 저장시스템을 제공하는 신생기업이 나타나고 있다. 언제든지 녹색 열을 사용할 수 있도록 하기 위해서다. 일례로 독일 자르란트(Saarland)에 위치한 열 저장기술 기업 크라프트블록크(Kraftblock)은 사용된 저장재료에 따라 다르긴 하나 최대 1300도에 이르는 온도를 저장할 수 있다고 한다. 2011년 설립된 스타트업 에네르기네스트(Energynest)는 2021년 인프라 펀드로부터 1억1000만 유로(한화 약 1580억 원)의 투자를 받았으며, 러-우 사태로 인한 에너지 위기 이래 큰 성장세를 나타내고 있고 2023년 여름 쉘(Shell)의 벤처캐피털 조직을 포함해 6명의 투자자로부터 약 2000만 유로(한화 약 287억 원)를 모금해 세라믹 산업 시범 프로젝트와 건설 현장 건조에 사용되는 열 저장기를 생산하고 있다.

환경경제학자인 뢰쉘(Andreas Löschel)은 열 저장은 저장 장치가 해당 용도에 적합하고 경제적으로 실행 가능한 경우에만 의미가 있다고 지적한다. 열 저장장치의 비용 집약성과 수익성은 열이 생성되는 에너지원과 비용에 따라 달라지는데, 가스와 CO₂의 가격이 높아질수록 둘 다를 줄이는 저장시스템을 갖추는 것이 더 가치가 있다고 한다. 또 에너지네스트(Energynest)의 CEO 틸(Christian Thiel)에 따르면, 전기가 너무 비싸면, 기업들이 열 저장과 같은 기후 친화적인 투자를 하기 위해 지원 자금에 의존하는 경향이 있는데 기업이 자체 태양광 또는 풍력발전 시설을 위한 공간을 보유하고 있는 경우 자금 조달 없이도 작동 가능하다고 한다. 틸은 원칙적으로 축열 시스템은 연간 천연가스 소비량이 10GWh 이상인 기업, 즉 소규모 식품 생산기업이나 기타 중견기업에도 가치가 있다고 한다. 아울러 순전히 경제적인 관점에서 가장 흥미로운 옵션은 저장 시스템의 초기 확장단계에서 연료의 40~60%를 대체하는 것이며, 모슨 산업 공정의 완전한 탈탄소화를 위해서는 저장시스템 외에도 효율성 측정과 수소나 열 펌프와 같은 다른 구성 요소가 함께 제공돼야 한다고 말한다.

대안: 열 전환에 높은 잠재력을 보유한 심층 지열에너지 활용

기업은 점점 더 기후 중립적 방식으로 산업용 열을 생산해야 한다. 싱크탱크 아고라 에너지전환(Agora Energiewende)에 따르면, 2021년 산업 열의 2/3가 화석연료에서 나왔다고 한다. 이는 오염원일 뿐만 아니라 점점 더 비싸지고 있다. 많은 산업 기업은 EU 배출권 거래 시스템에 참여해야 하고 상승하는 가격에 CO₂ 배출 인증서를 구매해야 하기 때문에 기업에 많은 압력이 가해지는 상황이다.

미래 에너지원으로 높은 관심도를 끌고 있는 분야가 심층 지열에너지의 활용이다. 지열은 기타 재생에너지에 비해 24시간 연속 가동이 가능하고 가장 큰 이점은 날씨에 관계없이 기후 중립적인 방식으로 많은 가구에 열과 전기를 공급하는 데 도움이 될 수 있다는 점이다. 이와 같이 지열은 가장 효율적이고 친환경적인 신재생에너지로 알려져 있으나 전 세계적으로 전력 생산에서 유의미한 입지를 갖고 있지 못하다. 독일 경제기후보호부는 애초 2030년까지 최소 100개의 추가 지열프로젝트를 시행할 계획이었으나 현재 단지 3개만 지원된 것으로 나타나고 있다. 이를 통해 2030년까지 10TWh의 열을 생산할 계획이나 이는 단지 독일 열 수요의 일부에 불과한 수준이라고 한다.

그러나 최근 들어서는 독일 전역에서 지열 에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다. 심층에서 열을 추출하는 기술은 보다 안정적인 효율적이기도 하고 또, 다른 에너지원을 융합해 더욱 효율적인 발전을 꾀하는 연구도 이뤄지면서 지열은 열 전환에 중요한 기여를 할 수 있는 잠재력이 큰 것으로 평가되고 있다. 6개의 프라운호퍼연구소(Fraunhofer-Gesellschaft)와 헬름홀츠(Helmholtz) 협회의 분석에 따르면, 독일 총 열 수요의 25%가 지열을 통해 충당될 수 있다고 한다.

일례로 독일의 선구적인 심층 지열 에너지 프로젝트는 베를린市의 베렌스우퍼(Behrendufer) 프로젝트를 들 수 있는데, 프로젝트 시행사인 DIE(Deutsche Immobilien Entwicklung) AG는 베렌스우퍼에서 지열 에너지 프로젝트를 구현하고자 한다. 여기서 23만5000㎡ 규모의 상업 지구는 해당 지역에서 생산된 녹색 에너지로 완전히 운영될 것이라고 한다. 자급 자족 지역 개발을 위해서는 태양광 발전 시스템, 히트펌프, 얼음 저장 시설 외에 심부 지열 에너지도 활용해야 하는데 이를 위해서는 땅 속 깊이 4000~5000m를 뚫어야 한다고 한다. 이 지열 발전소에서는 액체가 폐쇄 회로로 순환해 암석에서 열을 흡수해야 하는데, 이 프로세스는 캐나다 스타트업 이버(Eavor)에 의해 개발됐다고 한다. 이 프로젝트와 관련해 전문가들은 열과 전기를 생성하는 데 사용할 온도가 약 95~140도일 것으로 예상한다. 시간과 비용이 많이 드는 심부 지열 에너지를 포함한 계획이 실행될 수 있는지 여부는 아직 밝혀지지 않았으나 DIE AG의 스프라이차르(Robert Sprajcar) 이사는 베렌스우퍼에 대한 투자 금액을 10억 유로(한화 약 1조4370억 원) 이상으로 추정하며, 자급자족하는 지역 개발에 대해 낙관적이다.

이버(Eavor)의 첫 번째 상업용 지열 발전소를 위한 시추 작업은 이미 바이에른주 게레츠리트(Geretsried)에서 시작됐는데, 2027년 에너지 생산을 위한 청정 지열 시스템 ‘이버 루프(Eavor Loop)’가 완공되면 인근 지역에 지역 난방을 공급할 예정이라고 한다.

<독일 게레츠리트(Geretsried) 소재 지열 에너지 발전소 방문 사진>

주: 왼쪽부터 교육연구부 장관 쉬타르크-밧칭어(Bettina Stark-Watzinger), 독일 숄츠(Olaf Scholz) 총리, 바이에른주 죄더(Markus Söder) 연방주총리

[자료: Handelsblatt]

지난 2023년 8월 말 함부르크-빌헬름스부르크(Hamburg-Wilhelmsburg)에서도 자금 조달 테스트가 성공적으로 완료됐다는 발표가 있었는데, 이 곳에서는 2025년부터 4700가구에 난방을 공급하기 위해 수심 1300m에서 48도의 온천수를 끌어올릴 예정이다. 히트 펌프 시스템을 사용하면 그 수는 6000가구까지 늘어날 수 있다고 한다.

이와 같이 심부 지열 에너지는 공간을 절약하고 무궁무진한 에너지 사용이 가능하고 지역적으로 이용 가능해 높은 잠재력을 가진 것으로 평가되며, 주목을 끌고 있다. 단, 독일 프로젝트의 특성상 승인절차 가속화 여부가 해당 분야 발전에 관건이 될 것으로 점쳐지고 있다.

쌍방 통행이 가능한 인공지능(AI) 기반 에너지 전환

지능형 알고리즘은 전력망을 안정적으로 유지하는데 도움이 될 뿐만 아니라 비용을 크게 절감하게 한다. 독일 올덴부르크(Oldenburg)시의 전기차 급속 충전소 옆에 서 있는 사람 높이의 회색 상자는 평범한 배터리 저장 시스템이 아니다. 다른 저장시스템은 자동차가 충전되고 있지 않으면 쓸모가 없지만, 이 시스템은 시장에 전기를 제공할 수 있다. 에너지 공급기업 EWE에서 분사한 be.storaged에 따르면, 배터리 저장 시스템 안 작은 상자에 장착된 인공지능 소프트웨어 ‘AI 에이전트’로 정보를 계산하고 전송하는 것이 가능하다. 이는 또 be.storaged가 고객을 위해 설치한 다른 저장장치의 AI 에이전트와 독립적으로 통신하는데, 예를 들면 제철소나 항공기 제조업체 등이다.

<독일 인공지능(AI) 기반 배터리 저장 및 전력 네트워크 관리 시스템>

[자료: be.storaged]

에이전트들은 서로에게 저장시설이 얼마나 가득 찼는지, 전력 거래소에 얼마나 많은 전력을 제공할 수 있는지를 알려준다. 또 재생 에너지로 생산한 전기가 전력망에 너무 많이 공급될 때 중간 저장소로 제공할 수 있는지도 알 수 있다. 그런 다음 초과 전기를 흡수하고 이러한 유연성을 활용해 그리드 운영자가 발전소를 폐쇄하지 않고도 변동을 보상할 수 있도록 도와준다. 이와 같이 인공 지능이 에너지 전환의 큰 문제 중 하나를 해결하는 데 도움이 될 수 있다.

풍력 및 태양광 시스템은 기상 조건으로 인해 소비되는 것보다 더 많은 전기를 생산할 경우 전력망에 과부하가 걸리지 않도록 전원을 끄기만 하면 된다. 또 사용할 수 있는 친환경 전력이 충분하지 않으면 값비싼 화석 발전소를 계속해서 전력망에 연결해야 한다. 결국 비용은 소비자 부담이다. 2022년 소위 ‘재배송(Redispatch) 비용’이라 불리는 병목 현상 관리를 위해 기록적인 금액인 42억 유로(한화 약 6조 원)가 지출됐다고 한다. be.storaged 에이전트를 설계한 올덴부르크대학의 디지털 에너지 시스템학과 니쎄(Astrid Nieße) 교수는 “우리는 탈탄소화를 통해 에너지 시스템을 근본적으로 변화시키고 있다”라고 말하고 인공지능을 사용하면, 이러한 전환을 훨씬 더 적은 비용으로 더 효율적으로 조정할 수 있다고 한다.

기존의 대규모 발전소는 수년 동안 기업과 가정에 위에서 아래로 중앙에서 전기를 배분했으나 이제는 전기 자동차, PV 시스템, 열 펌프 및 전해조와 함께 새롭고 분산되고 변동성이 큰 많은 플레이어가 추가됐다. 훨씬 더 많은 전력이 필요할 뿐만 아니라 태양광 발전소나 저장 시스템 소유자와 같은 소위 ‘프로슈머’도 전력망에 전력을 다시 공급할 수 있다. 즉, 일방 통행은 어제였고 이제는 여러 차선으로 쌍방 통행이 가능한 것이다. 이러한 복합성은 현재의 네트워크 운영 및 에너지 관리 시스템으로는 더 이상 관리할 수 없다는 것이 니쎄 교수의 의견이다. 즉, 지능형 에이전트의 협력 형태인 분산 AI는 전체 시스템의 변화에 안정적이고 신속하면서도 적합한 방식으로 대응하는 데 도움을 줄 수 있어 그 잠재력이 매우 큰 것으로 평가되고 있다.

가상 발전소

서로 지능적으로 통신하고 시장에서 독립적으로 서비스를 제공하는 여러 발전소를 가상 발전소라고 한다. 독일 알고이(Allgäu) 지역의 저장시스템 스타트업인 존넨(Sonnen)은 자체 배터리 고객의 용량을 시장에 분산형 스토리지로 제공한다. 250㎿h 용량을 갖춘 이 발전소는 현재 유럽 최대 규모의 가상 발전소이다. Sonnen과 위에 언급한 be.storaged는 동일한 원칙에 따라 운영되는데, 개별 분산형 저장 장치가 병합돼 가상 발전소를 형성하며, 전체 용량은 증권 거래소에서 제공된다. 고객은 저장 시스템으로 돈을 벌거나 전기 비용을 줄일 수 있다.

2018년에 설립된 be.storaged는 전력거래자 인증도 취득했다. 현재까지 50여 개 저장설비에 설치된 AI 에이전트들은 서로 통신할 뿐만 아니라 올덴부르크 본사의 알고리즘과도 교신한다. 이들은 실시간으로 전기 가격을 분석하고 분산형 스토리지의 저장 수준에 따라 파리의 ‘Epex Spot’ 전력 거래소에서 30초마다 호가를 제시한다. 여기서 새로운 에너지 시스템은 기회만 제공하는 것이 아니다. 특히 지역적으로 소비자에게 전기를 운송하는 배전망 운영업체는 엄청난 어려움에 직면해 있는데, 전력 수요가 증가하고 분산형 공급 장치가 증가함에 따라 이 업체는 전압을 안정적으로 유지하기 위해 낮은 네트워크 수준에서 가정에 이르기까지 무슨 일이 일어나고 있는지 훨씬 더 정확하게 파악해야 한다. 이러한 상황에서도 AI가 도움을 줄 수 있다. 즉, 일례로 밤에 사용되지 않는 전기자동차의 거대한 저장 용량을 활용해 배터리를 최대 전력까지 충전하지 않고 서로 다른 속도로 충전할 수 있도록 제어, 80%만 충전 가능하도록 조정한다. 소유주는 나머지 20%를 전력망 안정화를 위해 제공하고 그 대가로 더 저렴한 전기요금제를 사용할 수 있다.

시사점 및 전망

현재 독일의 에너지 시스템은 엄청난 변화를 겪고 있다. 재생에너지는 24시간 내내 이용 가능하지 않기 때문에 지속 가능한 전력 공급을 위해서는 안정적인 발전소가 필요하다. 이런 상황에서 독일의 발전소 전략은 기후 친화적 전환을 향한 중요한 조치로 받아들여지고 있으며, 미래의 에너지 시스템 구상과 더불어 범국가적인 전력 발전 피크 균형과 소비장치를 보다 유연하게 하기 위한 다양한 솔루션이 개발 및 시행되고 있다. 이는 전력망 확장이나 내부 전력 시장 구축과 더불어 특히 전력망 수요와 에너지 저장에 대한 필요성을 부각시키면서, 관련 분야의 수요 성장을 촉발시키고 있다.

독일에서 시행되는 이러한 대형 프로젝트에 대한 접근성이 외국기업에는 아주 좋지만은 않다. 그럼에도 불구하고 최근 국내 기업의 성공 사례가 이어지면서 추가 수주에 대한 기대감을 고취시키고 있다. 독일 에너지 대기업 A 관계자는 KOTRA 프랑크푸르트 무역관에 “한국 송전망 분야 기자재(예: HVDC(초고압직류송전) 케이블, 접속재 등) 및 풍력발전 타워 하부 구조물의 성공적인 대독일 공급 사례에서 볼 수 있듯이 기술력이 입증된 한국 기업과의 보다 폭 넓은 협력을 기대한다”고 밝혔다. 향후 독일 에너지 시스템 전환을 둘러싼 다양한 해법 시행으로 관련 기자재 공급 및 공동 지분 투자 등을 중심으로 한 프로젝트 협업이 증가할 수 있을 것으로 기대되는바, 우리 기업이 시장의 요구에 적극 대응하면서 시장 진출을 꾀하고 경쟁력을 확대해 나갈 기회를 모색할 수 있기를 기대한다.

자료: 독일 정부, 독일 경제기후보호부(BMWF), 독일 교육연구부(BMBF), 각 기업 홈페이지, Handelsblatt, 국제에너지기구(IEA), MDR, 관계자 인터뷰 및 KOTRA 프랑크푸르트 무역관 자료 종합