[그린 에너지 ②] 신재생에너지 · 스마트 그리드의 핵심 기술, 에너지 저장 시스템(ESS)

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[그린 에너지 ②] 신재생에너지 · 스마트 그리드의 핵심 기술, 에너지 저장 시스템(ESS) _ 에너지 저장 기술 개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020)

2011년 8월 9일 (화) 12:09:39 | 지면 발행 ( 2011년 7월호 - 전체 보기 )

지식경제부는 5월 31일 서울 코엑스 인터콘티넨탈호텔에서 에너지 저장 산업계와 간담회를 가졌다. 간담회는 에너지 저장 기술 개발 및 산업화 전략과 향후 발전 방안 논의 순으로 진행했다. ESS(Energy Storage System : 에너지 저장 시스템)는 리튬 이온 전지와 같은 기존 중소형 2차 전지를 대형화하거나 회전 에너지와 압축 공기 등 기타 방식으로 대규모 전력을 저장한다. 즉, 생산된 전력을 발전소 · 변전소 · 송전선 등을 포함해 넓은 지역에 걸친 전력 계통(Grid)에 저장했다가 전력을 가장 필요로 할 때에 공급하는 시스템이다. ESS는 전력 공급 안정화와 신재생에너지 확산 등 부가가치를 창출하는 녹색 분야 핵심 기술로, 시장이 급증할 것으로 예상하는 신산업 분야다. 지경부 김정관 차관은 간담회에서 "산 · 학 · 연과 정부가 명확한 비전을 갖고 함께 노력을 기울이면 우리나라가 충분히 미래 ESS 시장을 선점할 수 있다는 희망과 믿음을 갖게 됐다"면서 ", ESS 산업은 현재 시장 형성기인 만큼 R&D 투자 및 정책적 지원을 통해 경쟁국보다 발빠르게 대응한다면 반드시 좋은 결실을 맺을 것이다"라고 말했다. 한편, 산 · 학 · 연 대표들은 ESS 산업화와 관련해 정부에 R&D 및 실증 지원 확대, 인력 양성 지원, ESS 보조금 지원, ESS 의무화 제도 도입 등을 건의했다. 김 차관은 "건의 사항에 대해 면밀히 검토해 향후 ESS 전략 추진 시 적극적으로 반영할 예정이다"라고 말했다.

ESS 시장은 전력 공급 안정화와 신재생에너지 보급 확산 등 부가가치 창출로 폭발적으로 성장해 2020년 47.4조 원 규모에 이를 것으로 전망한다.
ESS의 역할은 먼저 전력의 안정적인 공급이다. 경부하 시(야간) 유휴 전력을 저장했다가 과부하 시(주간) 사용함으로써 부하를 평준화(Loading Leveling)한다. 즉, 첨두부하 분산(Peak Shaving)을 통해 발전소 건설비와 송전선 설치비 등 설비 투자비를 줄인다. 또한, 전력 예비력을 확보해 여름 · 겨울철 전력 피크와 대규모 정전 사고 등에 효과적으로 대응한다. 우리나라는 올해 1월 최대 전력 수요 경신(7314만㎾, 전력 예비율 5.5%)과 피해액 약 700억 원에 이르는 여수산단 정전 사고를 겪었다.
ESS는 정전 사고를 예방할 뿐만 아니라 원전 등 발전소 운영 시 비상 전력으로도 활용할 수 있다.
ESS는 신재생에너지를 확대하기 위한 필수 기술이다. 외부 환경에 따라 출력 변동성이 심한 태양광과 풍력 등 신재생에너지원을 고품질 전력으로 전환해 전력망에 연결한다.
ESS를 발전량과 발전 시점이 불규칙한 태양광 · 풍력 등과 결합하면 시간대 별로 전력 공급을 일정하게 조정해 신재생에너지로 생산한 전력을 안정화한다. ESS 없이 신재생에너지의 발전량 비율이 10%를 웃돌면, 전체 전력망이 불안정해져 전력 품질에 심각한 피해를 입힌다. 학자들은 전력망에 연결하는 신재생에너지 발전량 비율의 한계를 10~15%로 추정한다. 이 때문에 울릉도의 경우, 현재 신재생에너지 전력 비율은 9.4% 수준임에도 추가로 풍력발전기를 가동하기 어려운 실정이다.
ESS는 전력 효율을 극대화하며, 공급자와 소비자간 실시간으로 정보를 교환해 에너지 효율을 최적화하는 스마트 그리드의 핵심 기술이다. 신재생에너지 등 분산 전원의 불안정한 전력 공급을 효율적으로 제어하고, 가정과 회사에서 충전한 전력을 피크타임에 사용하거나 전력 회사에 판매할 수 있다.

주요 ESS의 종류
리튬 이온 전지(LiB) | 원리 - 리튬 이온이 양극과 음극을 오가며 전위 차 발생. 장점 - 높은 에너지 밀도와 효율. 단점 - 검증되지 않은 안전성과 수명성, 높은 비용.
나트륨 황 전지(NaS) | 원리 - 온도 300∼350℃에서 용융 상태 나트륨 이온이 전해질을 이동하며 전위 차 발생. 장점 - 높은 에너지 밀도, 낮은 비용, 용이한 대용량화. 단점 - 고온 시스템 필요, 낮은 에너지 효율.
레독스 흐름 전지(RFB) | 원리 - 전해액 내 이온들의 산화 · 환원 전위 차를 이용해 전기에너지를 충 · 방전. 장점 - 낮은 비용, 용이한 대용량화, 장시간 사용. 단점 - 낮은 에너지 밀도와 효율.
슈퍼 커패시터Super Capacitor | 원리 - 소재의 결정 구조 내에 저장되는 전지와 달리, 소재 표면에 대전되는 형태로 전력을 저장. 장점 - 높은 출력 밀도, 오랜 수명, 안정성. 단점 - 낮은 에너지 밀도, 높은 비용.
플라이휠Flywheel | 원리 - 전기에너지를 회전하는 운동에너지로 저장했다가 다시 전기에너지로 변환. 장점 - 높은 에너지 효율, 오랜 수명. 단점 - 과다한 초기 구축비, 낮은 에너지 밀도.
압축 공기 저장 시스템(CAES) | 원리 - 잉여 전력으로 공기를 동굴이나 지하에 압축해, 그 공기를 가열해 터빈을 돌림. 장점 - 대규모 저장 가능, 낮은
발전 단가. 단점 - 과다한 초기 구축비와 지리적 제약(지하 굴착).

ESS 시장 규모, 2030년 120조 원
현재 ESS 시장은 태동기 단계지만, 신재생에너지와 고품질 전력 등의 수요 증대에 따라 빠르게 성장하고 있다.
미국과 일본 등 일부 선진국을 중심으로 2010년에 2조 원 규모 초기 시장을 형성했다. 미국 PIKE 리서치 자료를 보면, 2010년 보급 저장 용량은 850㎿로, 이중 전력 계통용(장기 저장)이 80%, 앤실러리Ancillary 서비스용(단기 저장)이 20% 정도다.
전력 계통용 ESS 시장은 미국이 78% 정도를 차지하며 최대 시장을 형성했다.
국제에너지기구(IEA)는 신재생에너지의 확산과 글로벌 전력 수요의 증가에 따라 세계 ESS 시장은 빠르게 성장할 것으로 전망한다. 2035년까지 전력수요는 연평균 2.2% 증가하고, 신재생에너지는 2010년보다 3배 이상 증가한 33%에 이를 것으로 예상할 때 ESS 세계 시장은 2010년 2조 원, 2013년 11.2조 원, 2015년 24.0조 원, 2020년 47.4조 원, 2030년 120조 원으로 빠르게 성장할 것이다.
저장 용량은 약 16배 성장해 2011년 1206㎿에서 2020년 2만 105㎿로 늘어나며, 이중 전력망용 저장 수요가 큰 비중을 차지할 것이다(2011년 48.4% → 2020년 53.6%).

ESS 기술 개발 동향 및 전망
현재 선진국 위주로 에너지 저장 연구 개발 및 실증을 활발히 추진 중이다. 앞으로 전력망용 대규모 저장 위주로 기술 개발을 전개할 것이다. 세계 동향을 보면, 일본과 미국 등 주요 국가들은 연구 개발과 실증을 활발하게 추진 중이며, 일부 상용화에 성공하는 등 사업화 단계에 진입했다.

일본 | 신재생에너지 발전소용과 가정용 등 다양한 분야에서 기술 개발을 추진하며, 나트륨-황 전지와 리튬 이온 전지 등에서 앞선 기술력을 보유했다. 나트륨-황 전지의 경우, NGK 사의 세계 시장 점유율은 2008년 기준 51%이며, 프랑스 EDF(150㎿) · UAE(300㎿)와 공급 계약을 체결했다.

※ 실증 사례 - 북해도 Rokkasho 소재 51㎿ 풍력발전소
· 2008년 8월 이후 34㎿(250㎿h) NaS 전지 시스템 도입 · 운영.
· 풍력발전 단지의 출력 평탄화 실증.
· 전력 품질이 높아 고가로 판매(일반 전력 약 3엔/㎾h → 9엔/㎾h)

미국 | 공공 기관(ARPA-E, EPRI 등)과 AES 사와 AEP 사 등 대형 전력 회사를 중심으로 기술 개발과 실증을 적극적으로 추진 중이다. 에너지부(DOE) 산하 연구기관인 ARPA-E는 2009년부터 2010년 까지 총 9,200만 달러의 자금을 LiB, Capacitor, Flow Battery, CAES, Flywheel, SMES 등 ESS에 투자했다. AES 사는 2010년 6월 뉴욕 Westover 발전소의 44㎿ 화력발전 설비에 20㎿급 리튬 이온전지를 설치했다. 캘리포니아 주의 경우, 2010년 9월 전력 회사의 ESS 설치를 의무화하는 법안을 통
과시켰다.

※ 실증 사례–Tehachapi 풍력발전소
· SCE(Southern California Edison) 사가 Tehachapi 사막 지역의 풍력발전소에 에너지 저장 실증.
· 에너지 저장 시스템은 8㎿(32㎿h) 용량의 리튬 이온전지로 구성.
· 사업 규모는 250억 원/년, 에너지부가 1:1 매칭으로 지원.

유럽 | 프랑스 Saft 사와 독일 Conergy 사 등이 프랑스 경제성과 독일 환경부 공동 지원으로 국책 과제인 Solion 프로젝트를 추진 중이다. 2012년 사업화를 목표로 태양광 주택의 에너지 자급을 위한 리튬 이온 전지 도입 타당성을 평가하기 위한 것으로, 약 75개 시스템에 대한 실증 사업을 포함한다.

※ 실증 사례–Solion 프로젝트
· 태양광 주택의 리튬 이온 전지 도입 타당성을 평가하기 위한 프로젝트.
· 2008년 8월부터 75개 시스템(5∼15㎾h)에 대한 실증 사업 추진(2012년 사업화 목표).
· 독일 환경부와 프랑스 경제성이 공동 지원하고 Saft 사, Conergy 사, Tenesol 사 등이 참여.

앞으로 ESS의 연구 개발과 사업화를 가속화하고, 특히 전력망용 대규모 저장 기술과 가정용 ESS 개발에 대한 수요가 늘어날 전망이다. 발전소와 변전소 등 전력 공급 안정화를 위한 중 · 대형 저장 수요가 증대해 대용량화하는 방향으로 기술 개발을 진행할 것으로 전망한다.
전력망용 저장 수요는 2011년 584㎿에서 2020년 1만 783㎿로 약 18배 성장하며, 50㎿ 이하는 리튬 이온 전지와 나트륨-황 전지 등의 전지 방식이, 50㎿ 이상은 압축 공기 저장 등의 대형 저장 방식이 대세를 이룰 것으로 예상한다. 현재 주된 대용량 에너지 저장 장치인 양수발전의 경우, 높은 투자비용, 고낙차의 지형 요구 조건, 환경 문제 등을 유발해 앞으로 압축 공기 저장 시스템(CAES)과 같은 대체기술이 유망하다.
중장기적으로 실시간으로 전력을 거래할 수 있는 스마트 그리드 확산에 따라 가정용 에너지 저장 기술 개발 수요도 크게 늘어날 전망이다. 가정용 에너지 저장 수요는 2011년 27㎿에서 2020년 3578㎿로 약 133배 성장할 것으로 예상한다.

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ESS 시장 어떻게 창출할 것인가
지경부는 5월 31일 에너지 저장 기술 관련 산업계 간담회에서 '에너지 저장 기술 개발 및 산업화 전략(K-ESS 2020)'을 발표했다. 중 · 장기적으로 국내 에너지 저장 수요에 대응하고, 급팽창하는 해외 시장을 선점하기 위한 ESS 시장 조기 창출 전략이 주요 내용이다.

에너지 저장 R&D 투자 확대 및 전략성 강화 | 2020년까지 총 6.4조 원 규모의 R&D 및 설비 투자를 추진하되 단기적으로 상용화 R&D 및 실증에, 중장기적으로 원천 기술 개발 지원에 중점을 두기로 했다. 선택과 집중 원리에 따라 3년 내 ㎿급 이상 시스템 개발 및 5년 내 산업화가 가능한 기술 분야에서 4개 과제를 선정해 앞으로 3∼5년간 총 1,200억 원 규모의 시장 주도형 기술 개발을 추진하고, 마그네슘 전지와 금속-공기 전지 등 새로운 방식의 원천 기술 개발 및 미국과 일본 등 우수 기술 보유 국가들과 국제 공동 기술 개발을 추진하기로 했다.

에너지 저장 실증을 통한 산업화 촉진 | ▲변전소 실증 - 제주도 조천 154㎸ 변전소에 2011년부터 2014년까지 1조 4,300억 원 규모 테스트 베드Test Bed를 구축해 총 8㎿ 규모 파일럿 실증을 추진하고, 2015년 이후에는 345㎸ 이상 변전소에 수십 ㎿ 규모 실증을 추진해 보급을 확대해 나가기로 했다.
▲발전원 연계형 실증 - 태양광과 풍력 등 신재생에너지 발전소에 ESS를 설치하는 실증 사업을 추진하고 중장기적으로 기존 양수발전을 대체하는 수백㎿급 ESS 실증을 추진하기로 했다. 2013년부터 2017년까지 100㎿급 대규모 저장이 가능한 압축공기 저장 시스템 실증을 우선 추진하기로 했다. ▲수용가 연계형 실증 - 그린홈 100만 호 보급 사업 등과 같은 주택 · 건물에 신재생에너지를 보급하는 사업과 연계해 수용가용 ESS 실증을 확대하기로 했다. 2010년부터 2013년까지 대구지역 100가구에 10㎾h급 리튬 이온 전지 시스템 실증 사업을 추진하고, 그 효과를 분석한 후 다른 지역으로 실증 · 보급을 확대하기로 했다. ▲실증 · 보급을 위한 기반 구축 - 국내 ESS 실증 · 보급 확산을 위해 민 · 관 공동으로 'ESS 실증 · 보급 추진위원회'를 구성해 중장기 보급 계획 및 실증 세부 계획을 마련하고, 이를 지원할 실무 조직인 'ESS 실증 · 보급 추진단'을 에너지기술평가원 내에 설치하기로 했다.

에너지 저장 R&D 인프라 구축 | ▲시험 · 평가 · 인증 기반 구축 - 3년간 120억 원 규모로 개발에 성공한 ESS의 안전성 · 신뢰성 확보를 위한 기술 개발과 장비 구축을 지원하며, <전기용품 안전 관리법>과 <품질 경영 및 공산품 안전 관리법> 등에 ESS인증에 관한 사항을 반영하고 인증 기관을 지정하는 등 제도적 기반을 강화하기로 했다. ▲ESS 인력 양성 지원 - 수요자 지향적 인력 양성을 위해 기업이 원하는 교과 과정(Track)을 대학에서 제공하는 체계를 구축해 실무형 학부 엔지니어 및 석 · 박사급 고급 연구 인력 양성을 지원하고, ESS 분야에서 세계를 리드할 최고 전문가를 배출하기 위해 대학연구실에 10년간 장기적으로 원천성 R&D 및 인력양성을 지원하는 미래 선도 인력 양성 사업을 추진하기로 했다. ▲국제 표준화 및 특허 지원 - '에너지 저장용 이차 전지 성능 · 안정'규격에 대한 국내 표준(안)을 마련해 국제 표준화를 추진하고 R&D 기획 시 시장 · 기업 동향 및 특허 분석, IP 전략 수립 등을 추진하기로 했다.

국내 시장 활성화를 위한 제도적 기반 조성 | ▲에너지 저장 시스템 보급 촉진 - ESS 국내 보급을 활성화하기 위해 주택 등에 신재생에너지 발전 설비와 함께 ESS를 설치하면 RPS 공급 인증서를 발급하고, 설치 보조금 지급 등을 검토해 나가기로 했으며, 전력망에 ESS를 실증 · 보급하기 위한 중장기 계획인 K-ESS 로드맵(~2030년)을 수립함과 동시에 <전기사업법> 등 관련 규정에 ESS의 설치 및 운영에 관한 사항을 반영하도록 규정을 정비하기로 했다. 가정에서 발급받은 RPS 공급 인증서를 거래시장에 판매할 수 있다. ▲신규 비즈니스 창출 - ESS 보급을 위해 사업자가 주택 또는 건물에 ESS를 대신 설치하고, 이를 통해 절감한 전기요금 중 일부를 회수해 이익을 창출하는 ESS-service 사업을 육성하기로 했다. 중장기적으로 전력요금 현실화와 실시간 전력 거래 등에 따라 ESS 설치에 의한 전력요금 절감분이 늘어나 ESS 설치 서비스 수요가 증대할 것으로 전망했다. ▲ESS 설치 의무화 검토 - 출력이 불안정한 신재생에너지 비율 확대로 전체 전력망이 불안정해지는 것을 방지하기 위해 일정규모 이상 전력 회사와 발전 회사를 대상으로 전기공급량의 일정 비율만큼 ESS 설치를 의무화하는 방안을 검토하기로 했다. RPS 제도에 의해 신재생에너지 발전 의무 비율이 10%에 달하는 2022년부터 전력망 안정화를 위해 ESS 설치 의무화가 필요하기 때문이다.

정리 윤홍로 기자