[스마트 그리드의 심장, ESS ①] 신재생에너지 보급 관건, 에너지 저장 시스템

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[스마트 그리드의 심장, ESS ①] 신재생에너지 보급 관건, 에너지 저장 시스템 - ESS 산업 육성에 10년간 6.4조 원 투자

2012년 6월 4일 (월) 11:47:03 | 지면 발행 ( 2012년 5월호 - 전체 보기 )

에너지 저장 시스템(ESS : Energy Storage System)은 다양한 발전원에서 생산한 전력을 수요가 적을 때 저장했다가 필요할 때 공급함으로써 에너지 효율을 높이는 것으로, 스마트 그리드Smart Grid의 핵심 장치다. 또한, ESS는 전력 공급 안정화, 신재생에너지 확산 등 부가가치를 창출하는 녹색 분야 핵심 기술로 시장이 급성장할 것으로 예상하는 신산업 분야다. 지식경제부는 2012년 업무 보고에서 "향후 10년간 ESS 개발을 위한 R&D에 민 · 관 합동으로 자본을 투입해 에너지 효율 개선과 함께 미래 먹을거리 산업으로 키워나갈 계획이다"라고 발표했다. ESS의 필요성과 기술력 그리고 R&D 전략을 살펴보았다.

이창용 삼성경제연구소 수석연구원은《SERI 경영 노트-스마트 그리드와 신사업 기회》에서 스마트 그리드와 ESS에 관해 다음과 같이 설명했다.
"스마트 그리드란 기존 전력 시스템에 정보 통신기술을 접목해 전력망을 실시간으로 관찰 통제하면서 공급자와 수요자 간 양 방향 통신을 통해 전력망의 운영 효율을 최적화하는 미래형 전력 시스템이다. 이를 통해 최근 증가하는 신재생에너지 발전과 전기자동차용 충전 시스템 등 새로운 전력 기기들과 연계가 가능하다. … 기존 전력망은 화력, 원자력 등 중앙 집중형 발전으로 전력을 생산하고 송전망을 통해 수요처에 전달하는 방식이다. 장거리 송전 시설이 필요하며, 특히 수요처에 전력을 공급하는 것에 중점을 두어 장비의 고장과 이로 인한 정전사고 등에 취약한 구조다. 계절별로 발생하는 최대 피크 전력 수요에 대응하기 위해 대규모 예비 전력시설이 필요하고, 전력 설비 이용률이 낮은 비효율적인 전력 시스템이다. 기존 전력 시스템은 신재생에너지 발전량 증가 시 전력 품질 저하의 소지가 있고, 전기지동차 등 대규모 신규 전력 수요에 대응하기 힘든 구조다. 태양광, 풍력 등은 발전 변동 폭이 심해 별도의 품질 제어 장치가 필요하며, 발전 용량증가 시 전력망 제어 문제가 발생할 수 있다. 스마트 그리드가 대안으로 등장한 배경이다. 스마트 그리드로 스마트 미터, 수요 반응, 스마트 가전 및 전력 저장 장치 등이 등장하고, 각각의 기기를 정보네트워크로 연결하는 새로운 애플리케이션이 등장할 것이다."
이창용 수석연구원의 설명처럼 기존 시스템이 지닌 취약성을 해결하려면, 발전 시설 증설 못지않게 스마트 그리드를 구축해 전력 관리의 패러다임을 바꿔야 한다. 그런 의미에서 전력 품질 향상, 전력망 안정화, 신재생에너지 효율적 운용 등의 역할을 할 ESS는 스마트 그리드의 심장에 해당한다

ESS의 필요성을 요약하면 첫째, 기존 전력 시스템은 전기 수요가 많지 않은 한밤중에도 전력을 생산하는데, 그 특성상 생산한 전력을 사용하지 않으면 물거품처럼 사라진다. 이 전력을 ESS에 저장했다가 수요가 증가할 때 사용할 수 있다. 둘째, 에너지 저장 시스템은 2011년 1월 여수산단 정전 사고(피해액 약 700억 원), 2011년 9월 15일 순환 정전사고와 같은 대규모 정전 사고를 예방하고, 수력발전소를 제외한 원전 등 발전소 운영 시 비상 전력으로 활용할 수 있다. 셋째, 첨두부하 분산을 통해 발전소 건설비, 송전선 설치비 등 투자비를 절감할 뿐만 아니라 전력 예비율을 높여 여름 · 겨울철 전력 피크 등에 효과적으로 대응할 수 있다. 넷째, 출력이 불규칙한 신재생에너지원을 고품질 전력으로 변환하는 등 신재생에너지 보급 확산에도 필요하다.
태양광, 풍력 등 외부 환경에 따라 출력 변동성이 심한 신재생에너지원을 고품질 전력으로 전환해 전력망에 연계하는 데 필요한 시스템이다.

신재생에너지 확대 보급, ESS와 병행해야
홍일선 LG경제연구원 선임연구원은《LG Business Insight》〈신재생에너지 확대의 관건, 전력 저장 장치〉에서 "지금처럼 신재생에너지가 차지하는 비중이 미미할 때는 변동성의 폭이 크지 않지만, 전체 에너지 중 20∼30%를 넘어서면 발전량의 변동 폭이 현재 전력 시스템의 경우 수용 범위를 넘을 수 있다"고 지적했다. 지경부도 "에너지 저장 없이 신재생에너지 발전량 비율이 10%를 상회하면 전체 전력망의 불안정으로 말미암아 전력 품질에 심각한 피해를 줄 수 있다"고 우려했다. 최근 연구를 보면, 전력망에 연계하는 신재생에너지 발전량 비율의 한계를 10∼15%로 추정한다. 일례로 울릉도의 경우 신재생에너지 전력 비율은 9.4% 수준이기에 풍력발전기를 추가해 가동하기 어려운 상황이다.
IEA는《Key World Energy Statistics》에서 풍력발전의 전력 불안전성에 관해 "풍력 발전은 발전 용량이 크고 바람 세기에 따라 전력 생산 변동이 크므로 중앙 전력망에 심각한 불안정을 초래한다"면서, "유럽 풍력 발전 단지의 발전량 변화율은 20∼30%이며, 발전량 변화율이 5%를 초과할 때 전력망의 안정화를 위해 전력 저장 시스템 등 별도의 전력 제어가 필요하다"고 강조했다. 실제로 독일 전력 회사인 E.ON Netz은 "하루 만에 풍력 발전량의 최고치와 최저치 간 차이가 4340 에 이르며, 이것은 대형 발전소 예닐곱 개에 해당하는 양이다"고 밝혔다.
신재생에너지의 변동성을 관리할 수 있는 대안으로 ESS를 주목하는 이유다. 유휴 전력을 저장했다가 수요량이 많을 때 공급함으로써 수요와 공급의 간극을 효율적으로 메우고, 짧은 시간 내 신재생에너지의 발전량 변동에 대응하는 안전한 대응방법이다.

ESS 원천 기술 확보 경쟁
스마트 그리드 시장 확대에 따라 ESS 관련 산업은 급성장할 것으로 보인다. 또한, 전력 대란을 예방하는 중요한 기술로 ESS의 가치를 생각하면, 산 · 학 · 연 공동 R&D를 통해 원천 기술을 확보해야 한다.
ESS 시장은 미국, 일본 등 일부 선진국을 중심으로 2010년 2조 원 규모 초기 시장을 형성했다. 보급 용량은 850 로, 전력 계통용(장기 저장)이 80%, 앤실러리Ancillary 서비스용(단기 저장)이 20%를 차지했다. 관련 전문 기관은 2013년 11.2조 원, 2015년 24조 원 그리고 2020년 47.4조 원 규모로 2010년에 비해 약 24배 폭발적으로 성장하고, 저장 용량은 2011년 1206 에서 2020년 2만 105 로 약 16배 성장하며, 전력망용 저장 수요는 2011년 48.4%에서 2020년 53.6%로 가장 큰 비중을 차지할 것으로 전망한다.

ESS 세계 동향

미국, 일본 등 주요 선진국은 ESS 연구 개발과 실증 사업을 활발하게 추진 중이며, 일부 상용화에 성공하는 등 사업화 단계에 들어섰다. 실증 사업의 경우 전 세계적으로 2009년 전체 240 (20건)에서 2010년 869 (44건)로 증가한 것으로 나타났다.
일본 | 재생에너지 발전소용, 가정용 등 다양한 분야에서 기술 개발을 추진하며, 나트륨황전지, 리튬이온전지 등에서 기술력이 앞섰다. 나트륨황전지는 NGK사의 세계 시장 점유율이 2008년 기준 51%이며, 프랑스 EDF와 150 , UAE와 300 공급계약을 체결했다.
[실증 사례] 훗카이도 Rokkasho 소재 51 풍력발전소 : 2008년 8월 이후 34 (250 h) 나트륨황 전지 시스템을 도입해 운영하며 풍력 발전 단지의 출력 평탄화를 실증한다. 전력 품질이 높아 일반 전력은 약 3￥/㎾인데 비해 9￥/㎾h에 판매한다.
미국 | 공공 기관(ARPA-E, EPRI 등), 대형 전력회사(AES사, AEP사)를 중심으로 기술 개발과 함께 실증 사업을 추진한다. ARPA-E(DOE 산하 연구기관)는 2009∼2010년에 걸쳐 총 9,200만 달러 자금을 리튬이온전지, 커패시터, 레독스 흐름 전지, 플라이휠, 압축 공기 저장, 초전도 에너지 저장 장치 등의 기술에 투자했다. AES사는 2010년 6월에 뉴욕 Westover 발전소의 44 화력 발전 설비에 20 급 리튬이온전지를 설치했다. 한편, 캘리포니아 주 정부는 2010년 9월 29일 ESS 설치를 의무화
하는 법안을 승인했다(Energy Storage Bill AB 2514). 주요 내용을 보면, 캘리포니아 전력 회사는 2014년 1월 1일부터 최근 5년간 평균 공급 전력의 2.25% 이상을 ESS를 이용해 공급해야 한다. 2020년 1월 1일부터 5% 이상으로 기준을 상향 조정할 계획이다. 신재생에너지 보급(2010년 10% → 2020년 33%로 보급 확대)을 위해 ESS가 필요하다는 시각을 법에 반영한 사례다.
[실 증 사 례 ] Tehachapi 풍 력 발 전 소 : SCE(Southern California Edison)사가 Tehachapi사막 지역 풍력발전소에 ESS를 실증한다. ESS는 8 (32 h) 용량 리튬이온전지로 구성했으며, 사업 규모는 250억 원/년, 에너지부(DOE)가 1:1 매칭Matching으로 지원했다.
유럽 | 프랑스 Saft사, 독일 Conergy사 등이 참여해 국책 과제인 'Solion 프로젝트'를 추진(프랑스 경제성 · 독일 환경부 공동 지원)한다. 이 프로젝트는 태양광 주택의 에너지 자급을 위한 리튬이온전지 도입 타당성을 평가하기 위해 2008년 8월부터 약 75개 시스템(5∼15㎾h)에 대한 실증 사업을 추진하는 것이다(2012년 사업화 목표).

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ESS, 2020년 3578 로 133배 성장
연구 개발 · 사업화를 가속화하고, 특히 전력망용 대규모 저장 기술과 가정용 ESS 개발에 대한 수요는 늘어날 전망이다. 전력망용 저장 수요는 2011년 584MW 에서 2020년 1만 783MW로 약 18배 성장할 것으로 보인다. 발전소, 변전소 등 전력 공급 안정화를 위한 중대형 저장 수요가 늘어나 대용량화하는 방향으로 기술 개발이 이뤄질 것이다. 50MW이하는 리튬이온전지, 나트륨황전지 등의 방식이, 50MW이상은 압축 공기 저장 등 대형 저장 방식이 대세를 이룰 전망이다. 또한, 중장기적으로 실시간 전력 거래가 가능한 스마트 그리드 확산에 따라 가정용 ESS 기술 개발 수요도 많이 늘어날 전망이다. 가정용 ESS 수요는 2011년 27MW에서 2020년 3578MW로 약 133배 성장할 것으로 예상한다.

국내 ESS 현황과 R&D 추진
지경부는 중장기적인 국내 에너지 저장 수요에 대응하고, 급팽창하는 글로벌 시장을 선점하고자, 국내 ESS 시장을 조기에 창출해야 한다고 파악했다. 이를 위해 세계 최고 수준으로 도약하기 위한 전략적 기술개발 및 투자 확대, 실증 지원, 산업 인프라 구축이 시급하다고 보았다.
시장 현황 | 현재 ESS 시장은 형성 전인 실증 단계지만, 향후 전력 소비량 증가 및 신재생에너지 확대에 따라 중장기적으로 수요가 늘어날 전망이다. 전력 소비량은 2010∼2024년에 연평균 1.9%, 신재생에너지 보급 목표(제3차 신재생에너지 기본계획)에 따라 2008년 2.58%에서 2030년 11% 증가할 것으로 보인다. 에너지 저장 수요는 2015년까지 960MW, 2020년까지 1680MW규모로 예상한다. 제5차 전력수급기본계획(2010년 12월)상 신재생에너지 발전 설비 누적량 대비 ESS 비중을 10%로 가정해 도출한 것이다. 그러나 ESS 설치 유인 부족으로 국내 시장 형성이 더뎌 산업화 추진에 걸림돌이 될 가능성이 있다. 우리나라는 안정적인 전력망을 보유하고, 현재 신재생에너지 발전량 비중이 낮아 원활한 ESS 시장 형성이 쉽지 않다. 따라서 중장기적인 에너지 저장 수요에 선제적으로 대응하고, 미국 등 급팽창하는 글로벌 시장을 선점하기 위해 국내 시장 창출을 촉진할 필요가 있다.

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기술 개발 현황 | 기업 · 연구소 등에서 기술 개발을 추진하지만 상용화 정도, 원천 · 부품 소재 기술 수준, 실증 경험 측면에서 선진국보다 열세다.
R&D 현황 | 리튬이온전지, 슈퍼 커패시터, 플라이 휠은 상용화 단계에 도달했으나, 그 외 기술은 초기 기술 개발 단계다.
기술 수준 | 리튬이온전지는 최고 수준의 제조 기술을 보유했으나, 전반적인 ESS 원천 · 부품 소재 기술은 미흡하다.
실증 현황 | 가정용 ESS 실증을 추진 중이나 초기 단계고, 향후 수요가 가장 클 것으로 예상하는 전력망용 대규모 ESS 실증은 전무한 편이다. 현재 제주 스마트 그리드 실증 단지에 5㎾h급 가정용 ESS 실증(2009년 12월∼2013년 5월)을, 대구 100가구에 10㎾h급 리튬이온전지 시스템 실증(2010년 6월∼2013년 5월)을 추진 중이다. ESS기술 개발 전략 강화와 함께 대규모 실증 사업 추진, 미래 시장 선점을 위한 ESS 기술 개발 투자를 확대해야 한다.
인프라 현황 | 중장기적인 기술 축적 및 해외 시장 개척을 위한 안전성 평가, 핵심 인력 양성 등 인프라 구축이 미흡하다.
평가 · 인증 | ESS는 안전성에 대한 엄격한 수준의 검증을 요구하나, 평가 · 인증 기반이 열악해 수출산업화에 어려움을 겪는다.
인력 양성 | 전기 · 화학 등 ESS 분야 고급 전문 인력 확보가 어려운 상황으로 체계적인 인력 양성 방안 추진이 필요하다.
표준 | 평가 기술 · 방법에 대한 국제 기준이 아직 없어 표준 시장을 선점할 기회지만, 주요 기관 · 정부의 표준화 활동이 미흡하다.

ESS R&D 투자 전략
R&D 투자 확대 | 2020년까지 총 6.4조 원(기술 개발 2조 원-정부 0.5조 원, 민간 1.5조 원/설비 구축-4.4조 원(민간 중심)) 규모 R&D와 설비 투자를 추진하되, 단기적으로 상용화 R&D와 실증, 중장기적으로 원천기술개발지원에 중점을 두기로 했다.
R&D 전략성 강화 | ' 선택과 집중'의 원리에 따라 2014년 내 급 이상 시스템을 개발하고, 2016년 내 산업화할 수 있는 기술 분야(리튬이온전지, 나트륨황전지, 레독스흐름전지, 슈퍼커패시터, 플라이휠, 압축 공기 저장 등)에서 4개 과제를 선정해 향후 3∼5년 총 1,200억 원 규모 시장 주도형 기술개발을 추진하고, 마그네슘전지, 금속-공기전지 등 새로운 방식의 원천 기술 개발 및 미국, 일본 등 우수 기술 보유 국가와의 국제공동기술개발을 추진하기로 했다.

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ESS 실증을 통한 산업화
송전망 연계형 실증 | 제주도 조천 154㎸ 변전소에 테스트 베드Test Bed를 구축해 총 8 규모 파일럿 실증(2011∼2014년, 300억 원 규모)을 추진하고, 2015년 이후에 345㎸ 이상 변전소에 수십 규모 실증을 추진해 보급을 확대하기로 했다.
발전원 연계형 실증 | 태양광, 풍력 등 신재생에너지 발전소에 ESS를 설치하는 실증 사업을 추진하고, 중장기적으로 기존 양수 발전을 대체하는 수백급 ESS 실증을 추진하기로 했다. 먼저, 대규모 저장이 가능한 압축 공기 저장 시스템 실증(2013∼2017년, 100 )을 추진하기로 했다.
수용가 연계형 실증 | 그린 홈 100만 호 보급 사업 등과 같은 주택 · 건물에 신재생에너지를 보급하는 사업과 연계해 수용가용 ESS 실증을 확대하기로 했다. 대구지역 100가구에 10㎾h급 리튬이온전지 시스템 실증 사업을 2010년 6월부터 2013년 5월까지 추진 중이며, 효과를 분석한 후 다른 지역으로 실증 · 보급을 확대하기로 했다.
실증 · 보급을 위한 기반 구축 | 국내 ESS 실증 · 보급 확산을 위해 민관 공동으로 'ESS 실증 · 보급 추진위원회'를 구성해 중장기 보급 계획 및 실증 세부계획을 마련하고, 이를 지원할 실무 조직인 'ESS 실증 · 보급 추진단'을 설치하기로 했다.

ESS R&D 인프라 구축
시험 · 평가 · 인증 기반 구축 | 개발에 성공한 ESS의 안전성과 신뢰성 확보를 위한 기술 개발과 장비 구축을 지원함(3년간 120억 원 규모)과 동시에 ESS 인증에 관한 사항을 <전기용품안전관리법〉, 〈품질경영및공산품안전관리법〉등 관련 규정에 반영하고 인증기관을 지정하는 등 제도적 기반을 강화하기로 했다.
ESS 인력 양성 지원 | 수요자 지향적 인력 양성을 위해 기업이 원하는 교과 과정을 대학에서 제공하는 체계를 구축해 실무 적응형 학부 엔지니어 및 석 · 박사급 고급 연구 인력 양성을 지원하고, ESS 분야에서 세계를 리드할 최고 전문가 배출을 위해 대학 연구실에 10년간 장기적으로 원천성 R&D 및 인력 양성을 지원하는 미래 선도 인력 양성 사업을 추진하기로 했다. 1단계 : 3배수/1년/2억 원(기획 · 사업) → 2단계 : 2배수/3년/5억 원(원천 기술 단계) → 3 · 4단계 : 1개/6년/10억 원(응용 기술 및 사업화 단계).
국제 표준화 및 특허 지원 | ' 에너지 저장용 이차전지 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 추진키로 했다.

ESS 시장 활성화를 위한 제도적 기반 조성
ESS 보급 촉진 | 보급을 활성화하기 위해 주택 등에 신재생에너지 발전 설비와 함께 ESS를 설치할경우 RPS 공급 인증서 발급(이 경우 가정에서 발급
받은 RPS 공급 인증서를 거래 시장에 판매 가능), 설치 보조금 지급 등을 검토하고, 우리나라 전력망에 ESS를 실증 · 보급하기 위한 중장기 계획인 KESS 로드맵(∼2030년)을 수립함과 동시에 <전기 사업법> 등 관련 규정에 ESS의 설치 및 운영에 관한 사항을 반영하도록 규정을 정비하기로 했다.
신규 비즈니스 창출 | ESS 보급을 위해 사업자가 주택 또는 건물에 ESS를 대신 설치해 주고, 이를 통해 절감한 전기요금 중 일부를 회수해 이익을 창출하는 ESS-service 사업을 육성하기로 했다. 중장기적으로 전력 요금 현실화, 실시간 전력 거래 등에 따라 ESS 설치에 의한 전력 요금 절감분이 늘어남으로써 ESS 설치 서비스 수요가 증대할 전망이다.
ESS 설치 의무화 검토 | 출력이 불안정한 신재생에너지 비율 확대로 전체 전력망이 불안정해지는 것을 방지하고자, 일정 규모 이상 전력회사, 발전회사를 대상으로 전기 공급량의 일정 비율만큼 ESS 설치를 의무화하는 방안을 검토하기로 했다. RPS 제도에 의해 신재생에너지 발전 의무 비율이 10%에 달하는 2022년부터 전력망 안정화를 위해 ESS설치 의무화가 필요할 전망이다.

전지의 세계

2012년 전지 시장 전망은
임팩트, 이차전지 · 태양전지 · 연료전지 보고서

전지는 화학 에너지를 전기 · 화학적 산화, 환원 반응에 의해 전기 에너지로 변환하는 장치다. 일차전지와 이차전지, 연료전지 그리고 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지 등이 있다. 크게 원리별로 화학전지와 물리전지로 분류하며, 다시 화학전지는 일차전지 · 이차전지 · 연료전지로, 물리전지는 태양전지 · 열전소자 · 원자력전지 등으로 세분한다.

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일차전지 : 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전지로, 화학 변화 과정이 비가역적이거나 가역적이라도 충전이 용이하지 않다. 즉, 방전한 뒤 충전으로 본래 상태로 되돌릴 수 없는 비가역적 화학 반응을 하는 전지다. 망간전지, 알카리망간전지, 수은전지, 산화은전지, 리튬일차전지, 공기아연전지 등이 있으며, 최근 알카라인전지가 많이 쓰인다.

이차전지 : 화학 에너지와 전기 에너지 간 상호 변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복하는 전지다. 특히 소형 이차전지는 휴대폰, 노트북컴퓨터, 캠코더, PDA, 전동 공구 등의 전원으로 사용한다. 납축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지, 리튬이온폴리머전지 등이 있다.
태양전지 : 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 반도체 소자로 p형 반도체와 n형의 반도체 접합 형태를 가지며, 그 기본 구조는 다이오드와 동일하다. 이와 같이 태양전지는 빛을 전기 에너지로 변환하는 소자로 관련 전방 산업으로 태양전지 제조에 필요한 소재 · 원료 산업, 태양전지 제조 공정 설비 산업이, 후방 산업은 태양전지 모듈과 발전 시스템 관련한 장비 · 시스템 응용 관련 산업이 있다.

연료전지 : 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치다. 이 화학 반응은 촉매층 내 촉매에 의해 이뤄지며, 일반적으로 연료를 계속 공급하는 한 지속적으로 발전할 수 있다. 알칼리형, 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형, 고분자전해질형, 직접메탄올연료전지 등이 있다.
임팩트는 '2012년 전지 총總시장 - 이차전지/태양전지/연료전지'을 통해 국내외 전지 및 관련 전 · 후방산업 및 수요산업 시장 실태를 분석한 보고서를 발표했다. 임팩트 관계자는 "본 보고서가 국내 전지 및 관련 시장에 진출한 국내외 기업뿐 아니라 시장에 관심이 있는 관련 기관 · 업체 실무 담당자에게 사업 전략 수립과 업무에 기초 자료로써 활용성이 높을 것이다"고 밝혔다.

출처 : 임팩트 www.imfactbook.com