우리나라는 2022년까지 전체 발전량 중 10%를 신재생에너지로 대체하기 위해 신재생에너지 의무 할당제(RPS)를 시행하고, 지자체를 중심으로 수GW 단위 대규모 풍력 단지 건설 사업을 추진 중이다. 신재생에너지 발전 비중이 높아질수록 이에 비례해 전력 계통 안정화에 필요한 에너지 저장 시스템 시장은 성장한다. 신재생에너지 증가량 대비 에너지 저장 시스템 비중을 20%라고 볼 때 2015년까지 1056 정도, 2020년까지 1680 정도 에너지 저장 용량이 필요하다. 지식경제부와 한국에너지기술평가원은《그린에너지 전략 로드맵-에너지 저장》에서 '2020년까지 에너지 저장 기술 세계 3대 강국 도약'이란 비전을 제시했다. 전략 방향은 단기적으로 초기 에너지 저장 시스템 시장을 선점하는 것이다. 이를 위해 조기 기술 확보가 필요한 저장 시스템 기술을 개발하고, 시스템 경쟁력을 확보하기 위한 운용 기술과 실증 사업을 집중 지원하기로 했다.
중장기적으로 기존 에너지 기술의 경쟁력을 높이는 것이다. 이를 위해 핵심 부품 소재를 개발하고, 미래 에너지 저장 신기술을 전략적으로 지원하기로 했다. 또한, 관련 기업의 내수를 확대하고, 수출을 통한 매출을 증대하며, 산업을 육성하기로 했다《. 그린에너지 전략 로드맵-에너지 저장》을 중심으로 전력 품질 향상용 '에너지 저장 시스템 전략 로드맵'을 살펴보았다.
현재 에너지 저장 시스템 시장은 태동기로, 각 국 업체와 정부를 중심으로 R&D와 함께 여러 가지 경제적 모델을 검토하고 실증하는 단계다.
파이크 리서치Pike Research 보고에 따르면, 2010년 세계적으로 에너지 저장 시스템은 총 850 보급됐으며, 그중 장기 저장 우선인 전력 계통용 에너지 저장 시스템이 80% 정도, 단기 저장 우선인 앤실러리Ancillary 서비스용 에너지 저장 시스템이 20% 정도 시장을 형성했다. 전력 계통용 에너지 저장 시스템(678 ) 보급 상황을 보면, 미국이 전 세계 시장의 78%를 차지해 최대 시장을 형성했다. 용도별로 부하 평준화용이 44%, 신재생에너지용이 56%다.
양수 발전을 제외한 에너지 저장 시스템 시장 점유율은 압축 공기 저장 시스템(CAES) 67%, 나트륨황전지(NaS) 24%, 플로우전지 9%순이다. 발전용 에너지 저장 시스템 시장은 기술별로 양수 발전이 86%(41억 3,000만 달러)로 가장 크며, 다음으로 이차전지와 커패시터Capacitor 시장이 9%(4억 5,000만 달러)다. 장주기, 대용량 에너지 저장 시스템인 양수 발전이 현재 전 세계 설비 용량의 80%이상을 차지하지만, 높은 투자비용, 고낙차 지형 요구 조건, 대형 담수 시설 건설에 따른 환경 문제 등으로 향후 장주기, 대용량 에너지 저장 시스템의 대체 기술 개발이 필요하다.
전력 품질 향상용 ESS 시장 전망과 특성
CO2 배출과 화석연료 의존도를 줄이기 위한 세계 각국의 노력으로 에너지 저장 시스템 산업은 탄력을 받을 것이다. 전력 품질 향상, 전력망 안정화, 신재생에너지의 효율적 운용 등 다양한 시장에서 에너지 저장 시스템을 활용할 것이기에 시장 전망은 밝다. 앞으로 10년간 시장이 급성장해 2020년 47조 9,000억 원에 달하고, 저장 수요는 2011년 1206 에서 2020년 2만 105 로 약 16배 성장할 것으로 예상한다. 미국 파이크 리서치와 일본 후지 경제는 2010년 17억 달러(2조 500억 원)에서 2020년 412억 달러(47조 9,000억 원)로 급성장할 것으로 예측한다.
에너지 저장 시스템 중 전력 계통용은 다양한 출력과 저장 시간에 따라 '장주기'와 '단주기'로 분류한다. 장주기용은 기저부하의 유휴 전력을 이용하거나 전력망 부하 평준화, 첨두부하 대응 등으로 발전 설비비를 줄이고, 전력 예비율을 확보하기 위해 사용한다. 단주기용은 초고용량 커패시터와 플라이휠 에너지 저장 시스템(FESS)이 대표적으로, 수송기계 분야에서 제동 에너지 회수에 따른 전력 회생과 스마트 그리드의 순간 정전 방지 및 신재생에너지원의 단주기 출력 변동 완화를 위한 전력 안정화에 사용한다.
단주기 에너지 저장 시스템
전력 품질 향상용 단주기 에너지 저장 시스템은 풍력, 태양광 등 저품질 그린에너지를 출력 변동이 적은 고품질 전기로 전환한다. 이 시스템은 순간적으로 변동하는 전력 품질을 일정하게 유지하기 위해 빠른 출력으로 대응하는 속응성이 필요하다. 여기엔 리튬이온전지, 초고용량 커패시터, 플라이휠 등이 있다.
리튬이온전지 | 리튬 이온이 양극과 음극 소재를 오가면서 충 · 방전이 이뤄지며, 외부 부하 변동에 빠르게 반응한다.
초고용량 커패시터 | 전극표면과 전해액 계면의 전기이중층 현상을 이용한 이온의 물리적 흡 · 탈착으로전하를 축적하므로 리튬이온전지에비해 반응 속도가 빠르고 출력이 좋다. 전극의 표면만을 사용하므로 에너지 밀도는 낮고, 빠른 충 · 방전 특성이 있으며, 순간 출력 성능은 전지의 10배, 수명은 50만 회 이상으로 교체가 필요없는 에너지 저장장치다.
플라이휠 | 대용량 회전체를 무접촉 상태로 부양한 후 전기 에너지를 회전 에너지 형태로 저장했다가 필요시 전기로 변환한다. 초전도 베어링, 복합재 회
전체, 회전 안정 시스템, 냉각 시스템, 전력 입출력 모터 시스템 등으로 이뤄진다. 초전도, 전자석 베어링이 에너지를 저장하는 휠을 부상시킨다. 에너지 저장 밀도가 높고, 실시간 상태를 감시하며, 에너지 저장 효율이 80%로 환경친화적이다. 소용량은 가정용 비상 전원과 UPS 및 회생 전력 저장에, 중대용량은 신재생에너지 저장에, 대용량은 심야전력을 저장해 주파수 조정, 전기 이용 합리화, 부하 평준화에 사용한다.
우리나라는 전력 품질 향상용 단주기 에너지 저장시스템에 대한 수요는 전무한 편이다. 전력망 설비를 설치한 지 얼마 되지 않아 전력 사업자들이 필요성을 인식하지 못하고, 신재생에너지 보급에 따른 출력 변동 등은 전력망에서 흡수하기 때문이다. 글로벌 시장에선 단주기 전력 품질 안정화, 마이크로 그리드 전력 안정화, 경전철 부하 평준화 등 2016년까지 수요가 급증해 약 1조 원 이상 성장할 것으로 예상한다.
장주기 에너지 저장 시스템
전력 수요가 적을 때 유휴 전력을 저장했다가 수요가 많을 때 전력을 사용하는 데 필요한 장치다.
전력 부하 평준화는 에너지 저장 시스템으로 전력사용량을 평준화해 첨두부하에 대응하고, 발전 설비와 전력망 설치에 따른 비용을 줄인다. 신재생에너지는 전력 생산이 불규칙하므로 에너지 저장 시스템으로 전력량을 평준화해 효율성을 높여야 한다. 여기엔 나트륨황전지, 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery), 압축 공기 저장 장치 등이 있다.
나트륨황전지 | 에너지 밀도가 높고 가격이 저렴하다. 급 전력을 여러 시간 충 · 방전하고, 10년 이상 수명 신뢰성을 가진다. 음극에 나트륨 금속을, 양극에 황을 사용하고, 나트륨 이온 전도가 가능한 고체 전해질을 사용하는 이차전지다. 가격이 저렴한 재료를 사용하는 데다 단위 전지 용량을 크게 만들 수 있어 대용량 전지 구성에 유리하다.
레독스 흐름 전지 | 전해질 내 활성 물질로 Fe, Cr, V, Ti, Sn 등의 전이 금속이나 란탄Lanthan, 악티니드Actinide 계열 금속 이온들의 산화 · 환원 전위차를 이용해 기전력을 발생시키는 장치다. 스택 설계와 전해질 양에 따라 출력과 용량을 독립적으로 설계할 수 있다. 기전력은 양극액과 음극액을 구성하는 레독스 쌍의 표준 전극 전위 차로 결정한다.
압축 공기 저장 장치 | 전력 수요가 낮은 시간대 또는 조절할 수 없는 전력을 압축 공기 에너지로 지하에 저장했다가 전력 수요가 높은 시간대에 전력을 생산한다. 상부 기계 설비는 전기 · 전자 · 기계 기술 등을, 지하 암반 저장 공동空洞은 토목 · 건축 기술 등을 적용한 융 · 복합 시스템이다.
우리나라는 스마트 그리드 실증 사업 시범 국가로 지정된 후 제주 스마트 그리드 실증 단지를 시범 운영해 2012년부터 2030년까지 세계 최초 스마트 그리드 국가를 구축한다는 목표를 세웠는데, 여기서 중요한 것이 바로 장주기 에너지 저장 시스템이다.
레독스 흐름 전지는 대형 건물이나 대형 유틸리티 에너지 저장 장치 후보며, 태양광과 풍력 발전용 에너지 저장 시스템으로 사용할 수 있다. 신재생에너지가 총 전력량의 5% 이상이면 전력 계통망에 영향을 주기에 가정용이나 소형 전력 저장, 도서 및 산간 지역에서 단독으로 운영하는 신재생에너지 저장을 제외하면 장주기 시장은 협소하다. 글로벌 시장은 2015년 약 486억 달러에 육박하며, 가정용 전력 저장, 산업용 중형 전력 저장, 발전소 및 변전소에 설치하는 초대용량 전력 저장 시스템은 95억 달러, 풍력과 태양광 등 신재생에너지 분야에서 91억 달러로 성장할 것으로 예상한다.
전력 품질 향상용 ESS 기술 동향
에너지 저장 시스템은 다양한 전력망의 요구에 맞는 최적의 저장 기술을 선정하고, 시스템의 성능과 가격을 확보하는 것이 중요하다. 단주기 시스템은 앤실러리 서비스용으로 확대 적용하는 추세며, 기술적으로 저가 소재 개발과 장기 수명 특성을 확보해야 한다. 장주기 시스템은 전력 부하 평준화용으로 저장 용량에 따른 저가 실현과 효율이 중요하다.
실증 사업 및 운용 기술은 시스템의 효율적 활용, 전력망의 용도별 시스템에서 요구하는 특성, 최적의 기술 선정 등에 필요하며, 미래 전력망 사업과 솔루션 보급을 위해 중요하다.
한국원자력연구원의 리튬이온전지 전지막 이온 전도도 측정 장면(左).
ICE BEAR사의 에너지 저장 시스템(右).
소형 전지 분야에서 경쟁력을 확보한 리튬이온전지와 초고용량 커패시터는 산업화 역량이 풍부하나, 대용량 시스템 분야에서 레독스 흐름 전지와 나트륨황전지 등은 역량이 부족하다. 삼성SDI, LG화학 등 리튬이온전지 분야 세계적인 제조 기업은 전력 저장 분야에서 미국과 유럽의 전력 사업자와 공동 개발을 추진하는 등 역량을 인정받고 있다. 전기이중층 커패시터 셀 · 모듈의 경우 비나텍, LS엠트론, 코칩, 네스캡에서 신재생에너지 산업용으로 제품을 개발해 생산하며, 현재 세계 시장의 15%를 점유한다. 레독스 흐름 전지, 나트륨황전지, 압축 공기 저장 시스템 등 장주기 시스템 기술은 상용화 단계에 이르지 못했으나, 최근 개발에 참여하는 업체가 꾸준히 증가하는 추세다.
전력 저장 관련 우리나라 시장이 협소하기에 경쟁국보다 기술 개발 투자가 다소 늦어졌으며, 이로 말미암아 따라잡기(Catch-Up) 전략에 의존하다 보니 초기 시장 진입 장벽은 높은 편이다. 레독스 흐름 전지 등 장주기 시스템은 선진국에서 활발히 실증을 진행하지만, 우리나라 업체들은 현재 기술을 개발하는 단계다. 국제 경쟁력을 강화하려면 실증을 통한 성능 확인과 표준화가 중요하므로 개발품의 국내 실증과 조기 상용화 실적 확보를 위한 국가적 지원이 필요하다.
전력 품질 향상용 ESS 전략 방향
단기 | 초기 에너지 저장 시스템 시장을 선점하기 위해 조기 기술 확보가 필요한 저장 장치 기술 개발 및 시스템 경쟁력 확보를 위한 운용 기술과 실증 사업을 집중 지원한다.
중장기 | 기존 에너지 저장 기술의 경쟁력을 높이기 위한 핵심 부품 소재 개발과 미래 에너지 저장 신기술에 대해 전략적으로 지원한다.
단주기 시스템 기술 요구 사항
신재생에너지를 포함한 스마트 그리드 사업 등 미래 전력망 구축 사업의 확대, 균일하지 않은 전력수요 등을 효과적으로 관리하고 공급하려면 수요자근거리에 전기를 저장했다가 공급하는 에너지 저장시스템을 개발 보급해야 한다. 전력을 보다 효율적, 계획적으로 활용하도록 저장하는 에너지 저장 시스템은 다음과 같이 사용할 수 있다.
 리튬이온전지 제조업체인 A123시스템즈에서 중국 풍력 발전 단지에
공급 예정인 에너지 저장 장치
전력 품질 향상용 | 전력 수요 · 공급의 순간적, 지속적인 균형을 유지하는 데 필요한 파워, 에너지, 커패시터 등을 제공.
신재생에너지 저장용 | 태양광, 풍력 등 신재생에너지로 발전한 전력을 저장하거나 전력 품질 안정화.
에너지 저장 시스템으로 사용하기 위한 기술 개발과 관련해 공통으로 필요한 사항은 에너지 저장 밀도와 출력 밀도 증대, 장수명화, 설치비용 저가화 등이다. 특히, 리튬이온전지는 다양한 이차전지 시스템 중 에너지 저장 밀도가 높지만, 핵심 부품 소재 및 제조 단가가 높아 h급 이상 대형 에너지 저장 시스템으로 적용하기엔 한계가 있다. 따라서 전지의 성능 향상과 더불어 저가화가 필요하다.
전력 품질 향상, 신재생에너지, 스마트 그리드 등을 통한 우리나라 전력 송 · 배전 시스템은 지속해서 선진화를 추진하는 중이다. 반면, 순간 전압 강하 보호 설비는 기업과 수요자의 자발적인 노력이 필요하다. 현재 정전 개념은 기존 몇 시간, 몇 분에서 1초 이하 사이에 발생하며, 그로 말미암은 피해와 손실은 상당하다. 이를 보상하는 순간 계통 안정화 시스템에 대한 수요자의 요구가 늘어났다. 순간 전압 강하, 순간 정전, 고조파 현상은 낙뢰, 대형 부하 기동, 전력선 사고, 변압기 사고, 비선형 부하 등으로 발생한다. 이러한 전력 문제는 지속 시간이 1초 미만으로 순간 고출력 성능이 우수한 에너지 저장 시스템이 필요하다. 특히 내부 저항이 낮고, 순간 고출력 특성이 우수하며, 내전압 특성과 넓은 사용 온도 조건이 필요하다.
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장주기 시스템 기술 요구 사항
시스템 설치비 감소와 장기 운용 성능에 대한 검증이 필요하다. 장주기 시스템 가격은 장기적으로 500$/㎾h 이하 수준을 유지해야 한다. 이를 위해 소재 부품의 저가화 및 고성능화, 양산 체계 구축을 통한 원가 절감 등이 필요하다. 부하 평준화(차익거래), 전력 품질 관리(전압, 주파수 조정 등), 무효 전력 보상, 순동 예비력, 자체 기동, 신재생에너지 전력 피크치 조정, 송 · 변전 용량 조정 기능 등 다양한 역할을 담당할 수 있으며, 이러한 요구에 대응할 수 있는 에너지 저장 시스템을 개발해야 한다.
※ 순동 예비력 : 전력 계통의 주파수 저하에 따라 발전기가 트립Trip하거나, 대규모 정전이 발생하는 것을 막기 위해 조속기의 동작으로 즉시 출력 증가가 가능한 발전 여유력.
장주기 시스템은 15년 이상 사용 수명이 필요하다. 또한 안전성, 친환경성, 충 · 방전 효율, 운용 · 수리비 등 장기 운용과 관련한 성능을 검증해야 한다. 이와 같은 장기 운용 기술 개발 및 신뢰성 확보를 위해 국가 주도의 실증 사업이 필요하다. 15년 수준의 신뢰성, 안전성을 확보하기 위해 소재 부품단계에서 시스템까지 체계적인 상업화 기술 개발이 필요하다. 열화 기구 규명, 가속 수명 평가 방법 개발, 표준화 및 규격화 등 기반 연구 및 지원 체계도 구축해야 한다.
<Energy News>
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