저장 및 효율성 위한 마이크로그리드 기술에 주력

최근 전 세계 ESS 시장은 선진국을 위주로 한 각국 정부의 강력한 지원정책 및 신재생에너지의 보급 및 확산 그리고 분산전원에 대한 필요성 증대 등으로 인해 본격적인 개화기를 맞이하고 있다. 뿐만 아니라, 기존의 전력수급정책이 공급위주에서 수요관리로 패러다임이 변화함에 따라 ESS를 활용한 수요관리에 대해서도 관심이 높아져 국내외적으로 사업화로 연결되기 시작하고 있다.

이러한 국내외적 추세에 따라 글로벌 경기침체에도 불구하고 신재생에너지 등과 연계된 ESS 시장이 급성장할 것으로 예상되고 있다. 내비건트 리서치(Navigant Research)의 2015년도 보고서에 따르면 풍력 및 태양광과 연계된 전세계 ESS 시장의 경우 2024년에는 30억달러에 육박할 것으로 예측하고 있다.

황 주 상 기자

리튬이온전지, 단주기 ESS의 대표기술 주도

현재 전 세계 ESS 시장은 다양한 방식들이 각축을 벌이고 있다. 이렇듯 다양한 방식들은 결국 장주기(Long Duration)와 단주기(Short Duration) ESS의 두 가지로 크게 나누어 볼 수 있다. 장주기와 단주기 ESS의 구분은 정격출력 하에서 얼마나 오랫동안 에너지를 공급할 수 있는지에 따라 구분되는데, 가장 일반적으로는 2시간을 기준으로 이를 나눈다.

즉, 정격출력으로 2시간 이상 에너지를 공급할 수 있는 ESS를 장주기 ESS라고 부르고, 반대로 정격출력으로 2시간보다 짧게 에너지를 공급할 수 있는 것을 단주기 ESS라고 부르는 것이다.

예를 들어, 동일한 1MW의 정격출력을 가진 ESS라 할지라도 4MWh의 에너지용량을 가질 경우 4시간 방전이 가능하므로 장주기로 분류하며, 1MWh의 에너지용량을 가질 경우 1시간 동안만 방전이 가능하므로 단주기 ESS로 분류한다. 현재 단주기 ESS를 위한 가장 대표적인 방식은 휴대폰 및 전기자동차 등에 널리 사용되는 리튬이온전지이며, 장주기 ESS의 가장 대표적인 솔루션은 아직까지 대중적으로 알려지지는 않은 레독스 플로우 배터리(RFB)라고 할 수 있다.

대부분의 사람들이 특히 국내에서 리튬이온전지로 대표되는 단주기 ESS에 대해서는 제법 익숙한 편이나 플로우 배터리로 대표되는 장주기 ESS에 대해서는 상대적으로 많이 알고 있지 않은 이유에 대해서 궁금해 한다.

그 이유를 단적으로 말하자면, 불과 몇 년 전까지만 해도 장주기 ESS가 시장에서 필요하지 않았기 때문이라 할 수 있다. 리튬이온전지의 경우, ESS로 인해 널리 알려졌다기 보다는 이미 휴대폰, 랩탑 컴퓨터 등의 모바일 장치에 널리 사용됨으로써 대중들에게 잘 알려졌으며, 최근 들어서는 전기자동차에 대한 높은 관심으로 다시금 더 알려지게 되었다고 할 수 있다.

리튬이온전지의 경우 휴대폰, 랩탑 컴퓨터 등과 같이 이미 기존의 응용분야 시장에 대응하기 위해 높은 수준의 대량생산체계 및 규모의 경제가 이루어져 왔고, 이와 더불어 많은 연구개발 활동이 이미 이뤄져 ESS와 같은 대용량 분야로 영역을 확장하기에 상당히 많은 준비가 돼 있었다.

실제로 이러한 이유로 인해 현재 리튬이온전지는 ESS의 가장 대표적인 기술이라고 할 수 있으며, 네비건트 리서치의 2015년도 보고서에서도 리튬이온전지가 풍력 및 태양광과 연계된 ESS의 경우 2024년도에 약 48.5%의 시장을 점유하면서 가장 일반적인 ESS 기술로 자리매김 할 것을 예상하고 있다.

마이크로그리드, 신재생에너지 연계 ESS로 급부상

플로우 배터리·NaS 및 압축공기저장(CAES) 등의 기술이 사용될 수 있는 장주기 ESS의 경우에는 장주기 ESS 고유의 응용분야에 활용되는 것 외에는 별다른 필요성이 없었고, 장주기 ESS에 대한 세계적인 수요가 최근 들어 발생했기 때문에 상대적으로 시장에서의 인지도가 낮다고 할 수 있다.

장주기 ESS가 매우 필요한 가장 대표적인 두 가지 분야는 신재생에너지 연계 및 분산전원(마이크로그리드)라고 할 수 있는데, 두 가지 분야 모두 최근에 들어서야 비로소 시장의 주목을 받기 시작했다.

신재생에너지의 경우 후쿠시마 원전사고 이전까지만 해도 전 세계적으로 그 보급률이 워낙 낮아서 기존 전력망에 주는 영향이 매우 적었고 이에 따라 장주기 ESS의 필요성이 매우 적었다.

하지만 후쿠시마 원전사고 이후 일본의 원전운전 중단 및 공격적인 신재생에너지 공급확산 정책, 그리고 연이은 독일의 원전 축소 및 신재생에너지 발전비율 상승에 따라 그 중요도가 급격히 상승했다고 할 수 있다.

분산전원 역시 이와 유사한 맥락에서 원전 발전비율의 감소에 따라 자연스럽게 분산전원에 대한 필요성이 대두됨에 따라 최근 들어 그 중요성이 부각되기 시작하였으며, 이와 더불어 개발도상국 및 후진국의 전력공급을 위한 가장 적절한 대안으로써 신재생에너지와 ESS를 연계한 마이크로그리드가 가장 적합한 솔루션으로 제안되면서 장주기 ESS가 본격적으로 관심을 받기 시작했다고 할 수 있다.

에너지 용량보다 출력용량이 더욱 중요한 단주기 ESS의 대표기술은 리튬이온전지로써 현재까지 전 세계적으로 238MW가 설치돼 있다. 뿐만 아니라, 리튬이온전지는 2013년~2014년 동안 새로운 ESS 프로젝트의 46%를 차지할 정도로 최근에 가장 주목받고 있는 대표적인 ESS 기술이기도 하다.

리튬이온전지는 국내의 LG화학 및 삼성SDI에서 세계 최고의 경쟁력을 자랑하고 있는 분야로써 ESS 분야에서도 두 기업이 세계 단주기 ESS 시장을 선도하고 있다. 단주기 ESS의 가장 대표적인 응용분야는 주파수조정(Frequency Regulation)용으로써 리튬이온전지는 이 분야에 있어서 현재 매우 높은 수준의 성능 및 경제성을 가지고 있다. 하지만 양수발전 대체 등 장주기 ESS 분야에 활용되기에는 초기 구축비용이 너무 높고 또한 수명이 길지 않은 단점을 가지고 있다.

플로우 배터리, 장주기 ESS 기술 복병 등장

출력용량보다 에너지용량이 훨씬 중요한 장주기 ESS를 위한 상용기술로는 플로우 배터리가 가장 대표적인 기술이다. 또 다른 대표적인 장주기 ESS 기술로써 NaS가 있기는 하나 이는 최소 10MW 이상의 출력이 요구되는 분야에 사용되기에 적합하고 또한, 350도 이상에서 운전되는 고온 배터리로써 유지보수가 쉽지 않기 때문에 ESS의 구현가능 용량이나 경제성적인 측면에서 보았을 때 플로우 배터리가 현재 장주기 ESS로써는 가장 가용한 솔루션이라고 할 수 있다.

플로우 배터리에는 사용되는 활물질에 따라 수십 가지의 서로 다른 방식이 존재하지만 실제로 상용화되어 시장에서 구매할 수 있는 기술은 바나듐(Vanadium) 방식과 Zn/Br의 두 가지로 압축해 볼 수 있다.

이 중에서도 바나듐 플로우 배터리는 Zn/Br 플로우 배터리 대비 좀 더 높은 에너지효율과 완벽하게 출력과 에너지를 독립적 설계할 수 있는 확장성을 가지고 있어서 현재 가장 많이 실증되고 있는 대표적인 방식이라고 할 수 있다. 국내의 경우 바나듐 플로우배터리 분야에는 대표적으로 H2와 OCI가 있고, Zn/Br 플로우 배터리의 경우 롯데케미칼이 있다.

바나듐 플로우배터리 ESS 분야에서 세계적으로 가장 대표적이라고 할 수 있는 일본의 쓰미토모전기(Sumitomo Electric)는 플로우 배터리 규모로는 세계 최대이며, ESS 에너지 용량으로 보았을 때는 세계에서 두 번째로 큰 15MW/60MWh 플로우 배터리 ESS를 일본의 홋카이도에서 2015년 12월부터 가동할 예정이다.

리튬이온전지 대비 가장 큰 장점이라고 할 수 있는 20년의 수명을 자랑하고 있으며, 이 기간 동안에 전해질 및 스택 등의 핵심 부품에 대한 교체가 필요 없는 이점을 가지고 있다. 쓰미토모전기는 15MW/60WWh 플로우배터리 ESS의 성공적인 운전을 통해 올해부터 본격적인 세계시장 진출을 계획하고 있기 때문에 전세계 플로우배터리 및 장주기 ESS 시장은 매우 역동적인 움직임이 예상되고 있다.

국내 ESS 시장의 경우 단주기 ESS는 주파수 조정용에, 장주기 ESS의 경우 분산전원 및 마이크로그리드 구축용 및 풍력발전 연계용으로 가장 많은 주목을 받고 있다. 주파수조정용 ESS로써 리튬이온전지가 성능과 경제성을 시장의 인정을 받고 있는 상황에서 다른 ESS 기술이 넘볼 수 없는 리튬이온전지만의 시장을 형성하고 있다고 볼 수 있다.

반면, 분산전원은 이론적으로 장주기 ESS가 매우 적합한 분야로써 장주기 ESS의 대표기술인 플로우 배터리의 활약이 기대되는 분야이나 리튬이온전지의 공격적인 영역확장에 따라 초기에는 두 가지 기술이 경합을 벌일 것으로 예상된다.

하지만 100% 에너지자립이 가능한 진정한 의미에서의 분산전원 구축을 위해서는 방전시간이 최소 4시간 이상 지속되는 본격적인 장주기 ESS가 반드시 필요하기 때문에 이러한 요구가 많아질수록 플로우 배터리와 같은 장주기 ESS 기술들이 각광을 받을 것으로 보인다.

타임시프팅과 스무싱, 장주기 ESS 기술의 키워드  

풍력발전용 ESS는 국내 정부에서 REC 가중치 우대를 통해 적극적으로 보급을 확대하고자 노력하고 있는 분야로써 리튬이온전지 및 플로우 배터리의 각축이 예상되며, 태양광 발전의 경우에는 전력피크 시간대에 주로 발전이 이뤄지기 때문에 발전 즉시 전력판매가 가능하여 ESS에 대한 필요성이 상대적으로 덜하나, 풍력발전, 특히 해상풍력발전의 경우 전력이 남는 밤 시간대에 많은 발전이 이루어지기 때문에 이를 효율적으로 활용하기 위해선 야간에 발전된 대용량의 에너지를 낮의 피크시간대로 이동시키는 타임 시프팅(Time Shifting) 용도를 위한 장주기 ESS가 필수적으로 필요하다.

다만, 풍력발전에 연계하더라도 그 목적이 타임 시프팅이 아닌 순간적인 출력변동을 막기 위한 스무싱(Smoothing) 용도라면 리튬이온전지로도 충분히 대응하는 것이 가능하다. 플로우 배터리 등을 활용한 장주기 ESS의 경우 타임 시프팅 뿐만 아니라 스무싱도 동시에 구현되기 때문에 풍력발전 연계를 위해서는 가급적 장주기 ESS 솔루션이 활용되는 것이 좋다.

하이브리드 ESS 기술, 국내 시장 견인할 원동력

국내 ESS 시장은 단주기 ESS의 대표적인 기술인 리튬이온전지 분야에 있어서 세계 최고의 경쟁력을 가지고 있다는 점이 매우 유리한 점이라고 할 수 있다. 뿐만 아니라, 세계 최대 규모의 리튬이온전지 ESS 역시 국산 배터리로 구현되는 등 국내외적으로도 가장 많은 실증 레퍼런스를 확보하고 있다는 점에서 향후 높은 성장성이 예상된다.

이와 더불어, ESS를 실제 산업에 적용하기 위해 필요한 밸류체인 상의 다른 기술들, 이른바 PCS 및 PMS 구현을 위한 전력전자 기술도 상당히 높은 수준을 확보하고 있기 때문에 ESS 시스템을 구현하기 위한 핵심기술들을 이미 상당히 보유하고 있다고 할 수 있다.

하지만 ESS를 위한 SI(System integration) 분야에 있어서는 미국이나 독일 등의 선진국 대비 실적 및 기술수준이 아직 상대적으로 낮은 상황이다. 일례로, 미국이나 독일의 경우 한 가지의 ESS 기술만을 활용하는 것을 넘어서 리튬이온전지 및 플로우 배터리를 함께 사용하는 하이브리드 ESS 및 적용방법 등을 개발 및 적용하기 위해 최근 다양한 시도들이 이뤄지고 있으나 국내에서는 아직까지 한 번도 이러한 시도가 이루어진 적이 없다.

즉, 아직까지는 각 요소 별 이해도를 높이는 것에 치중해 왔으나 향후에는 다양한 ESS 기술들을 복합적으로 사용하여 다양한 산업에서의 요구사항에 효율적으로 대응할 수 있는 것이 요구되고 있다.

미래 ESS 산업, 편식없는 기술 개발이 지름길

국내에서는 정부 및 한전의 ESS에 대한 강력한 추진의지 덕분에 다양한 실증기회들이 마련되고 있다는 점이 매우 고무적이라고 할 수 있다. 한전의 변전소를 위한 주파수조정용 ESS로써 서안성 변전소에 28MW, 신용인 변전소에 24MW가 이미 설치되어 운영 중에 있으며, 전북 고창 변전소에 총 54MW ESS 구축을 위한 한전의 실증과제가 진행 중에 있다.

또한, 스마트그리드 보급지원사업 및 확산사업을 통해 대용량 ESS가 실증될 것으로 보여서 향후 세계시장 진출을 위한 초석이 될 것으로 보인다.

다만, 이러한 대부분의 정부지원사업들이 리튬이온전지 기술만을 지원하도록 돼 있어서 향후 장주기 ESS 시장을 공략할 수 있는 다양한 기술들을 효과적으로 확보하지 못하고 있다는 점이 맹점으로 지적되고 있다. 이러한 문제점은 미국 ESS 분야의 권위자인 에너지성(DOE)의 임레 국(Imre Gyuk) 박사가 2014년도에 한국을 방문해서 발표한 내용에서도 잘 나타난다.

미국의 경우, 리튬이온전지 뿐만 아니라 플로우 배터리, NaS, 플라이휠 등 다양한 기술들을 지원하면서 각 기술들에 적합한 장주기 및 단주기 ESS 응용분야를 모두 대비하고 있지만 국내에서는 온전히 리튬이온전지에만 집중하고 있는 점을 임레 국 박사가 가장 큰 문제점으로 지적한 바 있다.

2015년부터 민간자본을 활용하여 진행될 예정인 정부의 에너지자립섬 조성사업은 국내 ESS 산업이 세계적인 경쟁력을 쌓고 충분한 레퍼런스를 확보할 수 있는 또 하나의 좋은 기회가 될 것으로 예상된다.

에너지자립성 조성사업은 기존 디젤발전을 대체해 100% 에너지자립을 구현하는 것을 궁극적인 목표로 설정하고 있기 때문에 이미 진행중인 주파수조정사업이 단주기 ESS를 위한 사업이었다면, 이 사업은 플로우배터리 등이 적극적으로 활용될 수 있는 장주기 ESS에 맞추어진 사업이라는 것이 주목할 점이다.

정부의 에너지자립섬 조성사업을 통해 신재생에너지와 함께 장주기 ESS가 활용될 수 있는 분산전원 구축 및 운영에 대한 노하우를 습득할 수 있는 여건이 마련된 점은 ESS 산업 육성에 큰 도움이 될 것으로 보인다.

분산전원, 장주기 ESS 약진에 패달 역할 수행

향후 ESS 산업이 급성장할 것이라는 것은 많은 시장조사 기관에서 이미 발표한 바 있기 때문에 과연 본격적인 성장이 언제 그리고 얼마만큼 이루어질 것인지가 관건이다. 유틸리티 DIVE는 2015년도에 433명의 미국 발전사업자 임원들을 대상으로 설문조사를 실시하였는데 설문에 응한 미국 발전사업자들 중 53%가 향후 투자를 고려해야 할 새로운 기술 중 1순위로써 에너지저장장치를 꼽고 있다.

전형적인 단주기 ESS 응용분야인 주파수조정 분야에서 탁월한 시장점유율을 확보하고 있는 리튬이온전지는 신재생에너지 연계용 시장으로도 진출하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 신재생에너지 연계 분야에서도 출력변동성 억제를 위한 스무싱은 리튬이온전지로도 대응하기에 적합하며, 특히 피크시간대에 주로 발전이 이루어지는 태양광의 경우 발전품질 향상 측면에서 리튬이온전지가 좋은 솔루션이다.

다만, 신재생에너지 발전원의 수명주기인 15~20년에 크게 못 미치는 5~10년의 리튬이온전지 수명으로 인해 다소 제한적으로 적용될 가능성 또한 적지 않다. 이에 비해, 긴 수명을 가지고 있는 플로우 배터리 및 NaS 등은 이러한 측면에서 더 우세하다. 특히, 신재생에너지 발전원 중에서도 피크기여도가 상대적으로 낮은 풍력+ESS의 경우 경부하 시간대에 발전된 대용량의 에너지를 최대부하 시간대로 옮겨주는 것이 출력품질 향상보다 훨씬 중요하기 때문에 장주기 ESS가 주로 사용될 것으로 예상된다.

셰일가스 등 영향에도 불구하고 태양광 및 풍력발전 시장은 일본·미국·독일 및 이탈리아를 위주로 지속적인 성장이 이뤄지고 있다.

네이비건트 리서치는 2014년 각각 32.1GW 및 63.2GW였던 글로벌 풍력 및 태양광 발전량이 2018년도에는 282.16GW 및 184.21GW로 증가함으로써 출력변동이 심한 신재생에너지의 발전량이 거의 5배 증가한다고 예상하고 있다.

ESS는 이러한 태양광 및 풍력 등 신재생에너지의 후방산업으로써 높은 성장이 예상된다. 신재생에너지와 ESS 연계 필요성이 최근 들어 더욱 높아지고 있는 것은 무엇보다도 신재생에너지 보급 확산에 따른 기존 전력망의 불안정화를 방지하기 위함이다.

신재생에너지가 본질적으로 가지고 있는 출력의 불확실성을 극복하고 이를 신뢰도가 높은 발전원으로 만들기 위해서는 ESS가 필수적이라고 할 수 있다. 특히, 태양광 대비 피크기여도가 상대적으로 더 낮은 풍력발전의 경우 ESS가 더욱 필요하다.

분산전원은 유틸리티 DIVE(Utility DIVE)의 2015년도 설문조사에서 향후 5년간 가장 높은 성장률이 예상된다고 선정된 분야이다. 한 때, 분산전원은 현재 가장 일반적으로 사용되는 중앙집중식 발전사업에 대한 위협적인 기술로 의식되기도 했으나 지금은 그 의식이 변화되어 오히려 기존의 발전사업자들이 분산전원에서 사업기회를 모색하는 방향으로 분위기가 전환됐다.

분산전원(혹은 마이크로그리드)은 전형적인 장주기 ESS 응용분야로써 플로우 배터리 등의 장주기 ESS 기술들이 적극적으로 활용될 수 있는 패달 역할을 수행할 것으로 예상된다. 국내에서도 2015년을 기점으로 정부의 에너지자립섬 조성사업을 통해 분산전원이 본격적으로 사업화될 것으로 보인다.

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SOLAR TODAY 황 주 상 기자 (st@infothe.com)

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