태양광·신재생에너지 활성화의 필수요소 ESS가 뜬다!

하 상 범 기자

ESS의 개념과 저장방식에 따른 차이점

ESS가 최근 주목을 받게된 것은 신재생에너지의 폭넓은 보급과 스마트그리드 구축이 시작되면서부터다. 생산된 에너지를 한 번에 모두 사용하는 기존의 에너지 사용 패턴에서 벗어나 잉여 생산된 에너지를 저장해 필요한 상황에서 다시 사용할 수 있도록 하자는 것이 ESS 개념의 출발이라고 할 수 있다.

태양광을 포함한 신재생에너지 분야에서 ESS의 필요성은 날로 절실해지고 있다. 발전 시간이 기존 에너지원에 비해 불규칙한 신재생에너지원은 불규칙한 전력 주파수 때문에 기존 전력망에 통합해 운용하는 것이 어렵다. 이 때문에 신재생에너지원에서 생산한 전력을 일정하게 저장했다가 발전을 하지 않을 때 사용할 수 있도록 해주고 전력을 일정하게 공급할 수 있게 해주는 ESS가 각광받고 있는 것이다.

한국지능형전력망협회에 따르면, 일반적으로 ESS는 배터리 시스템과 전력변환장치(PCS : Power Conversion System)로 구성돼 있다. 주로 과거에는 정전대비용 혹은 건물의 비상전력용으로 비교적 가격이 저렴한 납축 배터리가 사용됐으나 납축 배터리는 부피가 크고 인체에 유해한 납을 주성분으로 사용하고 있어 최근 들어 노트북, 스마트폰 등 소형 IT 기기에 사용되던 리튬이온(Lithium-Ion) 배터리로 대체되고 있다.

이 밖에 고출력 장비에 사용되는 슈퍼커패시터(SC : Super Capacitor)와 차세대 배터리로 각광받고 있는 나트륨황 배터리(NaS : Sodium-Sulfur), 레독스플로(Redox Flow) 배터리, 압축공기저장 발전 시스템(Compressed Air Energy Storage) 등도 최근 연구개발을 통해 빠르게 상용화되고 있다.

ESS 종류에 따른 특성

리튬이온 배터리는 이차전지의 일종으로, 방전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하는 배터리다. 충전시에는 리튬이온이 양극에서 음극으로 다시 이동해 제자리를 찾게 되는데 이를 통한 충전 및 재사용이 가능하다. 에너지밀도가 높으며, 배터리는 흑연을 사용한 것에 비해 우수하며, 수천 사이클 이상을 이용할 수 있다. 사용온도 범위도 넓고 방전에서는 -20℃에서 +60℃의 범위를 커버한다.

리튬이온 배터리는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나뉜다. 다양한 종류의 물질들이 이용 가능한데 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 흑연, 양극에는 층상의 리튬코발트산화물과 같은 산화물, 인산철리튬과 같은 폴리음이온, 리튬망간 산화물, 스피넬 등을 이용해 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라  배터리의 전압과 수명, 용량, 안정성 등이 크게 바뀐다.

최근에는 나노기술을 응용한 제작으로 배터리의 성능을 높이고 있다. 전 세계 ESS용 리튬이온  배터리 시장은 현재 6,000억원 수준에서 2020년 약 12조원 수준으로 연평균 35% 이상의 폭발적인 성장세를 이어갈 것으로 예상되고 있다. 

레독스플로 배터리의 레독스플로란 환원(Reduction), 산화(Oxdaition),흐름(Flow)의 단어를 합성한 것으로, 가수(Mantissa)가 변화하는 금속 이온을 가진 수용성 전해액을 탱크에 저장하고 그 전해액을 펌프로 셀이라고 불리는 부분에 송액해 충전 및 방전하는  배터리를 말한다. 양극과 음극의 전해액으로 바나듐 등 금속 이온을 용해시킨 산성수용액을 이용해 양극과 음극의 전해액은 각각의 탱크에 저장돼 전지 셀로 송액 순환된다.

레독스플로 배터리는 배터리 반응이 바나듐 이온의 원자가 변화에 의존하기 때문에 수명이 매우 길고 격렬한 반응을 수반하지 않아 매우 안전하다. 대략적으로 1만2,000회에 달하는 충방전이 가능한 수준으로 알려지고 있다.

뿐만 아니라 셀과 탱크부를 분리할 수가 있어 설치장소에 적합하게 제작할 수 있으며, 펌프, 냉각장치 등의 가동부분이 필요하지만, 필요에 따라 용량을 증가시킬 수 있고, 장시간 사용할 대용량 전원을 저장할수록 상대적으로 비용이 저렴하다. 

나트륨황 배터리는 음극으로서 나트륨, 양극으로서 유황을 사용하고 전해질로 베타알루미나 세라믹스(나트륨이온 전도성을 가진 고체전해질)를 사용한다. 배터리의 충방전은 300℃ 부근에서 가능한 고온형  배터리다.

모듈의 출력과 용량이 크기 때문에 비교적 대규모 전력저장 시스템에 적합하며, 높은 에너지밀도와 긴 사이클 수명을 가진다. 5,000회 정도의 충방전이 가능하다. 동작을 위해 작동 온도 유지가 필요하며, 충방전 효율이 높고, 자기 방전이 없기 때문에 효율적으로 전기를 저장할 수 있지만 화재 등의 위험성이 있다.

슈퍼캐패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다.

캐패시터는 기본적으로 2장의 전극판을 대향시킨 구조를 말한다. 여기에 직류전압을 걸면, 각 전극에 전하가 축적되며, 축적하고 있는 도중에는 전류가 흐르고, 축적된 상태에서는 전류는 흐르지 않는다. 교류의 경우에는 +, -가 계속해서 변화하는데 이는 테스터의 측정봉을 항상 교대로 바꾸어 접속하는 것과 같으므로 그 때마다 전류가 흐르게 된다.

캐패시터는 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율을 가지고 있다. 무한대에 가까운 충방전 사이클과 낮은 임피던스를 가지며, 충전방법도 간단하다. 그러나 에너지 밀도가 낮고 전압이 낮기 때문에 직렬연결로 시스템을 구성해야 한다. 3개 이상 직렬할 경우에는 전압 밸런싱이 필요하며, 자가방전율도 50%가 넘는다. 
 

압축공기저장 발전 시스템은 전력수요가 낮은 시간대 또는 조절 불가능한 전력을 이용해  압축공기 에너지를 지하에 저장하고, 전력수요가 높은 시간대에 압축공기를 이용해 전력을 생산하는 시스템이다. 대용량 저장에 우수한 방법이지만 지리적 제약과 지질에 따른 설계의 어려움, 투자비용이 크다는 것이 단점이다.

국내외 ESS 분야 추진현황

ESS는 미국, 일본 등 일부 선진국을 중심으로 2010년 기준 2조원 규모의 초기시장이 형성됐으며, 약 850MW에 달하는 ESS 솔루션이 보급됐다. 그 중 전력계통용이 80%, Ancillary 서비스용이 20% 가량 점유하고 있으며, 전력계통용 시장은 미국이 약 78% 정도 차지하면서, 최대 시장을 형성하고 있다. 미국과 일본, 유럽 등 선진국 위주로 기술개발 및 실증을 활발히 추진 중이며, 일부 상용화에 성공하는 등 사업화단계에 진입하고 있다.

미국은 지난 2010년 캘리포니아주가 ESS 설치의무화 법안을 승인해 올해부터 5년간 평균 공급전력의 2.25% 이상을 ESS를 이용해 공급해야 한다. 2020년경에 이 수치는 5%로 상향될 예정이다. 이 때문에 공공기관, 벤처기업 및 대형 전력회사 중심으로 기술개발 및 실증이 적극적으로 추진되고 있다. DOE(미국 에너지부) 산하 연구기관 ARPA-E에서 총 9,200만달러를 LiB, Capacitor, Flow Battery, CAES, Flywheel, SMES 등의 전력저장 기술에 투자하고 있으며, SCE가 Tehachapi 사막 지역에 스마트그리드 및 풍력발전을 위한 실증사업을 추진하고 있다. 

일본은 250kW 이상 ESS의 초기 설치비 1/3 수준의 보조금을 지원하는 ‘선도적 부하 평준화 모델 사업’을 추진 중인데 가정용, 신재생에너지 발전용 등 다양한 분야에서 기술개발을 추진하고 있다. 특히 리튬이온 배터리, 나트륨황 배터리 분야에서 경쟁력을 보유하고 있다. 유럽은 프랑스 Saft, 독일 Conergy 등이 참여한 태양광 분산발전 ESS 실증과제를 추진하고 있다. 

ESS 시장은 앞으로 2020년 기준 약 438억달러 규모로 성장할 것으로 예상되며, 엔드유저 및 신재생에너지 관련 수요가 전체의 70%를 차지하게 될 것으로 분석되고 있다. 미국 PIKE 리서치와 일본 후지경제에 따르면 ESS 시장 규모는 2010년 17억달러(2조 500억원)에서 2020년 412억달러(47조9,000억원)으로 성장할 것으로 분석했으며, 전력망 등 대규모 전력공급 안정화를 위한 에너지저장 수요가 확대돼 대용량화되는 방향으로 기술개발이 진행될 것으로 예상하고 있다. 파이크리서치는 빌딩용 전력저장장치 시장이 5년 안에 50억달러 이상의 시장을 형성할 것으로 전망했으며, 향후 레독스플로 배터리와 리튬이온 기반의 배터리가 ESS 시장을 선도할 것으로 예측했다. 

한국지능형전력망협회 관계자는 “앞으로 2~10시간에 달하는 장시간 용량 지원이 가능한 제품이 ESS 시장의 주류가 될 것”이라고 설명했다. 이 관계자는 “50MW 이하에선 리튬이온 배터리, 나트륨황 배터리 등이, 50MW 이상은 압축공기저장 발전 시스템 등의 대형 발전 방식이 대세를 이룰 전망”이라고 말하면서, “앞으로 용도별로 전력용량, 저장시간 등의 기술적 특성이 적합한 특정 저장장치가 집중 개발될 전망”이라고 예상했다.

국내는 현재 관련 시장 형성 전의 실증단계이지만, 향후 전력 소비량 증가 및 신재생에너지 확대에 따라 중장기적으로는 ESS에 대한 수요가 급팽창할 것으로 전망되고 있다.  정부는 2015년까지 500MW, 2020년까지 1,700~2,000MW의 ESS를 보급할 계획이며, 2015년부터 1MW 이상의 대규모 전력사용 신축 건물에 대해 ESS 설치를 의무화하는 방안을 검토하고 있다. 올해 3월부터는 ESS가 신재생에너지설비로 인정되며, 그에 따라 RPS 또는 EERS의 일부로 ESS 설치 의무화가 추진될 전망이다.

ESS에 대한 정부의 관심은 매우 높으며, 직접 산업부 장관이 관련 업체를 방문해 ESS 활성화를 강조하기도 했다. 윤상직 산업통상자원부 장관은 지난해 7월 LG화학 배터리 생산공장을 방문해 ESS용 중대형  배터리 생산설비를 확인하고 효율적인 전력수요관리와 전력시스템 효율화를 위한 ESS 활용 방안에 대해 논의하는 시간을 가지기도 했다. 이 자리에서 윤 장관은 “앞으로 에너지절약을 시스템화하고 실시간 지능형 전력 수요관리를 구현하는 것을 정책목표로 삼고, ESS 보급확산을 위해 정책적 지원을 아끼지 않겠다”고 강조하면서, “전력수요분산과 전력시스템 효율화를 위해 대규모 발전사업자에게 공급전력의 일정비율만큼 ESS 설치를 의무화하고, 전력다소비 수용가의 경우 ESS 활용 촉진을 유도하기 위해 피크요금제 강화 등 전기요금 제도개선, 보조금 등 인센티브 지원을 강화해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

국내 ESS의 현황과 사업 추진방향

한국의 ESS 산업은 국내 일부 대기업과 선도적인 벤처기업들이 기술개발에 나서고 있지만 초기 단계이며, 실증이 활발한 선진국에 비해 핵심소재 및 원천 기술 등이 부족해 앞으로 정부의 경제적 사업지원과 적극적인 실증이 필요한 상황이다. 그럼에도 국내 ESS 시장은 2010년 기준 200억원 규모의 시장이었지만 2015년 2,400억원, 2020년 4,790억원으로 성장할 것으로 전망되고 있다.

삼성SDI는 소형 이차전지 시장에서 2010년에 세계 1위를 차지한 이래 독주체제를 굳히고 있다. 지난해 일본의 이차전지 시장 분석기관인 B3의 보고서에 따르면, 소형 리튬이온 2차전지 시장에서 삼성SDI는 28.2%의 점유율로 1위를 차지한 것으로 나타났다. 삼성SDI는 리튬이온 배터리 분야에서 확보한 경험을 제품에 반영해 미국, 유럽, 아시아 시장 등으로 발빠른 진출을 보여주고 있다.

지난 2011년 일본의 니치콘사와 가정용 ESS 독점 공급 계약을 체결했으며, 이탈리아 최대 전력회사인 ENEL에 1MWh급 ESS 공급 계약을 체결한 바 있다. 일본, 유럽 수주에 이어 미주 시장까지 시장지배력을 넓혀 가고 있다. 최근에는 인도최대 통신사인 ACME와 향후 2년간 총 110MWh 규모의 ESS를 공급하는 내용의 양해각서(MOU)를 체결하는 등 다방면의 해외진출을 추진 중이다.

LG화학도 세계 최고의 생산설비와 기술력을 기반으로 차세대 전력사업의 핵심장치인 ESS 배터리를 공급하고 있다. LG화학은 리튬이온 배터리 제조와 마케팅 부문에서 세계적인 시장 경쟁력을 확보하고 있으며, LG화학이 개발한 ESS용 리튬이온, 리튬폴리머 배터리는 LG CNS의 스마트그리드 제품, 각국의 스마트그리드 ESS 제품군에 널리 사용되고 있다.

LG화학은 작년 6월 독일 태양광발전회사인 IBC솔라와 ESS 사업협력 양해각서를 체결했다. LG전자·포스코·GS칼텍스 등과 함께 ESS를 적용한 ‘스마트그리드’ 실증사업에도 참여하고 있다. 지난해 해외 유력 조사기관인 네비간트리서치가 발표한 ESS 분야 기업평가보고서에서 ESS 분야에서 가장 유망한 기업으로 선정되기도 했다. 뿐만 아니라 LG CNS가 개발한 마이크로그리드 솔루션에도 리튬폴리머 전지를 공급해 우수한 효율의 에너지저장 성과를 보여주고 있다.

코캄(KOKAM)은 리튬폴리머 배터리 부문에서 원천기술에 대한 특허를 확보하고 이를 활용한 다양한 ESS 솔루션을 해외시장에 공급하고 있다. 코캄의 ESS는 국내를 포함한 각국의 태양광, 신재생에너지 발전시설 등에 공급돼 스마트그리드 조성에 한 몫을 하고 있다.

코캄의 전략기획실장을 맡고 있는 홍인관 ESS 총괄이사는 세계 곳곳을 누비면서 코캄이 생산한 리튬폴리머 배터리를 홍보하고 있다. 홍 이사는 “코캄은 대용량에 적합하고 순간 전류 출력이 높은 적층식 Z-folding 기술에 초점을 맞춰 10여년간 기술개발에 매진해 왔다”고 설명했다.

홍 이사는 “코캄은 리튬폴리머 배터리 장치 및 설비, 관련 소프트웨어를 자체기술로 설계하고 있으며, 이차전지 대형시장 확대에 따라 매년 높은 성장세를 보이고 있다”고 소개했다. 코캄은 현재 ESS 시장이 초창기임에도 불구하고 국내에서 대구, 창원, 일산, 과천 등에 총 4~5MWh 규모의 설치 실적을 보유하고 있고, 해외에서도 350대 이상의 설치 실적을 확보하고 있다.

지난 2011년 미국 전력회사 AEP에 MWh급 ESS를 수출했으며, 2012년에는 미국 전력회사 KCP&L과 듀크에너지에 MWh급 ESS를 수출했다. 코캄은 올해 미국과 독일을 포함한 유럽지역에 대한 수출을 보다 강화할 계획이다.

에이치투(H2)는 대용량 ESS 시장에 대응할 수 있는 가장 유력한 이차전지인 바나듐 레독스 플로 배터리를 개발, 국내최초로 상용화한 독보적인 벤처기업이다. 최근 100kW급 VRFB 개발 성공으로 높은 기술력을 국내외에서 인정받고 있다.

에이치투 한 신 대표는 “VRFB는 리튬이온전지 대비 10배 이상의 수명을 가지고 있으며, 유지보수 비용이 크게 절감된다. 일반적인 배터리 제품과 달리 출력과 에너지 용량이 완벽하게 분리돼 있기 때문에 요구되는 상황에 따라 출력과 에너지 용량을 매우 쉽게 조절할 수 있다”고 말했다.

한 대표는 2시간 이상 에너지를 저장해 사용할 경우를 예로 들면서, “전력을 사용하는 시간이 길고, 그 양이 커질수록 VRFB의 경제성이 높아진다”고 설명했다. 그는 “기존의 배터리 제품은 추가로 배터리를 증설해야 하고, 수명이 다 되면 유지보수를 위해 새 제품으로 교체를 해야 하지만 VRFB 전해액은 충분히 재사용이 가능하며, 전해액을 담고 있는 탱크를 증설하기만 해도 에너지저장 용량을 원하는 만큼 증가시킬 수 있다”고 말했다. 에이치투 VRFB 제품의 전해질은 20년 이상의 수명을 자랑하며, 사실상 반영구적으로 사용할 수 있는 안정성을 자랑한다.

에이치투는 지난해 ESS용 제품인 6~10kWh급 EnerPAC 310을 선보인 바 있다. 뒤이어 100kW급 VRFB ESS 제품을 개발해 현재 충남 삼영기계 생산현장에서 운영하고 있다. 한 대표는 “올해 목표는 이들 제품을 각종 실증 프로젝트 등에 투입해 충분한 레퍼런스를 확보하는 것”이라고 말했다. 레퍼런스 확보 후의 목표는 해외진출이다.

한 대표는 “VRFB 개발에 착수한 초기부터 에이치투에 VRFB 개발에 대한 문의가 잇달았다”면서, “미국 및 유럽 ESS 관련 업계와 스마트그리드 관계자들의 관심이 매우 높은 편”이라고 설명했다. 에이치투는 2017년 기업 상장을 계획하고 있으며, 오는 2020년 매출목표를 1,000억원으로 잡고 있다.

레오모터스는 2006년 설립된 이래 최근 파워트레인 융합기술과 같은 고도의 기술력을 확보하는 등 전기차 산업을 리드하고 있다. 그동안 쌓아온 전기차 배터리 패킹기술을 응용해 에너지저장장치인 E-BOX를 개발하고 신재생에너지 시장 개척에 나서고 있다.

독립형 태양광과 연계한 레오모터스의 ESS 저장시스템은 사용하고 남은 잉여전력을 ESS에 저장했다가 공공시설에 활용해 에너지 이용 효율화, 최적화 및 실질적 에너지 절감을 통한 비용절감을 가능케 하는 최적화된 에너지 솔루션으로 태양광이나 풍력, 심야전기 등을 이용해 리튬이온전지에 전기에너지를 충전시켰다가 정전 등 비상 상황이 발생하거나 독립된 공간에서 전원이 필요할 때 장시간 사용할 수 있는 휴대용 ESS 제품이다. 상용전원과 연계 가능한 무정전 전원공급 기능으로 안정적인 시스템 운영을 구현한다. 뿐만 아니라 태양광 모듈을 이용한 충전이 가능하며, 200W~3kW까지 요구에 따라 확장이 가능하다. 레오모터스는 최근 아프리카에 7,000억원이 넘는 독립형 시스템인 솔라 E-BOX 제품 납품 계약을 체결하는 등 그 기술력을 국내외에서 인정받고 있다.

레오모터스 관계자는 “당사 제품은 기술력에서 해외 유수의 제품과 견줘도 우위에 서있다. 전기차 개발에 있어 핵심 부품으로 인식되는 BMS 기술 부분에선 타의 추종을 불허한다”면서, “향후 보다 진보된 형태의 전기차 개발에도 박차를 가할 예정”이라고 밝혔다.