[커버스토리] 날개 단 ESS, 첨단 스마트그리드 산업 핵심원동력으로 부상
  • SolarToday
  • 승인 2015.04.29 05:00
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떠오르는 그린오션 ESS, 전력산업 패러다임 바꾼다


황 주 상 기자(st@infothe.com)


정부의 스마트그리드 육성사업이 힘을 받고 있다. 최근 산업부는 에너지신산업과를 신설해 ESS를 비롯한 마이크로그리드 산업 활성화를 겨냥한 지원사업을 본격화할 계획이다.
ESS 산업이 강세를 보이면서 최근 국가기술표준원은 ESS를 비롯한 16대 유망시험인증서비스를 추진하는 등 관련 산업 부문의 활성화를 위한 움직임을 보이고 있다.


이에 따라 국내 에너지업계 또한 ESS 등 신규 에너지 관련 솔루션에 촉각을 곤두세우고 있다. 국외 업계 또한 국내시장을 주시하고 있다. 솔라투데이 4월호 기획˙특집에서는 ESS시장의 활성화를 꾀하고 있는 정부의 제도, 업계의 움직임, 그리고 기술력의 발전 등 세 가지 측면을 통해 국내외 ESS시장의 현황을 관측하고 나아가 향후 시장의 전망에 대해 내다보기로 한다.

화석연료에너지의 한계성이 심각하게 지적되면서 전 세계 에너지시장은 새로운 대체 에너지 부문 개척에 열을 올리고 있다. 이러한 가운데 대안 에너지로 대두되고 있는 것이 태양광에너지를 비롯한 신재생에너지와 에너지저장장치(이하 ESS)다.


특히, 태양광과 ESS는 국내정부에서도 의욕을 갖고 육성지원을 하기로 결의한 만큼 향후 미래에너지로서 큰 관심을 받고 있다. 실제로 태양광 관련 기관 및 업체를 비롯한 에너지 관련 단체와의 만남을 가진 결과, 모두 ESS가 가진 성장가능성에 대해 높이 평가하고 있다는 것을 알 수 있었다.

그렇다면 우리는 ESS에 대해 얼마나 알고 있으며, 이에 대해 어떤 계획을 가지고 있는 것일까? 많은 이들이 ESS라는 명칭, 혹은 그가 가진 개념적 정의에 대해서는 들어봤을 것이다. 하지만 이를 둘러싼 제도적 지원, 그리고 실제 관련 산업이 어떻게 돌아가고 있는지에 대해서는 그리 잘 파악하고 있다곤 할 수 없는 것도 사실이다. ESS 산업이라는 개념이 국내에 소개된 것은 그리 오래 전의 일이 아니기 때문이다.

ESS시장, 너 어디까지 왔니?

ESS란 전기수요가 적을 때 생산되는 전력을 전력계통(그리드)에 저장했다가 전기수요가 높을 때 저장된 전기를 공급해주는 시스템으로 PCS, PMS, 배터리, BMS, 변압기, 차단기, 케이블 등으로 구성돼 있다. 그동안 새로운 대체 에너지로 떠오르는 신재생에너지가 제한된 환경하에서만 성능을 발휘해 왔다.


이러한 신재생에너지의 단점을 보완할 수 있는 에너지 연계 시스템이 바로 ESS다. 에너지관리공단(이하 에관공) 관계자는 중앙집중식 전력공급방식을 보완하기 위해서 상당한 부분을 분산형 전력망에 힘을 실어줘야 한다고 전했다.

현재 미국 및 유럽 등과 같이 인구밀도가 높은 시장에서도 이미 이러한 분산형 전력을 활용하고 있으며, 이는 중국 및 인도 등과 같이 영토가 큰 시장도 마찬가지다. 이에 정부는 에너지수요관리라는 커다란 틀의 에너지 계획과 함께 신재생에너지 보급이라는 기후변화에 대응할 수 있는 에너지 공급 대책 지원을 수행하고 있다.

지금은 ESS 태동기 시대, 2020년 52.2GWh 전망

현재 ESS는 태동기의 시장으로 전망 기관에 따라 상이하나 2020년에 적게는 31조 원 규모에서 많게는 102조 원으로 성장 전망이 밝은 상황이다. 가트너에서 발표한 ‘이머징 에너지 기술 하이프 사이클’에 따르면, ESS는 발전, 송배전용을 필두로 과도한 기대단계를 거친 후 시장에서 서서히 받아들여지는 단계라고 밝혔다.

하지만 이렇듯 높은 가치에 비해 현재 ESS 산업의 효과는 아직 미비한 상태이다. 취재결과, 관련 전문가들은 이러한 상황에 대해 아직 ESS 산업에 대한 이해의 부족을 주요 원인으로 들었다. 그렇다면, 모두가 그리 이구동성으로 부르짖는 ESS란 대체 무엇일까?

신재생에너지 조사기업 SNE리서치의 배준수 상무는 2020년 글로벌 ESS시장을 전망에 앞서 ESS가 가진 산업의 영역을 명확히 규명할 필요가 있다고 설명했다.

현재 ESS의 영역은 다양한 부문들이 세분화돼 있어 이를 하나의 시장으로 분석하기란 쉽지 않다. 각 기관의 관점에 따라 어디까지 ESS시장에 포함해야 할지 모두 다르기 때문이다. 일반적으로 배터리 부문과 EMS, PCS를 이러한 ESS영역으로 보고 있다.

SNE리서치가 분석한 바에 따르면, 글로벌 ESS시장 규모는 현재 2015년을 기준으로 23.5GWh이며, 2020년에는 52.2GWh로 연평균 성장률 16.2%에 이를 것으로 예상하고 있다. 이는 금액기준으로 약 49.8조원에 해당하는 시장이다.

글로벌 ESS 배터리 시장은 크게 리튬과 비리튬계 배터리의 대립양상으로 흘러가고 있다고 해도 과언이 아니다. 현재 배터리 시장의 형세는 리튬계 전지가 강세를 보이고 있다. SNE리서치는 리튬 배터리의 비율에 대해 2015년 10.1%, 2020년 37.8%로 지속적인 증가를 꾀할 것으로 예상하고 있다.

이는 그동안 ESS기술에 가장 큰 비중을 차지했던 양수발전이 설치장소의 문제로 성장에 한계를 보였기 때문으로 분석된다. 양수발전은 잉여전력을 이용해 펌프로 고지대 저수지에 물을 저장해 놓고 피크 때 저장된 물을 이용해 발전하는 방식이다. 전기를 다른 에너지로 변환해 저장한 후 공급하는 방식은 ESS와 비슷한 용도지만 대규모 부지를 필요로 하는데다, 초기 구축비용이 많이 든다. 반면 리튬계 배터리는 최근 에너지밀도 향상 등 기술 고도화로 시장이 확대되면서 ㎾당 가격도 매년 5~10%가량 인하하는 추세다. 이처럼 국산 주도의 리튬계 전지가 당분가 대세를 유지하지만 플라이휠·플로우 등 차세대 배터리 소재의 추격도 만만치 않은 상황이다.


비리튬계 전지중 플로우 배터리는 가격 및 안전성을 장점으로 지속적인 성장이 예상된다. NaS 배터리 역시 가격·수명·용량 확장성을 장점으로 일정지분을 차지할 것으로 전망된다.

배준수 상무는 “ESS는 배터리 혹은 PCS 단품 제조만으로는 경쟁력 확보가 어려운 산업”이라며, “각 세부분야와의 융합을 통한 비즈니스 전략 수립이 필요”하다고 전했다.


Chapter 01. 국내외 ESS 지원제도 및 정책 동향

국내 ESS 지원제도는 주로 피크감소에 초점을 맞추고 있다. 현재 전 세계 ESS시장을 선도하고 있는 미국정부는 감세와 보조금 지급 등 ESS 시장형성 정책에 주력하고 있다. 또한, FERC(에너지연방규제위원회)는 F/R용 ESS 전력시장에 민간사업자까지 참여하도록 허용했다.


이로써 미국의 F/R용 ESS는 전력회사 및 제조업체를 비롯해 사업참여자에 제한이 없게 된다. 이러한 사례를 참고해 한국정부는 피크감소용 ESS 보급 및 투자유도를 위한 지원제도 및 정책을 개발중에 있다. 특히, 전기요금제도 개편 등을 통한 전력다소비 수용가 및 공공기관의 참여를 유도하고 있는 중이다.



한국전력 신성장동력부문위 김병숙 본부장은 “ESS를 전력피크에 투입하면 피크부하 감축으로 수요관리 비용을 감소하고 에너지비용을 절감할 수 있다”며, “이를 통해 ESS 비용이 30만원/kWh 이하일 경우 경제성 확보가 예상된다”고 설명했다.


POLICY FOCUS 하나. 태양광+ESS=신재생에너지 도시화 프로젝트

한전이 이렇듯 ESS 산업구축에 열을 올리게 된 것은 태양광을 비롯한 신재생에너지와도 관련이 깊다. 신재생에너지가 보급될 당시만 해도 안정적이지 못한 신재생 전원과 계통연계지점에서 발생되는 전압문제는 제품의 품질을 보장할 수 없게 만들었다. 특히, 기후에 따라 발전량이 달라지는 신재생에너지의 단점을 보완할 필요가 있었다.

김 본부장은 “한전은 소비자에게 안정적인 전력을 공급할 책임이 있다”며, “하지만 신재생에너지가 보급할 당시만 해도 신재생 전원의 불규칙한 변동으로 인한 공급과 부족과 계통연계지점에 전압문제가 발생해 품질보장을 신뢰할 수 없었다”고 설명했다.

이에 한전과 정부는 ‘ICT 기반의 전력사업 창출방안’에 대응해 그간 화력발전이 담당하고 있던 주파수 예비력을 ESS로 대체함으로써 발전기 출력을 100% 활용할 수 있는 사업인 주파수 추종용 ESS의 도입할 예정이다.

또한, RPS와의 연계를 통해 신재생발전사업자의 ESS 설치를 유도하고 계통 미연계 도서지역내 태양광 등에 ESS 연계 설치시 설치비를 지원하는 신재생에너지 연계형 ESS를 적용할 계획이다. 한전과 정부는 이밖에도 30만kW 이상의 다소비 전력사용자와 계약전력 1,000kW 이상의 공공건축물에 100kW 이상의 ESS 설치를 유도하는 전력 다소비 수용가 ESS 설치 등을 실행할 방침이다.


POLICY FOCUS 둘. 위기를 기회의 에너지로!

한전의 ESS 사업의 시작은 지난 2008년부터 2013년까지 지속된 경영침체기에서 비롯된다. 2007년까지 50%가 채 되지 않은 한전의 부채비율은 2008년을 시작으로 급격히 증가하면서 2013년도에 이르러 136%에 달하게 된다.



이는 한전의 경영적 문제보다는 국내 전력 판매구조상의 문제라 볼 수 있다. 즉, 수익보다 비용이 더 나가는 것이다. 한전은 그동안 지속적인 설비투자를 통해 생산 전력량을 보강해 왔다. 문제는 전기를 판매하는 수입보다 전기를 사들이는 비용이 더 많아진 것이다.

전력을 구입함으로써 소비자에게 에너지원을 공급하는 한전의 시스템상 이러한 문제는 국내시장으로서는 화급히 해결해야할 문제로 불거졌다. 특히, 그동안 전기요금의 인상안을 억제해 왔던 국내시장의 특성은 이를 더욱 심화시키기에 이르렀다. 자구책이 시급해진 것이다.  

이로써 한전과 산·학·연이 주도하는 미래신성장동력 확보 및 국내 ESS 관련 산업 육성 프로젝트가 시작되기에 이르렀다. 이중 한전이 가장 눈길을 던진 것은 바로 신재생에너지와 배터리 산업이다. 한전에 의하면, 현재 국내시장은 전 세계적으로 배터리 산업에서 강세를 보이고 있다.

하지만 이러한 폭넓은 시장점유율에 비해 국내시장에서 소비되는 배터리의 양은 그리 많지 않았다. 이러한 시장상황에 착안한 한전은 배터리산업의 성장을 통한 국내 관련시장의 활성화와 시장수익 창출을 꾀했다.

김 본부장은 “신재생에너지 보급을 확대하려는 정부의 의지와 발맞춰 배터리를 통한 출력안정화와 피크감소용 사업을 시작했다”고 설명했다. 그리고 이러한 한전의 사업방향은 지금의 F/R용 사업으로 이어졌다.

특히, 기타 사업과는 달리 F/R용 사업은 경제성적인 측면에서 상당한 성장가능성이 있는 것으로 판단돼 현재 한전이 가장 주력중인 ESS 사업이다.


POLICY FOCUS 셋. SG스테이션, 스마트그리드의 융합을 알리다

한전은 먼저 지난 2013년 스마트그리드 스테이션의 준공을 알리며, 스마트그리드 기술과 ESS의 융합사업을 선보였다.

스마트그리드 스테이션(이하 SG 스테이션)이란 전력계통운영시스템을 기반으로 신재생 에너지 전력저장장치(ESS), 지능형 전력계량 인프라(AMI), 전기차(EV) 충전장치와 건물자동화시스템(BAS) 등을 효율적으로 통합 제어하는 지역 단위의 스마트그리드 운영센터를 말한다.

이 SG 스테이션에서 주목할만한 점은 한전의 사옥을 대상으로 한 시범사업이라는 점이다. 국내 에너지산업의 총 보고라 할 수 있는 한전이 굳이 당사의 사옥을 스마트그리드 센터로 만든 이유는 무엇일까?

이는 신재생에너지산업에서의 한전이 가지고 있는 딜레마 때문으로 보인다.

현재 국내에서 한전은 발전사업을 할 수 없도록 돼 있다. 발전사업은 발전사에서 이행하고, 여기에서 생산된 전력을 한전이 판매만 하는 것이 국내 전력발전 및 판매 환경이다.


이러한 발전사업의 제한은 신재생에너지에도 그대로 적용된다.

이에 한전은 국내 정부가 발표한 스마트그리드 제도와 의지에 적합한 피크감소용 ESS 사업으로 당사의 사옥을 대상으로 신재생에너지와 ESS를 융합한 스마트그리드 시스템을 구축하기로 결정했다. 신재생에너지·ESS·BAS(건물자동화시스템)가 융합한 SG 스테이션이 탄생하는 순간이다.

SG스테이션은 태양광발전시스템, ESS, 스마트 콘센트, 스마트 배전반, 전기차 충전시스템 및 전체 시스템을 총괄하는 제어센터와 실시간으로 사용자에게 건물의 에너지흐름을 보여주는 종합상황판으로 구성돼 있어 건물내부의 전체 에너지에 대한 효율적인 관리가 가능하도록 구현됐다. 또한, 20kW 용량의 태양광 발전 시스템 및 50kWh급의 ESS를 적용해 피크전력 5% 및 연간 전력사용량의 10% 절감이 가능한 점도 특징이다.

전문가들은 이를 통해 30년생 소나무 약 1800여 그루가 매년 흡수하는 매년 12톤의 온실가스를 감축하는 효과가 있을 것으로 예상하고 있다. SG 스테이션은 구리 남양주에 있는 한전의 사옥에 시범사업으로 설치된 이후, 다수의 중소기업의 참여를 통해 매년 신사업분야의 생태계를 확대하고 있다.

실제로 2013년도 시범사업에 이어 지난해 본사업에 동부지사 등 29개소로 확대됐으며, 올해에는 북부지사 등 8개소로 확대될 계획이다. 용량 또한 2013년 30kW/50kW에서 올해 1,220kW/2,898kWh로, 2015년에는 4,590kW/7,100kWh로 껑충 증가한 추세를 보였다.

김 본부장은 “그동안 제주도에 스마트그리드 실증시험장을 지어 놓고도 가시적인 성과가 나타나지 않은 참여업계의 실망이 컸었다”며, “하지만 한전의 SG 스테이션은 그 자체만으로 가시적인 성과와 함께 스마트그리드가 무엇인가에 대한 개념적 정의를 선사한 것”이라고 강조했다.


POLICY FOCUS 넷. 마이크로그리드 사업, 독립형 에너지 구축망 탄생

마이크로그리드 사업은 정부가 미래 먹거리 사업으로 주도적으로 계획해 온 사업이다. 마이크로그리드는 일정지역 내에서, 풍력?태양광 발전 등 신재생에너지원과 ESS 등을 EMS로 제어해 외부의 전력망에 연결하거나 독립적으로 운전할 수 있는 소규모 전력망을 말한다.



현재 정부와 한전이 주력하고 있는 마이크로그리드 산업으로는 울릉도 친환경 에너지 자립섬 구축 사업을 꼽을 수 있다. 울릉도 에너지 자립섬은 신재생에너지 및 ESS를 활용해 디젤발전 제로화를 꾀하는 사업이다. 이에 앞서 한전은 전남진도군에 위치한 가사도에 마이크로그리드 시스템 구축 및 운영을 완료했다.

가사도 에너지 자립 섬은 국내 최초로 에너지관리시스템(EMS)을 기반으로 한 마이크로그리드(MG) 기술이 적용되어 스스로 친환경에너지의 효율적 생산, 저장 및 소비가 가능한 특징을 가지고 있다. 이를 위해 한전은 신재생에너지를 통해 상시 부하전력 100% 공급하고 발전 연료비 및 CO2 50% 절감을 목표로 섬 전체에 걸쳐 풍력발전 400kW, 태양광발전 314kW, 배터리 3MWh의 설비를 설치해 안정적 전력공급 체계를 구축하는 한편, 섬 전체의 발전량과 부하량 예측, 배터리의 충·방전관리 및 분산전원의 자동제어 등이 가능한 최적의 에너지관리시스템(EMS)을 개발하고, 이에 대한 실제 전력계통에서의 실증도 성공적으로 완료했다.

또한, 한전은 울릉도 에너지 자립섬 사업은 올해를 시작으로 2017년까지 제 1단계로 신재생에너지와 ESS 배터리를 통해 디젤발전량의 점진적인 감소를 꾀할 예정이다. 이어서 2018년부터 2020년까지 2단계로 지열과 연료전지를 추가해 최종적으로 디젤발전의 제로화를 실현할 계획이다. 실제로 시범사업인 가사도 사업을 통해 전년도 대비 디젤발전비용을 약 76% 저감하는 효과를 달성했다.

이렇게 시범사업의 실효성이 확인되면서, 한전과 정부는 울릉도 에너지 자립섬 구축에 총력을 다하고 있다. 이에 한전은 최근 65개 도서를 대상으로 이러한 마이크로그리드 사업에 참여할 사업자를 모집하고 있다. 이러한 한전의 국내 마이크로그리드 실증 사례는 국외 마이크로그리드 시스템 구축으로 연결됐다.

또한, 한전은 지난 2014년 9월 캐나다의 전력기업 파워스트림과 북미지역 마이크로그리드 시장 공동진출 협력을 위한 MOU를 체결했다.

이번에 북미시장에 진출하는 사업모델은 한전이 그동안 국내 전남 신안 및 가사도 등에서 자체 개발한 EMS 기반의 기술 집약형 마이크로그리드 모델을 바탕으로, 선로 감시 및 상태 추정, 전압 보상 등 선진국 적용형 고급 기능을 추가한 능동 DMS(배전망 관리시스템)를 기반으로 한 신사업 모델이다.

특히, 이 신사업 모델은 전력분야 신산업 첫 사례이자 한전의 첫 번째 마이크로그리드 기술 국외 수출이라는 점에서 시사하는 바가 크다고 할 수 있다. 앞으로 빅데이터와 AMI 등과 연계해 다양한 부가서비스를 창출할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 한전은 이러한 가사도 모델을 활용해 아프리카 모잠비크에 전화사업용 마이크로그리드를 구축할 예정으로 현재 현지조사 및 설계가 진행 중에 있다.

김 본부장은 “마이크로그리드에는 신재생에너지를 통한 계통연계와 함께 기존의 디젤발전, ESS 등을 융합할 수 있는 종합적인 운영 시스템이 필요하다”며, “국외에서 후속 프로젝트를 전개하기 위해서는 국내 및 기존의 프로젝트 사례들의 실증이 우수성을 갖춰야 한다”고 설명했다.


POLICY FOCUS 다섯. F/R용 사업, 글로벌 ESS 주도권 쥘 수 있는 찬스

현재 한전이 가장 주력하고 있는 ESS 관련 사업 부문은 F/R용 ESS 사업이다. 한전과 정부가 추진하고 있는 F/R용 ESS사업은 변전소 잔여부지에 대규모 충전 및 방전기능을 갖춘 배터리와 PCS를 설치 및 운영해 전력계통 주파수 안정과 설비운영의 효율화를 기하는 사업이다.

한전이 이렇게 F/R용 사업의 배경에는 국내시장의 우수한 배터리 제조기술이 있다. 현재 국내 배터리 제조기술은 세계적인 수준이다. 한전은 이렇듯 우수한 배터리 기술과 당사의 계통연계기술이 결합하면 단기간 내 사업화 추진이 가능하다고 판단하고 있다.

정부는 발전사업자 및 민간산업자의 F/R용 ESS 사업 참여를 위한 제도를 준비중에 있다. 이에 KPX(전력거래소)에서 국내 F/R용 ESS 시장거래를 위한 제도개선 연구과제를 시행중이다.


김 본부장은 “그동안 국내에선 F/R용 ESS 거래가 없었기 때문에 어떤 방식으로 거래해야 하는지 알 수 없었다”며, “하지만 현재 KPX가 관련 과제를 시행중이므로 이러한 문제는 머지않아 해결될 것”이라고 전했다.

한전이 F/R용 사업에 주력할 수 있었던 배경에는 국내의 선진적인 배터리 기술력이 있었기 때문이다. 한전은 국내의 우수한 배터리 기술과 당사의 계통연계기술이 결합하면 단기간 내 사업화 추진이 가능하다고 판단하고 있다.

한전은 앞으로 2017년까지 단계적으로 화력발전소 1기에 해당하는 총 50만kW의 주파수조정ESS를 구축 운영할 방침이다. 1단계 사업이 마무리된 2018년 이후에는 총 110만kW의 주파수조정ESS가 설치될 계획이다. 2014년 570억원에 이어 올해 2500억원, 2016년 1550억원, 2017년 1500억원을 투자할 계획이다.

한전은 이번 F/R용 ESS 사업을 통해 다양한 가시적 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대하고 있다. 국가적인 측면에서는 석탄화력발전소의 100% 출력을 달성해 발전설비의 운영효율을 향상할 수 있을 것이다. 또한, 발전 및 송배전 등 신규 전력설비 투자를 지연시켜 그에 따른 투자비와 발전연료비를 절감할 수 있게 된다.

또한, 전력설비 건설이 필요없어 민원해결을 위한 사회적 비용을 아낄 수 있다. 한전으로서는 연간 전력구입비용을 약 3,200억원을 절감하는 한편, 주파수 유지 등 전기품질 확보 및 전력계통 운영효율을 향상할 수 있는 기회를 얻게 된 한편, 미래 신성장동력 확보 및 창조경제의 기반을 조성할 수 있게 됐다.

김병숙 본부장은 “스마트그리드의 핵심요소는 요금제도와의 연계방안에 있다.”며, “피크시간과 그렇지 않은 시간대에 전력요금의 차등화를 꾀하는 정부의 ESS 관련 제도는 이러한 전력평준화를 위한 개선의 의지로 해석된다”고 분석했다.

한편, 한전은 ESS 활용촉진을 위한 시간대별 차등요금을 개선하며 전력부하 이전과 시장내 ESS 투자 확대를 유도하고 있다. 스마트그리드의 핵심요소는 요금제도와의 연계방안에 있다. 피크시간과 그렇지 않은 시간대에 전력요금의 차등화를 꾀하는 정부의 ESS 관련 제도는 이러한 전력평준화를 위한 개선의 의지로 해석된다.


Chapter 02. 국내외 ESS 기술 현황 및 전망

전 세계 ESS 시장은 각국 정부의 강력한 지원정책 및 신재생에너지 보급 및 확산 하에 본격적인 개화기를 맞이하고 있다. 또한, 기존의 공급위주에서 수요관리로 전력수급정책의 패러다임이 변화하면서 관련기술의 성장이 기대되고 있다.


에이치투의 한신 대표이사는 “이러한 국내외적 추세에 따라 글로벌 경기침체에도 불구하고 신재생에너지 등과 연계된 ESS 시장이 급성장할 것”이라고 전망했다.


TECHNICAL TREND 하나. 대표기술 리튬이온전지,

현재 전 세계 ESS 시장은 다양한 방식들이 각축을 벌이고 있다. 이렇듯 다양한 방식들은 결국 장주기와 단주기 ESS의 두 가지로 크게 나눠 볼 수 있다. 장주기와 단주기 ESS의 구분은 정격출력 하에서 얼마나 오랫동안 에너지를 공급할 수 있는지에 따라 구분되는데, 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.

이러한 장주기 ESS에서 리튬이온전지의 경우, 휴대폰 및 랩탑 컴퓨터 등 모바일 장치에 널리 사용되며, 대중들에게 알려졌다. 또한, 최근 정부에서 전기차 및 스마트그리드를 육성하는 등 높은 관심을 보이며 그 인지도를 더욱 높였다.

실제로 이러한 대중적 기반은 리튬이온전지를 ESS의 가장 대표적인 기술로 자리매김하는 데 크나큰 공헌을 했다. 한 대표는 “네비건트 리서치의 2015년도 보고서에 따르면, 리튬이온전지가 풍력 및 태양광과 연계된 ESS의 경우 2024년도에 약 48.5%의 시장을 점유하면서 가장 일반적인 ESS 기술로 자리매김 할 것”이라고 예상했다.


TECHNICAL TREND 둘. 플로우 배터리, 수명 및 에너지 용량이 강적

플로우 배터리는 출력용량보다 에너지 용량이 중요한 대표적 장주기 ESS 기술이다. 플로우 배터리에는 사용되는 활물질에 따라 수십 가지의 서로 다른 방식이 존재하지만 실제로 상용화돼 시장에서 구매할 수 있는 기술은 바나듐(Vanadium) 방식과 Zn/Br의 두 가지로 압축해 볼 수 있다. 국내시장의 바나듐 플로우배터리 분야에는 에이치투와 OCI가 대표적으로 관여하고 있으며, Zn/Br 플로우 배터리에는 롯데케미칼이 관련 사업을 수행하고 있다.




일본에선 쓰미토모전기가 홋카이도에 15MW/60MWh 플로우 배터리 ESS를 설치해 올해 12월부터 가동할 예정이다. 이는 플로우 배터리 규모로는 세계 최대이며, ESS 에너지 용량으로 보았을 때는 세계에서 두 번째로 큰 규모라 할 수 있다. 당사의 플로우 배터리는 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/60Wh 플로우배터리 ESS의 성공적인 운전을 통해 올해부터 본격적인 세계시장 진출을 계획하고 있다. 이로써 전 세계 플로우배터리 및 장주기 ESS 시장은 매우 역동적인 움직임이 예상된다.

이러한 플로우 배터리는 향후 분산전원 분야에서 활발한 모습을 보일 것으로 기대된다. 한 대표는 “앞으로 분산전원 분야에서 플로우 배터리와 리튬전지 기술의 경쟁이 치열할 것으로 예상된다”며, “하지만 100% 에너지자립이 가능한 진정한 의미에서의 분산전원 구축을 위해서는 방전시간이 최소 4시간 이상 지속되는 본격적인 장주기 ESS가 반드시 필요하기 때문에 플로우 배터리와 같은 장주기 ESS 기술들이 각광을 받을 것”이라고 예상했다.


TECHNICAL TREND 셋. 분산전원, 에너지 자립형 기술로 새로운 사업 기회 등장

그렇다면 이렇듯 플로우 배터리 산업의 활성화가 기대되는 분산전원은 무엇일까? 말이 나온 김에 지금부터 분산전원에 대해 알아보자. 분산전원은 유틸리티 DIVE(Utility DIVE)의 2015년도 설문조사에서 향후 5년간 가장 높은 성장률이 예상된다고 선정된 분야다.

한 때, 분산전원은 가장 일반적으로 사용되는 중앙집중식 발전사업에 대한 가장 위협적인 기술로 의식되기도 했으나 지금은 그 의식이 변화되어 오히려 기존의 발전사업자들이 분산전원에서 사업기회를 모색하는 방향으로 분위기가 전환된 상황이다.

이에 분산전원은 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.

특히, 국내 ESS 시장에서 단주기 ESS는 F/R용, 장주기 ESS는 분산전원 구축용 및 풍력발전 연계용으로 가장 많은 주목을 받고 있다. 리튬이온전지는 F/R용 ESS로써 그 성능과 경제성을 인정받아 그만의 시장을 형성하는 데 성공했다. 반면, 분산전원은 장주기 ESS의 대표기술인 플로우 배터리의 활약이 기대되는 분야이나 리튬이온전지의 공격적인 영역확장에 따라 초기에는 두 가지 기술이 경합을 벌일 것으로 예상된다.

하지만 100% 에너지자립이 가능한 분산전원 구축을 위해선 방전시간이 최소 4시간 이상 지속되는 본격적인 장주기 ESS가 반드시 필요하기 때문에 향후 플로우배터리와 같은 장주기 ESS 기술들이 각광을 받을 것으로 보인다.

Chapter 03. ESS
산업, 성장 넘어 성숙으로 Go!

현재 ESS는 태동기의 시장으로 전망 기관에 따라 상이하나 2020년에 적게는 31조 원 규모에서 많게는 102조 원으로 성장 전망이 밝은 상황이다. 이처럼 세계에너지 시장이 ESS에 대해 높은 평가를 내리는 이유에는 여러 가지로 들 수 있다.




먼저, 친환경 구현에 용이한 태양광 등 신재생에너지의 품질관리를 강화해 결과적으로 그 비중을 확대할 수 있으며, 그동안 지능형 전력망을 통한 수요 및 공급관리의 한계를 지능화 기술과 ESS의 상호보완을 통한 수급 효율 극대화로 타파할 수 있다는 점이다.

또한, 그동안 ESS 배터리의 최대 비중을 차지하고 있던 리튬 이온전지의 가격 인하가 가속화되면서 접근성이 높아지고 전력 계통 연게 및 품질조절, 그리고 전지 관련 기술 발전이 기대되는 점도 ESS의 성장요인 중 하나다.

전문가들은 ESS 수요를 확대하는 한편, 이를 뒷받침할 수 있는 기술기반이 조성돼야 한다고 의견을 모았다. 가트너에서 발표한 ‘이머징 에너지 기술 하이프 사이클’에 따르면, ESS는 발전, 송배전용을 필두로 과도한 기대단계를 거친 후 시장에서 서서히 받아들여지는 단계라고 밝혔다.

현재 각국 정부는 남는 전기를 활용하는 ESS 확대를 위해 발 빠르게 움직이고 있다. 보조금 지급, 세금 감면은 물론 아예 정부 예산으로 ESS 실증 사업을 서두르고 있다. 관련 기업도 구체적인 성과가 예상되는 ESS 시장에 적극적인 관심을 보이고 있다.

관련업계는 글로벌 ESS시장에 대해 현재 북미·유럽·아시아를 중심으로 흘러가고 있다고 의견을 모았다. 한편, 용도별로는 발전용, 송배전용, 수용가용도로 보급이 될 것으로 보인다. 전력용은 북미·유럽·중국시장이 주도할 것으로 보이며, 일본 및 중국은 신재생에너지 연계형을 중심으로 움직일 것으로 전망된다.

북미의 경우, 전력수요 상승으로 전력망 부하 및 혼잡성이 증대될 것이며, 유럽은 신재생에너지의 비중이 증가할 것으로 보인다. 또한, 일본은 지난 후쿠시마 원전사태 때문인지 안정적인 전력공급의 니즈가 증가하고 있다. 중국시장도 빠질 순 없다. 중국시장은 지난 2013년에 이미 5,000TWh를 초과한 세계 최대 전력 소비국가이다. 이는 지난 수년간 급격한 도시화에 따른 결과물이다.

이에 따라 중국정부는 2020년까지 이산화탄소 배출의 50%를 감소하겠다고 발표했으며, 이는 신재생에너지와 ESS의 대두를 불러왔다. 현재 중국의 신재생에너지 역량은 2013년 90GW에서 2020년 200GW로 증가할 것으로 보인다. 섬 지역 및 서부 지역개발을 위한 마이크로그리드 추진 역시 신재생에너지 연계형 ESS 확대로 연결된다.


MARKET POWER 하나. 국내시장, 정책중심의 ESS 사업 주도

국내 ESS 시장은 대부분 정책 중심의 주도로 이뤄져 있다.
현재 한전의 주도로 F/A용 ESS 사업이 2017년까지 6천억원의 투자가 예정됐다 또한, 공공기관 및 민간을 대상으로 에너지 다소비 사용자에 한해 ESS 설치를 권고하는 사업이 진행되고 있다. 또한, 최근 개정된 RPS에 따르면 신재생에너지에 ESS를 연계할 시 REC 가중치를 부여해 ESS 투자를 독려하고 있다.

이밖에도 향후 ESS에 비상 전원자격을 부여해 보급을 촉진하기 위한 사업이 시행될 예정이다.


한편, 민간중심의 ESS사업에는 대기업을 주축으로 LG화학의 익산단지 및 오창단지, 삼성SDI의 기흥단지 등 시장활성화 및 사업 레퍼런스로 활용되고 있다.

이렇듯 ESS 시장의 전체 규모와 성장성에 대해서는 이견이 없다. 앞으로 10년 이내에는 최소 몇십조 원대의 규모를 형성할 가능성이 높다. 하지만 시장이 아무리 커도 많은 기업들이 다수의 ESS 솔루션으로 나눠서 점유할 가능성이 높다. 개별 솔루션의 시장은 ESS의 세부 영역별 성장 전망에 따라 크게 달라진다는 점에 유의해야 할 것이다.

MARKET POWER 둘. 부문별 시장 이해도 높여야 성공한다


ESS는 어림잡아도 10부문에 걸친 부문별 산업이다. 이러한 ESS의 세분시장은 발전·송배전·소비에 따라 산업용·중소형 발전용·주거용·송배전용으로 분류되며, 주기에 따라 장·단주기로 구분된다. 리튬 및 납축전지가 사용되는 단주기 산업용은 빌딩·산업단지·EV 충전소 등 안전적인 고품질의 전력니즈가 증가되고 있는 추세다.

이와 비교해 NaS 및 플로우 전지가 주로 사용되는 장주기 중소형 발전용은 태양광·풍력 등 신재생에너지의 변동성을 보정할 것으로 보인다.


장주기 주거용은 태양광 및 EV 등이 본격적으로 보급됨에 따라 주거용 전기의 효율적 활용에 주목하고 있다. 단주기 송배전용에서는 지능화·신재생에너지·분산발전 등 전력망진화에 따른 송배전 품질관리를 주목하고 있다.

단기적 중소형 발전용은 신재생에너지가 보급된 이후 품질관리 중요도가 상승하면서 전력품질에 대한 기술개발이 강조될 것으로 보인다.


장기적 산업용에서는 석유화학 및 철강 등 에너지 다소비형 산업단지의 에너지 비용 절감이 화두로 떠오르고 있다.
신 연구원은 “ESS시장은 관련 부문시장에 따라 성장속도가 모두 다르다. 소비형 ESS는 현재 침체기를 벗어나지 못하고 있으며, UPS는 성숙기로 진입하고 있으며, 송배전 및 발전용 ESS는 성숙기로 향하고 있는 상황”이라고 설명했다.

앞서 언급한 바와 같이 전 세계 에너지 기업들은 ESS의 성장가능성을 염두에 두고 이미 다양한 사업전략을 꾀하며, 관련 역량을 강화하고 있다. 리튬전지계열에 주력하고 있는 파나소닉은 백색가전 비즈니스의 주택용 에너지 솔루션화를 꾀하며 현재 일본에서 2019년 기준 2조엔의 매출을 목표로 하고 있다.

이렇게 파나소닉이 포괄적인 사업을 수행할 수 있는 이유는 당사의 강력한 전지역량 때문으로 분석된다. 이를 기반으로 태양광 연계 영역에서의 PCS 통합형 SI 사업을 수행하고 있는 것이다. 신 연구원은 “파나소닉은 제어 회로 설계역량을 기반으로 소형 LiB 모듈화를 실현시키려 하고 있다”며, “주택형 소형 ESS 사업에선 하우징 및 태양광과의 연계성까지 고려하고 있다”고 설명했다.

또 다른 리튬전지계열인 사프트의 사업 또한 눈에 띈다. 현재 산업 배터리 그룹 부문에서 사업을 수행하고 있는 샤프트는 2013년을 기준으로 약 1.8억 유로의 ESS 매출을 기록하고 있으며, 이는 당사의 이익률의 약 20%에 달하는 수치다. 재밌는 것은 사프트라고 하는 기업 자체는 전지기업이지만, PCS와 SI에서의 노하우가 있다는 점이다. 이는 앞서 언급한 파나소닉도 마찬가지다. 이러한 점에서 ESS사업을 성공적으로 수행하기 위해 어디까지 사업범위를 넓혀야 하는 걸까?

이에 대해 사프트는 전지의 자체 개발 및 생산을 담당하고 있으며, PCS·EMS 등 SI 부문에 대해선 개발에 앞서 공동개발을 단행하고 있다. 이를 통해 어떤 PCS와도 호환가능한 전지를 제공할 수 있는 개발역량을 갖추게 된 것이다.
신 연구원은 “PCS 및 SI 역량을 보유하고 있다는 것은 제조역량만을 갖추고 있다는 것이 아니라 이에 대한 설계 및 운용방식에 대한 이해가 깊다는 의미”라고 전했다.

일본 전기 및 전자기기 제조업체 히타치는 ESS 전 영역의 내재화를 추진하겠다고 공표한 바 있다. 히타치는 미래 핵심 인프라 사업 주도권 확보를 중시해 대형 및 소형 2차전지, 리튬이온 커패시터에 대응하고 있다. 하지만 이렇듯 관련 시장의 전 영역을 수행하는 것은 되려 히타치의 ESS사업을 둔화시키기도 했다. 이는 아무리 일본 최대 전기 및 전자 관련 기업이라고 해도 ESS 시장의 전 영역을 혼자서 감당하는 것은 쉬운 일이 아니라는 사실을 알려주는 좋은 사례라 할 수 있겠다.

존슨 콘트롤즈(이하 JCI) 또한 사업 부문 내 에너지 솔루션을 핵심영역으로 선정하고 빌딩 효율성 부문에서 사업을 수행하고 있다. JCI는 당사의 핵심역량인 납축전지와 SI 영역을 결합해 빌딩 중심의 ESS 사업을 전개하고 있다. 이러한 JCI의 ESS 사업은 주로 북미와 중국시장에 집중돼 있다. NGK의 NaS 전지는 실외에 설치돼야 하며, 300도 이상의 작동온도 때문에 다양한 설비가 필요하다. 이러한 면 때문에 NGK의 ESS 저장단가는 저렴하나 부가설비까지 보면 비싸다는 특징을 가진다. 이는 플로우 전지에서도 엿볼 수 있는 특성이다.

제너럴 일렉트릭스(이하 GE)는 다양한 기업들을 인수해 폭넓은 ESS 역량을 강화해 왔다. 2007년에는 베타R&D를 인수해 Na계 전지 역량을 확보했으며, 2011년에는 아리스타파워와의 제휴를 통해 그리드 연계 역량을 확보했다. 또한 2012년에는 중국 송배전 장치 기업 XD일렉트릭과 JV와의 제휴를 통해 글로벌 사업 기반을 구축했다.

신 연구원은 “현재 GE는 기존의 발전 및 전력 인프라 사업경험을 활용해 Na 계열 등의 ESS와 신재생에너지, 그리고 스마트그리드 관련 제품 및 서비스를 연계해 사업을 전개하고 있다”고 설명했다. 플로우 전지 계열의 프루던트에너지는 7kW 유닛 등 소형시스템은 통신용 납축전지 백업시스템 대체 등에 적용하고 있으며, 7kW 셀을 모듈화해 10MW급 시스템까지 조립 및 용량의 다양화를 꾀하고 있다.

스미모토전공은 최근 세계 최초의 양산형 플로우 전지 제품을 개발했다고 발표했다. 스미모토전공에 따르면, 기존의 플로우 전지는 실험실에서의 실증단계만 가능했지만, 당사의 제품은 양산과정까지 이어질 수 있다는 점이 포인트이다. 현재 당사는 2020년까지 레독스 플로우 전지 연간 매출 1,000억엔을 목표로 하고 있다.

이와 같은 기업별 사례들은 ESS 사업이 비단 전지에만 국한된 것이 아니라는 것을 알 수 있게 한다. 신장환 연구원은 “앞서 언급한 바와 같이 각 기업들의 사업양상은 크게 부품 및 모듈공급·시스템 통합· EMS 구축 및 운영 등으로 구분된다. 그리고 대부분의 기업들은 그리드에 직접 연계할 수 있는 솔루션을 공급하는 시스템 통합 사업에 주력하고 있다”며, “이이를 실현하기 위해선 관련 기업들간의 컨소시엄 등이 중요하다”고 전했다.

SOLAR TODAY 황 주 상 기자 (st@infothe.com)

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