전력부족의 구원투수, 에너지저장시스템
일반적으로 전력은 원하면 언제든지 사용 가능한 에너지라는 인식이 많다. 우리가 일상생활을 영위하는 집, 학교, 회사 등에서 전원 플러그만 꽂으면 쉽게 전력을 사용할 수 있기 떄문이다. 하지만 전력은 생산과 동시에 소비되어야 하는 특성을 가지고 있기 때문에 전력 수요와 공급의 균형은 안정적인 전력 공급을 위한 필수적인 요소이며, 지금까지는 전력의 수요 변화에 따라 발전량을 조절해야 했다. 현대 사회에서는 에어컨, 냉장고, TV 등의 전자제품 보급 확대로 인해 가구당 전력소비가 크게 증가하였고, 공장 등에서 사용되는 산업용 전기 수요 또한 지속적으로 증가하고 있기 때문에 시간대별, 계절별 전력 수요에 차이가 생기는 경향이 나타난다. 이는 특정한 한 시점에 전력 사용량이 최대가 되는 전력피크를 발생시키고 전력 수요와 공급의 불균형을 초래하여 대규모 정전사고를 유발할 수 있다. 전력피크 대비를 위해서는 전력 생산 시설을 증설하면 되지만 전력피크 시간대 외의 설비 가동률이 떨어지는 결과를 초래하므로 경제적인 방안은 아니다. 따라서 전력부족으로 인해 발생하는 문제를 예방하기 위해서는 에너지 관리 시스템 등의 기술을 통해 전력 수요에 효과적으로 대응함과 동시에 재생가능에너지와 같은 대체 에너지원을 이용하여 추가적인 전력생산 능력을 확보해야 한다. 하지만 태양광이나 풍력 등의 재생가능에너지는 환경에 따라 전력 생산량이 불규칙하게 변하므로 연속적인 전력 공급이 불가능하다는 문제점이 있으며, 필연적으로 전력의 생산시점과 필요시점의 차이가 발생한다.
이 같은 문제를 해결하기 위해 개발된 것이 에너지 저장 시스템(ESS, energy storage system)이다. 에너지 저장 시스템은 생산된 에너지를 저장 후 필요한 시기에 사용함으로써 에너지 수요에 효과적으로 대응하고 에너지 효율을 향상시키는 시스템을 지칭한다. ICT 기술이 접목된 에너지 저장 시스템은 전력 수요가 낮은 시간 동안 여분의 에너지를 저장함으로써 예비 전력을 확보하고, 전력피크 시간대의 전력수요에 효과적으로 대응한다. 또한 재생가능에너지와 에너지 저장 시스템을 함께 사용하는 경우, 불안정한 재생가능에너지의 출력을 고품질 전력으로 변환하고 필요한 시점에 맞춰 전력을 공급할 수 있기 때문에 에너지 저장 시스템은 재생가능에너지의 보급에 필수적인 요소이다.
스마트 그리드와 에너지 저장 시스템이 결합되면 전력 공급자와 소비자간 양방향 통신을 통해 전력 수요가 증가하는 시점에 에너지 저장 시스템에 저장된 예비전력을 공급함으로써 효과적인 전력망 운용이 가능하다. 사용된 에너지 저장 시스템의 전력은 수요량이 적은 시간대에 자동으로 재충전된다. 결과적으로 전력망의 유연성이 증가하고, 전력피크 발생으로 인한 정전사고를 방지함으로써 안정성이 향상되며, 효율적인 전력관리를 통한 경제성 제고 등의 이점이 생긴다.
전력저장을 위한 주요 기술로서는 양수발전장치(pumped hydro), 리튬(Lithium) 이차전지, 레독스 흐름(redox flow) 전지, 나트륨 유황(NaS)전지 등이 있다. 양수발전장치는 물리적으로 에너지를 저장하므로 대량의 에너지를 신속하게 저장할 수 있으나 초기 설비에 많은 투자비가 필요하다. 리튬 이차전지, 레독스 흐름 전지, 나트륨 유황 전지는 화학적 에너지 저장 방식을 사용하는데 우리나라는 세계 최고 기술력을 보유한 리튬 이차전지를 바탕으로 에너지저장 시스템의 확대를 계획하고 있다.
국내 주요 업체인 LG화학과 삼성SDI는 기존 리튬 이차전지 생산 설비를 바탕으로 시장에 대응하고 있다. LG화학은 전력망의 효율성 향상과 재생가능에너지의 불안정한 출력 안정화에 주력하고 있으며, 삼성 SDI는 실증을 통한 에너지 저장 시스템의 안정성을 검증하는 한편, 가정용 및 산업용 에너지 저장 시스템 개발을 목표로 하고 있다. POSCO 의 경우 나트륨 유황 전지 사업화를 위한 연구를 수행하고 있으며 소규모 건물에 설치하여 실증사업을 계획중에 있다. 미국은 AES, AEP 등의 대형 전력공급자와 정부기관이 주도하여 에너지 저장 시스템 기술 개발 및 실증사업을 추진 중에 있으며 노후 전력망 개선을 위한 여러가지 기술을 적용 중에 있다. 유럽은 재생가능에너지의 안정화를 위한 시스템 개발에 중점을 두고 있는데 프랑스와 독일 양국의 태양광 발전업체, 전지 업체, 전력 회사가 참여하여 에너지 저장 시스템 용 리튬 이차전지를 개발중이다. 일본은 NGK 등이 나트륨 유황 전지의 상용화에 성공하였고, 미쯔비시, GS-Yuasa 등이 리튬 이차전지를 개발하고 있다. 현재 일본은 리튬 이차전지 및 나트륨 유황 전지 산업 주도권을 최대한 활용하는 방향으로 기술개발을 전개하고 있다. 전기자동차의 고성장 전망에 따라 중대형 리튬 이차전지 설비에 많은 투자를 실시한 일본의 Panasonic, 중국의 BYD, ATL 등의 주요 업체들도 에너지 저장 시스템 개발에 적극적인 움직임을 보이고 있다.
에너지 저장 시스템 시장은 아직 초기 단계이나 재생가능에너지 보급 확산 및 스마트그리드 시스템 구축, 고품질 전력수요 증가로 빠르게 성장할 것이다. 세계 에너지 저장 시스템 시장은 2020년 까지 50 조원 규모로의 성장이 예상되며, 2030년에는 120조원에 달하는 시장이 형성될 것으로 예상된다. 분야별로는 가정용 및 재생가능에너지 관련 시장이 전체의 70 % 를 차지할 것으로 전망된다. 에너지저장용 리튬 이차전지 시장은 2012년 8억 달러에서 2015년 71억 달러, 2020년 193억 달러로 연평균 49 % 성장이 예상되고, 리튬 이차전지 시장점유율은 2012년 6 % 에서 2020년 36 % 로 높아질 전망이다. 하지만 이같은 전망은 리튬 이차전지의 제조단가의 하락을 전제로 하고 있는데 현재까지 리튬 이차전지는 높은 에너지 저장비용이 필요하기 때문에 정부 시범사업 등의 공공용도에 주로 사용되고 있을 뿐 아직 시장이 활성화 되지 않은 상황이다.
우리나라는 2020년 까지 세계 에너지 저장 시스템 시장 점유율을 30%까지 높이고자 지속적인 투자를 실시하고 있다. 국내 에너지 저장 시스템 시장은 아직 실증단계이지만, 지식경제부의 예측에 따르면 전력 소비량의 증가와 재생가능에너지 보급 확산에 따른 급격한 수요 증가가 예상되므로 공격적인 투자를 계획하고 있다.
용도별 에너지 저장 시스템 성장 전망 (출처: Navigant Research)