에너지 산업의 현주소, 제11회 국제그린에너지엑스포 _ ESS는 에너지 산업의 구세주로 등장할 것인가?


ESS 산업은 국내 보다는 해외를 겨냥하여야 할 산업이다. 최고의 인적자원을 가진 우리가 향후 천문학적으로 펼쳐질 ESS 시장에서 기회손실을 범하지 않도록 국가 차원에서의 전략적인 접근이 반드시 필요하다.

홍유식 상무 / SNE Research



‌ESS의 개념과 ESS가 필요한 이유

ESS는 Energy Storage System의 약자이다. 우리말로는 에너지저장장치로 번역된다. 에너지 중에서도 전기를 저장하는 장치를 EESS(Electrical Energy Storage System) 즉, 전력저장장치라고 부른다. 저장 대상이 되는 에너지는 주로 열에너지와 전기에너지가 대상이 된다.
전기는 BC600년경 그리스의 철학자였던 탈레스가 호박을 문지르면 가벼운 물체가 달라붙는 것을 발견하면서부터(정전기의 발견) 관심을 가지게 되었고, ‘호박’의 그리스 말인 ‘일렉트론’은 전기를 의미하게 됐다. 1752년의 연날리기 실험으로 번개가 전기인 것을 알아 낸 벤자민 프랭클린 등 1700년대 이후로는 전기에 대한 연구가 활발하게 진행됐다. 전기를 실생활로 가져온 장본인이 된 발명가 에디슨은 1879년에 백열전구를 발명했고, 2년 뒤인 1881년에는 백열전구를 켜기 위한 최초의 상업발전소인 뉴욕중앙발전소가 건설됐다.
이로부터 130여년이 지난 지금 우리는 전기 없는 삶은 생각하기 어려울 정도로 전기와 밀접한 생활을 하고 있다. 가정에서 사용하는 에너지원이라고 하면 대부분은 가스와 전기 정도다. 가스도 부엌에서만 사용하는데 외국처럼 전기 렌지를 사용한다면 전기로 집 안의 모든 것을 할 수 있다. 전기를 열로 변환시켜 요리를 하고, 빛과 소리로 변화시켜 TV를 보고, 빛으로 전화시켜 밤에 불을 밝히고 등등 전기는 그야말로 편한 에너지이다. 전압이나 전류량에 따라서는 위험할 수도 있지만, 가스나 불보다는 훨씬 안전하고 또 깔끔하다. 
그런데 전기는 보관이 곤란하다는 매우 치명적인 단점을 지니고 있다. 물론 일차전지니 이차전지니 하면 배터리가 오래 전부터 사용되고 있지만 어디까지나 매우 적은 양의 전기를 저장할 수 있을 뿐이다. 물론 전기를 만들기 이전의 형태로 집집마다 발전기를 설치하고 석탄이나 석유나 가스를 사용하여 필요할 때마다 전기를 만들어 사용한다면, 전기 대신에 석탄이나 석유나 가스를 저장할 수도 있겠지만 이는 대단히 번거로운 일이 될 것이며, 비용도 많이 들고, 위험하기도 하고, 에너지를 변환시킬 때마다 손실이 발생하여 비효율적이 될 수밖에 없을 것이다.
전기 및 가스와 이외에 집에서 사용하는 기본재 중에 수도(물)의 경우에는 집에서 사용하기 까지 물이 이동되는 중간 중간에 큰 저장시설을 만들어 물의 공급이 원활하게 되도록 하고 있다. 그런데 전기는 생성하는 즉시 사용이 가능하지만, 생성 즉시 전부 사용하지 않는다면 못쓰게 되는 특징이 있다. 그래서 전기의 생산은 Maximum의 법칙, 즉 최대부하에 맞추어 전기를 생산한다. 1년 평균 60이라는 전기가 필요하다고 하더라도, 1년 중 어느 기간에는 90이라는 전기를 사용한다고 치면 90이라는 최대부하량에 안전 팩터(factor)를 곱해 100만큼의 전기생산시설을 갖추게 된다. 즉, 평균으로 치면 40만큼이 과잉으로 지어지게 되는 셈이다. 그런데 20만큼을 물탱크에 저장하듯이 저장할 수만 있다면 전기산시설을 80만큼만 가져가도 된다는 얘기가 된다. 문제는 20만큼 전기탱크를 만드는 것이 유리한지, 20만큼 전기생산시설을 만드는 것이 유리한지로 귀착될 것이다.



여기서 ESS가 왜 필요한지에 대해서 좀 더 살펴보기로 하자. 먼저, ESS는 사고방지를 위해서 필요하다. 불시에 정전이 발생하게 되면 집에서는 전기 없이 잠깐 참고, 밤이라면 전구대신 촛불을 켜게 된다. 요즘이야 정전이 되는 경우가 드물지만 30여년 전만하더라도 정전이 되는 경우가 빈번했다. 지금도 전기가 불안한 국가에서는 정전이 되는 일이 잦다. 만약에 일반 가정이 아닌 산업시설인 경우라면 정전은 큰 피해를 불러온다. 지난 2007년 삼성전자 기흥 반도체 공장의 순간정전의 피해액이 500억 원으로 발표되는 등 한 해 정전으로 인한 산업피해금액은 6,500억 원 규모에 달하는 것으로 알려져 있다. 순간불시정전의 피해를 방지하기 위해서 오래 전부터 ESS가 사용되어 왔는데 UPS라고 부르는 무정전전원공급장치이다. 사고방지를 목적으로 하는 경우는 마치 보험과도 같은 성격으로 사고발생 시의 피해가 ESS에 투자되는 금액보다 클 때 시장이 형성된다.
두 번째로 ESS가 필요한 경우로는 전력공급 안정화를 들 수 있다. 미국 텍사스 주 서부의 남쪽 끝자락에 위치한 소도시인 Presidio는 1948년에 설치된 전력망 한 개 라인이 100km 떨어진 Mafra와 연결되어 있는데 과부하로 인하여 자주 전력이 중단되는 일이 발생했다. 100km짜리 전력망을 하나 더 설치할 것인가 아니면 ESS로 과부하를 대응할 것인가를 고민한 끝에 2010년에 ESS를 설치한 바 있다. 또한, 태양광 및 풍력 등 신재생에너지 발전원이 증가하면서 전력공급 안정화의 요구가 늘고 있다. 풍력은 바람의 강도에 따라 발생하는 전력량이 매 순간 변화하며, 태양광 또한 태양이 떠 있는 낮 동안에만 전력이 발생하게 되므로 전력의 발생이 불규칙한 특성을 보이게 된다. 따라서 발생된 전력을 한 곳에 저장했다가 필요 시 안정되게 공급하는 것이 필요하다.
세 번째로는 전력품질을 향상시키기 위한 경우이다. 대표적으로 주파수 보상(Frequency Regulation)이나 전압강하(Voltage Down) 보상 등을 목적으로 한다. 정전과 마찬가지로 전압강하나 상승, 플리커 등이 발생하게 되면 산업에 피해가 발생할 수 있다. 또, 전력망에 연결된 신재생발전원의 비율이 일정량을 넘어서면 전력망 전체의 전력품질을 저하시키므로 ESS가 필요하다. 또 다른 경우로는 전력부하량의 변화가 심해지면 기존 발전원의 가동능력을 수시로 변화시켜야 하는데 이때 주파수 문제가 발생한다. 한전에서는 Frequency Regulation 목적만으로 2017년까지 약 6,000억 원 규모의 ESS 설치를 계획하고 있다.
네 번째로는 ESS를 사용함으로써 금전적인 혜택을 볼 수 있는 경우이다. 추가적인 발전시설의 설치 대신 ESS를 통한 피크컷을 구현함으로써 발전소 건설비용을 감축할 수 있을 것이다. 또 다른 경우는 TOU(Time of Use)로 생산된 전력을 그 순간 사용하지 않고 ESS를 통해 저장했다가 사용하고 싶은 시간에 전력을 사용함으로써 금전적인 이익을 기대하는 것이다. 가령 전력요금이 시간대별로 달라져서 전력부하가 적은 한밤중에는 전력요금이 저렴하고, 부하가 집중되는 오후 시간대에는 비싼 요금이 부과된다면 전력요금이 싼 시간대에 ESS로 전기를 저장했다가 비싼 시간대에 꺼내 쓰면 두 경우의 전력요금의 차이만큼 절약이 가능하다. 대부분의 국가에서 전력요금은 기본료와 사용료로 구분되며(마치 택시의 기본요금과 추가 요금으로 구분된 것과 유사) ESS를 통한 전력 사용 피크를 제거함으로써 사용료뿐만 아니라 기본료를 크게 감소시켜 준다.
TOU 개념은 가정을 비롯하여 상점, 건물, 공장, 학교 등에 적용할 수 있고, 전력시장이 형성되어 있는 미국과 같은 국가에서는 전력사업자들이 ESS를 통한 TOU를 이용하여 전력을 판매하는 시간들을 조절할 수 있다. 집에 태양광발전시설을 설치하고 있다면 태양광을 통한 발전이 가능한 낮 시간(전력부하가 적다)에 생산된 전력을 ESS에 저장했다가, 사람들이 집으로 돌아와 활동하는 저녁 시간대(전력부하가 크다)에 우선적으로 ESS 저장 전력을 사용한다면 이 역시 전력사용의 효율화를 통한 금전적인 이득을 기대할 수 있을 것이다. 


‌전력저장기술은 다양하다 

ESS에 사용되는 전력을 저장하는 기술은 실로 다양하다. 가장 먼저 ESS에 적용된 기술은 양수발전(Pumped Hydro Energy Storage)으로 이미 120년 전인 1892년에 스위스 취리히에 세계 최초의 양수발전소인 Lettern 발전소가 설치됐다. 양수발전소는 인공적으로 만든 수력발전소로 산 위에 저수지를 만들어 남는 전력을 이용하여 양수기로 물을 퍼올려 담고, 전력 필요시에 수력발전을 행하게 한 것이다. 국내에서는 1980년에 설치된 청평 양수발전소가 처음이다. 전 세계에 지금까지 약 150개의 양수발전소가 설치됐으며, 발전 능력은 모두 135GW에 이른다. 국내에도 지금까지 모두 16개의 양수발전소에 발전 능력은 4.7GW에 이른다. 그러나 양수발전소는 낙차가 확보되는 지형적인 조건을 지녀야 하며, 발전소 건설에 따른 환경문제도 수반되므로 전 세계적으로 추가적인 양수발전소를 건설하기는 쉽지 않아 보인다.
다음으로 이미 보편화된 ESS로는 UPS를 들 수 있는데 전 세계적으로 약 8billionUS$ 규모의 시장을 형성하고 있다. UPS는 정부, 금융기관, 기업 등의 전산센터, 통신시설, 그리고 반도체나 디스플레이 등의 정밀 산업시설, 기지국, 전화국 등의 각종 서비스 시설에서 사용되고 있다. 지금까지의 UPS는 PCS(Power Control System)와 전력을 저장하기 위한 저장장치로 납전지가 사용되어 왔다. 최근에는 납전지를 대신하여 리튬이차전지를 사용한 UPS도 등장하고 있다.
양수발전소와 UPS를 제외하면 나머지 기술들은 이제 도입기 또는 개발단계로 세계 각국에서 실증사업들이 진행되고 있다. 1970년대 말에는 공기를 이용한 ESS가 독일 Hundorf에 설치되어 지금까지 운영되고 있다. 이 기술은 압축공기 ESS로 CAES(Compressed Air Energy Storage)로 불린다. 지하 광산이나 솔트 락(Salt Rock) 내의 동굴 또는 폐유전 등에 공기를 압축시켜 놓은 다음 전기가 필요하면 압축공기를 빼내어 소량의 기름 또는 가스와 혼합하여 연소시킴으로써 전기발전터빈을 돌린다. 동급의 가스화력발전소와 비교하면 배출가스가 1/4~1/5로 적은 것이 특징이다.
로터를 빠르게 회전(20,000~50,000rpm)시켜 전기에너지를 회전에너지 형태로 바꾸어 저장하는 플라이휠 에너지 스토리지가 있다. 에너지를 사용하면 회전속도가 감소하고, 에너지를 저장하면 회전속도가 증가하게 된다. 플라이휠과 전기모터, 전기발전기가 부착된다. 회전체인 로터가 저항으로 인해 속도가 감소할 것 같지만 자석으로 된 베어링을 사용하여 그런 염려는 없으며, 자체적인 에너지 손실은 2% 정도로 매우 적다.



1980년대는 초전도체(Superconductor)에 대한 기대로 뜨거웠다. 초전도체의 응용분야 중 중요한 것이 전력 저장으로 저항이 ‘0’이므로 손실 없이 전기를 저장할 수 있다. 단지 AC→DC 혹은 DC→AC 변환 손실만이 2~3% 발생할 뿐0이다. 그러나 사용 초전도체가 개발되지 않음으로 인해 초전도체 유지를 위한 극저온 유지장치가 필요하고, 초전도체 코일 또한 비싸므로 단주기용으로 몇 개의 소규모 실증 프로젝트만이 진행되고 있는 중이다.
배터리를 이용한 ESS 기술로는 NAS 전지, 납전지, 리튬이차전지, 흐름전지 등이 있다. NAS 전지는 양극으로는 황(S)을, 음극에는 나트륨(Na)을 사용하는데 용융염의 형태로 사용하므로 300~350℃의 고온으로 운전해야 하며, 침식성이 높은 황화나트륨(Na2Sx)이 형성되므로 용기의 안전성이 핵심이다. 따라서 NAS전지는 셀을 제조하기 위한 알루미나 세라믹 기술을 지닌 일본의 NGK에 의해 개발되었고, 독점으로 생산되고 있다. 2011년 9월에 NAS전지 화재사건으로 약 1년여간 생산이 중단되기도 하였지만, 원인규명과 대책발표 후 다시 생산을 재개하고 있다.
ESS용 납전지는 자동차 시동용 납전지와는 다른 것이다. 일반 납전지의 사이클 수명이 350~500사이클이라면 ESS용 납전지의 경우에는 17년까지도 가능한 것이 개발되어 있다. 고기능 납전지(Advanced lead acid battery)로 불리는 ESS용 납전지는 배터리 용량을 크게 만든 Deep Cycle Battery가 사용된다.
리튬이차전지는 높은 가격이 ESS 응용에 장애 요소였지만, 지속적인 원가 절감이 이루어지고 있어 최근 들어서는 ESS 기술들 중에서도 가장 활발하게 실증이 이루어지고 있다. 소형 가정용 ESS로 가장 널리 채용되고 있으며, 전력망 및 신재생발전소 등의 보다 큰 용량의 것으로도 활발히 적용이 늘어나고 있는 중이다. 제조업체도 많고, 제조기술도 안정되어 있어서 가격 하락에 따른 시장 확대 가능성이 매우 높은 배터리라고 할 수 있다.
흐름전지라고 불리는 Redox Flow 배터리는 다른 이차전지와는 달리 전해액 중의 활물질이 산화/환원되어 충방전되는 시스템으로 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 저장장치이다. 전해액의 종류에 따라 아연브롬(Zn/Br)을 중심으로 한 것과 바나듐(V)을 중심으로 한 것 등의 여러 종류가 존재한다.




‌거대한 규모의 ESS 시장이 기대된다

ESS 시장이 확대되기 위해서는 다른 제품들과 마찬가지로 ESS에 대한 가치가 투자되는 금액보다 높아야 할 것이다. 어느 제품의 가치란 객관적으로도 정해지지만 주관적으로도 정해진다. 가령 새로 출시되는 라면의 경우에는 기존 경쟁 제품들의 특징과 맛, 소비자 선호도 등등 여러 가지 측면을 고려하여 비교에 의하여 가격(Compatible pricing)이 책정된다.



새로이 출시된 최고화질의 Curved TV라면 성능과 기존 TV들과의 차별화 정도, 제조 수율 등을 고려하여 기존의 TV에 비하면 수배에 이르는 천만 원대 이상의 높은 가격에 출시한다. 유럽 명품 핸드백의 경우라면 기능, 원가 등이 아닌 소수 선택된 소비자가 기꺼이 돈을 지불할 것인가라는 바탕에서 가격(Value-based pricing)이 정해진다. 그렇다면 ESS는 어떤 방식으로 가격이 정해질까?
수천만 원 하는 고급 TV나 수백만 원 하는 명품 핸드백은 일반인들이 구입하기에는 너무 비싸지만 돈이 많은 부자들은 쉽게 구입한다. 명품 핸드백은 적금을 들더라도 카드빚을 지더라도 먼저 사고 보자는 사람들도 존재한다. 이는 구매자가 지불하는 비용 이상의 가치를 가져다준다고 판단하기 때문에 가능한 것이다. ESS도 돈이 많은 부자들이 먼저 설치할까? ESS는 투자 대비 이득이 크다고 판단되면 시장이 형성될 것이다.
그런데 발생하는 이득은 한 번에 이루어지는 것이 아니라 수년 또는 십수년에 걸쳐 이루어지므로 ESS를 설치할 경우 초기에는 목돈이 들어가며, 이득은 매년 조금씩 발생되게 된다. 이는 3kW 태양광발전기를 가정에 설치할 경우 투자비가 약 1,000만 원 정도이지만(이 중 30%는 정부지원) 매달 전기료 이득분을 한참을 모아야만 전체적으로 이득이 발생하는 것과 마찬가지이다.
이렇듯 ESS의 경우에는 초기투자비에 대한 부담감 때문에 선뜻 설치하기가 쉽지 않은 것이 사실이다. LED 전구가 좋다는 것은 알고 있지만 지금 살고 있는 집의 기존 전구를 모두 LED로 바꾸려니 꽤 큰돈이 들어가서 망설여지나, 신규주택이나 건물이 아예 처음부터 LED 전구로만 되어 있다면 주택비용 대비 LED 전구 설치비는 극히 미미하므로 LED 전구가 설치된 집이라면 오히려 매력으로 작용될 것이다.
 일본의 경우에도 신규주택에 아예 태양광발전기와 ESS를 설치하여 판매하는 경우가 많다. 하지만 초기투자비가 높고, 이득은 사용시간에 따라 누적되는 즉, ‘투자회수기간’에 관련된 문제라면 투자회수기간을 앞당겨서 구매 매력도를 높임으로써 관련 산업을 활성화시킬 목적으로 정부는 보조금을 집행하게 된다. 전기자동차의 경우가 그렇고, 가정에 설치되는 연료전지의 경우가 그렇다.



국내의 ESS 보조금 사업은 2013년부터 시작됐고 일본, 미국, 독일에서도 시행 중에 있다. 현재 양수발전과 UPS를 제외한 ESS 시장의 대부분은 실증시장이 차지하고 있다. 그런데 ESS 시장의 매력은 일단 경제성을 획득하게 된다면 그 규모가 거대산업군을 이룰 정도로 커질 수 있다는 데 있다. ESS를 안 쓸 경우 돈이 더 나간다면 누가 ESS를 안 쓰려고 하겠는가?
ESS 시장은 전력을 저장하여 전기를 사용하는 모든 시설과 시스템에 이득을 부여하자는 것이므로 우선은 전력을 많이 사용하는 곳에 시장이 존재하게 된다. 전 세계 모든 국가들 중에서 10개 국가가 전 세계 소비전력의 약 70%를 소모하고 있고, 20개 국가가 약 80%를 소모하고 있다. ESS 시장은 이들 전력소모가 큰 국가들을 중심으로 우선적으로 형성될 것이다. 1, 2위 국가는 중국과 미국이다. ESS시장이 우선 따라가게 될 것으로 판단되는 중국과 미국은 신재생발전원 측면에서도 근래 들어 가장 큰 시장을 형성하고 있는 국가이다.
영토도 작고, 부존자원도 적은 우리나라는 최고의 자원이 인적자원이라는 자부심으로 세계에서 유래 없이 가장 빨리 경제적 성장을 이룩한 국가로 기록되었다. ESS 산업은 국내 보다는 해외를 겨냥하여야 할 산업이다. 최고의 인적자원을 가진 우리가 향후 천문학적으로 펼쳐질 ESS 시장에서 기회손실을 범하지 않도록 국가 차원에서의 전략적인 접근이 반드시 필요하다.