[편집자 주] 국내 유일의 환경·에너지 전문 채널인 환경TV가 10월 15일 개국 15주년을 맞았습니다. 이에따라 환경TV는 '환경과 에너지...미래를 묻는다' 는 주제로 개국 15주년 특집 기획 기사를 내보내고 있습니다.
기획기사는 태양광 발전 등 신재생 에너지 분야와 발전소에서 일방적으로 뿌려주는 방식이 아닌 가구별, 지역별 에너지 자립에 대한 대안 모색, 수소차와 전기차로 대변되는 친환경 경영 추세, 오폐수와 가축 분뇨, 건축 폐자재 등 쓰레기에서 에너지와 자원을 생산해 내는 친환경 자원 재활용, 해수담수화 등 인간과 환경을 위한 신기술 등 환경·에너지 관련 분야의 과거와 현재, 미래에 대해 성찰해 보고 바람직한 방향과 대안을 모색해 보고자 합니다.
개국 15주년 특집 기획 여섯번째 기사 주제는 신재생에너지의 한계를 극복하는 대안이자 기존 전력 시설의 완성도를 높이는 해결사 'ESS'(Energy Storage System, 에너지 저장 장치)입니다.
빛에너지를 전기에너지로 전환하는 태양전지. 출처=픽사베이
[환경TV뉴스]정택민 기자 = 화석연료는 환경 오염과 더불어 자원이 한정돼 있다는 근원적인 문제를 안고 있다. 언젠가는 반드시 고갈된다는 얘기다. 고갈 걱정이 없는 친환경 대체 에너지에 대한 수요가 끊이지 않는 이유다.
이같은 친환경 대체에너지에 대한 구체적이고 직접적인 필요성은 70년대 석유파동을 계기로 촉발했다. 주로 태양열이나 태양광, 풍력, 조력 등 자연에서 나오는 힘을 에너지로 전환하는 방법이 주를 이루고 있다.
하지만 석유파동 이후 40년 넘게 지났지만 친환경 신재생 에너지 보급은 만족할만한 수준이 못 된다. 당장 우리나라만 하더라도 태양광 등 신재생 에너지 발전량이 차지하는 비율이 한국에너지공단 자료에 따르면 전체 발전량의 1.7% 밖에는 되지 않는다.
신재생 에너지 도입이 느린 이유는 여러 가지가 있지만 대표적으로는 비용과 효율, 실용성이 가장 큰 원인으로 꼽힌다. 막대한 비용 문제는 도입 초기라는 점을 고려한다 해도, 효율과 실용성 문제는 돈이나 시간만으로 해결하기 어렵다.
가장 많이 알려진 태양광 에너지를 예로 들어보자. 태양광 에너지는 태양전지에 햇빛이 닿으면 빛에너지가 전기에너지로 바뀌는 원리를 통해 활용된다. 태양광 자체가 큰 에너지를 가지고 있고 수명도 길지만 해가 지는 밤이나 흐린 날씨에는 에너지를 얻을 수 없다는 단점을 내포하고 있다.
태양전지 자동차의 경우 화창한 낮을 제외하면 무용지물이 된다. 특히 발전 시설은 멈추지 않고 계속 작동해야 효율이 높아지는데 태양광 에너지 특성상 지속될 수 없기 때문에 효율이 낮을 수밖에 없다.
현재 태양전지의 최대 효율이 46%지만 이는 실험실 측정 수치로, 실제 태양전지 효율은 대부분 20%가 채 되지 않는다.
이처럼 기후변화가 전기 생산량에 영향을 주는 태생적인 문제는 다른 신재생 에너지도 마찬가지다. 그래서 이를 극복하기 위한 대안으로 '저장'이 주목받고 있다.
에너지원이 지속될 수는 없지만 양 자체는 크기 때문에 이를 저장해 뒀다가, 에너지원이 끊기면 저장한 에너지를 사용해 지속성 문제를 보완함으로써 효율을 끌어올리겠다는 것이다.
ESS를 통해 신재생에너지의 출력 변동을 최소화함으로써 효율성을 끌어올릴 수 있다. 출처=삼성SDI
신재생 에너지, '생산'보다는 '저장'이 관건
에너지를 돈에, 저장을 저축에 비유해 보자. 저축을 하는 이유는 크게 두 가지로 나뉜다. 불필요한 낭비를 막기 위해, 나중에 목돈이 필요할 때를 대비해서 등이다. 이유야 어찌됐든 돈을 저장해 뒀다가 필요할 때 꺼내 쓴다는 것은 돈을 가장 효율적으로 쓰는 방법이자 저축의 가장 큰 장점이다.
그렇다면 에너지는 어떨까? 우리는 스마트폰을 쓰기 위해 집이나 회사에서 충전해 두고, 자동차의 경우 주유소에서 연료를 채운다. 스마트폰을 구동하는 에너지는 배터리에 저장되며, 자동차를 굴리는 연료는 연료탱크에 저장된다.
즉 돈과 마찬가지로 사물에 쓰이는 에너지는 필요한 곳에 쓰기 위해 특정한 장소에 저장되는 과정이 필요한 것이다. 이 때 에너지를 '저축'할 수 있는 시스템을 'ESS'(Energy Storage System, 에너지 저장 장치)라고 한다.
ESS는 크게 배터리와 비배터리 방식으로 나뉜다.
비배터리 방식은 저장 방식에 따라 기계식이라고 불리며 에너지를 물리적인 형태로 저장했다가 사용하는 방식이다. 배터리 기술이 발달하기 전 쓰였으며, 대표적으로 양수발전과 압축공기 에너지 저장(CAES: Compressed Air Energy Storage) 방식이 있다.
1890년에 처음 도입된 양수발전은 수력발전의 일종이다. 전력 소비가 적은 밤에 높은 곳에 있는 저수지로 물을 퍼 올려 저장한 후 전력 소비가 많은 낮 시간에 이 물을 떨어뜨려 발전하는 방식이다. 수력발전과 마찬가지로 장소에 제약이 따르는 데다 발전시설을 세우는 과정에서 지형에 변화를 주기 때문에 환경을 훼손한다는 단점이 있다.
압축공기 에너지 저장 방식은 1970년대에 처음 알려졌다. 기본적으로는 양수발전과 크게 다르지 않으나 물 대신 바람을 이용한다. 전력 소비가 적을 때 잉여 전력으로 바람을 모아 공기를 압축해 지하에 저장한 뒤, 필요할 때 압축한 공기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다.
배터리 방식은 초축전기(Super Capacitor)와 화학전지 방식으로 나뉜다. 초축전기는 수명이 길고 전력 밀도가 높아 고출력의 에너지를 저장할 때 적합하지만 저장할 수 있는 에너지 용량이 적은 데다 가격이 비싸다.
화학전지는 일반적인 배터리와 마찬가지로 외부에서 전기 에너지를 공급받아 이를 화학 에너지 형태로 저장한 뒤, 필요할 때 화학 에너지를 다시 전기 에너지로 바꿔 방출하는 식으로 사용한다.
내부 구조 및 재료에 따라 납축전지, 나트륨황(NaS) 전지, 레독스 흐름 전지(RFB: Redox Flow Battery), 리튬이온배터리 등으로 나뉜다. 최근에는 리튬이온배터리가 다른 배터리를 제치고 대세가 되고 있다. 미국의 경우 현재 신재생에너지 보급 정책과 맞물려 ESS 도입도 추진 중인데 이중 리튬이온배터리가 70%를 차지한다.
리튬이온배터리는 가볍고 기존 화학전지보다 에너지 효율이 높은 데다, 무게 대비 에너지 밀도가 높다. 다만 상대적으로 비용이 비싸다는 현실적인 문제가 있으나, 향후 리튬이온배터리 기반의 ESS가 대중화됨에 따라 가격도 점차 낮아질 것으로 전망된다.
배터리 방식 ESS의 경우 크게 네 가지 요소로 구성된다. 우선 에너지를 저장하기 위해 최소 수십 개에서 최대 수백 개 가량의 배터리 셀이 들어간다.
또 ▲여러 개의 배터리를 하나처럼 제어하고 과충전 방지와 같은 안전장치가 들어간 '배터리운용시스템'(BMS) ▲ESS에 저장된 전기량을 모니터링하는 '에너지운용시스템'(EMS) ▲교류 전기를 직류로 바꿔서 밖으로 내보내는 '파워컨디셔닝시스템'(PCS) 등이 ESS를 구성한다.
현재 태양광 발전에 주로 쓰이는 ESS는 리튬이온배터리 방식이다.
리튬이온배터리 기반 ESS 구조도. 출처=삼성SDI
ESS(에너지 저장장치) 태양광 발전, 밤에도 태양 떠있는 효과
"급작스런 정전에도 문제 없어"
ESS는 신재생에너지에 있어 매우 중요한 요소다. 가정용 태양광 설비를 예로 들자. 기존에는 낮에 태양전지를 통해 전기를 얻고 밤에는 심야전력을 이용하는 식으로 전기세를 조금 아끼는 수준에 그쳤다.
반면 태양전지에 ESS까지 더하면 낮에 얻는 전기의 일정량을 저장해 뒀다가 밤에 사용할 수 있다. 그만큼 전기세도 더 아끼거나 거의 기본료 수준만 부담할 수도 있다. 태양광 에너지의 단점을 보완하면서 비용도 절감할 수 있게 된 것이다.
이처럼 ESS를 이용하면 기후변화에 따라 효율과 생산성이 좌우되는 신재생에너지의 근본적인 문제를 보완할 수 있다.
ESS의 장점은 신재생에너지 보완에서 그치지 않는다. ESS를 도입하면 정전이 발생해도 전기를 안정적으로 사용할 수 있다. 만약 갑자기 정전으로 인해 전기 공급이 중단된다면 공장이나 IT 기업들은 치명적인 피해를 입을 수 있다.
이 때문에 산업계나 군부대, 병원 등은 기존에 정전 대비책으로 납축전지 기반의 UPS(Uninterruptible Power System, 무정전 전원 장치)를 사용해 왔는데, 최근에는 리튬이온 배터리 기반의 ESS가 UPS의 역할을 대체하고 있다. 납축전지 대비 에너지 집적도가 높아 설치 공간을 줄일 수 있고, 수명도 더 길기 때문이다.
또 ESS를 기존 발전 시설 및 전기 공급 시설에 활용할 경우 전기를 안정적으로 공급할 수 있다. 매년 전기 수요는 증가하지만 수요에 대응해 발전 시설을 늘리는 데는 한계가 있다.
ESS를 활용하면 전력 수요가 낮은 심야시간에 남는 전력을 저장해 뒀다가 수요가 많은 시간대에 전력을 공급함으로써 효율성을 끌어올릴 수 있다.
출처=KDB대우증권
신재생 에너지 미래, ESS에 달려
이같은 장점 때문에 최근 여러 국가에서 ESS 도입을 추진하고 있다. 특히 미국과 유럽은 신재생에너지 보급과 관련해 ESS 보급을 장려하기 위한 정책을 도입해 시행 중이다. 신재생에너지 정책과 ESS는 떼놓을 수 없다고 판단한 것이다. 대표적으로 일반 가정에서 태양광 에너지 사용과 관련해 ESS를 설치하면 보조금을 지원하는 정책을 들 수 있다.
미국 캘리포니아주의 경우 2014년부터 공급 전력의 2.25%, 2020년 5% 이상 수준을 ESS로 사용하도록 하는 ESS 설치 의무화 법안을 2010년 9월 제정했다. 아울러 신규 설치되는 ESS에 대해 ㎾h(킬로와트시)당 최대 2000달러의 보조금을 지원하고 있다. 독일도 태양광 시설과 관련해 ESS를 설치할 경우 설치비용의 30%를 지원한다.
현재 신재생에너지의 비중은 미약한 수준이지만 세계적으로 꾸준히 신재생에너지 보급을 늘리기 위해 노력하는 만큼 성장 전망은 밝다고 볼 수 있다. 국가마다 기후변화 대응 및 저탄소정책과 관련해 신재생에너지 정책이 거의 빠지지 않을 정도다.
미국은 오바마 행정부가 출범한 이후부터 신재생에너지 5대 정책을 발표하며 신재생에너지 활성화를 적극 추진하고 있다. 유럽은 2020년까지 전체 전력량의 33%를 신재생에너지를 통해 생산한다는 목표를 잡고 추진 중이다.
독일의 경우 2011년 '탈 원전'을 선언하면서 2050년까지 전체 전력 생산 비중의 80%를 신재생에너지로 대체하는 목표를 잡은 바 있으며, 지난해 기준으로 27%까지 달성했다. 일본과 영국은 2020년까지 신재생에너지 비율을 각각 20%, 15%까지 늘리기로 했다.
우리나라도 지난해 1월 제2차 에너지기본계획을 발표하면서 2035년까지 신재생에너지 비중을 11%까지 확대하는 것을 목표로 잡은 상태다.
이와 맞물려 ESS 시장도 점차 성장할 것으로 전망되고 있다. 기존 신재생에너지 확산 속도와 마찬가지로 ESS 확산도 지지부진했다. 일상생활에서 쓰는 배터리라면 모를까, 가정부터 도시 단위에 쓰이는 대용량의 에너지를 저장한다는 개념이 과거에는 거의 없었기 때문이다.
하지만 신재생에너지의 한계를 보완하고, 전기 에너지를 더욱 안정적으로 공급할 수 있는 수단으로 ESS가 각광받으면서 성장 가능성이 커지고 있다.
미국 시장조사기관인 네비건트 리서치에 따르면 전세계 ESS 시장 규모는 2013년 기준으로 16조원에 불과했다. 그러나 올해는 약 1.75배 높은 28.1조원, 2020년에는 58.6조원으로 3.6배 이상 성장할 것으로 전망된다.
2012~2014년도 리튬이온 ESS 시장점유율. 출처=B3
삼성SDI, 리튬이온 ESS 분야 '세계 1위' ESS 사업 시작 3년만에 세계 정상에
이처럼 성장 가능성이 큰 ESS 분야를 현재 주도하고 있는 곳은 바로 삼성SDI다. 일본 시장조사업체 B3가 지난해 발표한 '2014년 리튬이온 ESS&UPS 시장전망'에 따르면 삼성SDI는 23.6%로 1위를 차지하고 있다. 특히 2위인 LG화학(20%)의 점유율을 포함하면 국내 기업이 전체 40% 이상을 차지하는 셈이다.
삼성SDI는 원래 1970년 삼성전자에 납품할 디스플레이(화면)를 제조하기 위해 일본 NEC와의 합작으로 설립됐던 업체다. 원래는 브라운관만 생산하다가 이후 PDP, LCD, 아몰레드(AMOLED) 등으로 분야를 넓혔다. 사업 분야도 1989년 케미칼(화학) 사업, 2000년부터 리튬이온배터리 기반의 2차전지 사업 등을 순차적으로 시작하는 등 다각화해 왔다.
삼성SDI의 2차전지 사업 진출은 배터리 사업의 가능성을 눈여겨봤던 이건희 삼성그룹 회장의 지시에 의한 것이었다. 2000년 당시 산요를 비롯한 일본 경쟁사들이 이미 2차전지 분야에서 자리를 굳힌 상태인 반면, 한국은 IMF 경제위기로 몸살을 앓다가 겨우 숨통이 트였던 시기에 새로운 시장에 도전장을 던진 것이다.
그러다가 2008년 아몰레드 사업부가 분사한 것을 시작으로 주력이었던 디스플레이 사업이 삼성디스플레이로 이관되면서 삼성SDI의 주력사업은 2차전지와 케미칼 분야로 바뀌게 된다. 이에 삼성SDI는 소형기기용 배터리로 축적했던 리튬이온 배터리 기술을 바탕으로, 전기자동차용 배터리와 ESS에 쓰이는 중대형전지 분야 사업을 강화하기로 한다.
2010년 ESS 사업을 시작한 삼성SDI는 같은 해 9월 미국의 전력회사인 AES와 전력계통 보조서비스용 20㎿(메가와트)급 ESS 공급계약을 체결하면서 첫 단추를 성공적으로 꿴다.
이듬해인 2011년에는 일본 콘덴서 제조업체인 니치콘사에 가정용 ESS 부품(배터리, BMS)을 공급하기로 했으며, 이후에도 독일, 이탈리아, 영국, 인도 등 고객사를 꾸준히 늘려 왔다.
특히 2013년에는 인도 통신장비 회사인 애크미(ACME)와 110㎿ 규모의 ESS 공급계약을 체결했다.
올해 전세계 리튬이온배터리 기반 ESS 시장 규모는 모두 1044㎿인데 그 10% 규모를 공급하기로 한 것이다. 현재까지 국내 ESS 업체들이 수주해 왔던 규모 중에서도 가장 크다.
출처=삼성SDI
"지금까지 단 한건의 리콜도 없어"..제품 신뢰도 세계 최고
삼성SDI가 내세우는 강점은 ESS의 핵심인 배터리의 신뢰성과 다양한 제품 포트폴리오다. 2차전지 사업은 경쟁업체들에 비해 늦게 시작했지만 배터리에서 가장 중요한 품질과 안전성에서 높은 평가를 받았다는 것이다.
이승준 삼성SDI 커뮤니케이션팀 대리는 "삼성SDI 제품은 지금까지 단 한 건의 리콜사고도 발생하지 않았다"면서 "소형 2차전지 사업부터 이어온 제품 신뢰성을 기반으로 ESS 사업 시작 3년만에 업계 1위로 올라설 수 있었다"고 설명했다.
또 고객사 및 국가의 요구에 각각 최적화된 제품을 공급한다는 점도 삼성SDI가 가진 장점이다. 삼성SDI는 유럽시장에서는 가정용과 전력용을 주로 공급하며, 미국은 상업용, 일본은 가정용 등 국가별로 차별화된 제품을 공급하고 있다.
전력용 ESS의 경우 기존 시도단위의 대규모 전력 공급 시설에 설치되며, 전력 수요가 많을 때 발생하기 쉬운 과부하를 예방하고 안정적으로 전력을 공급하기 위한 보조 시스템으로 운용된다.
삼성SID의 올인원 가정용 ESS. 출처=삼성SDI
특히 유럽시장에서는 삼성SDI의 가정용 ESS가 호평을 받고 있는데, 이는 일반 가정에서 손쉽게 관리할 수 있는 일체형 시스템을 업계 최초로 도입했기 때문이다. 유럽의 경우 태양광 에너지를 효율적으로 쓰기 위해 ESS를 설치하는 가정이 꾸준히 늘고 있는 추세다.
그러나 가정에서 ESS를 쓰려면 태양광 인버터와 PCS, 배터리를 따로 구매한 뒤 설치해야 하는 번거로움이 따랐다.
삼성SDI는 이같은 문제를 해소하기 위해 모든 구성품을 하나의 완제품으로 통합한 '올인원'(All-in One) 가정용 ESS를 지난해 6월 선보였다.
ESS 하나만 구매하면 바로 설치해서 사용할 수 있으며, A/S에 대한 불안감도 덜 수 있다. 각각의 장비를 따로 구매해 설치할 때보다 설치 공간도 적게 차지한다.
삼성SDI의 ㎿ 플랫폼. 출처=삼성SDI
삼성SDI, 리튬이온 ESS 관련 특허도 세계 1위 2위는 LG화학, 국내 업체가 세계 시장 주도
또 삼성SDI는 지난달 미국 애너하임에서 열린 북미 최대 태양광 전시회 '솔라 파워 인터내셔널'을 통해 상업용과 전력용 시장을 대상으로 한 '㎿ 플랫폼'을 공개했다.
㎿ 플랫폼은 에너지 밀도가 높은 전기차용 배터리 셀과 모듈을 적용해 기존 ㎿급 ESS보다 용량 대비 크기를 줄인 것이 특징이다.
아울러 납축전지를 쓰는 기존 ESS나 UPS 시설을 그대로 활용하면서도 납축전지만 리튬이온배터리로 교체 가능한 제품들도 선보였다. 이를 통해 구형 ESS나 UPS 설비를 갖춘 회사들이 저렴한 비용으로 리튬이온배터리 기반 설비를 구축할 수 있다.
시장조사업체 SNE리서치가 1995년부터 올해 4월까지 글로벌 리튬이온배터리 관련 업체들의 특허 보유현황을 조사한 결과에 따르면 삼성SDI가 2416건으로 1위를 차지했다. 2위인 LG화학(1936건)과는 약 500건, 3위인 파나소닉(1467건)과는 1000건가량 차이가 난다.
삼성SDI 측은 "미국, 유럽, 일본 등 선진국을 중심으로 ESS 보급을 위한 정부 주도 사업이 광범위하게 진행되고 있다"며 "향후 2~3년 안에 ESS 시장이 본격적으로 성장할 것"이라고 내다봤다.
네비컨트리서치는 현재 28조 원 정도인 ESS 시장 규모가 5년 뒤인 2020년에는 현재보다 2배 이상 늘어난 58조 원을 넘을 것으로 전망했다.
