[배터리완전정복](32)ESS, 전기차 캐즘 극복할 돌파구될까

LG에너지솔루션의 사내 독립 기업인 에이블(AVEL)은 지난 3월 제주도청과 한국전력으로부터 에너지저장장치(ESS·Energy Storage System) 발전소 인허가를 취득했다. ESS 발전소로 전기사업허가를 받은 첫 국내 첫 사례다.

에이블은 ESS를 연계한 재생에너지 전력망 통합 관리 사업을 위해 지난 2022년 10월 출범했다. 재생에너지가 급증하고 있지만 수요와 공급의 불일치로 출력 제어가 빈번하게 발생하고 불규칙한 날씨로 인해 발전량을 예측하기 어렵다는 문제를 배터리 기술로 해결하자는 취지로 시작했다.

출범 1년여 만에 구체적인 성과를 내고 있다. 에이블은 제주도에서 단독형 ESS 발전소를 운영할 예정이다. 재생에너지로 생산한 전기를 저장해 필요한 곳에 공급하는 사업이다. 이를 위해 제주 서귀포시 표선면에 배터리 용량 6.3메가와트시(MWh) 규모의 발전소를 구축할 계획이다.

에이블은 가상발전소(Virtual Power plant·VPP) 사업도 준비하고 있다. VPP는 정보기술(IT) 기술을 이용해 분산된 자원을 한곳에 모아 하나의 발전소처럼 관리하는 새로운 개념의 발전소다. 오는 6월 시행되는 분산에너지활성화특별법을 계기로 VPP 사업자가 크게 늘어날 것으로 예상된다. VPP 사업에서도 ESS가 핵심적인 역할을 하게 된다.

전기차 성장세가 둔화하는 캐즘(Chasm) 시기를 맞아 ESS가 이차전지 업계의 새로운 돌파구로 주목받고 있다. 전세계적으로 태양광, 풍력 등 재생에너지가 급증함에 따라 ESS 시장도 고속 성장할 것으로 전망된다. 세계 주요국들도 정부 차원에서 ESS 장려 정책을 펼치고 있다. 국내 배터리 3사 역시 ESS 사업을 새로운 수익원으로 보고 사업을 확대하고 있다.

신재생에너지와 단짝, ESS

한번 생산한 전기는 가둘 수 없다. 그래서 예전부터 전기가 남아돌 때 저장했다 부족할 때 쓸 수 있는 다양한 방법들을 찾기 시작했다. 가장 대표적인 것이 양수발전이다. 양수발전은 야간에 남는 전력을 이용해 물을 댐 위로 끌어 올린 뒤 전력 수요가 많은 낮 시간대에 물을 방류해 전기를 생산한다. 양수발전은 ESS의 가장 고전적인 형태라 할 수 있다.

최근에는 이차전지를 활용한 ESS의 비율이 압도적으로 높다. 특히 리튬이온 배터리 등장 이후 거의 모든 ESS는 리튬이온 배터리를 이용하고 있다. 리튬이온 배터리는 다른 배터리에 비해 높은 에너지 밀도와 에너지 효율, 수명 사이클 측면에서 강점을 지니고 있다. 또 전기차의 확산으로 리튬이온 배터리를 대량 생산할 수 있게 됨에 따라 가격도 크게 낮아졌다.

리튬이온 배터리뿐 아니라 향후에는 바나듐 배터리, 나트륨이온 배터리, 나트륨황(NaS) 배터리 등 다양한 이차전지가 ESS에 쓰일 것으로 예상된다.

ESS는 크게 네 부분으로 구성된다. ▲전기를 저장하고 방전하는 배터리 ▲배터리의 전압·전류·온도 등을 제어하는 BMS(Battery Management System) ▲직류를 교류로 변환 후 전력을 공급하는 PCS(Power Conversion System·전력변환장치)▲배터리·PCS·BMS를 제어하는 운영 시스템인 EMS(Energy Management System)가 그것이다.

ESS는 예전에는 비상전원장치(UPS)로 많이 쓰였다. 일시적 단전 등으로 인해 빌딩 등에 전력을 공급받을 수 없는 때 비상용으로 전력을 공급하는 역할이다.

근래에는 태양광, 풍력 등 신재생에너지의 보급과 함께 ESS가 신재생에너지의 품질을 높이는 용도로 많이 쓰인다. 신재생에너지는 생산이 일정하지 않기 때문에 전압과 주파수가 불안정한데 이는 전력계통에 부담을 준다. 주파수가 급격히 변하면 전력 기기가 고장을 일으킬 수 있는 것이다. 이때 ESS를 사용하면 주파수 및 전압을 조정해 전력 계통을 안정적으로 운용할 수 있다.

ESS는 전력 수요를 분산시키는 역할도 한다. 전력 수요가 몰리는 피크 시간대에 ESS에 저장했던 전력을 공급한다면 그만큼 전력을 덜 생산할 수 있고 에너지 비용을 절감할 수 있게 된다. 가정에서는 낮에 태양광으로 생산한 전기를 ESS에 저장했다 저녁에 사용할 수 있기 때문에 전기 요금을 아낄 수 있다.

ESS는 신재생에너지의 급속한 확대로 발생하는 부작용을 해소할 수 있다. 예를 들어 태양광 자원이 풍부한 곳에서는 낮에 필요 이상으로 많은 전력을 생산해 공급과 수요가 일치하지 않는 현상이 발생한다. 이러한 수급 불균형을 잘 보여주는 것이 이른바 '덕 커브(Duck Curve)'다.

덕 커브는 전력 수요에서 태양광 등 재생에너지 발전량을 차감한 순수요(Net Demand)를 곡선으로 나타낸 것이다. 이때 낮 시간에 곡선이 밑으로 움푹 팬 모습을 띠게 되는데 마치 오리의 모양과 닮았다 하여 붙여진 이름이다.

캘리포니아에서는 덕 커브 현상이 심해져 아예 계곡처럼 낭떠러지 모양을 나타내 '캐년 커브(Canyon Curve)''라는 말까지 나온다. 캘리포니아가 ESS 설치를 의무화하는 배경이다.

ESS는 이같은 재생에너지의 편중 현상을 누그러뜨릴 수 있다. 미국의 경우 서부는 태양광, 중부는 풍력 자원이 풍부하다. 향후 재생에너지 비중이 증가할수록 재생에너지 자원이 많은 지역에서 초과 발전이 발생할 수밖에 없는데 이를 저장하거나 다른 지역으로 보낼 필요성이 증가하게 된다. ESS가 이같은 재생에너지의 부작용을 해결할 수 있는 근본적인 방법이 될 수 있다.

美·中은 의무화하기도…전 세계 ESS 시장 2030년 53조원으로 성장

주요국들은 신재생에너지 확대와 함께 ESS 보급을 위해 설치 의무화, 보조금, 전력 시장 참여 유도 등 다양한 정책을 추진하고 있다.

미국은 캘리포니아, 오레건, 매사추세츠, 뉴욕, 뉴저지 등 5개 주에서 ESS 설치를 의무화하고 있다. 또 2022년 8월 인플레이션 감축법(IRA) 도입 이후 투자세액공제(ITC)를 통해 ESS 설치 투자비에 대해 세액을 공제해주고 있다. 이와 함께 ESS가 전력 도매 시장에 참여할 수 있도록 지침을 제정했다.

중국은 2025년까지 ESS 설비 규모를 30기가와트(GW) 이상으로 확대하고 ESS 비용을 30% 감축하겠다는 목표를 세웠다. 또 신규 유틸리티 규모의 재생에너지 발전 설비에 대해서는 ESS 연계를 의무화하고 있다. 또 설비 기준을 충족하는 ESS 설비에 대해 지방 정부에서 보조금을 지급한다.

유럽은 2023년 3월 ESS의 수익성 · 및 보급 확대를 위한 가이드라인(Recommendation on Energy Storage)을 발표했다. 독일과 호주는 가정용 ESS 위주로 보급중이다.

인도는 2032년까지 51~84GW 규모의 ESS 설치를 계획하고 있다. 또 전체 전력 수요에서 ESS로 충당하는 비중이 2030년까지 4%에 도달하도록 의무화 정책을 시행하고 있다.

재생에너지 비중 증가와 각국의 정책 드라이브에 힘입어 ESS 시장은 급격하게 성장할 것으로 전망된다. 블룸버그NEF의 전망(2023년)에 따르면 ESS 설비 규모(양수발전 제외)는 2022년 91.5기가와트시(GWh)에서 2030년 1432GWh로 10배 이상 증가할 전망이다. 글로벌 ESS 연간 시장 규모는 2022년 152억달러에서 2030년 395억달러(약 53조4830억원)까지 증가할 것으로 전망했다.

지역별로는 미국과 중국이 글로벌 ESS 보급량의 절반 이상을 차지하며 주요 선진국에게서도 보급량이 지속적으로 증가할 것으로 예상됐다.

기술별로는 리튬이온 배터리 기반이 ESS의 95% 이상을 차지하는 가운데 리튬인산철(LFP) 배터리의 비중이 점차 증가할 전망이다. 블룸버그NEF는 2022년을 기점으로 LFP 배터리가 삼원계(NCM·NCA) 배터리를 추월했으며 2030년까지 ESS 시장을 주도할 것으로 예상했다.

국내 에너지 전문 시장조사기관인 SNE리서치는 올해 리튬이온 배터리 ESS 시장 규모가 전년 대비 27% 성장한 235GWh를 기록할 것으로 전망했다. 이후 연평균 10.6% 성장하며 2035년에는 618GWh까지 커질 것으로 내다봤다.

금액 기준으로는 올해 400억달러에서 2035년 800억 달러 수준으로 2배가량 늘어날 전망이다. 지역별로는 중국이 가장 큰 비중을 차지할 것으로 예상됐다. 이어 북미가 지난해 55GWh에서 2035년 181GWh까지 급성장할 것으로 전망됐다.

韓 보조금 축소·화재 영향 ESS 위축…배터리 3사는 '새 먹거리'

우리나라는 2022년 기준 4.1GW 규모의 ESS 설비를 보유해 세계 4위를 유지하고 있다. 산업통상자원부에 따르면 국내 ESS 신규 설치량은 2018년 3836MWh로 최대치를 기록했으나 2022년에는 252MWh로 15분의 1 규모로 축소됐다.

우리나라는 재생에너지와 연계한 신재생에너지보급인증서(REC) 가중치 부여, 충전요금 할인, 설치비 지원 등 보급 정책이 축소됨에 따라 시장이 침체했다. 특히 2017년 이후 총 50건(2023년 9월 기준)의 화재 사고가 발생한 것도 시장이 급속도로 위축된 요인이 됐다.

정부는 지난해 10월 에너지스토리지 산업발전 전략을 발표했다. 하지만 주요국에서 도입하고 있는 보조금, 설치 의무화 등의 강력한 정책은 포함하지 않았다. 다만 정부는 저탄소 중앙계약 시장, ESS 연계 재생에너지 입찰 시장 등 시장 제도에 기반해 ESS 보급을 확대한다는 계획이다.

국내 배터리 3사는 ESS 시장을 새로운 수익원으로 보고 적극 공략하고 있다. LG에너지솔루션은 시장 확대가 예상되는 LFP용 ESS를 강화하고 있다. 이 회사는 현재 오창과 중국 난징에서 ESS용 LFP 배터리를 생산하고 있다.

LG에너지솔루션은 아예 ESS 전용 LFP 배터리 생산 라인도 갖출 예정이다. 4월에 착공한 미국 애리조나 공장에서는 원통형 배터리(36GWh)와 함께 ESS 전용 LFP 배터리(17GWh)를 생산한다. 준공 예정 시기는 2026년이다.

삼성SDI는 울산과 중국 시안 공장에서 ESS를 생산하고 있다. 삼성SDI는 NCA 배터리 기반으로 에너지 밀도와 안전성을 강화한 일체형 ESS 시스템인 'SBB(삼성 배터리 박스)를 통해 시장을 공략하고 있다.

SK온은 2021년 북미 ESS 기업인 'IHI 테라선 솔루션'과 손잡고 미국 현지에서 재생에너지와 연계한 ESS 사업을 전개하고 있다.


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