에너지 분야의 위기

2022년 에너지 분야의 최대 화두는 ‘에너지 안보’와 ‘기후 위기’이다.

에너지 안보란 에너지 공급이 합리적인 가격으로 차질 없이 이뤄지는 능력을 의미하며, 지난 2월 러시아 사태로 촉발된 에너지 안보 문제는 역사상 전례 없는 연료비 상승을 유발했고, 다가오는 겨울, 전 세계 에너지 시장은 역사상 가장 불확실한 에너지 수급 상황에 직면하고 있다. 이에 EU 국가들은 천연가스의 공급망 다변화와 에너지 저장능력 향상을 위해 노력 하고 있으며 산업 분야 및 각 가정에서의 에너지 절약을 촉구하고 있다.

이 외에도 인도와 유럽 및 북미 지역에서 발생한 이상기 후는 많은 사람에게 피해를 안겨주었고, 이러한 기후 위 기에 따른 식량 생산량 감소는 앞으로도 많은 파급효과를 일으킬 전망이다. 이와 같은 인류가 통제하기 어려운 수준의 기후 위기는 우리의 지속 가능한 발전을 저해하고 미래 전망을 불투명하게 하므로 수준 높은 대응이 필요한 시점이다.

한편 영국의 기후정보 웹사이트인 ‘Carbon Brief’가 지난 170여 년간 발생한 이상기후 현상에 대한 연구보고서 400건을 분석한 결과 전체의 71%에 해당하는 이상기후 현상이 인간의 활동으로 인해 영향을 받은 것으로 분석됐다.

이러한 기후 위기에 대응하고, 굳건한 에너지 안보를 확립하 기 위해서는 에너지 공급망의 다변화와 탄소중립 실현이 매우 중요하다. 2021년 로마에서 개최된 G20 정상회의에서 친환경 에너지 전환 및 에너지 위기 해소를 위한 7대 핵심 원칙을 제시했다.

첫 번째는 에너지 효율 향상이며, 이는 가정과 기업의 에너 지 비용 절감과 수요 감소에 이바지하며 에너지 전환을 달성하는 데 있어 에너지 안보를 강화하는 가장 효율적인 방 법으로 제시됐다. 이를 위해 G20 국가들은 에너지 효율 관 련 정책 수립 및 지원, 투자 확대, 표준 수립에 노력해야 한다는 공감대를 형성했다.

두 번째로, 향후 지속적으로 증가할 재생에너지 발전량 증가에 따라 발생하게 될 계통 불안정성을 해소할 수 있는 계통 유연성 자원의 확보이다. 아울러 기존의 화력발전 축소에 대비하여 대용량 장주기 ESS 확보 등 유연성 관련 인프라 투자를 지속해야 할 것으로 전망했다.

세 번째로, 저탄소 발전 및 기술의 다양화이다. 이는 에너지 안보 문제에 효과적으로 대응할 수 있도록 다양한 에너지 믹스 구축이 중요하다는 것을 나타낸다. 저탄소 발전원으로는 수력, 양수, 원자력 발전 등이 있으며 저탄소 기술로는 이산화탄소 포집 및 수소 · 암모니아 혼 · 전소 연료전환 등이 있다.

네 번째로, 기존 에너지 인프라의 스마트한 활용으로 향후 탄소중립을 실현하기 위해 폐쇄가 예정된 석탄 화력 및 가스 복합화력 발전소에 친환경 기술을 도입해 연료 전환을 추진하는 내용이다. 실례로, 수소 · 암모니아의 생산 · 운반 · 저장을 위해 신규로 구축해야 하는 인프라 를 기존의 천연가스 인프라를 이용한다면 시간과 비용을 절약해 효율적으로 전환할 수 있다. 또한 조기 폐쇄가 예정된 석탄화력발전소도 ‘카르노 배터리’ 열저장 기술을 활용해 개조(Retrofit)한다면 효율적인 연료전환이 가능하다.

다섯 번째로, 석유 에너지 안보의 현대화를 제시했다. 향후 탄소중립 실현이 진행됨에 따라 석유의 수요는 감소하겠지만, 석유는 여전히 에너지 안보에 지속적으로 영향을 미칠 것으로 예상했다. 따라서 에너지 전환 과정에서 지속 가능 한 연료 공급망 시스템이 구축 및 개선돼야 한다.

여섯 번째로, 새로운 에너지 안보 위기에 대비해야 함을 제시했다. 전쟁과 기후변화에 따른 위기는 가스 및 석유 이외에도 리튬, 코발트, 구리 등의 핵심 광물자원의 가격 상승을 불러왔기 때문에, 새로운 공급망을 마련하거나 핵심 광물의 추출 및 재사용 기술의 개발이 필수적이다. 나아가 이러한 물리적 안보 문제뿐만 아니라 사이버 보안 위협에 대한 대응 기술의 마련 또한 중요한 요소로 전망된다.

마지막으로, 가장 중요한 핵심 원칙은 사람 중심의 에너지 전환이다. 에너지 전환으로 발생할 수 있는 기존 에너지 산업 종사자들의 소외나 에너지 가격상승으로 인한 상대적 빈곤 및 사업자들의 수익 감소에 대응해 새로운 수입원을 확보하고 기술을 보급함으로써 생산자 고용 유지 및 수익원 확보가 필요하다고 제시했다.

 

대용량 장주기 에너지저장 기술 개요, 개발 배경, 및 필요성

가. 에너지저장 기술 개요

에너지저장장치(ESS)는 발전소에서 생산된 전력을 저장장 치에 저장했다가 전력이 필요한 시기에 공급하는 시스템이다. 전기는 기본적으로 다른 에너지원 대비 저장 비용이 비싸고, 생산과 동시에 소비하는 것이 일반적이지만 전기 수요가 높은 시기에 전력의 생산이 집중될 뿐만 아니라 재생에너지 발전원으로부터 발생하는 잉여전력 등을 저장하기 위한 수 요가 꾸준히 증가하기 때문에 ESS의 도입이 지속적으로 증가하고 있다.

ESS는 ①신재생에너지와 연계하여 변동성 출력을 제어하고 전력계통을 안정화 ②발전전력과 부하전력 사이의 불일치로 발생하는 주파수 변화를 조정 ③소비량보다 과다하게 발전된 잉여전력이나 저렴한 심야전기를 저장 후 전력 부족 시 공급 ④ 발전소 전력 생산이 일시 중단되면 안정적 전력을 신속하게 공급하기 위한 목적으로 활용된다.

전력망의 출력을 안정화하기 위한 ESS의 충 · 방전 시간은 수초에서 1시간 내외이며, 이러한 ESS를 단주기 ESS로 구분한다. 그리고 에너지 수급 안정화를 위해 잉여전력 저장, 피크 저감, 부하이동 및 송배전망 신증설을 대체하기 위해 활용되는 ESS는 장주기 ESS로 구분하며, 수십~수백 MW의 출력 과 4시간 이상의 충 · 방전 시간을 확보할 수 있다.

ESS는 변환에너지에 따라 네 가지로 분류할 수 있으며 ① 전기화학적 저장, ② 기계적 저장, ③ 열저장, ④ 화학적 저장으로 분류된다. 전기화학적 저장은 주로 배터리 기반의 ESS를 지칭하며, 상용화 단계의 리튬이온 배터리(LiB), 바나듐 레독스 플로우 배터리(VRFB), 나트륨황 배터리(NaS) 기반의 ESS뿐 아니라 연구개발 중인 금속 공기 배터리, 나트륨 이온 배터리, 용융 금속 배터리 기반의 ESS도 포함된다. LiB 및 NaS는 각각 리튬 이온과 나트륨 이온을 사용해 가역적으로 충전과 방전을 할 수 있는 배터리이며, 특히 LiB는 전 세계적 으로 양수발전과 함께 가장 널리 쓰이는 ESS이다.

VRFB는 LiB와 NaS와는 달리 전해질 내의 바나듐 이온이 산화 및 환 원반응을 거쳐 충전 및 방전된다. 금속 공기 배터리는 아연, 알루미늄 등의 금속이 공기 중 산소와 결합해 전기를 발생시 키는 차세대 배터리이다. 나트륨 이온 배터리는 기존의 리튬 이온 배터리를 대체하기 위해 개발되는 2차전지이며, 리튬 이온에 비해 저렴한 가격이 장점이다. 용융 금속 배터리는 높 은 온도에서 용융된 염화나트륨(NaCl)을 전해질로 사용하는 배터리이며 용융염을 고열로 용융시키면 전기를 생산할 수 있다.

기계적 저장은 전력을 위치에너지나 운동에너지로 저장하거나 공기의 압력을 변화시켜 저장하는 기술이다. 대표적인 기술은 양수발전, 플라이휠, 중력에너지 저장, 압축 및 액화 공기저장이 있다. 양수발전은 잉여전력을 활용해 물을 상부 저수지에 양수 후 저장해 두었다가 전력이 필요한 경우 물을 하부 저수지로 흘려서 수차발전기를 운전해 발전하는 기술 이며, 전 세계적으로 대용량 장주기 ESS에 활용되고 있다.

플라이휠은 회전 운동에너지를 플라이휠에 저장해 두었다가 전력이 필요한 경우 짧은 시간 동안 빠르게 공급할 수 있는 기술이다. 중력에너지 저장은 잉여전력을 이용해 크레인 또 는 기차로 중량물을 상부에 이송한 후 전력이 필요한 시점에 중량물을 중력을 이용해 자유 낙하시켜 발전기를 운전, 전 력을 생산하는 기술이다. 압축공기 에너지 저장기술은 잉여 전력을 활용해 공기압축기를 운전시켜 압축공기를 생산, 지하 공동이나 금속 탱크에 저장해 두었다가 전력이 필요한 경 우 저장된 압축공기를 에어터빈에 공급해 발전하는 기술이다. 액화공기 에너지저장 기술은 잉여전력을 이용해 액화기를 운전시켜 공기를 액화시킨 후 별도의 저장 공간에 저장해 두었다가 전력이 필요할 때 액화공기를 기화시킨 후 에어터빈에 공급해 발전하는 기술이다.

열저장은 전력을 이용해 히트펌프나 전기 히터를 운전해 열을 생산한 후 열저장 매체에 저장하는 기술이다. 주로 활용되는 열저장 매체는 용융염, 화산암, 콘크리트가 있으며 실리콘 기반의 초고온 열저장 매체 또한 개발단계에 있다. 열저 장 기술 중 기존 석탄화력발전의 폐쇄에 따른 좌초자산 (증기발생기, 증기터빈, 송변전 설비, 석탄 선적 항만 부지 등)을 활용해 저장된 열로 증기를 발생시킨 후 증기터빈을 운전하여 전력을 생산하는 ‘카르노 배터리’ 기술이 주목받고 있으며, 현재 미국과 독일 등 국외에서 활발하게 연구개발이 진행되고 있다.

화학적 저장은 전력을 이용하여 수전해 설비를 운전하여 수소를 생산한 후 저장해 두었다가 필요시 발전에 활용할 수 있는 기술이다. 수소경제 시대에 중요한 P2G(Power to Gas) 기술은 재생에너지로부터 발생하는 잉여전력을 활용 하여 수소를 생산 · 공급하는 비즈니스 모델로 주목받고 있 으며, 한전에서도 그린 수소 및 그린 암모니아 생산 사업에 참여 중이다.

현재 ESS는 전 세계적으로 70개 이상의 기술이 개발 중이거나 상용화되어 있다. 전력연구원에서는 지난 2021년 국 내 · 외에서 기술 개발 추진 중인 23개 에너지 저장기술의 개 발 현황을 분석하였고, 관련 전문가들과 기술의 타당성을 파악하고 에너지 저장 기술별 핵심 요소기술을 제시하였다. 그리고 현재 국내의 기술 개발 수준, 입지 조건 및 활용성 등 을 고려해 5개의 최적 기술을 도출한 바가 있다.

나. 대용량 장주기 에너지 저장기술 개발 배경 및 필요성

IRENA에서 2022년 발행한 ‘World Energy Transitions Outlook 2022 : 1.5℃ Pathway’에 따르면 2050 탄소중립 을 실현하고 전 세계의 평균 기온 상승량을 1.5℃로 억제해 기후 위기를 사전에 차단하기 위해 2030년까지 재생에너지 발전 비중을 전체 발전 비중의 65%로 제안했으며, 이를 위해 추가로 설치돼야 하는 재생에너지 발전 용량은 8,000GW 에 달할 전망이다.

지난 7년 동안 대부분의 새로운 ESS 단주기 에너지 저장 위 주로 보급됐으며 전 세계 시장에서 배터리 업계의 성장을 위 한 토대를 제공했다. 현재 시점에서는 대규모 재생에너지 발 전단지의 변동성 출력을 수용하기 위해 장주기 에너지 저장 의 필요성이 증대되고 있다.

우리나라에서는 2050 탄소중립 실현을 위해 재생에너지 3020 정책이 지난 2017년 수립된 바 있으며, 곧 수립될 예 정인 10차 전력수급기본계획에서 2030 국가 온실가스 감 축목표(NDC) 상향 및 2050 탄소중립 시나리오가 구체화 될 전망이다. 이에 따라 2030년까지 신재생에너지 발전 비 중을 20%까지 늘리기 위해서는 2022년 약 29GW의 발전 용량을 2030년 약 72GW로 큰 폭으로 늘려야 한다. 따라 서 변동성 전원으로 인한 계통 불안정성에 반드시 대비해 야 하며, 대용량 ESS와 송전망의 확충이 필수적으로 선행 돼야 한다.

지난 3월 기준 국내 지역별 신재생에너지 발전 현황은 호남 권 9.6GW(33%), 영남권 6.0GW(21%) 수준으로 전력인프라 가 상대적으로 부족한 영 · 호남 농어촌 지역에 집중(54%)되어 있으며, 지속적인 송배전망 보강에도 불구하고 접속용량 부족 및 접속 대기 문제가 발생하고 있다. 제주지역에서는 전 력수요 대비 신재생에너지 급증에 따른 발전력 과잉 현상으 로 인해 풍력발전 출력제한(Curtailment)을 장기간 시행하 고 있으며, 전력계통의 안정적인 운영에 어려움이 발생하고 있다. 따라서 이러한 현상을 효과적으로 해결하기 위한 압축 공기 저장이나 열저장 등 대용량 장주기 에너지저장장치의 도입이 시급하다.

전 세계 ESS 시장 동향 및 전망

장주기 ESS는 다음 네 가지 용도로 주로 활용된다. 첫 번째 로, 전력계통에서 부하량이 최대가 되는 시간과 재생에너 지 발전량이 최대가 되는 시간이 서로 다르므로 최대전력 수요 시간으로 에너지를 이동하기 위한 ‘재생에너지 이동’ 목적으로 활용된다. 두 번째로는 변전소 및 기타 장비가 최 대전력수요를 잘 처리할 수 있도록 ‘송배전 자산 최적화’ 목 적으로 활용된다. 세 번째로는 전력계통 내 발전 용량의 요 구 사항을 지원하기 위해 순동 예비력, 비순동 예비력, 부하 추종과 같은 기존 화력발전에서 제공 가능한 ‘예비 용량’ 기 능으로 활용된다. 마지막으로 도서 지역과 같이 주요 전력 그리드에 접속하지 못하는 경우 재생에너지와 연계한 ‘복원 력 및 마이크로 그리드’의 역할을 수행한다.

장주기 ESS는 2018년에서 2027년까지 전 세계적으로 신 규 설치 용량이 꾸준히 증가하며, 전력계통 예비력 → 송배전 자산 최적화 → 재생에너지 이동 순으로 적용이 확대될 전망 이다. 향후 전력 수급 계약 경쟁, 전력계통 서비스의 신규 창 출로 태양광과 풍력과 연계된 장주기 에너지 저장 보급이 확 대될 전망이다.

 

신규 장주기 ESS는 2027년까지 아시아 태평양, 서유럽 및 북미 지역에 주로 설치될 전망이며, 이 세 지역의 비중은 86.7%에 달할 전망이다. 아시아 태평양 지역의 경우 풍력 및 태양과 연계 장주기 ESS의 연간 평균 성장률(CAGR)은 각각 56.6% 및 48.5%가량 증가할 전망이다.

향후 도입되는 장주기 ESS의 80%는 4~8시간의 저장 시 간을 가지며, 리튬이온 배터리 기반 ESS의 도입이 대세가 될 전망이다. 8~12시간 에너지 저장을 위한 ESS의 연간 평 균 성장률(CAGR)은 27년까지 91.3%, 누적 시장 규모가 39.4GWh 수준이 될 전망이다.

2022 약 1GWh 규모의 장주기 ESS가 시장에 진입할 전망 이며, 신규 시장의 창출에 대한 대비가 필요하다. 2022년 이 후 리튬이온 배터리 기반 ESS 외에도 압축공기 에너지저장 의 도입이 확대되며, 양수발전의 경우 꾸준히 설치가 증가 할 전망이다.

국내의 경우 2021년까지 설치된 주파수 조정용 ESS의 규모 가 376MW, 양수발전이 4.7GW이다. 향후 단주기 저장장치는 주파수 조정 외에도 계통 안정용으로 700MW 규모의 신규 ESS 설치가 필요하며, 속응성 전원인 복합화력 발전과 양수발전의 부재 시 2031년까지 최대 2.4GW 규모의 신규 ESS 설치가 필요할 전망이다. 양수발전의 경우 2034년까지 1.8GW의 추가 설치 후 입지제약으로 인해 더 이상의 사업 추진이 어려운 현황이다. 향후 신재생발전 비중이 35% 초 과 시 장주기 에너지저장장치의 수요가 급증하며, 2040년 까지 총 9GW 규모의 ESS가 설치될 전망이다.

에너지 저장기술의 현황과 미래 전망을 살펴보았다. 장주기 에너지 저장 수요를 주도하는 특정 요인은 전 세계 시장에 서 상당히 다양하다. 그러나 새로운 장주기 에너지 저장에 대한 전반적인 수요의 가장 큰 원동력은 재생에너지 발전의 보급 증가이다. 출력변동 재생에너지 발전 용량이 크지 않으 면 장주기 에너지 저장의 경제성이 낮다. 따라서 장주기 에 너지 저장 공급업체나 프로젝트 개발자는 재생에너지 보급 이 이미 임계점에 도달했거나 곧 도달이 예상되는 시장을 대상으로 도입해야 한다.

정부 지원 또한 장주기 에너지저장 기술의 시장 동력 중 하나이다. 전 세계 정부는 재생에너지 발전에 크게 의존하는 전력 시스템의 핵심 요소로서 장주기 저장의 중요성을 인식 하고 시장의 성장을 지원해 왔다. 이러한 노력에는 국가 연 구기관과 대학교의 연구개발을 위한 자금 지원, 새로운 프 로젝트를 위한 신속한 허가와 보조금 지원 등 다양한 조치 가 포함됐다.

신재생발전과 직접적인 상관관계를 고려할 때, 많은 장주기 에너지 저장 프로젝트가 재생에너지 발전단지와 연계하여 배치될 것이다. 이것은 상호 공유 접속, 프로젝트 인프라, 단 일 전력 수급 계약(PPA)에서 시스템을 결합할 수 있는 기능 을 통해 장점과 비용 절감 효과를 제공한다. 북미, 유럽 및 아시아 태평양 지역에서는 이미 재생에너지와 연계한 대용 량 장주기 ESS가 지속적으로 보급되고 있다. 재생에너지의 보급률이 높은 지역에서는 발전 중 발전 단가가 하락하거나 과잉 발전에 따른 잉여전력이 발생하게 되므로 ESS의 활용 성이 증대된다.

ESS는 열, 전기, 수소를 포함한 다양한 에너지원을 매개체로 유동성, 산업 및 청정 전력 부문 간의 상호 결합이 필요하다. 그래서 장주기 에너지 저장 기술 개발자와 공급자는 지역 유틸리티 및 전력계통 운영자와 긴밀히 협력해 그들의 요구를 이해하고 시장 발전에 대한 그들의 견해를 인식하는 것이 필수적이다. 개발자와 공급업체 또한 장주기 에너 지 저장이 미래 에너지 시스템의 중요한 부분으로 어떻게 자리매김해야 하는지 그 방법을 결정해야 한다. 장주기 에 너지 저장기술 도입 장려에 필요한 행동과 정책변화 탐구 를 위한 정책 입안자 및 규제 기관과의 가교 구축은 제한적 이기 때문에 기술 개발 및 보급 로드맵의 공유가 필요한 상 황이다.

정책적 관점에서 에너지저장 관련 혁신적인 기술과 애플리 케이션을 성공적으로 개발하기 위해서는 전체 시스템 관점 에서 정책 입안 후 시행하는 것이 필수적이다. 그 후에 에너 지 시스템에서의 에너지 저장 필요성 홍보 및 모든 이해관계 자 사이의 대화와 이들에 대한 체계적인 교육이 매우 중요 할 것이다.

한편 전 세계적으로 장주기 에너지 저장을 위한 공통적 추 진에도 불구하고, 규제 제정, 현재의 발전원과 자원의 믹스, 지역 전력계통 운영자의 견해에 따라 각각 개별 시장의 고 유한 특성이 남게 될 것이다. 가령 양수발전과 압축공기 에 너지 저장기술은 지리적 제한으로 인해 신규 도입에 장벽이 있으며, 리튬이온 배터리의 급성장(성능 및 가격 경쟁력)과 신기술에 대한 신뢰성 부족 또한 신규 대용량 장주기 ESS의 보급과 기술 성숙도를 높이는데 저해 요소가 되고 있다. 현 재 ESS는 배터리 기술로 치부되는 경향이 지배적이며, 미래 형 시스템 구축을 위해 대체 방안의 개발이 긴요한 실정이 다. 또한 대체 기술들이 동등한 시장 기회를 가질 수 있도록 보장하는 것이 중요하다.

에너지 저장은 최종 목표와 연계된 기술, 즉 저렴한 청정에 너지 기술을 보다 적극적으로 채택 → 개발 → 보급하는 것 이 중요하며, 이 과정에서 미래형 가치사슬을 구축해야 한 다. ESS는 에너지 생산자, 유통자, 시스템 운영자, 소비자 등 가치사슬의 모든 행위자에게 혜택을 제공할 것이다.

2030년까지 온실가스 배출량 감축목표를 달성하고, 친환 경 에너지 발전 비중을 높이기 위한 에너지 저장 기술은 각각의 에너지 커뮤니티에서 활용 가능성과 적용 입지를 모 두 고려한 에너지 믹스를 마련해 기술 확보 전략을 수립하여야 한다.

2025년까지의 단기 기술 확보 전략은 ① 에너지 수요처 인 근에 조성이 가능한 최적 재생에너지 발전원 도출, ② 도입 가능한 에너지 저장 믹스 도출, ③ 에너지저장 기술 최적 입 지 조사이다. 이는 에너지 커뮤니티의 현재 상황에 대한 이 해를 바탕으로 적절한 장주기 에너지 저장기술을 선택하 여 가장 효율적인 에너지 커뮤니티 운영을 위한 기반을 마 련하는 단계이다.

다음으로 2029년까지의 중기 기술 확보 전략은 ① 에너지 저장기술 대용량화 및 고 에너지밀도 확보, ② 재생에너지 발전단지 – 대용량 에너지 저장단지 연계 운전 기술 확보, ③ 해양에너지 저장 기술 타당성 검토 및 최적 후보지 조사가 될 것이다.

마지막으로, 2030년 이후의 장기 기술 확보 전략은 에너지 저장기술 포트폴리오를 확보하고, 하이브리드 에너지 저장 기술을 개발하며, 입지별 · 용도별 에너지 저장 기술을 효과 적으로 활용하는 것이다. 이렇게 체계적으로 수립된 기술 확 보 전략과 전력계통 운영 전략을 기반으로 2050 탄소중립 을 위해 대용량 장주기 에너지저장 기술이 핵심적인 역할을 할 것이다.

우상균 한전 전력연구원 대용량ESS연구실장 여세동 한전 전력연구원 일반연구원 keaj@kea.kr