에너지저장 기술개발 및 산업화 전략

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현아 윤
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2 I. 개념및중요성 II. 현황및당면과제 III. 비전및추진전략 IV. 전략과제

4 1. 에너지저장시스템개념 생산된전력을전력계통 (Grid) 에저장했다가전력이가장필요한시기에공급하여에너지효율을높이는시스템 발전소 송전배전서비스 대규모저장 송배전효율향상용저장 수용가측저장 ( 화력발전, 신재생등 ) ( 변전소설치 ) ( 가정용, 상업용등 )

5 2. 안정적전력공급실현이가능한기술 경부하시 ( 야간 ) 유휴전력을저장하고 과부하시 ( 주간 ) 사용함으로써, 부하 평준화 (Loading Leveling) 를통한 전력운영의최적화가가능 전력예비력을확보하여여름 / 겨울철의전력피크및대규모정전사고등에효과적으로대응 - 지난 1월, 우리나라의최대전력수요경신 (7314만kW, 전력예비율 5.5%, ' ) 전력예비율 6% 이하일경우정전사태나제한송전발생가능 - 여수산단정전사고 ('11.1, 피해액 : 약 700억원 ) 와같은대규모정전사고에대한사전예방이가능하고, 원전등의발전소운영시비상전력으로활용가능

6 3. 신재생에너지확대를위한필수기술 태양광, 풍력등외부환경에따라 출력변동성이심한신재생에너지원을 고품질전력으로전환하여전력망에 연계가능 4. 스마트그리드구현을위한핵심기술 에너지저장을통한전력효율극대화는공급자와소비자가정보를교환하여 에너지효율을최적화하는스마트그리드의핵심요소

7 종류 작동원리및특징 LiB ( 원리 ) 리튬이온이양극과음극을오가며전위차발생 ( 리튬 ( 장점 ) 高에너지밀도, 高에너지효율이온전지 ) ( 단점 ) 안전성, 수명未검증, 高비용 NaS ( 나트륨황전지 ) RFB ( 레독스흐름전지 ) Super Capacitor ( 수퍼커패시터 ) Flywheel ( 플라이휠 ) CAES ( 압축공기저장시스템 ) ( 원리 ) 300~350 의온도에서용융상태의나트륨이온이전해질을이동하면서전위차발생 ( 장점 ) 高에너지밀도, 低비용, 大용량화용이 ( 단점 ) 고온시스템필요, 低에너지효율 ( 원리 ) 전해액內이온들의산화 환원전위차를이용하여전기에너지를충ㆍ방전 ( 장점 ) 低비용, 大용량화용이, 장시간사용가능 ( 단점 ) 低에너지밀도, 低에너지효율 ( 원리 ) 소재의결정구조내에저장되는전지와는달리, 소재의표면에대전되는형태로전력저장 ( 장점 ) 高출력밀도, 長수명, 안정성 ( 단점 ) 低에너지밀도, 高비용 ( 원리 ) 전기에너지를회전하는운동에너지로저장했다가다시전기에너지로변환 ( 장점 ) 高에너지효율, 長수명 ( 단점 ) 초기구축비용과다, 低에너지밀도 ( 원리 ) 잉여전력으로공기를동굴이나지하에압축, 압축된공기를가열하여터빈을돌리는방식 ( 장점 ) 대규모저장가능, 低발전단가 ( 단점 ) 초기구축비용과다, 지리적제약

9 1. 세계시장현황및전망 현재는시장태동기이나신재생에너지확산, 고품질전력수요확대등에따라급속하게시장이성장할전망 ( 시장현황 ) 미국, 일본등일부선진국중심으로 2010 년기준 2 조원규모의초기시장형성 - '10 년 850MW 의저장용량이보급 : 전력계통용 ( 장기저장 ) 80%, Ancillary 서비스용 ( 단기저장 ) 20% ( 시장전망 ) 신재생에너지확산, Global 전력수요의증가에따라세계 ESS 시장이급팽창 - '10년 2조원 '20년 47.4조원 ( 약 24배의성장이예측 ), '30년에는 120조원규모의시장이형성될전망 - 저장용량은약 16배성장예상 ('11년 1,206MW '20년 20,105MW)

10 2. 세계기술개발동향및전망 선진국위주로에너지저장연구개발및실증을활발히추진중, 향후에는전력망용대규모저장위주로기술개발이전개될전망 일본 미국 신재생발전소용, 가정용등다양한분야에서기술개발추진 : 나트륨 - 황전지, 리튬이온전지등에서앞선기술력보유 공공기관 (ARPA-E, EPRI 등 ), 대형전력회사 (AES 社, AEP 社 ) 중심으로기술개발및실증적극추진 유럽 프랑스 Saft 社, 독일 Conergy 社등이참여하여국책과제인 Solion 프로젝트추진 ( 향후전망 ) 연구개발ㆍ사업화가가속화되고, 특히전력망 (Grid) 용대규모저장기술과가정용 ESS 개발에 대한수요가확대될전망 - 발전소, 변전소등전력공급안정화를위한중대형저장수요가증대하여대용량화되는방향으로기술개발이진행될것으로예상 - 중장기적으로실시간전력거래가가능해지는스마트그리드확산에따라가정용에너지저장기술개발수요도크게확대될전망

( 일본 ) 북해도 Rokkasho 소재 51MW 풍력발전소 2008 년 8

풍력발전소 SCE 社가 Tehachapi 사막지역의풍력발전소에에너지저장실증

억원 / 년, 에너지부 (DOE) 가 1:1 matching 으로지원 ( 유럽

11 ( 일본 ) 북해도 Rokkasho 소재 51MW 풍력발전소 2008 년 8 월이후 34MW(250MWh) NaS 전지시스템도입ㆍ운영 - 풍력발전단의출력평탄화실증 전력품질이높아고가로판매 - 일반전력의경우약 3 /kwh 인데반하여 9 /kwh 로판매 ( 미국 ) Tehachapi 풍력발전소 SCE 社가 Tehachapi 사막지역의풍력발전소에에너지저장실증 에너지저장시스템은 8MW(32MWh) 용량의리튬이온전지로구성 사업규모는 250 억원 / 년, 에너지부 (DOE) 가 1:1 matching 으로지원 ( 유럽 ) Solion 프로젝트 태양광주택의리튬이온전지도입타당성을평가하기위한프로젝트 - '08.8월부터 75개시스템 (5~15kWh) 에대한실증사업추진 ('12년사업화목표 ) 독일환경부와프랑스경제성이공동지원하고 Saft 社, Conergy 社, Tenesol 社등이참여

12 3. 우리나라의현황및당면과제 중장기적인국내에너지저장수요에미리대응하고, 급팽창하는해외시장선점을위해, 국내 ESS 시장을조기에창출할필요 세계최고수준도약을위한전략적기술개발및투자확대, 실증지원, 산업인프라구축이시급 현재는시장형성전의실증단계이나, 향후전력소비량증가및신재생에너지확대에따라 중장기적으로는수요가급팽창할전망 - '15 년까지 960MW, '20 년까지 1680MW 규모의에너지저장수요예측 ESS 설치유인부족으로국내시장형성이더디게진행되어산업화추진에걸림돌이될가능성 중장기적인에너지저장수요에선제적으로대응하고미국등급팽창하는해외시장선점을위해 국내시장창출을촉진할필요 국내시장활성화를위한제도적지원방안마련필요

13 3. 우리나라의현황및당면과제 상용화정도, 원천 부품소재기술수준, 실증경험측면에서선진국보다열세 - (R&D 현황 ) 일부기술은상용화단계에도달하였으나, 그외의기술은초기기술개발단계수준 - ( 기술수준 ) 리튬이온전지는최고수준의제조기술로해외수출이가시화되었으나, 전반적인 ESS 원천ㆍ부품소재기술은미흡 구분 세계최고기술업체 주요국내업체 R&D단계 기술수준 ( 세계최고 : 100) 원천부품소재제조 리튬이온전지 미쯔비시중공업, GS유아사 ( 일 ) 삼성 SDI, LG 화학 응용제품개발 나트륨-황전지 NGK( 일 ) 포스코 초기개발 레독스흐름전지 Prudent Energy( 중 ) LS 산전, 호남석유화학 초기개발 수퍼커패시터 파나소닉 ( 일 ), MAXELL( 미 ) 네스캡, LS 엠트론 응용제품개발 플라이휠 보잉 ( 미 ) 전력연구원 제품개발 압축공기저장 PG&E( 미 ) 삼성테크윈 초기개발 ( 실증현황 ) 가정용 ESS 의실증은초기단계, 큰수요가예측되는전력망용대규모 ESS 실증은전무 ESS 기술개발전략강화와함께대규모실증사업추진

14 3. 우리나라의현황및당면과제 '09년이후리튬이온전지등일부기술에대한R&D 과제진행 - R&D투자비중이작고선진국의투자규모와큰차이가있어원천기술획득을통한파급효과창출한계 ( 단위 : 백만원 ) 구분 '07년 '08년 '09년 '10년 ESS 투자비중 (%) 미래시장선점을위한 ESS 기술개발투자확대필요 중장기적인기술축적및해외시장개척을위한안전성평가, 핵심인력양성등의인프라구축미흡 - ( 평가ㆍ인증 ) 안전성에대한엄격한수준의검증이요구되나, 평가 / 인증기반이열악 - ( 인력양성 ) 전기 / 화학등에너지저장분야의고급전문인력확보가어려운상황 - ( 표준 ) 평가기술 / 방법에대한국제기준이아직설정되지않아표준시장선점의기회 안전성평가등 ESS 산업화를위한인프라구축추진

16 1. 비전및추진전략 (K-ESS 2020 전략 ) ESS 가발전원 - 송전망 - 수용가등전력망에널리활용되는사회실현및세계 3 대 ESS 산업강국도약 산업화 기술개발및실증 세계시장점유율가격 /kwh( 전지기준 ) 수명 ( 전지기준 ) 실증규모 '13년 10% 50만원 10년 8MW급 '17년 15% 30만원 15년 100MW급 '20년 30% 20만원 20년수백MW급 국내보급 보급용량 '20 년까지 1700MW 보급 미래시장선점을위한선제적 / 전략적 R&D 추진 에너지저장실증을통한산업화촉진 산업인프라구축및국내시장활성화

18 1. 에너지저장 R&D 투자확대및전략성강화 에너지저장 R&D 투자를확대하여원천기술확보및글로벌시장선도가가능한기술에집중투자 시장주도형기술개발, 미래新기술개발, 국제공동기술개발등기술개발의전략성을강화하여미래에너지저장시장선점 ( 투자확대 ) '20 년세계시장점유율 30%( 약 14 조원 ) 목표로 '20 년까지총 6.4 조원규모의 R&D 및설비투자 - 향후 10년간기술개발에 2조원 ( 정부 : 0.5조원, 민간 : 1.5조원 ), 설비구축에 4.4조원투자 ( 민간중심 ) 구분 ~ 20 계 ( 단위 : 억원 ) 정부 ,951 5,046 R&D 민간 1,128 1,174 1,366 1,465 1,154 8,854 15,141 계 1,504 1,565 1,821 1,953 1,539 11,805 20,187 설비투자 840 1,375 2,306 3,058 2,578 34,243 44,400 ( 투자방향 ) 단기적으로상용화 R&D 와실증지원, 중장기적으로는글로벌마켓에서우위를점할수있는원천 기술개발지원에중점 - 정부 ( 실증지원, 인프라구축, 원천기술개발 ), 민간 ( 원천 / 상용화기술, 제조 / 양산기술투자 )

19 1. 에너지저장 R&D 투자확대및전략성강화 ( 시장주도형기술개발 ) 선택과집중 의원리에따라, 단기간내에국내시장보급및수출산업화가가능한 기술개발추진 - 향후 3 년내 MW 급이상의시스템개발, 5 년내산업화가가능한 4 개분야선정하여집중지원 - 향후 3~5년간최대 1,200억원규모 (4개분야별최대 300억원 ) 의민ㆍ관 Matching Fund를조성 - 참여주체인산ㆍ학ㆍ연각각의역할을명확히하되, 대 중소동반성장을통한수출산업화를집중유도 ( 미래新기술개발 ) 중장기적으로가격 / 수명 / 저장용량등에서획기적인개선이가능한새로운방식의 ESS 기술개발추진 ('11 년 ~) - 마그네슘전지, 금속- 공기전지등새로운방식의원천성기술및新부품소재개발을 10 년간중장기적으로 지원 ( 과제별최대 220 억원 ) ( 국제공동기술개발 ) 미국 / 일본등우수기술을보유하고있고에너지저장수요가커수출가능성이높은 국가와의공동 R&D 추진 ('11 년 ~) - 해외선진기술보유회사및연구기관과의전략적제휴및유기적협력네트워크를구축 - 해외협력기관과의공동 Funding 을통해에너지저장기술국제공동기술개발사업추진

) 154kV 변전소에 Test Bed 를구축하여 8MWh 규모의에너지저장실증추진 ('11~'14 년, 300

20 2. 에너지저장실증을통한산업화촉진 해외수출등 ESS 산업화를위해서는 Track Record 확보가중요 송전망, 발전원, 수용가등의전력계통에 ESS 를연계 / 운영하는기술에대한단계적실증 / 보급및기반조성추진 ( 파일럿실증 ) 154kV 변전소에 Test Bed 를구축하여 8MWh 규모의에너지저장실증추진 ('11~'14 년, 300 억원규모 ) ( 대규모실증 ) 15 년이후 345kV 이상의변전소에수십 MW 급에너지저장실증추진후단계적보급확대추진

21 2. 에너지저장실증을통한산업화촉진 ( 신재생발전원 ) 신재생에너지발전소를 Test Bed 로활용한에너지저장실증체계구축 ('13 년 ~) ( 대규모발전원 ) 중장기적으로기존의양수발전을대체하는대규모발전소용수백 MW 급 ('17 년 ~) ( 주택 / 건물용 ) 그린홈 100 만호보급사업등과같은주택 / 건물의신재생에너지보급사업과연계한에너지저장실증 - 향후신재생에너지시범도시등보급사업추진시해당지방자치단체와연계하여실증사업확대 ('13 년 ~) ( 추진체계 ) 민관합동으로 에너지저장시스템실증 / 보급추진위원회 구성 ('11 년 ) ( 실증사업 ) 에너지저장실증기반구축 사업추진 ( 13 년 ~)

22 3. 에너지저장산업인프라구축 에너지저장장치의조기상용화를위해시험 / 평가 / 인증등안정성검증인프라구축추진 수요연계형인력양성체계를구축하고국제표준화및특허창출을지원하여연구역량제고및국제적선도기반마련 ( 기반구축 ) 개발에성공한 ESS의신속한안전 / 신뢰성확보를지원하기위해에너지저장시험 / 평가 / 인증기반구축 - 부품 / 소재고도분석기반구축및전체시스템의안전 / 신뢰성을평가하는기술개발및장비구축지원 (( 인증제도 ) 에너지저장시스템의안전성을인증하기위한제도적기반마련 (~'14년) -인증대상및인증기관지정, 인증조건및절차, 기술적검토사항등제반사항을관련규정에반영 ( 인증기관 ) 에너지저장장치의시험 / 평가를전담하는인증기관지정 - 소형이차전지등기존의저장장치안전성평가경험및인력을보유한연구기관중에서전담인증기관을지정 ('14 년까지 1~2 개기관 ) - 중장기적으로는업체의인증비용최소화및수출기반강화를위해국제인증기관화추진

23 3. 에너지저장산업인프라구축 ( 수요연계형인력양성 ) 기존학과중심의지원체계에서탈피, 기업이원하는교과과정 (Track) 을편성하여 제공하는체계마련 ('11년 ~) - 에너지저장분야의실무즉응형학부엔지니어및석 / 박사급고급연구인력양성지원 ( 미래선도인력양성 ) ESS 분야에서세계를리드할전문가배출을목표로중장기적인원천성기술개발및 인력양성지원 ('11년 ~) - 대학연구실에 10년간장기적으로지원 ( 과제별최대 220억원지원, 단계별경쟁 / 탈락제도도입 ) (( 국제표준화 ) 에너지저장용이차전지성능 / 안정 규격에대한국내표준 ( 안 ) 마련후국제표준화추진 - ESS 표준화추진협의회를구성, 국내표준을마련, ISO/IEC 등국제표준화기구에적극대응 ( 특허지원 ) R&D 기획시, 시장 / 기업동향및특허분석, IP 전략수립을동시에추진하여특허경쟁력을강화

24 4. 국내시장활성화를위한제도적기반조성 에너지저장시스템의국내시장활성화를위해인센티브제공, 전력요금개선, 신규비즈니스창출등제도적지원방안마련 에너지저장시스템을설치하여전력피크감소및전력망안정화에기여하는주택에보조금, RPS 공급인증서 발급등의인센티브제공 전기사업법등관련법령에 ESS 를전기설비로규정하고중장기적인보급계획수립 스마트그리드기반의실시간요금제도입추진 ( 중간단계로주택용계시별요금제마련 ) 가정 / 건물에에너지저장서비스를제공하여수익을창출하는 ESS-service 사업육성 세부모델설계및중장기육성방안마련 ('12 년 ) 전력 / 발전회사를대상으로전기공급량의일정비율만큼 ESS 설치를의무화하는방안검토 - 미국캘리포니아주는신재생보급확산을위해에너지저장시스템의무화제도도입 ('10 (10.9) 연구용역추진 ('11 년 ~), 중장기추진방안마련 ('12 년 )

25 < 참고 > 추진일정 실천과제 추진일정 비고 1. 에너지저장 R&D 투자확대및전략성강화 시장주도형기술개발사업추진미래新기술개발사업추진 '11 년 ~ 국제공동기술개발사업추진 2. 에너지저장실증을통한산업화촉진송배전망연계형파일럿실증추진 '11년 ~ 송배전망연계형대규모실증추진 '15 년 ~ 신재생발전원연계형실증추진 '13년 ~ 대규모발전원연계형실증추진 '17년 ~ 수용가연계형실증사업확대 '13년 ~ 에너지저장실증추진위원회구성 / 운영 '11 년 ~ 에너지저장실증기반구축사업신설 ~ '13년 3. 에너지저장산업인프라구축 ESS 안전성 / 신뢰성향상기술개발 / 장비구축 ESS 인증을위한규정마련 ~'14 년 ESS 인증기관지정 ESS 인력양성사업추진 '11년 ~ ESS 국내표준안마련 ~ '13년 ESS 국제표준화추진 '13 년 ~ 4. 국내시장활성화를위한제도적기반조성 ESS 보급촉진을위한인센티브제공방안마련 ~'12년 ESS 제도적기반확보 ( 전기사업법반영 ) '14년 ~ ESS 제도적기반확보 (K-ESS 로드맵수립 ) ~'14 년 주택용계시별전력요금제도입 ~'11년 ESS-service 사업모델설계및육성방안마련 ESS 설치의무화방안마련 ~'12년

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src.hwp 첨부3 에너지저장기술개발및산업화전략 (K-ESS 2020) 2011. 5 지식경제부 목 차 I. 개념및중요성 1 II. 현황및당면과제 4 1. 세계시장현황및전망 4 2. 세계기술개발동향및전망 5 3. 우리나라의현황및당면과제 8 III. 비전및추진전략 11 Ⅳ. 전략과제 13 1. 에너지저장 R&D 투자확대및전략강화 13 2. 에너지저장실증을통한산업화촉진 16