기획특집 Ⅱ 에너지저장산업의현재와미래 강정화선임연구원 / 한국수출입은행해외경제연구소 nicekang@koreaexim.go.kr 화력, 수력원자력신재생 발전송전, 배전 수요처 ( 주택 / 빌딩 / 공장 /Infra 등 ) 에너지저장장치 (ESS) 리튬이온전지 (LIB) 납축전지 NaS 전지양수발전플라이휠 자료 : 수출입은행조사자료 그림 1. 에너지저장시스템의개념 에너지저장시스템의개요 (1) 에너지저장시스템의필요성 에공급하여에너지효율을높이는시스템으로, 전기를모아두는배터리와배터리를효율적으로관리해주는관련장치로구성된다. 1 에너지저장시스템 (Energy Storage System : ESS) 개요 생산된전력을저장했다가전력이가장필요한시기 2 에너지저장시스템의필요성증대효율적인전력활용, 고품질의전력확보, 안정적인전 120 계장기술
에너지저장산업의현재와미래 효율적인전력활용 고품질의전력확보 안정적인전력공급 전력공급부족사태예방을위한국가차원의전력활용방안재고 신재생에너지도입확대에따른전력의품질안정화대책필요 정전피해의최소화를위해단기정전방지의중요성확대 [ 대규모정전사태 ] [ 원전반대확산 ] [ 태양광발전 ] [ 풍력발전 ] [Data 센터 ] [ 의료기관 ] [ 반도체공장 ] 주간에활용전압평균야간전력전압평준화발전량저장단기전력장애시간 220 (~30분) 전력 주간 수요곡선 심야풍력발전 Output Data 손실, 통신장애, -220 인명 / 제품 / 설비피해시간 0 12 24 Time [Peak Shift 개념 ] [ 주파수변동보상개념 ] [ 단기전력장애개념 ] 자료 : 삼성SDI Power 시간 그림 2. 에너지저장시스템필요성 1) 력공급측면에서에너지저장시스템의필요성이증대된다. 현재전력시스템은피크타임전력수요에맞춰전력용량을증설해야하는구조로, 전력수요와공급간불일치가발생한다. 또발전소건설에많은비용이소요되며, 심야에잉여전력과다등의비효율적인상황이발생한다. 에너지저장시스템을활용하여수요와공급의불일치를해소하여전력활용의효율성을증대한다. 전력수요가적은심야시간에유휴전력을저장하고, 수요가급증하는낮시간에전력을공급하므로써전력시스템의효율을개선한다. 태양광, 풍력등신재생에너지보급이확대됨에따라전력의품질및전력망의안정성문제가대두된다. 신재생에너지의가장큰문제점은바람및햇빛등기후변화에따라전력생산량이급변한다는점이다. 또한신재생에너지발전에서생산되는전기의경우전압및주파수가일정치않아전력전력품질도문제가되고있다. 신재생에너지사용확대및문제해결을위해에너지 저장기술이필요하다. 2010년전세계발전포트폴리오중신재생에너지비중이 5% 에불과하여전력망에큰문제가발생하고있지않으나비중이높아질수록여러가지문제가발생할가능성이높아지며, 낮은전력품질문제로산업체가동중단및전자기기의고장등의여러가지문제를일으킬가능성이높다. 이와같은문제를해결하기위해발전능력과소비수요사이완충장치역할을할전력저장장치의도입이확대될전망이다. 정전피해의최소화를위해단기정전방지를위한비상전원으로의중요성이확대될전망이다. 일본의경우후쿠시마원전사고로인한정전사태로위기상황대처를위한비상전원의필요성이증대되고, 우리나라도올여름전력예비율하락으로인한정전사태우려가있었으며, 특히병원, 데이터센터, 반도체공장등전 1) 주파수변동보상개념 : 출력변동이심한신재생에너지원의저장장치로사용되어전력품질의안정화 2015. 2 121
전기안전및 ESS 전기융합기술의미래 력공급이꼭필요한기관들의비상전원으로에너지저장시스템의중요성이커졌다. 에너지저장기술은스마트그리드구현을위한핵심기술이다. 스마트그리드는공급자와소비자가정보를교환해에너지효율을최적화하는게핵심요소이며, 에너지저장기술이있어야전력생산자와소비자간의효과적인정보교환이가능하다. 위와같은이유로에너지저장시스템에대한중요성이날로커지고있으며, 에너지저장산업은전력산업변화의핵심기술로부상할전망이다. (2) 에너지저장시스템의종류 1 에너지저장기술은배터리방식과非배터리방식으로구분배터리방식은화학적에너지형태로저장했다가사용하는방식을말하며, 대표적으로리튬이온, 니켈, 납축전지등 2차배터리가대표적이다. 배터리방식으로는고용량, 고효율을강점으로리튬이차전지가가장주목을받고있다. 비배터리방식은물리적에너지형태로저장했다가사용하는식으로양수발전, 압축공기저장이대표적이며, 대규모저장에적합하나자연적제약조건이많은게단점이다. 기술적구현은가능하나, 적합한장소및지리적제약이크게수반되기때문에향후주도적인에너지저장기술로자리잡기는어렵다. 과제다. 최근들어대규모전력저장을위해나스 (NaS) 나 Flow 배터리에대한연구가진행되고있으나, 가시적인성과는미흡한편이다. NaS 전지는 300도이상의고온의황과용융된나트륨을이용한전지로서일본의 NGK 社가실제 ESS를설치한사례가있으나, 설비를고온에서운용해야한다는부담감이크며, 유해물질인황을사용한다는점이단점이다. Flow Battery는양-음극전해액을강제순환시켜충 / 방전을하는배터리로서투자비가낮다는점은장점이지만, 변환효율이낮아운용비용이높다는점이단점이다. 플라이휠은전기에너지를회전운동에너지로변환하여로터를회전시키는전력저장장치로서, 방전시에는로터를감속시키면서운동에너지를전기에너지로전환한다. 수명이 15년이상으로길고출력이높다는점은장점이지만, 초기투자비가높고폭발위험성이크다는점이단점이다. 중대형리튬이차전지를활용한에너지저장기술이주목을받고있으나, 아직까지상용화한사례가없는것이단점이다. 수백MW급의발전용량을가지는 Pumped Hydro 및압축공기저장등도초대용량 ESS로서연구되고있다. Pumped Hydro는지형의고도차를이용한양수발전으로서지형적인설치조건과낮은변환효율, 환경파괴등의문제점이지적되고있으며, CAES는압축공기형태로에너지를저장하는 ESS로서폭발의위험을가지고있다. 2 에너지저장방식및기술은전력사용목적및수요의결정에너지저장유형은잉여의전기에너지를저장해두었다가필요한경우실시간으로제어, 공급할수있는데, 그특성이나효율, 경제성등에따라적용영역이매우다양하다. 에너지저장기술의미래는대용량의전기를얼마나싸게저장할수있느냐가에너지저장기술개발의주요 에너지저장시스템의시장동향 (1) 에너지저장시스템의시장현황및전망 1 에너지저장시스템시장은초기단계이나, 신재생에너지확산및고품질전력수요증가로빠르게성장할것으로전망 2010년기준으로미국, 일본등선진국을중심으로 122 계장기술
에너지저장산업의현재와미래 구분유형개요 물리적에너지로전환 화학적에너지로전환 자료 : LGERI 전자기 Ultra-capacitors 정전기현상이용, 이중층에전기를저장, 고출력, 빠른충방전특징보유 운동 Flywheels 운동에너지로전환, 저장, 고출력, 빠른충방전특징보유 열역학 Compressed Air 열역학적으로공기를압축, 에너지저장 위치 Pumped Hydro 물의위치에너지로전환, 저장 Rechargeable Battery 화학에너지로전환, 저장, Lead acid, Ni-Cd/NiMH, Li-ion, NaS 등다양 전기화학전해액을펌프로흘려주면서이온교환막을통해전기를저장, Flow Battery V-redox, Zn-Br 등 Materials Hydrogen 물의전기분해로수소를생산, 활용. 궁극적에너지저장형태로평가 기 타 기타 R&D 중이다양한혁신 Solutions 표 1. 에너지저장유형의개요및특성 2조원규모의초기시장을형성한다. 2010년 850MW 정도의에너지저장시스템이설치되었으며, 1.5GW 규모의프로젝트설치계획이발표되었다. 162억달러로성장하여전체시장의 60% 를차지할전망이다. 이는에너지저장단가하락및신재생에너지보급확대에따른전력용수요가급증하기때문이다. 2012년에너지저장시스템시장은 142억달러할것으로추정되며, 2020년 536억달러, 2030년 1,300억달러시장으로성장할전망이다. 분야별로는 2012년비상전원용 105억달러, 전력용 34억달러, 가정용 3억달러로비상전원용이전체에너지저장시스템시장의 74% 를차지한다. 하지만 2015년에는비상전원용시장은 35% 로시장점유율이크게하락하고, 전력용시장이 ( 단위 : $bn) 비상전원용전력용가정용 27.1 53.6 10.2 9.5 14.2 10.5 16.2 38.0 3.4 0.3 1.4 5.4 2012년 2015년 2020년 자료 : Pike Research, IMS Research, 삼성SDI 자료재인용 그림 3. 에너지저장시스템의시장현황및전망 (2) 에너지저장시스템용리튬이차전지시장현황 1 에너지저장기술중리튬이차전지가주도기술로부상할것으로예상에너지저장을위한여러가지기술들이경합하고있으며, 이중배터리방식이물리적저장방식보다시장에서선호될것으로예상된다. 배터리방식중에서는리튬이차전지가고효율, 고성능및우수한충방전특성으로에너지저장기술을선도할것으로전망된다. 리튬이차전지는용량확장성, 에너지변환효율, 친환경적으로타경쟁기술대비하여많은장점을가지고있다. 에너지저장용배터리중리튬이차전지충 방전특성이가장우수한것으로평가받고있어에너지저장용배터리로가장널리사용될것으로보인다. 하지만실증사례가많지않은것이단점이나, 리튬이차전지를적용한프로젝트가건설되고있어이를통해충분한검증이될예정이다. 2015. 2 123
전기안전및 ESS 전기융합기술의미래 에너지밀도 (Wh/kg) 가격 ($/kwh) NaS 배터리리튬이차전지납축전지플라이휠공기압축양수발전 200 100-250 30-50 10 Dependent on configuration Dependent on configuration 350-400 1000-1200 200-300 3000-5000 10-100 80-110 수명 ( 년 ) 15 10 3-5 20 20-30 20-30 충 방전횟수 4,500 1,000-1,500 100-800 >100,000 5,000-10,000 5,000-10,000 전력변화효율 78% 96% 90% 85% 70-85% 70-85% 자료 : New Energy Finance 표 2. 주요에너지저장기술의성능비교 2 에너지저장용리튬이차전지시장규모는 2020 년 193 억달러에달할전망 리튬이차전지시장규모는 2012 년 8 억달러, 2015 년 71억달러, 2020년 193억달러로연평균 49% 씩성장할전망이다. 또리튬이차전지시장점유율은 2012년 6% 에서 2020년 36% 로높아질전망이다. ( 단위 : $bn) 비상전원용전력용가정용 0.8(6%) 0.1 0.5 0.2 2012년자료 : Pike Research 4.1(26%) 1.8 4.1 1.3 2015년 19.3(36%) 그림 4. 에너지저장용리튬이차전지시장규모및전망 3 리튬이차전지수요확대에가장큰걸림돌은가격 2011년기준으로리튬이차전지가격은 $800/kWh 을상회하고있으며, 현가격으로는투자비를회수하기가불가능한상황이다. 에너지저장장치의높은가격으로인해수요는정부시범사업등공공용도에제한되어 5.9 7.7 5.7 2020 년 있다. 리튬이차전지가격이 $400/kWh까지떨어지는 2015 년을기점으로에너지저장장치의수요가급격히증가할것으로예상이다. 리튬이차전지가격이빠르게하락하고있어 2014년에투자비회수가가능한 $400/kWh 에도달할것으로전망이다. 2014년이후초기시장단계를지나본격적인성장국면에접어들것으로예상되나, 본격적인성장을위해선규모의경제확보가무엇보다중요하다. 리튬이차전지시장의큰축을차지하는전기자동차시장이부진한관계로규모의경제확보를위한투자가미진한상황이며, 규모의경제확보를위한투자가늦어질수록본격적인성장단계로의진입은늦어질것이다. Annual production (GWh) 350 자료 : New Energy Finance Total pack cost ($/kwh) 1,200 300 1,000 250 800 200 600 150 400 100 200 50 0 0 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030 Total capacity of batteries manufactured per year (GWh) Total cost of pack ($/kwh) 그림 5. 에너지저장용리튬이차전지생산규모별가격하락곡선 124 계장기술
에너지저장산업의현재와미래 국내외에너지저장산업동향 1. 주요국에너지저장산업동향 1 에너지저장산업에대한주도권을잡기위해연구개발지원및다양한보급사업추진미국, 일본, 유럽등주요선진국들은연구개발및실증을활발하게추진중이며, 사업화단계에진입했다. 특히리튬이차전지업체들은정부와협력을통해시장창출을노력중이다. 2 일본 : 2012년부터 360억엔규모의보급사업추진 2012년 3월부터에너지저장시스템설치보조금사업을추진하고, 지방자치단체 ( 도쿄 / 사이타마현 ) 별에너지저장시스템보조금지급한다. 신재생에너지발전용, 가정용등다양한분야에서기술개발을추진하여 NaS, 리튬이차전지등에서앞선기술력을확보한다. 파나소닉, NEC 등일본주요전자회사가에너지저장시스템시장에뛰어들어다양한제품을출시하고있다. 파나소닉 - ECO Solution을위한 ESS 실증강화 (2011년부터 1.6MWh 실증진행중 ) NEC - 가정용리튬이차전지 ESS 판매개시 (2012년 1만대판매목표 ) 미쯔비시 - EV용배터리활용을위한스마트그리드실증 GS Yuasa - 백업용전원등산업용리튬이차전지사업강화 ( 미국애틀란트에 ESS 제조거점신설 ) 표 3. 일본주요기업에너지저장시스템의진출사례 3 미국 : 대형전력회사를중심으로기술개발및실증연구집중추진중이며, 에너지저장시스템설치의무화법안을발표 ( 캘리포니아주전력회사 ) 했다. 또 2014년부터공급전력의 2.25%, 2020년 5% 설치공급할예정이며, 미국 AES사는화력발전설비에 20MW 급에너지저장시스템을설치했으며, 주요미국에너지 저장시스템기업들의동향은다음과같다. A123 AES IBM S&C - 풍력발전과연계한 ESS 프로젝트진행 (50MW 규모이상계획중 ) - PGE 전력회사와 Peak 시간대안정적전력공급을위한 200MWh급 ESS 검토중 - 혼다, PG&E는전기차와전력계통연계를통한 ESS 실증연구 - 중국 BYD와 4MW급리튬이차전지 ESS 설치 (2012년 5월 ) 표 4. 미국주요기업에너지저장시스템의진출사례 4 유럽 : 국책과제로스마트그리드와연계한에너지저장기술개발프랑스 SAFT사와독일 Conergy사등이참여하여국책과제인 Solion 프로젝트를추진중이며, Solion 프로젝트를통해에너지저장신기술및이를제어할수있는관련기술개발을서두르고있다. (2) 국내에너지저장산업의동향 1 시장현황 : 현재국내에너지저장산업은기술검증을위한실증단계이며, 내년이후초기시장에진입할것으로예상현재국내에너지저장시스템시장은연구단계에서설치되는물량이대부분이나, 2013년부터는공공기관을중심으로한초기시장이형성될전망이다. 특히여름철전력부족으로인한피크전력관리및신재생에너지보급량이증가함에따라중장기수요는크게증가할전망이다. 국내에너지저장시스템시장은 2015년 900MW, 2020년 1.5GW 규모로성장할전망이다. 2 기술동향 : 상용화정도, 원천및소재기술, 실증경험측면에서선진국대비경쟁력이약세인상황리튬이차전지제조기술을제외하고는에너지저장기 2015. 2 125
전기안전및 ESS 전기융합기술의미래 구분 선도기술업체 국내업체 R&D 단계 기술수준 ( 세계최고 : 100) 원천기술부품소재제조 리튬이차전지 미쯔비시, GS유아사 ( 일 ) 삼성SDI, LG화학 응용제품개발 55 70 95 NaS 전지 NGK( 일 ) 포스코 초기개발 35 35 30 Flow 배터리 Prudent Energy( 중국 ) LS산전, LS엠트론 초기개발 40 40 45 수퍼커패시터 파나소닉 ( 일 ), Maxell( 미 ) 네스캡, LS 엠트론 응용제품개발 50 55 80 플라이휠 보잉 ( 미 ) 전력연구원 제품개발 70 60 70 압축공기저장 PG&E( 미 ) 삼성테크윈 초기개발 50 70 55 자료 : 지식경제부 표 5. 에너지저장산업의국내기술 VS 선진기술비교 술전반에걸쳐선진국대비기술격차가있는상황이다. 리튬이차전지제조기술분야는 2012년기준으로시장점유율 42.3% 를차지하여일본 (35.4%) 를크게앞서고있는상황이며, 리튬이차전지원천기술및소재부분에서는일본기업 50~70% 수준인것으로평가받고있다. 특히원천기술및실증부분에서선진국과의격차가큰상황이다. 특히에너지저장기술은전력산업특성상장기신뢰도가매우중요하며, 이를위한 Track record 가많이필요한분야다. 풍력산업의경우 Track record 부족으로수출에크게애로를겪고있는것처럼, 에너지저장기술도실제현장에적용되기위해선많은실증기록이필요하다. 일본, 미국, 유럽등은본격적인실증사업에착수하였으나, 국내의경우가정용 ESS가실증초기단계이고, 큰수요가예측되는전력망용대규모 ESS 실증은전무하다. 에너지저장산업이풍력산업의전철을반복하지않기위해선국가차원의실증을위한초기시장조성이필요하다. 2020년세계시장점유율 30% 를목표로 2020년까지총 6.4조원규모의 R&D 및설비투자를할예정이다. 향후 10년간기술개발에 2조원 ( 정부 : 0.5조원, 민간 : 1.5조원 ), 설비투자는민간이중심이되어 4.4조 원을투자한다. 3 국내업체동향 : 주요리튬이차전지업체들이에너지저장산업에참여하여사업확장에주력삼성SDI는 Nichicon( 일본 ) 과가정용 ESS 독점공급계약을체결하였으며, KACO( 독일 ) 와 ESS 공급및 R&D 협력 MOU를체결하였다. LG화학은 ABB( 스위스 ) 와 ESS 배터리장기공급계약을체결하였으며, IBC( 독일 ) 와 ESS 협약을체결하였다. SK이노베이션은황밍그룹 ( 중국 ) 및포모사 ( 대만 ) 와 ESS 실증사업을진행중이다. 코캄사는 KCP&L에리튬폴리머 ESS를공급하였으며, AEP 및듀크에너지 ( 미국 ) 등다수의전력회사에공급하였다. 효성및포스코ICT 등도이차전지업계와협력을통해국내실증사업에참여했다. 시사점및결론 1 에너지저장기술은스마트그리드, 전기차및신재생에너지등의차세대성장산업의시장지배력확대를위한핵심기술로써의중요성이부각될것에너지저장산업은단일시장으로가치보다에너지저 126 계장기술
에너지저장산업의현재와미래 응용분야 현재시스템가격 ($/kwh) 순익분기시스템가격 ($/kwh) 순익분기에도달을위한가격하락률 손익분기연도 차액거래 1500 206 86.2% 2026 전력망필요시전력공급저장분야 1500 723 51.8% 2014 전력망필요시긴급전기공급분야 1500 498 66.8% 2017 송전신뢰도향상분야 1500 475 68.3% 2017 배전신뢰도향상분야 1500 455 69.7% 2018 가정용전력수요 & 공급조절분야 1500 550 63.4% 2016 전력용수요 & 공급조절분야 1500 1,132 24.5% Potentially now, Realistically 2012-2013 자료 : 수출입은행, New Energy Finance 표 6. 전력분야별에너지저장시스템손익분기점도달시기 장기술이적용되는스마트그리드, 전기차, 신재생에너지시장에대한파급효과도주목해야한다. 스마트그리드시장은 2011년 289억불에서 2017년 1,252억불로연평균 28% 성장할것으로전망된다. 전기차에들어가는리튬이차전지시장규모는 2010년 7억 3000천만달러에서 2020년 400억달러시장으로성장할것으로예상된다. 에너지저장기술은신재생에너지발전의불규칙한전력생산문제를해결하여신재생에너지에대한수요를가속화시킬것으로예상된다. 이를극복하기위해서는발전능력과소비수요사이완충장치역할을할전력저장장치의도입이필요하다. 에너지저장기술은에너지산업의판도를바꿀수있는중요한기술이며, 이를확보하기위한국가적연구개발및시장확대노력이치열할전망이다. 2 에너지저장기술은아직까지사용하기에비싼기술이나, 2015년이후에너지저장시스템가격하락과더불어본격적인시장이형성될전망마그네슘전지, 금속-공기전지등신개념기술들이개발되고있으나, 성능검증후시장에적용되기까지는많이시간이소요될것이다. 향후에너지저장시장은리 튬이차전지를중심으로성장할전망이다. 현재리튬이차전지에너지시스템가격이 $1500/kWh 수준으로 10년안에서투자비를회수하기어려운상황이다. 수요확대를위해선기술적측면보다가격측면이보다중요한요소다. 리튬이차전지가격이빠르게하락하고있어 2013년전력용수요 & 공급조절분야에서처음으로손익분기점에도달할것으로예상된다. 2016년에는가정용전력수요 & 공급분야도본격적인시장이형성될수있을것으로전망된다. 2017년이후전력저장계통모든분야에서에너지저장기술이사용될것으로보이며, 이를기점으로폭발적으로시장이성장할것으로예상된다. 3 에너지저장시스템가격하락은독립전원용태양광수요를크게증가시키는요인으로작용할것일본의경우후쿠시마원전사태이후독립전원에대한필요성이증가하고있으며, 태양광과 ESS를결합한시스템보급이크게증가하고있다. 2012년 2GW 이상의태양광이설치될예정이며, 이중 10% 정도가 ESS 연계하여설치될것으로예상된다. 또한개도국의디젤발전을이용한독립전원시장규모는 150GW이며, 디젤가격 $1/liter 기준으로이지 2015. 2 127
전기안전및 ESS 전기융합기술의미래 $800,000 $700,000 $600,000 $500,000 $400,000 $300,000 Diesel PV-FLA Hybrid $200,000 $100,000 $0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Years 자료 : New Energy Finance Note : 200kW 기준으로초기투자비용디젤발전 : $5,000, PV-FLA (Flooded lead acid : 납축전지 ), $183,700, Hybrid( 태양광 + 배터리 + 디젤 ) $147,600, 태양광모듈가격 $1.06/W 기준, 디젤연료가격은 $1/ 리터 그림 6. 디젤 VS 태양광독립전원발전비용 역의발전단가는 $0.4/kWh 수준이다. 태양광하이브리드시스템의디젤가격 $1/liter 기준으로내부수익률 15% 수준이다. 하루 200kWh 사용을기준으로초기투자비용은디젤발전 $5,000, 태양광 + 배터리시스템 $183,700, 하이브리드 ( 태양광 + 배터리 + 디젤 ) $147,600이다. 총비용기준으로하이브리드시스템은 7년, 태양광 + 배터리시스템은 9년이면디젤발전대비비용경쟁력을갖는다. 에너지저장기술과태양광발전이결합해서창출할수있는독립전원시장은약 660GW 규모로태양광수요확대에큰축을담당할전망이다. 4 에너지저장산업주도권확보를위해서는기술검증및투자확대를위한초기시장조성이중요에너지저장산업이선순환구조에들어가는데필요한초기시장조성에정책적지원이필요하다. 풍력터빈 수출산업화가지연되는가장큰이유중하나는 Track record 부족이다. 에너지저장산업도 Track record 가중요한산업으로이를검증할수있는초기시장형성에정책적지원이필요하다. 응용분야별기술개발전략과부품소재분야전문기업육성을위한지원확대가필요하다. 신재생에너지산업에서주도권을다시찾아오기위해선에너지저장기술과결합한제품개발이무엇보다필요하다. 에너지저장기술을활용하여부가가치를높일수있는산업군에대한차별화된기술개발전략이필요하다. 에너지저장산업은부품 소재등후방산업에기회가큰산업으로강소중소기업육성을통해양질의일자리창출및원천기술확보문제를해결해야한다. 전력수요와연계한시간대별전기요금제도마련이필요하다. 에너지저장수요를확대하기위해서는법적제도마련이필요하며, 특히시간대별차등전력요금제도시행이필요하다. 128 계장기술