에너지저장, 자동차 전력산업지형바꾼다 에너지및환경이슈로인해우리생활에밀접한자동차및전력산업이빠르게진화하고있다. 하이브리드자동차의성장과분산형발전의확산이그예이다. 에너지저장이이러한변화의핵심에자리하고있다. 에너지저장의미래모습을그려보고그의미와시사점을살펴본다. 김경연연구위원 kykim@lgeri.com 에너지저장 (Energy Storage) 의한유형인소형 2차전지 (Rechargeable Battery) 는휴대폰, 노트북PC 등과같은휴대용 IT 기기의성장에결정적인역할을하였다. 가볍고작으면서도고용량의전기에너지저장솔루션이없었다면, 통신, 컴퓨팅, 오락등다양한기능을조그만휴대용기기에구현할수는없었을것이다. 만일, 휴대폰용 2차전지가휴대폰에너지저장부품으로서의니즈를충족하지못했다면, 우리는현재와는전혀다른모습의 휴대용통신기기 를접하고있을지도모른다. 휴대용 IT 기기산업의발전으로말미암아단순한부품에불과한에너지저장산업도양적질적으로커다란변화를겪었다. 1990년대휴대폰이처음나왔을때휴대용전원으로니켈수소 2차전지가채택되었다. 시간이흐를수록기기의요구성능이높아지고소비자들의니즈가고도화되고다양해지자, 단일부품으로가장많은부피를차지하는 2차전지의용량과디자인이중요해졌다. 2000년대에들어서면서용량이나성능이우수한리튬이온계열이빠르게니켈수소전지를대체하였다. 지금은휴대폰은물론, 노트북PC 와같이고 용량, 소형의에너지저장이필요한휴대용기기들은거의모두리튬이온계열의 2차전지를장착하고있다. 리튬이온계열시장만해도 2008년현재약 80억달러규모로추산되는데, 2015 년에는 120억달러에이를전망이다. 휴대용 IT 기기산업의성장과더불어고성능 2차전지시장의새로운전기가마련되었다고평가할수있다. 전세계적인친환경 / 저에너지소비, 그리고에너지자립등여러이슈때문에산업전반에새로운변화의물결이일고있다. 특히, 에너지소비가많은자동차산업, 전기에너지자체를다루는전력산업에서눈여겨보아야할움직임이있다. 하이브리드자동차의성장, 신재생에너지의부각과분산형발전의확산등이대표적인예이다. 이러한변화의중심에에너지저장이자리잡고있다. 에너지저장의다양한기술유형전기가우리주변의에너지형태중에서가장편리하고광범위하게사용된다. 또한자동차, 선박, 비행기등수송용으로쓰이는석유나천연가스에서유래한연료들대부분은전기에너지로도전환이가능하다. 원자력또한물질이 42 LG Business Insight 2009 6 10
다양한에너지저장유형은그특성이나효율, 경제성등에따라적용영역이상이하다. 가진핵에너지를전기로바꾸기위한것이며, 거대한댐에서만들어지는에너지또한전기다. 이글에서다루는에너지저장은전기에너지의저장에한정키로한다. 에너지저장은다양한기술유형이있다 (< 표 > 참조 ). 울트라커패시터와플라이휠은짧은시간에고출력을낼수있으며, 공기나물을대규모로저장할수있는시설이필요한 Compressed Air나 Pumped Hydro는수백 MWh급이상의고용량에적합하다. 우리에게가장친숙한형태의에너지저장은 2차전지계열이다. 납축전지 (Pb 혹은 Lead Acid) 를비롯하여, 니켈수소, 니켈카드뮴, 앞서언급한리튬이온계열등이대표적이다. 최근들어대규모의전력저장에많이시도되고있는나트륨설파이드 (NaS) 계열이나, Flow Battery 등도기억할만하다. 궁극적인에너지저장형태로평가를받고있는수소 (Hydrogen) 의경우연료전지 (Fuel Cell) 를이용하여전기와열로전환하는시스템에대한연구개발이활발하다. 수소는또한그생산, 저장, 전환전체에걸친인프라나기술에대한다각적인접근이이루어지고있다. 이밖에도열이나압력, 기타화학적유형등다양한에너지저장유형이개발되고있다. 이들에너지저장유형은잉여의전기에너지를저장해두었다가필요한경우실시간으로제어, 공급할수있는데, 그특성이나효율, 경제성등에따라적용영역이매우다양하다. 따라서수요의특성에맞는적절한기술유형 < 표 > 주요에너지저장유형의개요및특성 물리적에너지로전환 구분유형개요 전자기 운동 열역학 위치 전기화학화학적에너지로전환 Materials 방전시간 (hr) 100 10 1 0.1 0.01 0.001 Ultracapacitors Flywheels Compressed Air Pumped Hydro Rechargeable Battery Flow Battery 기타 리튬이온 니켈수소 Hydrogen 정전기현상이용, 이중층에전기를저장, 고출력, 빠른충방전특징보유운동에너지로전환, 저장. 고출력, 빠른충방전특징보유열역학적으로공기를압축, 에너지저장 물의위치에너지로전환, 저장 을선택하고맞추어사용할수있는이점또한갖추고있는셈이다. 응용영역측면에서는휴대용기기나자동차와같은이동형 (Mobile) 과 VR ZnBr 플라이휠 NaS 화학에너지로전환, 저장. Lead acid, Ni-Cd/NiMH, Li-ion, NaS등다양전해액을펌프로흘려주면서이온교환막을통해전기를저장. V-redox, Zn-Br 등물의전기분해로수소를생산, 활용. 궁극적에너지저장형태로평가기타 R&D 중이다양한혁신 Solutions. 유형별전력특성 Compressed Air 납축전지 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1,000 10,000 전력 (MW) NaS 니켈카드뮴 Pumped Hydro LG Business Insight 2009 6 10 43
하이브리드자동차와전기자동차가상업화되자, 핵심부품인 2 차전지가사람들관심영역의변두리에서중심부로나오게되었다. UPS(Uninterruptible Power Supply) 나대규모전력저장등에쓰이는정치형 (Stationary) 으로크게나누어볼수있다. 에너지저장, 자동차산업의진화촉발 ' 요즘김과장은 5년된애마의 2차전지모델교체때문에고민이다. 김과장의자동차는디젤엔진과전기모터를함께가진하이브리드카다. 연료도디젤만가진것보다훨씬덜들고성능이나디자인이아주오래전에타던디젤차량보다뛰어나다. 엊그제김과장은자신의차량에탑재된 2차전지모델을교체하라는제조사의요청을받아놓은상태이다. 그냥가까운서비스업체에가기만하면된다. 김과장은추가로돈이들긴하지만, 이기회에아예새로나온모델로바꾸는게어떨까생각중이다. 새로나온 2차전지모델은용량이나파워면에서기존의것보다더뛰어나다는평이다. 옆팀박과장이새로나온모델로바꾸었는데자랑이이만저만이아니었다. 내년에출시할연료전지자동차에도같은모델이적용된다는후문도들려오고있다. 김과장의고민이현실로다가올날이그리멀지않다. 2차전지와같은에너지저장시스템이자동차의핵심부품으로자리잡고있다. 2000년대들어하이브리드자동차 (Hybrid Electric Vehicle, HEV), 전기자동차 (EV) 가소개되고상업화되자, 2차전지가사람들관심영역의변두리에서중심부로나오게된것이다. 하이브리드자동차는가솔린이 나디젤같은내연기관과함께전기모터가주동력원이다. 과거자동차에서는시동, 점등, 발화등의용도로 12V급의소형납축전지가주로쓰였다. 엔진룸한구석에자리잡은직육면체모양의값싼 2차전지가자동차에쓰이는모든전력을저장, 공급하고있다. 심야의값싼잉여전력을충전하여근거리이동에필요한에너지로사용하는플러그인하이브리드자동차 (Plug-in-hybrid Electric Vehicle, PHEV) 도최근주목을받고있다. 자동차의일종인 PHEV는새로운개념의에너지저장기기로서도평가받고있다. PHEV는플러그를꼽지않아도필요한기기나서비스를사용할수있게하는이동형전원으로서의역할을할수있기때문이다. 미래의궁극적인자동차유형으로평가를받는수소연료전지자동차 (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 는수소를연료로하여연료전지를통해만든전기를자동차의동력원으로삼는것이다. 현재의 HEV는감속과같은때발생하는잉여의운동에너지를전기에너지로바꾸어 2차전지에저장한다. 그리고시내주행이나출발시전기모터를돌려자동차를움직인다. 어찌보면기존자동차가간과하는에너지를최대한모아효율을높인것으로해석할수도있다. FCEV에서도주행중은물론, 연료전지에서나온잉여전기는분명있으며, 이를저장하는장치는필수불가결한선택으로보인다. 엄밀히말한다면, 수소연료전지하이브리드자동차 (FCHEV) 가자동차의궁극적인형태 44 LG Business Insight 2009 6 10
자동차시장의진화와성장에있어 2 차전지의가격이중요한이슈로떠오르고있다는점도에너지저장의위상을반증한다. 라는의미로풀이된다. 친환경, 저에너지소비등의전세계적트렌드속에서앞으로도 HEV/EV 시장의미래는밝을수밖에없다. 아직은 HEV/EV 시장의비중이전체의 1% 내외인것으로집계되고있다. 원유수요가획기적으로줄지않는한장기적인관점에서고유가시대가오리라는점, 기존내연기관의효율향상이한계에다다르고있다는점, 각국정부의친환경정책에따른연비나오염물질배출규제가강화되고있다는점등이향후 HEV/EV 시장성장의주요배경으로볼수있다. Daiwa 연구소의자료에따르면, HEV/EV 시장이 2008년약 50만대규모에서 2020년에는이보다열배이상성장한 540만대에이를것으로내다보고있다. 2009년현재, HEV의대표격인도요타의프리우스신형은짧게는 6개월에서길게는 1년가까이주문이밀려있다고한다. 도요타, 혼다등시장을주도해온일본기업들외에 Ford 등의기업들도가세하고있어앞으로의성장전망을더욱밝게해주고있다. 이러한자동차시장의진화와성장에있어 2차전지의가격이중요한이슈로떠오르고있다는점도에너지저장의위상을반증한다고할수있다. 도요타프리우스에장착된니켈수소전지의가격은 2,500 달러에이른다. 더성능이좋은리튬이온계열은현재수준으로는 20,000~25,000 달러에육박한다. 고성능에너지저장장치의가격이시장확대의중요한열쇠를쥐고있다는것이다. 물론자동차에서 는안전성과내구성에대한검증도함께요구하고있다. 기존업체들뿐아니라새로 HEV에뛰어드는기업들이기존니켈수소가아닌리튬이온 2차전지시 < 그림 1> 하이브리드자동차시장성장전망 5,400 ( 단위 : 천대 ) 2,500 507 670 950 2008 2009 2010 2015 2020 자료 : Daiwa Institute of Research, Green Car Congress 스템을채택하거나적극고려하고있다는점도기억할만하다. 향후어떠한에너지저장솔루션이 HEV의주력으로자리잡을것인가도흥미로운관전포인트다. 전력산업에서의성장잠재력, 가히폭발적 이과장은이번달전기요금청구서를받아들고는희희낙락이다. 전기요금을내는게아니라오히려전력회사로부터 5만원가량을받게된것이다. 집지붕에설치된고성능태양광발전시설로부터만들어진전기를저장해두었다가내다팔았기때문이다. 이과장이다니는공장에서도소규모발전터빈을돌리거나태양광발전에서나온전력을전력망에팔아에너지비용의상당부분을줄이고있었다. 내년에는공장에서폐열도활용할예정이라고한다. 이를목격한이과장은한달전쯤지역정부의지원으로집에태양광발전설비를갖추게되었다. 이설비는자동화된전력거래시스템에맞물려있어전력의흐름을제어하는것은전력회사에서알아서한다. 일부는이 LG Business Insight 2009 6 10 45
다양한중소규모의전원이연결되는분산형발전이스마트그리드로가는징검다리역할을할수있는최적의현실적대안이라는평가를받고있다. 과장이직접거래프로그램을돌려좋은가격에팔기도한다. 한 2~3 년정도면정부지원금을해결하고도남는장사를하게될것이라고예측하고있다. 전기에너지자체를다루는전력산업으로눈을돌려보자. 최근들어전력산업내에서일대변혁의움직임이일어나고있다. 바로분산형발전시스템의확산이다. 대형발전소에의존한발전 / 송배전체계인기존의중앙집중형은정전피해에그대로노출되어있는데다장거리전력수송에따른손실도무시못할정도였다. 게다가수요에알맞게전력을생산, 공급하는체계는더더욱아니어서잉여의전력은고스란히손실되는상황이다. 발전에서송배전, 소비에이르는일련의전과정을지능적으로제어함으로써수급효율을극대화하는 스마트그리드 (Smart Grid) 가상기문제에대 한궁극적인해결대안이라할수있다. 스마트그리드는전력망의지능화, 단위전력망간쌍방향연결과다양한발전원의연계, 소비자의발전참여등이주요특징이다. 그러나발전 / 송배전관련기술이나전력인프라, 전력산업의기간산업적특성등을고려할때, 다양한중소규모의전원이연결되는분산형발전이징검다리역할을할수있는최적의현실적대안이라는평가가지배적이다. 분산형발전은전력망제어와운영에있어많은문제점도내포하고있다. 대형발전소는수십만 kw~ 수 GW급이상규모에까지이르며안정적발전품질을얻을수있다. 하지만태양광이나풍력과같은신재생에너지의경우시간별, 계절별, 기후에따라불균일한전력을만들어낸다. 이렇게양이나품질이불균일한전력을고스란히전력망에연결할경우, 신재생에너지비중이높은지역에서는도리어그피 태양광발전, 풍력발전등분산형신재생에너지원의확산은에너지저장의성장과직결된다. 46 LG Business Insight 2009 6 10
분산형발전으로의진화를원활하게하는중요한것중의하나가대규모에너지저장장치를활용하는것이다. 해가심각해진다. 공장과같은산업시설이나상업용빌딩, 병원등지에서전력의품질은매우중요하기때문이다. 비교적안정적인공급을유지하는국내의경우도전력품질이서비스유지에매우중요한데이터센터등지에서는에너지저장장치를이중삼중으로설치하여고품질의안정적인전력을유지하려한다. 분산형발전으로의진화를원활하게하는핵심요소중의하나가대규모에너지저장장치를활용하는것이다. 에너지저장장치를통해잉여의전력을저장했다가수요처에제때공급할수있다 (Load Shift 혹은 Leveling). 또한들쭉날쭉한전력품질과양을조절하는기능도함께노릴수있다 (Peak Shaving, Frequency Modulation). 일본, 미국등선진국에서는이러한대형에너지저장장치에대한검증과상업화노력이활발하다. 미국최대전력회사중의하나인 AEP (American Electric Power) 만해도송배전변전소나분산형발전의연계에수MW급이상의 NaS 전지와같은에너지저장솔루션을시험하여왔고, 설치를확대하려하고있다. 여기에는대형 NaS 전지기술을보유한일본의 NGK와 TEPCO(Tokyo Electric Power) 가참여하고있다. 또한전력소비측면에서도에너지저장솔루션에대한실증시험이늘고있다. 2009년뉴욕시 MTA 버스회사는 NGK의 1MW급의에너지저장솔루션을천연가스충전소에설치하여비용을대폭절감할수있었다. 버스에천연가스연료를주입할때고압을유지해야하므로상당한양의전기가소모된다. 대부분의버스가전력요금이싼야간에집중적으로연료를주입하게되었다. 이에버스회사는대형에너지저장장치를설치하여야간에값싼전기를저장했다가낮에가스주입에필요한전력으로사용하도록했다. 전력 < 그림 2> 분산형에너지저장개요 Generation Transmission & Distribution Consumption 대용량발전 송전변전소 배전변전소 산업用상업用주거用 저장저장저장저장저장저장 IGCC, 연료전지, 원자력 가스터빈, 태양광, 풍력 고효율엔진, 연료전지 고효율엔진, 연료전지 고효율엔진, 태양광, 연료전지 태양광, 풍력, Stirling 수십 MW 1~10 MW 수십 MW 수십 MW 이상 10 MW 이상 자료 : Sandia National Lab, AEP LG Business Insight 2009 6 10 47
에너지저장이발전이나에너지자원확보보다더주목을끌날이멀지않다. 요금은물론, 그동안야간연료주입때문에들었던인건비와운영비까지줄일수있었다. 이러한사례는다른지역에도확산될움직임을보이고있다. 일부에서는분산형발전 (Distributed Generation, DG) 과대비되는개념으로분산형에너지저장 (Distributed Energy Storage, DES) 시스템을구축하는것이현실적인대안이라는평가를내놓고있기도하다. DES는규모와상관없이발전에서부터송전, 배전, 소비단계모두에에너지저장장치가있는구조이다. 어떠한단계에서도다양한발전원이연결될수있는특징이있다. 태양광이나풍력은물론, 소규모터빈등에서만들어진전력을저장해두었다가전력망에흘려보낼수있다. 이를통해개별수요를가장가까운데서제어할수있을뿐아니라전체시스템의효율적운영도가능하도록한다는계산이다. 전력산업에있어서의에너지저장에대한성장잠재력은이전소형 IT기기나자동차용을훨씬능가하는것으로평가받고있다. Lux Research 의자료에따르면, 현재설치된풍력발전소중단지절반정도에만에너지저장설비가들어가더라도약 500억달러의시장을형성할수있으리라는예측을내놓고있다. 기존인프라의고도화니즈증대, 분산형발전의확산과독립발전회사의성장, 에너지저장기술의경제성확보등이복합적으로이루어진다면가히폭발적성장을기대해봄직도하다. 에너지저장, 경제 사회변화의중요한축앞서살펴보았듯이에너지저장은미래경제및사회변화의중요한축으로작용할전망이다. 에너지저장은잘드러나지않는곳에서우리주변의에너지와환경문제를소리없이해결해줄것이다. 자동차에서와마찬가지로전력산업에서도에너지저장의역할은필수불가결한위치에있다하겠다. 에너지저장관련기술의발전과규모의경제추구, 화석연료가격의상승, 친환경정책의확대등여러요인을고려하여볼때에너지저장의미래는밝다고볼수있다. 에너지저장이발전이나에너지자원확보보다더주목을끌날이멀지않음은분명하다. 변화는늘기회를수반하기마련이다. 많은기업들이앞날을내다보며기회를포착하고이를선점하려치열한경쟁을펼치고있다. 어떤기업들은전력회사와정부를엮어함께자신들의기술을검증하고상업화를추진하고있다. 전력산업의특성상인프라를보유하고관리하는기업들의입김이셀수밖에없을것이기때문으로풀이된다. 일부기업들은에너지저장기술의혁신에집중하여자신들의가치를높이려하거나, 기술개발에서설치, 운영등가치사슬내에서독특한사업모델을만들려하기도한다. 에너지저장의가능성과파급효과를감안한다면, 국내기업들도장기적인관점에서기업과정부, 연구기관의협력하에관련기술개발과상업화에보다많은관심을기울여야할것으로보인다. www.lgeri.com 48 LG Business Insight 2009 6 10