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재생에너지 전기를 저장할 수 있는 유일한 길은 ESS인데요.

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이상기후와 에너지 사용 증가, 재생에너지 비율 상승으로 전력 수급 관리의 어려움이 점점 커지고 있다. 따라서 남는 전기를 저장했다가 필요할 때 내보내는 에너지저장에 대한 관심이 쏠리고 있다. 특히 양수발전이 대다수였던 에너지저장 방식이 2010년대 초중반 배터리 기술 발달로 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)가 등장하며 산업에 새로운 바람을 일으키고 있다.

◆출력과 피크 안정, 주파수 조절까지…팔방미인 ESS

ESS는 에너지를 저장하기 위한 배터리와 이를 관리하는 BMS, 교류-직류를 변환하는 PCS, ESS 전체를 통합·관리하는 PMS(Power Management System) 등으로 구성돼 있다. 재생에너지는 간헐성으로 인해 저장이 중요하다. 따라서 재생에너지 비율이 높아진다면 전력 안정성을 유지할 ESS가 핵심 수단 중 하나다.

용도도 다양하다. 출력을 안정화하고 전력피크 발생 때 수급을 관리하는 용도로 사용할 수 있으며 주파수 조절도 용이하다. 이뿐만 아니라 이동형ESS를 통해 콘서트나 행사장 등에서 발전기를 대체하거나 건물 내 비상전원의 역할도 가능하다.

실제로 국내에서는 ESS의 전력 수급 관리 역할이 커지고 있다. 최근 정부는 전력피크 시간 발생시간에 맞춰 ESS 방전량과 시간대를 변경했다. 기존에는 오전 10시부터 오후 4시까지 6시간을 충전하고 이외 시간에 방전이 가능했다면, 여름철 전기사용량이 늘자 이를 해결하기 위해 ESS의 충전시간대를 오전 6시부터 오후 3시, 방전은 오후 4시부터 10시까지로 변경한 것이다. 용량도 100% 방전까지 허용, 지난해에 이어 올해도 전력 수급 위기에서 ESS의 장점을 톡톡히 활용하고 있다.

공공ESS도 정부 추진 사업 중 하나다. 한전은 계통 안정화를 위해 ESS를 주요 지점에 설치, 주파수를 조절하고 제약을 완화하는 '공공ESS' 사업을 추진 중이다. 한전의 계획에 따르면 전국에 총 970MW의 ESS가 설치된다.

◆미국, 중국 이어 유럽과 인도까지…연평균 성장률 30%

세계 시장은 얼마나 성장하고 있을까. 에너지 시장조사기관 블룸버그NEF가 지난 3월 발표한 보고서에 따르면 2030년 전 세계 ESS 시장 규모는 연간 178GWh에 달할 것으로 보인다. 이는 지난해 기준 글로벌 누적 설치 용량인 56GWh에 3배에 달하는 규모로 블룸버그NEF는 ESS 시장이 연평균 30% 성장을 기록할 것이라고 봤다. 특히 이미 누적 17GWh 이상이 설치된 미국에 이어 중국은 2025년까지 약 62GWh 용량의 ESS 구축할 것으로 보이며 호주 또한 2030년까지 7.3GW가 설치될 전망이다.

세계 최대 인구를 자랑하는 인도 ESS 시장도 급성장 중이다. 인도 정부 자문 기관 'Niti Aayog'의 보고서에 따르면, 2030년까지 인도의 ESS 시장은 최소 26GW/104GWh에서 최대 65GW/260GWh까지 성장할 것으로 전망된다.

러시아-우크라이나 사태로 화석연료 의존도를 낮추려는 유럽의 행보도 돋보인다. 유럽은 러시아 가스 공급 급감으로 재생에너지 사용비율을 높이기 위해 재생에너지 생산 시설과 이를 보조할 ESS에 대한 투자를 늘리고 있다. 이에 지난 3월 지속가능한 배터리 규제안이 의회 및 이사회를 통과해 3자 협의를 진행 중이며 재활용 및 수거, 공급망 실사 등 자원순환요소가 추가됐다. 유럽에너지저장협회(European Association for Storage of Energy, EASE)의 지난달 발표 자료에 따르면 2022년 유럽 내에는 5GW 규모 신규 배터리가 설치됐으며 10GW 이상의 배터리가 이미 가동 중이다. EASE는 2030년이 되면 누적 배터리 용량만 57GW에 달할 것으로 예상했다.

◆장단점 뚜렷한 ESS 배터리

기존 ESS의 단점을 보완할 다양한 배터리도 대안으로 등장하고 있다. 그동안 전세계 ESS는 에너지 밀도가 높고 가벼워 오랜 기간 대표 배터리로 자리 잡았던 리튬이온배터리가 주류였다. 과거 일본이 앞서나가던 리튬이온배터리 시장은 2010년대 이후 LG화학(현 LG에너지솔루션)과 삼성SDI 등이 기술개발을 통해 자체 생산을 시작, 현재 세계 선두권을 형성하고 있다. 하지만 리튬이온배터리는 화재 위험성도 있고 최근 원자재 가격이 3~4배 상승하며 가격경쟁력이 점차 떨어지는 추세다.

따라서 상대적으로 저렴하고 폭발과 화재 위험성이 낮은 리튬인산철배터리(LiFePO4, LFP)도 ESS에 적합한 배터리로 주목받고 있다. 대만 시장조사업체 트렌드포스는 2024년 세계 ESS 배터리 시장에서 LFP 비중이 60% 이상을 차지할 것으로 전망했으며 중국 ESS용 배터리 시장은 LFP 배터리 비중이 지난 2019년 33%에서 2021년 52%까지 상승했다고 발표했다. 이에 중국 정부의 강력한 지원을 앞세운 CATL과 BYD 등 중국 기업은 점차 세계 시장을 장악해나가고 있다. 국내에서는 LG엔솔과 SK온 등이 LFP배터리 개발에 나선 상태다. 다만 에너지 밀도가 낮다는 점이 LFP의 최대 약점으로 꼽힌다.

국내스타트업 스탠다드에너지가 개발한 바나듐이온배터리도 ESS 특화 배터리로 꼽힌다. 전해액의 주성분이 물이라 화재 위험성이 거의 없으며 배터리 효율성 역시 97%로 리튬 이온 배터리보다 높다. 1만 번 이상 충전해도 배터리 용량이 99%까지 유지된다는 장점으로 ESS와 연계한 전기차 충전, 친환경 선박, 전력망 고도화 등 사업에 사용이 추진되고 있다.

◆화재 해결이 우선

이처럼 다양한 용도에서 사용될 수 있는 ESS지만 화재는 여전히 뛰어넘어야 할 산이다. 지난 2017년 처음 시작된 ESS 화재는 올해 울산 고사동과 경북 군위, 전북 익산, 전남 장성까지 4건의 화재를 포함해 총 37건의 화재사고가 일어났다. 지난 2019년 정부는 제1차 ESS 화재 조사를 발표하며 운영 관리와 설치, 관리체계 등을 지적하며 옥내 설치 제한과 소방시설 설치 등을 의무화했으나 화재는 여전히 발생했다.

이어진 2차 화재조사위에서 정부는 "배터리 등을 종합적으로 분석해 배터리가 화재 원인일 수 있다"는 결론으로 ESS 배터리 충전율을 80~90%로 제한하고 옥내설비를 재사용하기 위한 옥외 이전 지원, 사고 원인 규명을 위한 운영데이터를 보관하는 등의 대책을 내놓았다.

하지만 두 차례의 대책에도 화재는 이어지자 정부는 '제3차 ESS 화재조사 위원회'를 꾸렸고 2020년과 2021년 발생한 ESS 화재 원인을 배터리 내부이상으로 추정했다. 대책으로는 충전율 제한이 아닌 배터리 보증수명(End of Life, EOL)을 기준, 용량 이하로 사용하도록 변경했으며 배터리 셀 적합성 인증 의무화와 자체 소화 시스템 설치, 주기적 안전점검 의무화, 전기저장장치통합관리시스템 등 디지털 기술을 활용한 안전관리 인프라 확충 등이 담겼다. 하지만 업계에서는 여전히 세부 규정이 없고 과거 설치된 ESS에 대한 대책이 없다고 지적하고 있다.

한 업계 관계자는 "올해 네 차례의 화재가 추가로 발생했기 때문에 이미 과거 대책이 크게 도움이 되지 않았다고도 볼 수 있다"며 "사실 화재가 대부분 과거에 설치된 우후죽순으로 설치됐던 ESS에서 일어나기 때문에 이를 위한 규정 마련에 힘써야한다"고 말했다.

화재가 ESS 업계 최대 이슈로 자리잡자 안전을 검증하기 위한 센터도 나타나고 있다. 그동안 ESS 설치가 지속적으로 증가했으나 화재 안전성을 검증할 인프라와 시스템이 부재했기 때문이다. 한국전기안전공사는 2025년까지 완주군 일대 1만5000㎡ 규모로 신재생 연계 ESS 안전성 평가센터를 구축에 나섰고 한국건설생활환경시험연구원(KCL)과 한국기계전기전자시험연구원(KTC)은 2022년 9월 완공을 목표로 삼척에 세계 최대 규모 ESS 화재안전성검증센터를 구축하고 있다.

정재원 기자 one@electimes.com 

출처 : 전기신문(https://www.electimes.com)