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ESS, 나를 잊었나요? 앞으로 우리가 나아가야 할 방향
[자료1. ESS 구상도]출처 : ⓒ 16기 김미림

2013년 등장하여 본격적으로 주목을 받던 2018년까지 ESS의 활약은 눈부셔 보였다. ESS는 Energy Storage System의 약자로 에너지 저장 시스템을 일컫는 기술 용어로써, 발전원에서
남은 에너지를 저장한 후 에너지 수용가에서 당장 전력이 부족할 때 충전하였던 에너지를 전달해 주는 일종의 “에너지 배터리”로써 기술된다. 재생에너지와 같이 출력이 간헐적으로 발전
량이 일정치 못한 발전원에서 유용하게 쓰이는 기술로 기대되며 재생에너지 확대 사업에 큰 활약을 해줄 것으로 기대되었다.

하지만 2017년 국내에서 본격적으로 쓰이기 시작한 시점부터 화재 사고가 연달아 일어났다. 잇따른 화재 및 안전사고로 인하여 2021년 현재 ESS 사업과 시장은 정체된 모습을 보인다.
재생에너지 발전 사업에 필수적으로 필요한 ESS, 이대로 잊혀져야만 하는 걸까? 위 기사에서는 ESS의 과거-현재- 그리고 나아갈 미래를 살펴본다. ESS의 과거 안전사고를 살펴보며 정확한 사고 원인과 그것을 방지시키기 위해 연구되는 ESS의 미래 기술을 살펴본다. 또한 ESS의 부흥을 위하여 우리나라 정부가 실시하는 보상 정책과 보급 지원 정책을 분석한 후 국내 시장
과 해외 시장과의 비교를 통하여 전체적으로 ESS가 나아갈 방향을 제시하는 기사를 제안한다.

 

[ ESS 산업이 정체된 원인과 그 영향 ]

ESS는 미래산업의 필수적인 요소로 인식되고 있으나, 아직까지 그 규모는 기대만큼 크지 않다. 이러한 이유는 과거 안전 문제들로 인해, 관련 산업이 중단되었기 때문이다. 2017년 8월 전북 고창 ESS 산업단지에서 화재가 발생한 이후, 현재까지 약 30곳에서 잇따른 화재가 발생하였다.

[자료2. 태양광발전소 내 ESS 설비 화재 모습].출처 :이투뉴스

이러한 화재는 정부의 신재생에너지 보급 확대 정책 속에서, 안전기준 매뉴얼도 없이 ESS 사업만 확대한 결과로 해석된다. 따라서, 화재 사건 이후 정부와 기업들은 ESS 안전기준 매뉴얼을 마련하게 되었다.

그러나, 안전기준을 도입한 이후에도 화재 사건은 끊임없이 발생하였다. 국내 LG화학과 삼성SDI등 많은 기업이 비슷한 화재 사건을 겪으면서, ESS 산업은 점차 가동률을 줄이게 되었다. 이와 관련하여, 민관 합동 조사단은 사고원인으로 배터리 시스템 결함, 전기적 충격 요인에 대한 보호체계 미흡, 운영관리 미흡 및 설치 부주의, ESS 통합관리체계 부재 등 4가지 요인을 화재 원인으로 추정하였다.

이러한 사고원인을 입증하기 위해 조사단은 각 추정원인에 대한 76개의 시험실증 항목을 설계하고 시험기관, 한국전력 등 9개의 기관, 약 90명의 인원이 ESS 구성품 및 시스템 단위로 시험을 실시하였다. 그 결과 사고의 원인은 아래 사진과 같았다.

[자료3. ESS 사고원인 조사 결과]출처: 민관합동 조사단

공통적으로 배터리가 사고원인에 속하게 되었으며, 특히 2019년 8월 이후 발생한 ESS 화재 5건 중 4건에 대해 “배터리가 화재 발생의 원인”이라는 결론을 제시하였다. 이는 정부가 과거 1차 조사 이후, 안전대책을 시행함에도 꾸준히 화재가 발생하자 2차 조사단을 구축하여 조사한 결과였다.

추가적으로, 조사단은 “화재가 발생한 충남, 강원, 경북, 경남 4곳은 배터리가 발화한 지점으로, 배터리 이상이 화재 원인으로 추정된다” 라고 발표했으며, 화재 현장에서 수거한 배터리에서 내부 발화시 고체가 액체로 녹아내린 용융 흔적과 저전압 이상, 고온 전압 불균형 등을 확인했다고 언급했다. 이4곳에서 LG화학과 삼성SDI의 배터리가 사용되었다.

[자료4. 삼성SDI와 LG화학 로고]출처: 매일일보

이에 대해, 삼성SDI와 LG화학은 “배터리는 ESS화재 원인과 연관성이 없다”라고 강하게 반박했다. “동일한 배터리가 사용된 해외에서는 ESS 화재 사고가 보고된 적이 없다”라고 그 근거를 제시하며, “배터리에서 불이 시작된 것을 화재 원인으로 규명하는 것은 타당성이 부족하다”라고 언급했다. 하지만, 정부의 조사 결과가 배터리에 초점이 맞춰지면서, 관련 산업의 성장세는 큰 타격을 받게 되었다. ESS 관련 한 업계 관계자에 따르면, “2015년 이후 ESS 산업은 높은 성장세를 보였으나, 화재 이후로 급격히 위축된 상황”이라고 설명했다.

그러나 ESS 산업은 배터리 개선을 통해, 다시 성장하려는 발판을 마련하고 있다. 과연 어떠한 방법으로 배터리를 개선하고 있는지 함께 살펴보자

 

[ESS의 배터리 개선 방안]

ESS 화재의 원인과 책임에 대한 부분은 여전히 논쟁중에 있지만 저탄소 사회로의 전환에 있어서 ESS의 역할은 매우 중요하기에 효율과 안전성 개선을 위한 다양한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. ESS의 발전을 위해서는 전력제어장치(PCS), 배터리 관리시스템(BMS), 에너지관리시스템(EMS) 등의 관련 장치 및 시스템의 개선도 반드시 필요하다. 하지만 그중에서도 가장 중요한 부분은 ESS에 사용되는 배터리 자체의 개선일 것이다.

기존 ESS에는 리튬이온 배터리가 주로 사용되었다. 스마트폰, 손목시계, 노트북 등의 소형 전자제품부터 전기차와 ESS 등 대용량 전력 저장 장치까지 광범위하게 활용되고 있다.
이렇게 다양한 장점에도 불구하고 리튬이온 배터리가 가지는 치명적인 한계가 있는데, 바로 화재 가능성이다. 액체 전해질을 통해 리튬이온을 전달시켜 전류를 발생시키는데 충,방전 과정에서 액체전해질이 분해되어 가스 등 부산물이 발생할 수 있다. 그렇게 되면 배터리 내부 압력이 높아지게 되고 폭발이나 발화로 이어질 수 있다. 또한 양극과 음극이 섞이지 않도록 해주는 분리막이 제 역할을 하지 못할 때도 화재로 이어질 가능성이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 많은 연구가 진행되고 있지만 최근에는 ESS에 사용되는 배터리 자체를 다른 종류로 대체하
는 방안에 힘이 실리고 있다.

리튬이온 배터리를 대체할 새로운 종류의 배터리 중에서 최근 주목받고 있는 것은 바로 바나듐 레독스 흐름 전지(VRFB, Vanadium Redox Flow Battery)이다. 흐름 전지는 리튬이온 전지와 마찬가지로 충방전이 가능한 2차전지이다. 에너지가 저장되는 전해질이 배터리 내 저장탱크에 보관되고, 전기 파워의 출력을 담당하는 스택(Stack)으로 이동, 순환하며 산화/환원 반응이 일어나게 된다. 두 개의 저장탱크에 전해질을 나누어 저장하고 각각의 전해질에는 서로 다른 금속 이온이 녹아있다.

[자료5. 레독스 흐름전지 원리]출처: 네이버 블로그

흐름전지는 전해질의 종류에 따라 분류할 수 있는데, 산화수가 서로 다른 두 바나듐 이온을 이용한 것이 바나듐 레독스 흐름 전지이다. VRFB의 장점은 리튬이온전지와 비교해서 인체 유해성, 인화성, 화학 반응성의 위험도가 낮아 안정성이 높다는 것이다.

리튬이온전지와 달리 전해질로 물을 이용한 수계 전해액을 사용하기에 화재 및 폭발의 위험이 없다. 또한 배터리 수명도 리튬이온전지보다 2배가 가량 길고 에너지 저장부인 저장탱크를 따로 설계하여 용량 설계를 유연하게 할 수 있다. 즉, 저장탱크에 전해액을 추가하기만 하면 저장용량이 증가하므로 대용량화가 비교적 용이한 것이다.

이런 특징으로 인해 VRFB는 리튬이온 배터리로 인해 발생되는 ESS의 여러 문제를 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 다만 리튬이온 전지보다 에너지 밀도가 낮은 것과 바나듐 전해액의 가격이 다소 비싸다는 단점이 있기에 이를 극복하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 꾸준한 개선이 이루어진다면 VRFB가 화재가능성이 매우 낮다는 점과 수명이 길어 대용량, 장주기 ESS에 적절히 활용되어 화재로 인해 침체된 ESS산업에 새로운 활력을 불어넣을 수 있을 것이다.

결국 ESS의 개선을 위해서는 기존 배터리의 단점을 보완하는 방안과 바나듐 레독스 흐름 전지처럼 새로운 배터리로의 대체가 병행될 필요가 있을 것이다. 또한 배터리와 더불어 배터리 관리 시스템(BMS), 에너지 관리 시스템(EMS) 등의 소프트웨어 시스템의 개선을 통해 안정적으로 ESS를 운영하는 통합관리 체계의 발전도 반드시 필요할 것이다.

한국은 이차전지나 연료전지 관련 인프라가 매우 풍부하기 때문에, 배터리를 활용하는 ESS산업에서도 글로벌 리더의 역할을 할 수 있을 것이다. 뛰어난 국내 인프라와 우수한 연구진들의 연구를 통해 ESS의 성능과 안정성을 개선할 수 있는 다양한 기술 개발이 기대된다. 하지만 단순히 기술 개발만 가지고 산업의 성장을 보장할 수 있는 것은 아니다.

아무리 뛰어난 기술을 가지고 있더라도 그것이 효과적으로 활용되도록 뒷받침해주는 제도나 정책이 없다면 그 산업은 침체될 수 밖에 없다. 따라서 ESS 활성화를 위해 시행되고 있는 국내의 ESS 관련 정책이 어떤 위치에 있는지 살펴보도록 하자.
 

[ESS 활성화를 위한 정책]

화재사고로 주춤해진 ESS 시장을 활성화하기 위해 정부는 이에 대한 보상안을 마련했다. 잇따른 화재사고로 대형 인명피해가 우려되어, 정부 측에서는 사업장내 ESS의 가동중단을 요청한 바 있다. 이에 지난해 11월, ‘ESS 가동중단 손실보전 위원회’를 운영해 보상방안을 확정했고, 정부 권고에 따라 최소 1개월 이상의 가동중단 기간을 가진 사업장에 대하여 인정 기간만큼 전기요금 할인특례 기간이 연장되었고 추가 신재생에너지 공급인증서(REC)가 발급되었다.

ESS 설치 장려를 위한 지원책도 꾸준히 진행중이다. 한국에너지공단에서는 2020년 에너지신산업 기반구축사업의 일환으로, ‘중소기업 배터리 사용 ESS사업장 안전조치 지원사업'과 ‘ESS+EMS 융합시스템 보급지원사업’을 진행하였다. 안전조치 지원사업에서는 ESS 화재사고 예방조치를 위해 공통안전조치 및 소화설비보강 이행을 위한 설치비용을 일부 지원했다. 융합시스템 보급지원사업은 초기 투자부담이 높은 ESS와 EMS의 설치비를 보조하는 것으로, ESS 보급 초기시장을 창출하고 성공사례를 통해 ESS+EMS 융합시스템이 확산되는 것을 목표로
진행되었다. EMS는 에너지 흐름 제어를 통해 에너지 저장 및 소비를 관리하는 시스템으로, ESS+EMS융합시스템을 통해 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 올해 들어서는, 이에 대한 지원비율을 높였다.

또한, 기존 대상이었던 공업∙상업시설과 주거시설 외에도 변동성 재생에너지 발전에 따른 제약 완화를 목적으로 하는 융합시스템과 ESS 재사용을 통한 융합시스템이 새롭게 추가되어 지원 범위가 확대되었다. 한편, ESS에 대한 정부 지원이 부족하다는 지적도 나오고 있다. ESS에 대한 전기요금 할인특례의 경우 기존 3배수에서 1배수로 대폭 축소되었으며, 지난 6월 발표된 신재생에너지 설비 REC 가중치 개정안에 따르면 태양광연계 및 풍력연계 ESS의 REC 가중
치 부여기간이 종료되어 지원대상에서 삭제된다.

게다가, 화재 예방을 위한 안전대책으로 ESS 신규설비 충전율을 80~90%로 제한하게 되면서 수익이 하락하여 ESS 설치 유인이 감소하게 되었다. 이러한 상황 속에서, 지난 6월 열린 ‘제2차 탄소중립 표준화 전략 협의회’에서 공개된 탄소중립 표준화 아이템 중, 에너지 전환 분야에서 ESS 계통연계요건 및 연동운전이 포함되었다. 이를 통해, 정부가 ESS를 탄소중립 실현 핵심 아이템으로 주목하고 있음을 알 수 있다.

[자료6. 2050 탄소중립 표준화 전략]출처: 그린포스트코리아


[ESS 시장 동향]

이렇게 국내의 ESS 설치장려와 지원에도 불구하고 국내 ESS시장이 위축되고 있는 상황이다. 문재인 정부가 집권한 2017년부터 전기요금 할인 특례, REC 적용 등 보급 지원정책으로 시장이 급성장하는 듯 보였으나, 이후 화재사고를 기점으로 급격히 위축되고 있는 상황이다.

반면 글로벌 ESS 시장은 전세계적인 에너지전환 추세와 국가간 탄소중립 연대 강화에 따라 향후 10년간 연평균 31%의 가속 성장중이다. 국가별로는 미국이 가장 큰 시장으로 전망됐으며 중국, 호주, 인도 등도 전망이 밝다. 이렇게 ESS 시장이 급격히 성장하고 있는 주요 국가들은 에너지마켓 플랫폼 개방을 통한 자유로운 민간시장 활성화 및 정부 차원의 강력한 전력규제 의무이행 강화를 통해 시장을 견인하고 있는 추세다. 특히 ESS글로벌 시장 중 아메리카 대륙에서 점유율이 큰 미국과 아시아 태평양 지역에서 점유율이 큰 중국의 ESS시장 동향을 살펴 보겠다.

[자료7. ESS 글로벌 시장 규모의 변화와 예상]출처 : 글로벌데이터 파워 인텔리전스 센터

먼저 미국의 사례를 보면 지난해 기준 미국 전력망 시장 규모는 6.5GWh로, 글로벌 전력망 ESS 시장의 1/3를 차지하는 가장 큰 시장이다. 캘리포니아주의 대규모 정전 사태와 텍사스 정전 사태 등으로안정적인 전력 수급을 위한 분산형 발전 수요가 늘면서 ESS 규모가 급격히 커지고 있다. 여기에 조 바이든 미국 행정부는 신재생에너지 확대 정책을 펴고 있어 ESS 시장이 탄력을 받고 있다. 미국의 ESS 연평균 성장률은 54%며 오는 2025년까지 현재보다 약 9배 수준으로 확대될 전망이다.

다음으로 중국의 사례를 보면 중국 ESS 산업은 중국 정부의 인센티브 정책에 힙입어 성장을 본격화했다. 특히 중국에서는 발전소에 설치된 ESS를 활용하는 ‘프론트 오브 더 미터(FTM)’ 시장이 성장을 주도하고 있다. 이렇게 빠른 ESS산업 성장세를 이룬중국의 국가전력망공사가 FTM 시범 사업을 진행했으며, 이 시범 사업들은 정부의 연구 보조금 지원으로 진행되어 빠르게 성장중이다.

 

[해외시장을 공략하는 우리나라 기업들]

[자료 8.캘리포니아주 몬트레이 카운티 북동부의 모스랜딩지역에 가동 중인 모스랜딩 발전소]출처 : 뉴데일리 경제

국내 ESS 시장이 축소에 머무르지 않고 우리나라 기업들은 국내ESS확장을 위해 해외 ESS 시장에서 활발히 활동 중이다. 글로벌 ESS 시장 선두 업체인 삼성SDI는 2분기 ESS 사업을 포함한 에너지 사업에서 전년 동기 대비 41.2% 증가한 2조7118억원의 매출을 올렸다.

미주 지역 전력용 프로젝트 중심으로 매출이 늘어난 영향이다. 최근 2분기 실적발표에서 삼성SDI는 2026년에는 ESS 시장이 100GWh 이상이 될 것이라는 전망을 내놨다. 전력용 ESS 시장 뿐 아니라, 가정용 ESS 역시 태양광 에너지를 활용해 전기요금을 절감하려는 수요가 늘면서 연평균 30% 이상 고성장 할 것이라는 분석이다.

LG에너지솔루션 또한 미국 시장을 거점 삼아 2030년 글로벌 점유율 30%(매출 10조원) 이상을
달성하겠다는 목표를 세웠다. LG에너지솔루션은 지난 6월 미국에서 진행 중인 세계 최대 규모 ESS 프로젝트에 ESS용 배터리를 공급했다. 미국 발전사인 비스트라가 캘리포니아주 몬트레이 카운티 북동부의 모스랜딩 지역에 가동 중인 1.2GWh 규모의 전력망 ESS다. 이는 약 22만5000가구가 사용할 수 있는 전력을 저장할 수 있는 ESS로, 단일 기준 세계 최대 규모다. LG에너지솔루션은 해당 프로젝트에 ESS배터리 신제품 ‘TR 1300’ 랙을 공급하며 시스템 업그레이드도 이뤄가고 있다.

 

[나가며 : ESS가 나아갈 방향]

[자료 9. 그래비트리시티의 중력 활용 ESS]출처 : 에너지정보소통센터

ESS의 화재 사고가 발생하던 2017년부터 현재까지 사업의 부흥보다는 REC 가격을 낮추는 등 ESS 사업 확장의 기회가 닫힌 모습을 보여주었다. 하지만 더 이상 ESS 사업을 방치한 채로 있을 수는 없다.

특히 최근에는 배터리의 수요가 증가하면서 수급이 불안정해지거나 비용 문제가 발생하는 등 부담이 커지자 새로운 형태로 에너지를 저장하는 기발한 방식이 개발되고 있다. 영국의 에너지 스타트업 그래비트리시티(Gravitricity)는 중력을 활용한 ESS를 선보였다. 잉여 전력으로 무거운 추를 높이 끌어올려 두었다가 전력이 필요할 때 추를 낙하시켜 전기를 만드는 방식이다.

또한 하이뷰파워라는 기업은 공기를 활용해 에너지를 저장하는 방안을 발표했다. 공기를 액화시켜 보관하고 있다가 전기가 필요할때 기화시켜 부피가 늘어난 공기로 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 이처럼 기발한 ESS는 배터리와 달리 재료 수급에 제한받지 않고 중력과 공기라는 무제한의 에너지를 활용하기에 차세대 에너지 저장 장치로서 역할을 할 것으로 기대된다.

이처럼 기술의 발전과 함께 다양화되는 ESS와 그것을 지지해 줄 정책의 진화가 ESS 사업 부흥에 큰 도움을 줄 것이다. 탄소중립과 안정적인 재생에너지보급에 핵심적인 역할을 해 줄 ESS, 이제는 재생에너지 사업에 보조적인 수단이 아닌 하나의 중심 사업으로서 나아가야 할 때가 아닐까. 안전한 기술과 주체적인 정책을 바탕으로 ESS 시장이 다시 일으켜지길 응원한다.

 

R.E.F 16기 김 미 림
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R.E.F 19기 김 승 호
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R.E.F 19기 양 은 우
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R.E.F 19기 최 혜 연
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R.E.F 20기 강 주 혁
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R.E.F 16기 김 미 림  alfla2221@gmail.com

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