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에너지저장산업의 현재와 미래

수출입은행 산업투자조사실 책임연구원 강정화
Korea Exim Bank Industry and Overseas Investment Research Office Senior Researcher, Ph.D Jung-hwa kang
Ⅰ. 에너지 저장시스템 개요
1. 에너지저장시스템 필요성
(1) 에너지저장시스템(Energy Storage System: ESS)개요
생산된 전력을 저장했다가 전력이 가장 필요한 시기에 공급하여 에너지 효율을 높이는 시스템으로 전기를 모아두는 배터리와 배터리를 효율적으로 관리해주는 관련장치로 구성되어 있다.(그림 1 참조)

(2) 필요성
효율적인 전력활용, 고품질의 전력확보, 안정적인 전력공급측면에서 에너지저장시스템의 필요성이 증대되고 있다.현재 전력시스템은 피크타임 전력수요에 맞춰 전력용량을 증설해야 하는 구조로, 전력수요와 공급간 불일치가 발생하여 발전소 건설에 비용이 많이 소모되며, 심야에 잉여전력이 과다 되는 등이 비효율 적인 반면, 에너지저장시스템을 활용하여 수요와 공급의 불일치를 해소하여 전력 활용의 효율성을 증대 할 수 있다.
특히, 전력수요가 적은 심야시간에 유휴전략을 저장하고 수요가 급증하는 낮시간에 전력을 공급함으로써 전력시스템의 효율을 개선할 수 있다.
태양광, 풍력 등 신재생에너지 보급이 확대됨에 따라 전력의 품질 및 전력망의 안정성 문제가 대두되고 있는데, 신재생에너지의 가장 큰 문제점은 바람 및 햇빛 등 기후변화에 따라 전력생산량이 급변한다는 점이다.
또한, 신재생에너지 발전에서 생산되는 전기의 경우 전압 및 주파수가 일정치 않아 전력품질도 문제가 되고 있는 상황이다.따라서 신재생에너지 사용 확대 및 문제해결을 위해 에너지 저장 기술이 필요하다.
2010년 전 세계 발전 포트폴리오 중 신재생에너지 비중이 5%에 불과하여 전력망에 큰 문제가 발생하고 있지 않으나 비중이 높아질수록 여러가지 문제가 발생할 가능성이 높아질 것이다.
낮은 전력품질문제로 산업체 가동 중단 및 전자기기의 고장 등의 여러가지 문제를 일으킬 가능성이 높다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 발전능력과 소비 수요 사이 완충장치 역할을 할 전력 저장장치의 도입이 확대될 전망이다.



정전 피해의 최소화를 위해 단기정전 방지를 위한 비상전원으로의 중요성이 확대되고 있다.일본의 경우 후쿠시마 원전사고로 인한 정전사태로 위기상황 대처를 위한 비상전원의 필요성이 증대되었다.
우리나라도 올 여름 전력 예비율 하락으로 인한 정전사태 우려가 있었으며, 특히 병원, 데이터센터, 반도체 공장 등 전력 공급이 꼭 필요한 기관들의 비상전원으로 에너지저장시스템의 중요성이 커졌다.
에너지저장기술은 스마트그리드 구현을 위한 핵심기술로 스마트그리드는 공급자와 소비자가 정보를 교환해 에너지 효율을 최적화 하는게 핵심요소이다. 에너지저장기술이 있어야 전력생산자와 소비자간의 효과적인 정보 교환이 가능하다.
위와 같은 이유로 에너지저장시스템에 대한 중요성이 날로 커지고 있으며, 에너지저장산업은 전력산업 변화의 핵심기술로 부상할 전망이다.(그림 2 참조)

2. 에너지저장시스템의 종류
(1)에너지저장 기술은 배터리 방식과 비배터리 방식으로 구분
배터리 방식은 화학적 에너지 형태로 저장했다가 사용하는 방식을 말하며, 대표적으로 리튬이온, 니켈, 납축전지 등 2차 배터리가 대표적이다.
배터리 방식으로는 고용량, 고효율을 강점으로 리튬이차전지가 가장 주복을 받고 있고, 비배터리 방식은 물리적 에너지 형태로 저장했다가 사용하는 식으로 양수발전, 압축공기저장이 대표적이며, 대규모 저장에 적합하나 자연적 제약조건이 많은게 단점이다.
따라서 기술적 구현은 가능하나 적합한 장소 및 지리적 제약이 크게 수반되기 때문에 향후 주도적인 에너지저장기술로 자리 잡기는 어려울 전망이다.

(2)에너지저장 방식 및 기술은 전력사용 목적 및 수요의 결정
에너지 저장 유형은 잉여의 전기 에너지를 저장해두었다가 필요한 경우 실시간으로 제어, 공급할 수 있는데, 그 특성이나 효율, 경제성 등에 따라 적용 영역이 매우 다양하다.
에너지저장기술의 미래는 대용량의 전기를 얼마나 싸게 저장할 수 있느냐가 에너지저장기술 개발의 주요과제이다.최근 들어 대규모 전략저장을 위해 나스(NaS)나 Flow 배터리에 대한 연구가 진행되고 있으나, 가시적인 성과는 미흡한 편이다.
NaS전지는 300도 이상의 고온의 황과 용융된 나트륨을 이용한 전지로서 일본의 NGK사가 실제 ESS를 설치한 사례가 있으나, 설비를 고온에서 운용해야 한다는 부담감이 크며 유해 물질인 황을 사용한다는 점이 단점이다.
Flow Battery는 양-음극 전해액을 강제 순환시켜 충/방전을 하는 배터리로서 투자비가 낮다는 점은 장점이지만 변환 효율이 낮아 운용 비용이 높다는 점이 단점이다.
플라이휠은 전기에너지를 회전운동 에너지로 변환하여 로터를 회전시키는 전력저장장치로서 방전시에는 로터를 감속시키면서 운동에너지를 전기에너지로 전환한다.
수명이 15년 이상으로 길고 출력이 높다는 점은 장점이지만 초기 투자비가 높고 폭발 위험성이 크다는 점이 단점이다.중대형 리튬이차전지를 활용한 에너지저장 기술이 주목을 받고 있으나, 아직까지 상용화한 사례가 없는 것이 단점이다.수백MW급의 발전용량을 가지는 Pumped Hydro및 압축공기저장 등도 초대용량 ESS로서 연구되고 있다.
Pumped Hydro는 지형의 고도차를 이용한 양수발전으로서 지형적인 설치 조건과 낮은 변환효율, 환경파괴 등의 문제점이 지적되고 있으며 CAES는 압축공기 형태로 에너지를 저장하는 ESS로서 폭발의 위험을 가지고 있다.

Ⅱ. 에너지시스템 시장동향
1. 에너지저장시스템 시장현황 및 전망
에너지저장시스템 시장은 초기시장 단계이나, 신재생에너지 확산 및 고품질 전력수요 증가로 빠르게 성장할 것으로 전망된다.
2010년 기준으로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 2조원 규모의 초기 시장이 형성되었다.2010년 850MW 정도의 에너지저장시스템이 설치되었으며, 1.5GW 규모의 프로젝트 설치 계획이 발표되었다.(표 1 참조)



2012년 에너지저장시스템 시장은 약 142억 달러로 추정되며, 2020년에는 536억 달러, 2030년 1,300억 달러 시장으로 성장할 것으로 전망된다.
분야별로는 2012년 비상전원용 105억 달러, 전력용 34억 달러, 가정용 3억 달러로 비상전원용이 전체 에너지저장시스템 시장의 74%를 차지할 것으로 보인다.
하지만 2015년에는 비상전원용 시장은 35%로 시장점유율이 크게 하락하고 전력용 시장이 162억 달러로 성장하여 전체 시장의 60%를 차지할 전망으로, 이는 에너지저장 단가하락 및 신재생에너지 보급 확대에 따른 전력용 수요가 급증하기 때문이다.(그림 3 참조)

2. 에너지저장시스템용 리튬이차전지 시장현황
(1) 에너지저장기술 중 리튬이차전지가 주도 기술로 부상할 것으로 예상
에너지저장을 위한 여러가지 기술들이 경합하고 있으며, 이 중 배터리 방식이 물리적 저정방식보다 시장에서 선호될 것으로 예상된다.배터리방식 중에서는 리튬이차전지가 고효율, 고성능 및 우수한 충방전 특성으로 에너지저장 기술을 선도할 것으로 전망된다.리튬이차전지는 용량 확장성, 에너지 변환효율, 친환경적으로 타 경쟁기술 대비 많은 장점을 가지고 있다.
에너지 저장용 배터리 중 리튬이차전지 충방전 특성이 가장 우수한 것으로 평가 받고 있어 에너지저장용 배터리로 가장 널리 사용될 것으로 보인다.하지만 실증사례가 많지 않은 것이 단점이나, 리튬이차전지를 적용한 프로젝트가 건설되고 있어 이를 통해 충분한 검증이 될 예정이다.(표 2 참조)



(2) 에너지저장용 리튬이차전지 시장규모는 2020년 193억 달러에 달할 전망
리튬이차전지 시장규모는 2012년 8억 달러, 2015년 71억 달러, 2020년 193년 달러로 연평균 49%씩 성장할 전망이다. 리튬이차전지 시장점유율은 2012년 6%에서 2020년 36%로 높아질 전망이다.(그림4 참조)



(3) 리튬이차전지 수요 확대에 가장 큰 걸림돌은 가격
2011년 기준으로 리튬이차전지 가격은 $800/kWh을 상회하고 있는 상황으로 현 가격으로는 투자비를 회수하기가 불가능하다. 에너지저장장치의 높은 가격으로 인해 수요는 정부 시범사업 등 공공 용도에 제한되어 있다.
리튬이차전지 가격이 $400/kWh까지 떨어지는 2015년을 기점으로 에너지저장장치의 수요가 급격히 증가할 것으로 예상된다. 리튬이차전지 가격이 빠르게 하락하고 있어 2014년에 투자비 회수가 가능한 $400/kWh에 도달할 전망이다.
2014년 이후 초기시장 단계를 지나 본격적인 성장국면에 접어들 것으로 예상되나 본격적인 성장을 위해선 규모의 경제 확보가 무엇보다 중요하다.
리튬이차전지 시장의 큰 축을 차지하는 전기자동차 시장이 부진한 관계로 규모의 경제 확보를 위한 투자가 미진한 상황이다. 규모의 경제확보를 위한 투자가 늦어질수록 본격적인 성장단계로의 진입은 늦어질 것으로 보인다.(그림 5 참조)

Ⅲ. 국내.외 에너지저장 산업동향
1. 주요국 에너지저장 산업동향
(1)에너지저장산업에 대한 주도권을 잡기 위해 연구개발 지원 및 다양한 보급사업 추진중
미국, 일본, 유럽 등 주요 선진국들은 연구개발 및 실증을 활발하게 추진 중이며 사업화단계에 진입하였다. 특히 리튬이차전지 업체들은 정부와 협력을 통해 시장창출을 노력중이다.

1)일본: 2012년부터 369억엔 규모의 보급사업추진
2012년 3월부터 에너지저장시스템 설치 보조금 사업을 추진하고 있으며, 지방자치단체(도쿄/사이타마현)별 에너지저장시스템 보조금을 지급한다.
신재생에너지발전용, 가정용 등 다양한 분야에서 기술 개발을 추진하여 NaS, 리튬이차전지 등에서 앞선 기술력을 확보하고 있다. 파나소닉, NEC 등 일본 주요 전자회사가 에너지저장시스템 시장에 뛰어들어 다양한 제품을 출시하고 있다.(표 3 참조)



2)미국: 대형 전력회사를 중심으로 기술 개발 및 실증연구 집중 추진 중
에너지저장시스템 설치 의무화 법안을 발표(캘리포니아주 전력회사) 하였다. 2014년부터 공급전력의 2.25%, 2020년 5% 설치 공급할 예정으로 미국 AES사는 화력발전 설비에 20MW급 에너지저장시스템을 설치하였다. 주요 미국 에너지저장시스템 기업들의 동향은 다음과 같다.(표 4 참조)

3)유럽: 국책과제로 스마트그리드와 연계한 에너지저장기술 개발
프랑스 SAFT사와 독일 CONERGY사 등이 참여하여 국책과제인 Solion 프로젝트를 추진중으로, Solion프로젝트를 통해 에너지저장 신기술 및 이를 제어할 수 있는 관련 기술개발을 서두르고 있다.

2. 국내 에너지저장산업 동향
(1)시장현황
현재 국내 에너지저장산업은 기술검증을 위한 실증단계이며, 내년이후 초기시장에 진입할 것으로 예상된다.
현재 국내 에너지저장시스템 시장은 연구단계에서 설치되는 물량이 대부분이나, 2013년부터는 공공기관을 중심으로 한 초기시장이 형성될 전망이다.
특히 여름철 전력부족으로 인한 피크전력 관리 및 신재생에너지 보급량이 증가함에 따라 중장기 수요는 크게 증가할 전망으로, 2015년 900MW, 2020년 1.5GW 규모로 성장할 것으로 보인다.

(2)기술동향
현재 국내 기술동향은 상용화 되는 정도로 원천 및 소재기술, 실증경험 측면에서 선진국 대비 경쟁력이 약세인 상황이다.
리튬이차전지 제조기술을 제외하고는 에너지저장기술 전반에 걸쳐 선진국 대비 기술격차가 있는 상황으로 리튬이차전지 제조기술 분야는 2012년 기준으로 시장점유율 42.3%를 차지하여 일본(35.4%)를 크게 앞서고 있는 상황이다.
리튬이차전지 원천기술 및 소재부분에서는 일본기업의 50~70% 수준인 것으로 평가받고 있는데, 특히 원천기술 및 실증부분에서 선진국과의 격차가 크다.
에너지저장기술은 전력산업 특성상 장기 신뢰도가 매우 중요하며, 이를 위한 track record 가 많이 필요한 분야로, 풍력산업의 경우 track record 부족으로 수출에 크게 애로를 겪고 있는 것처럼, 에너지저장기술도 실제 현장에 적용되기 위해선 많은 실증기록이 필요하다.
일본, 미국, 유럽 등은 본격적인 실증사업에 착수하였으나, 국내의 경우 가정용 ESS가 실증 초기단계이고 큰 수요가 예측되는 전력망용 대규모 ESS 실증은 전무한 상태이다.
에너지저장산업이 풍력산업의 전철을 반복하지 않기 위해서는 국가차원의 실증을 위한 초기시장 조성이 필요하다.
2020년 세계 시장점유율 30%를 목표로 2020년까지 총 6.4조원 규모의 R&D및 설비투자를 할 예정이다.
향후 10년간 기술개발에 2조원(정부: 0.5조원, 민간: 1.5조원), 설비투자는 민간이 중심이 되어 4.4조원이 투자될 전망이다.

(3)국내업체동향
주요 리튬이차전지 업체들이 에너지저장산업에 참여하여 사업확장에 주력하고 있다.
삼성SDI는 Nichicon(일본)과 가정용 ESS 독점 공급계약을 체결하였으며, KACO(독일)와 ESS 공급 및 R&D 협력 MOU를 체결하였다. LG화학은 ABB(스위스)와 ESS배터리 장기공급 계약을 체결하였으며, IBC(독일)와 ESS협약을 체결하였다.
SK이노베이션은 황밍그룹(중국)및 포모사(대만)와 ESS 실증사업을 진행중이다. 코감사는 KCP&L에 리튬폴리머 ESS공급하였으며, AEP 및 듀크에너지(미국) 등 다수의 전력회사에 공급하였다. 효성 및 포스코ICT등도 이차전지 업계와 협력을 통해 국내 실증사업에 참여하고 있다.(표 5 참조)



Ⅳ. 시사점 및 결론
에너지저장기술은 스마트그리드, 전기차 및 신재생에너지 등의 차세대 성장산업의 시장지배력 확대를 위한 핵심기술로써의 중요성이 부각될 것이다.
에너지저장산업은 단일시장으로 가치보다 에너지저장 기술이 적용되는 스마트그리드, 전기차, 신재생에너지시장에 대한 파급효과도 주목해야 한다. 스마트그리드 시장은 2011년 289억불에서 2017년 1,252억불로 연평균 28% 성장할 것으로 전망된다.
전기차에 들어가는 리튬이차전지 시장규모는 2010년 7억 3000천만 달러에서 2020년 400억 달러 시장으로 성할 것으로 예상된다. 이를 극복하기 위해서는 발전 능력과 소비수요 사이 완충장치 역할을 할 전력 저장장치의 도입이 필요하다.
에너지저장기술은 아직까지 사용하기에 비싼기술이나, 2015년 이후 에너지저장시스템 가격하락과 더불어 본격적인 시장이 형성 될 전망이다.
마그네슘전지, 금속-공기 전지 등 신개념 기술들이 개발되고 있으나, 성능 검증 후 시장에 적용되기 까지는 많은 시간이 소요될 것이나, 향후 에너지저장시장은 리튬이차전지를 중심으로 성장할 전망이다.
현재 리튬이차전지 에너지시스템 가격이 $1500/kWh수준으로 10년 안에서 투자비를 회수하기는 어려운 상황이다. 따라서 수요확대를 위해서 기술적 측면보다는 가격 측면이 보다 중요한 요소이다.
리튬이차전지 가격이 빠르게 하락하고 있어 2013년 전력용 수요& 공급조절 분야에서 처음으로 손익분기점에 도달 할 것으로 2016년에는 가정용 전력수요& 공급분야도 본격적인 시장이 형성될 수 있을 것으로 전망된다.
특히 2017년 이후 전력저장 계통 모든 분야에서 에너지저장기술이 사용될 것으로 보이며, 이를 기점으로 폭발적으로 시장이 성장할 것으로 예상된다.(표 6 참조)



에너지저장시스템 가격하락은 독립전원용 태양광 수요를 크게 증가시키는 요인으로 작용할 것이다.
일본의 경우 후쿠시마 원전사태 이후 독립전원에 대한 필요성이 증가하고 있으며, 태양광과 ESS를 결합한 시스템 보급이 크게 증가하고 있다.
2012년 2GW 이상의 태양광이 설치될 예정이며, 이중 10% 정도가 ESS 연계하여 설치될 것으로 예상된다.
또한 개도국의 디젤발전을 이용한 독립전원 시장규모는 150GW이며, 디젤가격 $1/liter기준으로 이 지역의 발전단가는 $0.4/kWh 수준이다.
태양광하이브리드 시스템의 디젤가격 $1/liter 기준으로 내부수익률은 15% 수준이다.
하루 200kWh 사용을 기준으로 초기 투자비용은 디젤발전 $5,000, 태양광 +배터리 시스템 $183,700, 하이브리드(태양광+배터리_디젤) $147,600이다.
총비용 기준으로 하이브리드 시스템은 7년, 태양광+배터리 시스템은 9년이면 디젤발전 대비 비용 경쟁력을 가진다.
에너지저장기술과 태양광 발전이 결합해서 창출할 수 있는 독립전원 시장은 약 660GW 규모로 태양광 수요 확대에 큰 축을 담당할 전망이다.(그림 6 참조)
에너지저장산업은 주도권 확보를 위해선 기술검증 및 투자확대를 위한 초기시장 조성이 무엇보다도 중요하다.
에너지저장산업이 선순환 구조에 들어가는데 필요한 초기 시장 조성에 정책적 지원이 필요하며, 풍력터빈 수출산업화가 지연되는 가장 큰 이유 중 하나는 track record 부족이 가장 중요한 요인이다.
에너지저장산업도 track record가 중요한 산업으로 이를 검증할 수 있는 초기시장 형성에 정책적 지원이 필요하다.
응용분야별 기술개발 전략과 부품소재분야 전문기업 육성을 위한 지원확대가 필요하다.
신재생에너지산업에서 주도권을 다시 찾아오기 위해서는 에너지저장기술과 결합한 제품 개발이 무엇보다 필요하며, 에너지저장기술을 활용하여 부가가치를 높일 수 있는 산업군에 대한 차별화된 기술개발 전략이 필요하다.
에너지저장산업은 부품 및 소재 등 후방산업에 기회가 큰 산업으로 강소 중소기업 육성을 통해 양질의 일자리 창출 및 원천기술 확보 문제를 해결해야 한다.
에너지저장 수요를 확대하기 위해서는 법적 제도 마련이 필요하며, 특히 시간대별 차등 전력요금제도 시행이 필요하다.

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