전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2018.7 특집 요약 (p22-47)

축전지 사회의 도래
싱귤래리티는 시간의 문제

프롤로그: 근 미래상
전력을 저장할 수 있는 사회의 충격/ ‘에너지 절약은 미덕’은 종언

전력은 저장할 수 없다는 상식이 과거의 것이 되고 있다. EV나 정치형 대용량 축전지가 넘쳐나고 있고, 재생가능 에너지의 전력을 저장했다 사용하는 시대가 다가오고 있기 때문이다. ‘전력은 저장했다 사용하는 것’이 새로운 상식이 되면 전력 자체가 범용화된다. ‘에너지 절약’이라는 말이 불필요 하게 되는 ‘배터리 싱귤래리티’ 시대가 도래하는 것은 시간 문제이다.

전력이 정액제이고 게다가 싸다. 사실상 맘껏 사용해도 되는 시스템이다. 통신의 브로드밴드 서비스와 같은 변혁이 전력이라는 에너지에서 발생한다. 그런 시대의 도래가 급속하게 다가오고 있다. 그것을 실현하는 것이 재생가능 에너지와 대용량 축전지의 대량 도입이다.

-- 에너지는 아직 ‘수렵채집의 시대’ --
우리는 학교에서 농업이 시작되고 식량의 대량 생산이 가능해지면서 수렵과 채집의 시대가 끝났다고 배웠다. 이 시기에 인구가 급증하고 사회가 발전하였다. 다음으로 산업혁명으로 비료를 포함한 공업제품을 대량으로 생산하는 시대가 되면서 인구는 더욱 폭발적으로 증가하였다. 대량생산과 경쟁이 초래하는 제품의 범용화는 생산자 입장에서는 힘든 일이지만 소비자 입장에서는 생활이 편리해지고 사회를 크게 변혁하는 원동력이 되었다. 통신의 브로드밴드나 빅데이터와 같이 물질이 아닌 사물 조차도 예외가 아니다..

다양한 것이 양산과 범용화의 흐름을 타는 가운데 수렵채집 시대에서 변하지 않는 것이 하나 있었다. 바로 에너지다. 횃불에서 대형 발전소로 도구나 규모는 현대화, 대형화되고 있지만 채굴해온 연료를 필요한 만큼 연소시켜 에너지로서 사용한다는 점에서는 수만 년 전과 크게 다르지 않다.

-- 드디어 전력도 ‘양산’으로 범용화 --
이것이 재생가능 에너지와 대용량 축전지로 변하려 하고 있다. 태양광 패널이나 풍력발전 시스템은 다른 공업제품과 마찬가지로 대량 생산할 수 있다. 게다가 그 생산에 투입한 전력량을 크게 초월하는 전력량으로 발전할 수 있게 되었다. 이른바 ‘전력 양산’이 가능해졌다. 그리고 실제로 이들이 대량 도입되면서 기존의 발전 설비를 정격 출력에서는 뛰어넘기 시작했다.

그러나 한계도 있었다. 이유는 크게 2개다. 하나는 출력 변동을 제어하지 못하고 송전 설비에 비용이 드는데다 출력 변동을 상쇄하기 위한 화력발전 시스템을 거의 줄이지 못했다는 점. 다른 하나는 잉여 발전이 기술적으로 허용되지 못했다는 점이다. 그 자리에서 필요한 만큼밖에 발전하지 못한다면 지금까지와 크게 다르지 않다.

-- 전력 소비는 미덕으로 --
대용량 축전지의 등장은 이 2개를 동시에 해결한다. 축전지 자체도 양산을 통해 범용화한다. 전력을 대량 생산하여 잉여분을 저비용으로 저장할 수 있다면 전력 자체의 범용화도 불가피하다. ‘발전=연료 소비’라는 도식도 없어지기 때문에 전력은 사용하면 사용할수록 싸진다. ‘전력 소비는 미덕이다’라는 세계관이 생겨난다. 통신의 브로드밴드로 생활이나 비즈니스가 변한 것 이상으로 사회가 크게 변할 것이다.

그러한 세계는 ‘솔라 싱귤래리티’ 또는 ‘배터리 싱귤래리티’라고 불리며 경제산업성도 그것이 실현하는 조건이나 시기에 대한 논의를 시작하고 있다. 축전지의 대량 도입은 이미 시작되었다.

제1부: 동향
메가 배터리나 VPP가 속속 등장 / 2020년 전반에 도입 가속

재생가능 에너지의 대량 도입이나 EV 등 대용량 축전지의 양산을 강력하게 후원하는 요인이 다수 등장하면서 축전지 가격도 대폭 낮아지고 있다. 배터리 싱귤래리티 실현의 관문이 되는 ‘Storage Parity’, 즉 축전지를 도입해도 경제적 합리성이 있는 수준까지의 저비용화도 수년 후에는 실현된다.

가정용 용량 수k~12kWh의 정치형 축전지 시장이 호황이다. 시장조사 회사인 Seed Planning은 16년에 연간 3.9만대였던 배터리 출하수가 평균 연 35% 증가 속도로 확대, 24년에는 약 42만대가 될 것으로 전망한다. 실제로 샤프는 14년 7월에 클라우드와의 통신기능을 갖춘 정치형 축전지 ‘클라우드 축전지’를 발매하였는데 “최근 1~2년새 판매가 꾸준히 증가하고 있다. 17년은 16년 대비 1.5배 증가한 7,000대가 팔렸다”고 한다. 이는 Seed Planning의 예측을 상회하는 기세다. 가정용 정치형 축전지 ‘Smart Star L’을 판매하는 이토추상사도 시장은 지금부터 신장할 것으로 판단하고 있다.

누계 판매 실적에서는 Nichicon이 1위, ELIIY Power가 그 뒤를 잇는다. 니치콘은 누계 약 5만대 이상, 엘리파워는 누계 2만 8,000대의 정치형 축전지를 출하했다고 한다.

-- 2019년 문제가 ‘순풍’ --
이러한 정치형 축전지의 현시점의 주요 용도는 재해나 정전 시의 비상용 전원 혹은 싼 심야 전력 요금이나 태양광 발전의 잉여 전력을 저녁에 사용하는 것이다. 11년 3월의 동일본대지진이나 16년 4월의 구마모토 지진과 같은 대지진이 이어지고 있고 가까운 미래에는 남해 트러프 지진 등이 일어날 것이라는 예측이 있다. 이용자의 대부분은 그러한 재해에 대비하여 안전을 바라는 사람들이었다.

그러나 최근에 와서 판매가 증가하고 있는 이유는 “태양광 발전의 잉여 발전을 판매하는 것이 아니라 자가 소비하고 싶은 사람이 늘고 있기 때문이다”(샤프)라고 한다. 그리고 19년 말에는 반 강제적으로 자가 소비를 늘릴 수 밖에 없게 된다. ‘2019년 문제’다.

이것은 2009년 11월에 개시된 태양광 발전의 잉여전력매입제도에 있어서 정해진 10년의 매입 기간이 종료되는 해가 2019년이다. 게다가 이 제도 이전의 매입제도도 같은 시기에 종료되는 문제를 말한다. 2019년 시점에서의 매입 종료 건수는 약 56만건. 2020년 이후도 20만~30만건/년의 규모로 매입 종료가 이어진다.

매입 종료 대상인 태양광 발전 패널 이용자는 매월 약 1만엔이었던 전력 판매 수입이 돌연 없어지게 된다. 어느 정치형 축전지 업체에 따르면 태양광 발전 패널 이용자가 취할 수 있는 선택지는 ‘전력회사에 공짜로 전력을 제공한다’ ‘자력으로 매입 사업자를 찾아 계약한다’ ‘정치형 축전지를 도입하여 잉여 전력을 모았다가 자사 소비한다’의 3가지라고 한다. 그러나 공짜로 제공하는 것을 선택하는 것은 심리적으로 어렵다. 매입을 한다고 발표한 사업자도 아직 없다. 그래서 정치형 축전지의 도입을 선택하는 이용자가 많아질 것으로 대부분의 정치형 축전지 업체가 생각하고 있다. 특히 샤프는 기세가 당당하다. “2019년의 매입 종료 56만건 중에 30만건이 당사의 태양광 발전 패널 이용자다. 최대의 사업 기회다”(샤프)라고 말한다.

-- 대형 축전지 시장, 5개 요인이 견인 --
대용량 축전지 시장은 향후 급속하게 확대될 요인이 여럿이다. 구체적으로는 (1)2019년 문제, (2)재생가능 에너지의 대량 도입이 세계적으로 진행되었고 전력 계통을 압박하고 있는 문제, (3)대부분의 자동차기업과 중국, 유럽과 같은 나라∙지역이 ‘EV선회’를 선명하게 내세운 점, (4)재생가능 에너지의 발전 비용이나 축전지 가격이 급속하게 떨어지고 있는 점, (5)가상발전소(VPP)에 대한 시도가 증가, 인공지능(AI) 기술이나 블록체인 기술이 그것을 지원하고 있다는 점 등을 들 수 있다.

-- 재생 에너지만으로 수요 2배 --
-- 재생 에너지는 이미 싼 전력 --
-- ‘메가 배터리’의 설치가 속속 등장 --
-- 무라타제작소도 대형 축전지에 참전 --
-- 테슬라와 NEC 등이 도입을 견인 --
-- Storage Parity는 수년 후 --
-- 생산 과잉으로 초저가가 될까? --

제2부: 경쟁 축
가상발전소가 다수 출현 / 전력∙IoT∙EV∙AI가 융합

가상발전소(VPP)의 패권을 둘러싼 경쟁이 국내외에서 시작되었다. VPP서비스를 담당하는 사업자가 될 Resource Aggregator(RA)는 우후죽순처럼 출현하고 있다. IoT 서비스나 AI, 블록체인 기술도 포함한 차세대 전력 서비스의 강력한 요람이 되고 있다.

정치형 축전지의 시장 확대에 따라서 최근 각광을 받기 시작한 것이 ‘가상발전소(Virtual Power Plant, VPP)’다. VVP는 광역에 분산해 있는 다수의 태양광 패널이나 축전지, EV의 전력 계통에의 연계를 통신 기술로 개별 제어하여 마치 1대의 중~대형 발전소 또는 축전시스템인 것처럼 이용하는 기술이다.

-- 부분 최적이 전체 최적으로 --
VPP에는 다음과 같은 이점이 있다. (1)부분 최적이었던 시스템을 전체 최적으로 통합할 수 있다, (2)엔드유저와 전력사업자 쌍방에 경제적인 이점이 있다, (3)VPP 자체가 새로운 전력 서비스가 되면서 신규 참여가 이어져 전력 사업이 활성화된다, (4)주택에서의 파생적인 이점이 확산된다, (5)AI나 블록체인의 응용 장이 된다, (6)대형 터빈을 이용한 기존의 발전소와 비교하여 제어 자유도가 크다.

(1)의 경우, 태양광 패널이나 축전지의 엔드유저는 대부분의 경우에 전력 계통의 전체 최적을 생각하고 그것들을 도입하는 것은 아니다. HEMS라고 불리는 주택에서의 전력 이용의 최적화, 혹은 BEMS라는 빌딩 안에서만의 최적화를 상정하고 있는 것이 일반적이다. 그러나 이러한 부분 최적은 주인이나 빌딩 관리자에게 있어서 큰 이점을 얻기 어려운데다 계통 전체의 최적화를 방해하는 ‘악수’가 되기도 한다.

구체적으로는 광역에 분산한 태양광 패널의 출력 변동은 계통 전체에서는 서로 상쇄되어 버리는 경우가 많기 때문이다. 일부러 말단의 축전지 등에서 출력 변동을 평준화하면 계통 전체에 있어서 본래 불필요한 양의 축전지를 도입하게 된다. 이러한 비효율성은 높은 전력 비용이 되어 이용자에게 되돌아온다. 한편, VPP는 부분 최적과 전체 최적을 모순 없이 실현할 수 있다.

-- 발전 설비를 셰어링 --
(2)의 경제적인 이점은, 엔드유저에게 있어서 태양광 발전의 판매 수입 이외에 전력 사업자에게 축전지 용량을 빌려줌으로써 얻는 수입도 기대할 수 있다는 것이다. 전력 사업자에게 있어서 유저의 설비를 공유하는 방법으로 발전 시스템이나 축전 시스템에 대한 투자액을 크게 경감할 수 있다.

(3)의 경우, VPP서비스에 신규 참여가 이어지는 것은 전체 최적의 ‘최적의 스케일’과 관계된다. 실은 계통 전체에서의 VPP는 수백만에서 수천만 세대가 대상이 되어 규모가 지나치게 크다. 이 때문에 복수의 사업자가 수만~수십만 세대의 단위로 VPP서비스를 제공하는 방향으로 되었다. 이것이 ‘Resource Aggregator(RA)’다. 기존의 전력 사업자와 엔드유저를 잇는 브로커적인 존재로, 현재 경제산업성의 실증 실험용 프로젝트가 후원을 하면서 우후죽순처럼 증가했다.

-- 주택업체가 RA가 된다? --
RA 입장에서의 이점 중 하나는 전력 자체의 서비스와는 별개의 축에서 엔드유저를 확보하는 것이다. 실제로 RA에는 전력 자유화 때에 참여한 신전력과 함께 배터리 업체인 엘리파워, NTT그룹회사, 교세라, 파나소닉, 샤프 등 지금까지 전력사업에는 직접 관여하지 않았던 타 업종의 참여가 많다.

그러나 엘리파워는 이러한 VPP를 이전부터 예측하고 포석을 깔아왔다고 한다. 엘리파워는 최대주주가 다이와하우스그룹이기 때문에 다이와하우스공업의 주택에 수많은 정치형 축전지를 납품하고 있다. “현재 누계 2만 8,000대의 정치형 축전지는 모두 통신 기능을 갖추고 있으며 클라우드에서 제어할 수 있다. VPP로서 사용하면 200MWh 이상의 축전지가 된다”(엘리파워). 실제 서비스 제공 시에는 엘리파워 또는 다이와하우스공업이 그대로 RA가 될 가능성이 있다.

-- 주변 서비스로 경제적 이점 --
-- 샤프는 전력과 가전을 융합 --
-- AI를 이용하여 VPP를 자동 제어 --
-- 축전지를 복수의 이용자가 공용 --
-- 블록체인으로 정액제 실현 --
-- 태양광발전 분을 야간에 FIT가격으로 판매 --
-- 화력발전이나 양수발전을 대체 가능하게 --

제3부: 차세대 배터리 기술
배터리 가격 어디까지 내려갈까? / 재료 비용 1/100의 기술 등장

축전지 사회 실현의 큰 포인트는 축전지 도입 비용을 크게 낮추는 것이다. 이 점에서 스마트폰이나 EV와 같은 이동체에 태울 수 있는 에너지 밀도 중시의 축전지와는 개발 방향성이 달라진다. 가능한 한 저비용의 축전지를 목표한다고 하면 어떤 기술이 있을 수 있을까? 최신 성과에 대해 소개한다.

전력이 최저가가 되는 배터리 싱귤래리티 실현에 있어서 중요한 포인트는 축전지 시스템의 도입 비용이다. 제1부에서 언급했듯이 재생가능 에너지의 발전 비용은 적어도 해외에서는 상당히 낮아졌다. 이것으로 축전지의 도입 비용이 낮아지면 재생가능 에너지와 축전지의 비용을 합해도 기존의 발전원에 대해 충분히 경쟁력이 있는 Storage Parity가 실현되어 축전지의 본격 도입이 시작된다. 기준이 될 축전지 시스템 도입 비용은 가정용은 6만~9만엔/kWh, 전력계통용은 2만/kWh다.

-- 배터리 이외의 비용이 대부분 --
특히 일본에서 가정용 정치형 축전지 시스템은 공사비 포함하여 100만~300만엔으로 비싸다. 가격 단가는 20만~35만엔/kWh으로 Storage Parity의 기준과는 괴리가 있다.

내역을 보면 배터리 패키지가 2만~5만엔/kWh, 나머지는 주변 시스템과 유통 마진, 영업 비용 등이 차지한다. 파워 컨디셔너의 단가도 2만~5만엔/kWh으로 가격의 대부분은 하드웨어 이외가 차지하게 된다. “우리들의 출하 가격은 훨씬 낮지만 시공사업자에게 1차 하청, 2차 하청이 있고, 각각 마진이 필요한 일본의 관례에서는 말단 가격이 아무래도 높아지게 된다”(어느 정치형 축전지 업체).

영업 비용도 무시할 수 없다. 지금까지는 축전지의 이점이 일반에게 공개되지 않아 태양광 패널이 있는 집을 일일이 방문하여 이점을 설명하고 겨우 계약을 성사시켰었다. 그렇게 해서는 1건당 수십만 엔의 영업 비용이 든다.

-- 몇 년 안에 반액으로 --
그러나 이러한 과제는 급속하게 해결되고 있다. 2019년 문제의 보도 등으로 정치형 축전지의 의의가 알려져 출하수가 늘기 시작하였다. 이를 통해 영업 비용 등이 크게 낮아지고 있기 때문이다. 업체 측도 콘크리트를 사용하는 기초공사가 불필요한 발판이나 벽걸이형으로 만드는 아이디어를 통해 공사비를 절약하는 노력을 하고 있다.

어느 업체에서는 “2020년 무렵에는 테슬라에 뒤지지 않는 가격으로 하드웨어를 제공할 수 있다”라는 목소리도 나온다. 공사비 등을 포함한 도입 비용이 10만엔/kWh 전후가 몇 년 내에 실현될 가능성이 있다.

-- 코발트 가격은 2년에 약 4배로 --
영업 비용 등은 하락이 전망되는 한편으로 리튬(Li) 이온2차전지(LIB)의 셀이나 패키지 자체에는 반대로 가격 상승 조짐이 보인다. 축전지의 수요가 급증하면서 품귀 현상이 있는데다 이용하는 재료 비용이 일제히 올랐기 때문이다. 그 중에서도 LIB의 정극에 이용되고 있는 코발트(Co)의 스팟 가격은 2년에 약 4배로 사상 유래 없는 고가가 되었다. EV 급증에 대한 기대감이 주요 요인이라고 할 수 있다.

Co의 가격 급등은 EV나 축전지에 있어서 심각한 문제다. Li나 흑연 등 다른 재료는 자원 자체는 풍부하기 때문에 증산 체제만 정비된다면 급등을 수그러들 가능성이 높다. 그러나 Co는 매장량 자체가 한정적이고 게다가 아프리카 콩고민주공화국에 편중되어 있다. 콩고의 광산에서는 아이들에게 맨손으로 광석 채굴을 시키고 있는 사실이 지적되고 있으며 채굴량을 쉽게 늘릴 수 없는 상황이다.

-- Co 매장량은 EV 약 7억대 정도 --
-- 배터리의 재이용으로 비용을 1/2 이하로 --
-- 축전지는 전력 계통의 주역 --
-- ‘지금부터 시작해도 8년 걸린다’ --
-- 정극에 Co를 사용하지 않는 LIB는 이미 대세 --
-- Na이온 배터리가 다크호스 --
-- Co프리의 유망 전극재료 속속 등장 --
-- 전고체 NIB도 등장 --
-- ‘전액체 배터리’도 등장 --
-- 유황-공기 RFB가 궁극의 저비용으로 --

  -- 끝 --