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Nikkei Electronics_2021.12 특집 (p32-53)

에너지 저장시스템의 대량 도입 가속
새로운 에너지 저장 기술도 속속 참전

재생 가능 에너지가 도입되면서 해외에서는 전력 계통의 수급 밸런스에서 남게 된 잉여 전력도 무시할 수 없는 양이 되고 있다. 그 과제를 해결하기 위해 에너지 저장시스템을 대량 도입하기 시작했다. 시장 규모는 최소 몇 십조 엔이다. 그 시장을 잡기 위해 다양한 타입의 에너지저장 기술이 차례차례로 제안되며, 주도권 쟁탈을 위한 질주가 시작되었다.

풍력발전과 태양광발전이 급속히 시장을 확대해 온 세계에, 제3의 시스템이 그 뒤를 따르려 하고 있는데 바로 에너지 저장시스템(Energy Storage System, ESS)이다. 그러나 처음에는 비교적 완만하게 시작된 풍력발전과 태양광발전의 재생 가능 에너지와 달리 ESS 시장은 로켓과 같은 스타트에 가깝다. 실제로 해외에서는 GWh급의 리튬이온 2차전지(LIB)의 대규모 시스템을 도입하는 뉴스가 매일같이 보도되게 되었다.

시장 조사회사인 영국 Wood Mackenzie Power & Renewables는, 2021년의 미국의 ESS 도입량을 전년의 약 3배로 추측한다. 게다가 미국 외에서도 같은 경향이라고 한다. 2021년의 전세계 ESS의 도입량은 28GWh로, 2030년에는 누계 1TWh에 가까워질 것으로 전망하고 있다.

시장 조사회사인 미국 Bloomberg NEF는 3년 전인 2018년 11월에 “2040년에는 ESS 시장의 투자 규모가 6,200억 달러(약 71조 엔)가 될 것이다”라고 발표했다. 그때는 ESS 누계 도입 물량이 1TWh에 근접하는 것은 2040년이라고 예측했었다. 이번에 그것을 10년 앞당긴 격이다.

-- 미국∙유럽에서 재생에너지의 출력 억제 심각 --
이러한 ESS의 대량 도입이 시작된 배경에는 크게 3가지 요인이 있다. (1)기업이 탈탄소화 추진을 가속하고 있다는 것, (2) 유럽과 미국에서는 재생 가능 에너지 전력이 크게 남아돈다는 것, (3)ESS 자체의 비용이 낮아지면서 재생 가능 에너지와 세트로 도입한 경우의 발전 비용에 경쟁력이 생기고 있는 것이다.

(1)에 대해서는 이제 설명은 불필요할 것이다. (2)는 예를 들면, 미국 캘리포니아주에서 태양광발전과 풍력발전의 발전 출력 가운데, 출력이 억제된 양이 해마다 증가하고 있는 것에서 알 수 있다.

캘리포니아주에서 전력 계통의 수급 밸런스를 감시하는 California Independent System Operator(CAISO)는, 21년은 3월에 그 양이 342GWh, 연간으로는 누계 약 1.5TWh에 이를 전망이라고 발표했다.

이러한 상황은 유럽에서도 비슷하거나 더 심각하다. 영국의 컨설팅회사 Lane Clark & Peacock(LCP)은 2021년 1월, “2020년에 영국에서 매우 자주 풍력발전 출력이 억제되면서 3.6TWh 이상의 전력량이 버려졌다. 만약 축전지에 충전할 수 있었다면, 가정 100만 세대 이상의 1년치 전력으로 사용할 수 있었다”라고 발표했다.

만일 대책을 취하지 않으면, 2025년에는 출력 억제에 의한 손실이 연간 10억 파운드(약 1,530억엔)에 이르게 된다고 한다. “반대로 20GWh분의 축전지를 전력 계통에 도입하면, 풍력발전에 대한 출력 억제를 반감할 수 있다”(LCP).

-- 재생에너지+축전지에서도 경쟁력 --
최근에는 재생 가능 에너지뿐만 아니라 축전지의 저비용화가 진행되면서, (3)의 재생 가능 에너지에 축전지를 조합해 사용했을 경우의 발전 비용은 10엔/kWh를 밑도는 수준으로, 경제 합리성이 성립되고 있다.

영국의 시장 조사회사 Carbon Tracker는, 화석연료를 사용하는 화력발전과 발전 비용이 완전하게 역전하는 것은 아직 조금 기다려야 하지만 (1)을 배경으로 화석연료에 대한 비난은 더욱 강해지고 있다고 설명한다. (2)의 잉여 전력은 재생 가능 에너지의 발전 비용을 떨어뜨리는 방향으로 작용할 것이다. 이 때문에 종합적으로는 ESS를 포함한 재생 가능 에너지가 시장에서 이미 경쟁력을 이미 갖기 시작했다고 말할 수 있다.

-- ESS시장 확대에 신구 기술 대집합 --
ESS 시장의 확대 가능성이 크면, 그곳에서 사업 기회를 보는 사람이 많아지는 것은 자연스러운 일이다. 게다가 기술적으로도 선택의 여지가 많다. ESS 기술은 현재로서는 LIB가 가장 유력한 후보이지만 결코 만능 기술은 아니다. LIB만으로 모든 에너지저장 용도를 커버한다는 것이 합리적이라고는 말할 수 없는 것이다.

전형적인 방전 가능 시간 하나만 해도, 단시간에 큰 방전을 하는 것이 장점인 기술, 반대로 천천히 방전을 하는 것이 장점인, 즉 저비용으로 실현할 수 있는 기술 등 다양한 선택사항이 있다. 그에 반한 선택을 하게 되면 바로 비용 상승이라는 형태로 나타난다. 기술상으로나 비용상으로도 적재적소에서 분리하는 것이 최선책이다.

결과적으로 다양한 특성을 가진 에너지저장 기술이 거대 시장을 겨냥해 우후죽순처럼 제안되어 왔다. 완전히 새로운 아이디어에 의한 기술이 있는가 하면, 과거에 각광을 받은 뒤 한번 잊혀진 낡은 기술이 약간 모양을 바꿔 부활한 기술도 있다.

-- 에너지 타입으로 5가지로 분류 --
에너지저장 기술은 전기 에너지를 다른 에너지로 변환하는 기술이다. 때문에 변환되는 에너지 타입으로 크게 5종류로 분류할 수 있다. (1)전기화학적 에너지, (2)위치에너지, (3)운동에너지, (4)화학에너지, (5)변환하지 않고 전기 그대로 저장하는 기술 등 5종류다.

(1)은 산화환원 반응을 바탕으로 한 양극과 음극 간의 전위차를 기전력으로 하는 에너지를 사용하는 기술로, LIB가 대표격이다. 태양전지를 제외한 배터리 기술 전반이 이 타입이다.

(2)는 지구의 중력이 만들어 내는 위치에너지로 전기적 에너지를 변환하는 기술군이다. 이전부터 있던 양수발전이 그 대표로, 높낮이 차이가 있는 2개의 댐이 서로 물을 주고받음으로써 ‘충방전’한다. 다만 최근에는 이 양수발전에도 그 실현 형태에 다양한 새로운 제안이 증가하고 있다.

또한 같은 위치에너지라도 완전히 다른 시스템이 다수 제안되어 왔다. 바로 ‘중력 축전(Gravity Energy Storage)’이다. 양수발전과의 차이는, 위치에너지를 축적하는 매체가 물이 아니라 고체인 추라는 점이다. 그 실현 형태도 이미 많은 종류가 나와 있다. 추 자체는 폐기물 같은 저비용 재료로 만들 수 있다. 발전 비용 면에서는 LIB를 위협하는 존재가 될 수 있을 것 같다.

-- 분자의 운동에너지는 열에 달려 있다 --
(3)의 운동에너지에도 크게 2종류가 있다. 하나는 팽이처럼 회전하는 물체의 운동에너지다. 이는 ‘플라이 휠’이라고 불리며 이전부터 철도회사 등이 이용하고 있다. 다른 하나는 기체 분자의 운동에너지로 ‘압축공기(Compressed-Air Energy Storage: CAES)’라는 기술이다.

분자의 운동에너지를 다루는 것이 어려운 이유는 용기 밖으로 열이라는 형태로 도망쳐 버리기 때문이다. CAES에서는 그 열의 회수 및 재이용을 어떻게 실현해 나갈 것인가가 기술의 우열을 좌우한다. 그 열 관리를 오히려 주인공으로 한 기술이 ‘액화 공기(Liquid Air Energy Storage: LAES)’다.

(4)의 화학에너지는 수소 관련 기술을 가리킨다. 에너지를 추출할 때 결국 산화(연소)시키는 점에서 (1)의 전기화학적 에너지에 포함된다고도 할 수 있다. 그러나 저장 성능은 CAES와 같은 압축 기술, 또는 수소와 수소 합금 재료와의 복잡한 관계(공유 결합이나 이온성 결합, 화학 포텐셜 등)의 제어와 같은 다른 타입의 기술에 좌우된다.

(5)의 변환하지 않고 전기 그대로 저장하는 기술에는, 초전도 재료인 코일에 전류를 계속 흘려 보내는 초전도전력저장(SMES)과 전기이중층커패시터(Electric Double Layer Capacitor, EDLC)가 해당된다. 그러나 이 두 기술은 적어도 현시점에서는 ‘에너지저장 레이스’에서 탈락한 상태다. 비용 저감이 이루어지지 않아 대형화를 하지 못하거나 사업자가 철수해 버렸기 때문이다.

-- 발전 비용에서는 큰 차이가 없다 --
에너지저장 기술을 선택할 때의 지표는 전형적인 방전 시간이나 출력 크기만이 아니다. 구체적으로 몇 개의 지표를 통해 각 기술의 우열을 살펴보자.

우선 가장 중요한 지표는 균등한 발전비용(LCOE: Levelized Cost of Electricity)를 생각하는 것이 자연스럽다. 그러나 실은 이들 다양한 에너지저장 기술 간에, LCOE에는 반드시 큰 차이가 나지 않는다. LIB보다 LCOE가 낮다는 것을 어필하는 기술도 적지 않다.

여기에는 이유가 있다. LCOE를 좌우하는 포인트는 크게 2가지다. 초기 도입 비용과 사이클 수명이다. 초기 도입 비용이 커도 사이클 수명이 충분히 길면 비교적 낮은 LCOE로 커버되는 경우가 있다. LIB 이외의 기술은 사이클 수명에 자신이 있는 기술이 많고, 그 결과 LCOE에서 LIB와 좋은 승부가 되는 것이다.

LIB의 경쟁 기술이 나타내는 'LCOE의 비교'에도 주의가 필요하다. LIB는 지난 몇 년 동안 에너지 밀도보다 오히려 사이클 수명이 크게 늘었다. 사이클 수명 또는 내용연수를 어떻게 평가하느냐에 따라 LCOE 값이 크게 달라지지만, LCOE의 비교에서는 사이클 수명이 짧은 약간 오래된 LIB의 데이터가 사용되는 경우가 많기 때문이다.

-- 작은 손실에서 중력 축전이 유리 --
또 하나의 중요한 지표는 1회 충방전 시의 전력손실의 크기다. 손실이 크면 충방전 할수록 전력이 손실된다. 에너지의 변환 시에 손실을 제로로 할 수는 없지만 가능한 한 손실이 작은 기술을 선택하는 것은 중요하다.

이 손실이 작은 것은 LIB다. 그 다음이 중력 축전이다. 양수발전은 약 30%의 손실이 있다. 반대로 손실이 큰 것은 수소 관련이다. 수전해 장치, 저장, 그리고 연료전지의 총 3단계의 변환을 거치기 때문이다. 각각 최신 기술을 채용해도 투입한 전력량의 60% 미만이 손실된다. 장기 저장, 운반 또는 그대로 연료로 사용하는 용도 이외에는 수소가 반드시 뛰어난 에너지저장 기술은 아니다.

-- LIB나 수소와는 같은 무대에 오르지 않는다 --
3번째로 중요한 지표는 에너지 밀도일지도 모른다. 적어도 LIB끼리의 기술 평가에서는, 부피당 콤팩트함이나 중량당 가벼움에 대한 빼놓을 수 없는 지표가 된다. 그러나 LIB와 수소 이외의 에너지저장 기술은 비교가 안 될 정도로 부피당 에너지 밀도가 낮다.

예를 들어, 양수발전이나 중력 축전은 부피 에너지 밀도가 1Wh/L 이하다. 그 외에도 수십 Wh/L 밖에 안 된다. 다만 그것이 결정적인 판단 기준이 되는가 하면 반드시 그렇지는 않다. 양수발전은 일반적으로 산간지역에 설치되기 때문에 부피가 아무리 커도 곤란을 겪는 사람이 적다. CAES의 대부분은 탱크를 땅에 묻어버리기 때문에 토지의 점유 면적은 작다. LIB와는 비교 무대가 처음부터 다른 것이다.

물론 전혀 무관하다고도 할 수 없다. 양수발전은 낮은 에너지 밀도가 큰 환경 파괴로 이어진다고 할 수 있다. 중력발전도 거리에 높이 100m의 거대 창고를 짓는 것은 좋은 선택이 아니다.

-- 장기 보관에서는 중력 축전과 수소 승리 --
다음으로 중요한 지표는 장기 보관성일 것이다. 이는 충방전에 필요한 기술이나 기기를 무시하고, 에너지를 저장하는 기기의 비용만을 봄으로써 어느 정도 평가할 수 있다.

이 지표에서 우수한 것은 고저차가 큰 경우의 중력 축전과 수소다. 중력 축전은 전력을 모으는 ‘탱크’가 폐재료를 혼합한 콘크리트나 컨테이너로, 제작 비용이 매우 싸다. 게다가 장기간 보관해도 거의 열화가 없다.

수소는 고압 탱크에 저장할 경우, 탱크의 재료가 열화되기 때문에 장기 보존에 적합하지 않다. 가스 탱크 등도 누출이 많아 1개월 이내가 기준이다. 다만 암염층에 저장하거나 수소 흡장 합금에 저장하면 쉽게 누출되거나 경화되지 않아 장기 보관할 수 있다. LIB도 최근 들어 장기 보관성이 높아졌지만 자기 방전을 무시할 수 없어 수소 등과는 비교가 안 된다.

-- 응답성은 두 그룹으로 나뉜다 --
에너지저장 기술을 전력 계통에서 이용하기 위해서는 전력의 평준화를 위해 그 응답성이 중요해진다. 어느 순간의 전력 공급이 부족할 경우, 순식간에 출력을 높여 부족분을 메우는 것이 요구되기 때문이다.

이 점에서는 Redox Flow Battery(RFB)와 플라이 휠이 초고속 응답조다. 또한 중력 축전과 LIB도 실용상으로는 고속 응답 부류다. 반면에 양수발전, CAES, LAES, 수소 등은 발전 지령을 내린 뒤 최대 출력에 도달하기까지 수십 초에서 수분이 걸린다. 실제 이용에서는 전력 계통의 평준화, 안정화를 위해서 고속 응답조에서 적어도 1개를 선택해 둘 필요가 있을지도 모른다.

-- 수전해 장치는 3기술이 경쟁 --
수소에 대해서는 전력을 수소로 변환하는 수전해 기술의 선택에 따라 이 응답성이 크게 달라질 수 있다. 예를 들어, 현재 장치의 가격이 가장 싸고, 출력이 높은 ‘알칼리 수전해’ 타입의 장치는 낮은 응답성이 큰 과제다. 전원의 전력이 갑자기 온이 되었을 경우의 최대 출력에 이를 때까지의 시간도 길다. 재생 가능 에너지처럼 출력이 갑자기 변화하는 전원에 장치를 직결하는 것은 적합하지 않다고 할 수 있다.

응답성이 높은 것은 PEM형이라고 부르는 수전해 기술이다. 이것은 자동차 탑재용 연료전지에 사용되고 있는 고체 고분자형 연료전지(PEFC)에 매우 가깝다. 실제 PEFC를 다루는 도시바, 도레이, 도쿄가스, 파나소닉 등이 잇달아 참여하기 시작했다. 과제는 단위출력당 가격이 비싸다는 점인데, 양산하면 크게 떨어질 것으로 전망한다.

AEM형은 현시점에서 독일의 한 업체(Enapter)밖에 제품화하지 않았으나 원리적으로 비용을 낮추기 쉽고, 그런데도 보다 고성능을 실현할 수 있는 힘을 갖고 있는 다크호스적 존재다. 응답성도 높다고 생각된다. 파나소닉이 연구 개발에 착수했다.

수전해 장치도 LIB등과 마찬가지로 2020년에 도입 사례가 크게 증가했다. 세 가지 기술 중 어느 것을 선택하느냐는 개발하는 기업의 사업 성패도 좌우할 가능성이 있어 보인다.

 -- 끝 --

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