美, ESS(에너지저장시스템)의 성장이 기대되는 이유

- ESS는 재생에너지의 단점을 보완하여 생산된 전력을 저장 후 필요할 때 공급 -

- 재생에너지 발전과 더불어 EES 시장 확대 (미국 전체 전력 생산의 21%는 재생에너지 이용) -

- 향후 2년간 미국 전력 회사들은 2019년에 존재했던 용량의 10배인 10,000MW의 전력을 생산할 수 있는 대규모 배터리 시스템 설치 전망 -

현재 사용되는 대부분의 전력망은 전기를 경제적으로 대량으로 저장할 수 없고, 필요한 순간에 생산하고 생산되는 만큼 빨리 소비해야 했던 시대에 구축되었다. 이러한 전력망의 대부분 화석연료를 사용하여 전기를 생산하였다. 전 세계적인 환경규제 트렌드로 인해 재생에너지로의 전환과 전력망 구축을 가속화 하고 있다. 이러한 배경 속에서 에너지저장시스템(ESS)은 재생에너지의 단점을 보완하며 재생에너지 발전을 촉진하기 위한 핵심 산업으로써 중요성이 커지고 있다.

ESS 란

ESS(Energy Storage System)는 에너지저장시스템의 줄임말로 아주 거대한 배터리라고 생각할 수 있다. 이 거대한 배터리는 남는 전력을 저장해두었다가 필요할 때 공급해 전력 이용 효율을 높이는 시스템으로 음식을 저장하는 냉장고같이 언제든지 필요할 때 전기를 꺼내 쓸 수 있는 에너지 저장고이다. ESS는 많은 전기를 저장했다가 필요할 때 사용할 수 있음으로 활용도가 높아 전력용, 상업용, 가정용, UPS(무정전전원장치). 통신용 등 대규모 전력 시설이 필요한 곳에서 활용될 수 있다. 특히 태양광 발전과 풍력 발전의 주요 단점인 바람이 불지 않고, 태양이 비치지 않을 때 전력을 안정적으로 공급해준다. 가정에서는 전기 요금이 쌀 때 저장해두었다가 비쌀 때 사용해서 전기 요금을 절약하는 효과도 누릴 수 있다. 이 외에도 폭풍우 같은 갑작스러운 자연재해로 정전이 발생했을 경우 전력 공급을 도와주어 대규모 정전사태를 대비 할 수 있게 해준다.

ESS 내부

자료: Financial Times

ESS 구조

ESS는 배터리, BMS(Battery Management System), PCS(Power Conditioning System), PMS(Power Management System으로 구성되어있다. ESS의 배터리는 Cell, Module, Rack 단위로 구성되어있다. Cell을 여러 개 모아 Module을 구성한 뒤 이 Module을 묶어 하나의 커다란 Rack으로 만든다. Module은 Cell을 열과 진동 등의 외부 충격에서 보호할 수 있도록 Cell을 하나의 프레임에 넣어 조립한 형태이며, 이러한 Module들을 모아 배터리 온도나 전압 등 상태를 확인하고 관리하는 각종 보호 시스템들을 추가해 Rack을 구성한다. 일반적으로 Rack은 500개의 Cell로 구성되어 있고, 여러 개의 Rack을 연결해 하나의 System을 구성한다. BMS는 Module 상단에 부착되어 수천 개의 Cell을 하나처럼 움직이게 하여 배터리의 전압, 충전과 방전의 전류를 모니터링하고, 내부 온도를 측정해 이상이 감지될 경우 충전과 방전을 중단시키는 배터리 제어 역할을 한다. PCS는 생산된 전력을 배터리에 충전/방전 시키기 위해 교류를 직류로 변환 시켜 배터리를 충전하고 직류를 다시 교류로 변환 시켜 보내는 역할을 한다. PMS는 저장되어있는 전기량을 모니터링하는 시스템으로, ESS의 전반적인 운영 소프트웨어 역할을 하며 ESS의 발전량, 충전량, 방전량, 운행이력 등 데이터를 관리하고 ESS를 감시/제어 한다.

ESS 모식도

자료: Hyosung Heavy Industries

ESS 시장 현황

ESS 시장의 급속한 성장은 기후변화에 대응하기 위한 재생에너지의 발전과 밀접한 관련이 있다. 2020년에 재생에너지는 8340억 kWh(킬로와트시)의 전기를 생성했으며, 이는 미국에서 생성된 전체 전력의 약 21%였다. 2020년 미국에서는 천연가스(1조 6170억 kWh)만이 재생 가능 에너지보다 더 많은 전기를 생산하였다. 재생에너지는 처음으로 원자력(7900억 kWh)과 석탄(7740억 kWh)을 모두 능가하였다. 2020년의 이러한 결과는 주로 미국 전력 생산에서 석탄 사용이 현저히 감소하고 태양력 및 풍력 사용이 꾸준히 증가했기 때문이다.  

미국 전체 전기 생산량

(단위: billion kWh, %)

자료: Energy Information Administration

Energy Information Administration의 8월 보고서에 따르면, 2020년 미국의 대용량 배터리 저장용량은 1,650MW로 35% 증가했으며 지난 5년 동안 3배 이상 증가하였다. 상승 트렌드는 가속화되어 2021년에서 2023년 사이에 전력 회사들은 2019년에 존재했던 용량의 10배인 10,000MW의 전력을 생산할 수 있는 대규모 배터리 시스템을 설치할 것으로 예상된다. 최근 신규 저장 용량 증가의 대부분은 태양광 프로젝트에서 발생하였다. 이런 변화의 가장 큰 이유는 지속적인 배터리 가격 감소로 배터리 저장 비용은 2015년에서 2019년 사이에 72% 감소하였다. 이와 더불어 에너지부(Department of Energy)는 7월에 그리드 규모의 장기 에너지 저장 비용을 10년 이내에 90%까지 줄이는 목표를 설정하였고 Jennifer Granholm 장관은 성명에서 “향후 몇 년 동안 수백 기가와트의 재생에너지를 그리드에 공급할 것이다.”라고 전했다.

미국 대용량 배터리 저장용량 (2015 – 2023)

(단위: megawatts)

자료: Energy Information Administration

투자 업계에서도 에너지 저장에 대한 관심은 더욱더 뜨거워지고 있다. 시장정보업체 피치북(PitchBook)에 따르면 벤처 캐피털 회사는 올해 지금까지 2차 전지 회사에 49억 달러를 투자했는데, 이는 2020년 전체의 16억 달러에서 3배 이상 증가한 수치다. 대용량 에너지 제조업체의 CEO J 씨는 “재생에너지에 대한 주 및 연방 규정은 투자자들에게 이러한 추세가 지속될 것이라는 확신을 주는 데 도움이 되었고, 이러한 추세는 대용량 배터리의 더 많은 혁신을 촉진하는 데 도움이 될 것입니다.”라고 전했다.

다만, 이러한 모멘텀에도 불구하고 2차 전지 기업에 대한 투자는 위험할 수 있는데 실험실에서 매력적으로 보이는 일부 기술은 장치 제조의 복잡성과 배터리의 재료 비용 때문에 산업적 규모로 확장되기 어려울 수 있다. 최근에는 ESS의 일환으로 재생에너지를 저장하는 것이 아닌 수소로 전환하여 저장하는 방식이 각광받고 있다. 수소에너지는 대량 저장이 용이하고 태양에너지와 풍력발전으로 남은 전력을 이용하여 수소를 생산하여 저장한 후 다시 연료전지를 이용해 전기로 바꾸어 이용할 수 있다. 또한, 수소는 수송과정에서 에너지 손실률이 낮아 장거리를 수송할 경우 전력송전보다 유리하다. 미시간주의 가장 큰 유틸리티 회사 DTE는 시범사업으로 수소 공동생산시설 개발을 시행하는 등 수소에너지 개발에 대한 높은 관심을 표하기도 하였다. 하지만 수소는 상대적으로 낮은 안정성과 아직은 활용할 수 있는 기술과 인프라가 부족하기 때문에 당분간 ESS의 성장이 유지될 전망이다.
 

시사점

에너지 저장 기술은 에너지 산업 분야에서 미국뿐만 아니라 세계시장을 선도할 중요한 기술이다. 급격한 기후변화에 대응하기 위한 재생에너지원의 발전 용량이 증가함에 따라 전력 저장 기술의 수요가 지속해서 확대될 것으로 예상된다. 이 중심에 ESS는 일관되지 못한 재생에너지의 단점을 보완하여 생산된 전력을 저장 후 가장 필요한 시기에 공급하여 에너지 효율을 향상시키는 시스템으로써 원활하고 안정적인 전력공급을 위한 해결책으로 부상하고 있다. 배터리를 포함한 소재, 부품, 장비와 같은 하드웨어의 기술발전 및 경제성 확보와 더불어 효율성과 안정성을 위한 운용시스템 전반의 소프트웨어 기술개발은 ESS 개발에 필수적이다. 또한, 에너지 모니터링과 같은 서비스영역까지 사업을 확대한다면 에너지 저장 분야에서 큰 기회가 있을 것으로 판단된다.

자료: Energy Information Administration, United States Department of Energy, energy toolbase, Hyosung Heavy Industries, Wall Street Journal, PitchBook, Financial Times, BloombergNEF