RFB(Redox-flow Battery)는 에너지밀도, 가격경쟁력 등이 낮아 시장성이 없는 것으로 나타났다.
RFB는 안전성, 수명, 대용량화 등이 장점으로 ESS(Energy Storage System)용 배터리 가운데 NaS(나트륨황)전지와 함께 리튬이온전지(Lithium-ion Battery)를 대체할 수 있는 것으로 각광받았으나 소형화에 어려운 난점이 발견되는 등 어플리케이션에 한계가 있는 것으로 나타나고 있다.
특히, 리튬이온전지는 스마트폰, 전기자동차 등 수요산업 벨류 체인에 따라 가격이 가파르게 하락함으로써 ESS용 배터리 비중이 90-95%에 달하는 것으로 추정되고 있다.
이에 따라 RFB, NaS전지 등은 상대적으로 코스트경쟁력이 급격하게 떨어져 시장성이 없는 것으로 판단되고 있다.
ESS는 발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장한 후 전력이 필요할 때 송전해주는 저장장치로 PCS(Power Conditioning System), EMS(Energy Management System), 저장장치로 구성돼 있으며 저장장치는 배터리, 양수발전, CAES(압축공기저장소), 플라이휠(Flywheel) 등으로 분류된다.
저장장치는 배터리 형태가 주로 이용되며 배터리는 내부구조 및 소재에 따라 리튬이온전지, RFB, NaS전지, Super Capacitor 등으로 분류된다.
ESS는 주파수 조정용, 신재생에너지 연계용, 주택용, 산업용, 스마트그리드용, 피크 저감 등 활용분야가 매우 다양해 막대한 시장잠재력이 기대됨에 따라 미래 에너지산업의 필수 아이템으로 부상하고 있다.
이에 따라 글로벌기업들은 ESS 시장에 앞 다투어 진출하고 있으며 선진국들도 국가 차원에서 ESS 도입을 활성화하기 위해 정책 및 제도를 수립하는 등 지원을 아끼지 않고 있다.
ESS 시장은 아직 신생단계로 시스템 어플리케이션 개발과 제도적 뒷받침의 중요성이 부각되고 있다.
하지만, 국내 전력요금 제도는 공급과 수요에 크게 연동하지 않는 등 ESS를 도입할 유인책이 부족해 ESS 수익구조가 발생할 수 있는 실시간 전력요금제 도입이 요구되고 있다.
RFB, 대용량에 유리하지만 어플리케이션 한계
ESS는 스마트폰, 전기자동차에 비해 공간 및 규모에 있어 제약이 없기 때문에 리튬이온전지를 대체할 수 있는 배터리가 많고 NaS전지와 RFB는 제조코스트가 낮아 가장 경쟁력 있는 배터리로 각광받았다.
특히, RFB는 용량에 제한이 없어 대형화에 유리하고 수명의 제약이 거의 없으며 안전성이 높은 것이 장점으로 부각되고 있다.
하지만, 에너지밀도가 낮고 소형화가 불가능해 공장 등 대규모 산업용을 제외하고는 어플리케이션에 한계가 있는 것으로 평가되고 있다.
RFB는 펌프에 의해 양극과 음극의 전해액이 순환하면서 충전과 방전을 실행하는 원리로 양극과 음극 전해액이 각각 탱크에 별도로 저장되기 때문에 안전성이 높고 셀과 탱크 부분을 분리할 수 있기 때문에 설치장소에 따라 적합한 제작이 가능하다.
국내에서는 H2, 롯데케미칼, OCI, 누리플랜, 폴리에너지 등이 RFB 성능 개발을 주도하고 있으나 리튬이온전지 가격이 급락함에 따라 몇몇은 사업을 중단한 것으로 알려졌다.
롯데케미칼은 2015년 3월 평택에 250kW 플랜트를 건설해 아연-브롬 RFB 실증연구를 진행하고 있으며, OCI와 H2는 바냐듐 RFB에 집중하고 있다.
아연-브롬 RFB는 바냐듐 RFB에 비해 수명이 짧지만 소형 제작이 가능하고 전압이 높아 전기자동차에 채용이 가능한 것으로 알려져 있다.
하지만, 리튬이온전지에 비해 제조코스트가 저렴하다는 것이 최대 장점이었으나 최근 리튬이온전지 가격이 급락하고 있어 RFB의 가격경쟁력이 크게 낮아짐으로써 채용이 어려워지고 있다는 의견이 지배적이다.
저출력·장주기용 신규수요 발굴이 과제
ESS는 적용분야가 요구하는 출력 및 주기에 따라 적합한 배터리가 상이하며 배터리는 음극, 양극, 전해질에 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전압, 수명, 용량, 안정성 등이 크게 다른 것으로 나타나고 있다.
통상적으로 고출력·단주기가 요구되는 배터리는 리튬이온전지와 Super Capacitor가, 중출력·중주기에는 리튬이온전지가, 저출력·장주기에는 RFB와 NaS전지가 유리한 것으로 파악되고 있다.
이에 따라 RFB는 저출력·장주기용 배터리가 요구되는 신규 수요처 발굴이 과제로 부상하고 있다.
장주기 ESS는 새벽시간 전력 수요가 적을 때 잉여전력을 충전한 후 전력 사용량이 많아지는 낮에 방전하는 용도로 사용되고 2-10시간 정도 지속 가능하며 고용량, 저비용이 요구된다.
하지만, 일부에서는 리튬이온전지가 저가격 및 기술력 상승으로 장주기 ESS에 채용 가능하고 ESS 활용추세가 Micro Grid에 맞춰 장주기에서 단주기로 전환되고 있어 RFB가 신규 수요처를 찾기 어려울 것이라고 주장하고 있다.
RFB는 또 전력을 생산할 때 환경유해물질을 발생시키는 점이 문제로 지적되고 있어 무공해성과 에너지 고효율을 요구하는 방향으로 지속적인 R&D(연구개발)가 요구되고 있다.
LiB, 우수한 기술력에 가격경쟁력까지 “독보적”
리튬이온전지는 에너지밀도와 출력특성이 우수하고 거의 모든 특성에서 다른 전지에 비해 경쟁력을 갖추었으나 가격경쟁력이 낮다는 것이 최대 장애물이었다.
하지만, 리튬이온전지는 스마트폰, 전기자동차 등 벨류 체인이 형성돼 있어 대량생산에 따라 가격경쟁력 확보에 유리하고 최근 전기자동차 시장이 확대되면서 규모화를 달성해가고 있는 것으로 파악된다.
이에 따라 리튬이온전지가 앞으로 ESS 시장을 주도할 것으로 기대된다.
리튬이온전지는 최근 가격이 가파른 하락세를 나타내고 있으며 ESS의 배터리 채용비중이 90-95%에 달하는 것으로 추정되고 있다.
국내 ESS용 배터리 포트폴리오도 리튬이온전지가 중심이며 나머지 전지는 열세를 띠고 있다.
삼성SDI, LG화학 등 국내 2차전지 생산기업들이 글로벌 리튬이온전지 시장의 50% 이상을 차지하고 있기 때문이다.
하지만, 리튬이온전지는 기술력이 글로벌 시장을 선도하는 수준에 도달했으나 ESS 기술은 선진국에 비해 격차가 상당한 것으로 평가되고 있다.
NaS전지는 일본 NGK와 도쿄전력(Tokyo Electric)이 시장을 주도하고 있으며 국내에서는 포스코가 개발에 힘쓰고 있으나 기술 상용화, 실증경험 측면에서 열세를 나타내고 있다.
NaS전지는 에너지밀도가 높고 코스트가 낮으며 대용량화가 용이하나 300-350도의 고온 시스템이 필요해 운영비용이 높고 에너지효율이 낮은 단점이 있다.
Super Capacitor는 고출력이 가능하지만 저장시간이 짧아 활용이 제한적이기 때문에 규모화에 불리한 것으로 평가받고 있다.
국내에서는 LS엠트론, 비나텍 등이 참여하고 있는 것으로 파악되고 있다.
ESS, 에너지정책과 기술력의 시너지 필요
국내 ESS 시장은 배터리를 제외하고는 기술력이 낮고 전력요금체계가 ESS 도입에 적합하지 않은 것으로 나타나고 있다.
ESS는 발전, 송배전, 실제 사용하는 수용가 등 엄청난 규모의 인프라산업으로 발전, 송배전, 수용가 영역이 다양하게 세분화돼 있기 때문에 초기 투자비용이 매우 높아 정부의 지원이 필수적이다.
인프라산업은 상당기간 손실을 감수해야 하고, 특히 전력 인프라는 관련설비의 교체주기가 보통 30년 가까이 되기 때문에 새로운 인프라를 즉각 수용하는 것이 어려운 것으로 알려져 있다.
국내 ESS 시장은 배터리가 중심으로 변압기, 인버터 등 중전기 관련제품은 기술력이 낮아 매우 취약한 것으로 파악되고 있다.
시장 관계자는 “국내에서 배터리 쪽은 LG, 삼성 등 대기업이 주도하고 있지만 중전기 관련제품은 시장을 주도하는 대기업이 없다”며 “중전기산업은 대량생산으로 이익을 창출하는 시장구조가 아니기 때문에 정부가 지원해야 한다”고 주장했다.
ESS는 또한 전력요금 체계에 영향을 많이 받기 때문에 국가별로 전력요금체계 등 시장과 전력 여건에 따라 ESS 시장 형성 및 발전방향이 상이한 것으로 나타나고 있다.
국내 전력사업은 한국전력공사가 독점하고 있는 형태이며 전기요금이 수요와 공급에 크게 연동되지 않아 ESS 보급에 있어 최대 장애요인이 되고 있다.
시장 관계자는 “한국전력공사가 독점하고 있고 ESS 사업에 참여 가능한 사업자의 수도 매우 제한적”이라며 “ESS 설치에 따른 보조금도 소비자보다 관련기업 중심으로 지급하는 등 ESS 도입의 유인책이 매우 부족해 저변확대가 어렵고 민간 주도의 프로젝트는 전무한 실정”이라고 강조했다.
다른 관계자는 “정부에서 에너지 소비량이 많은 민간기업들에게 ESS 설치를 독려하고 있지만 권고에 불과하며 국내기업의 관심에도 불구하고 구체적인 사업화 수준으로 연결되지 못하고 있는 실정”이라고 밝혔다.
가정용 ESS 저변 확대에 대해서는 “현재의 전력요금 체계는 수급상황에 따라 크게 연동되지 않아 효율적인 전력 수급이 어렵기 때문에 실시간 전력요금제를 실시해야 한다”며 “수요에 따라 전기요금을 다르게 책정하고 ESS 설치 보조금을 소비자에게 지급한다면 일반가정에서도 ESS를 설치해 전기요금이 저렴한 새벽에 충전한 후 높을 때 충전해놓은 전기를 사용하는 등 효율성 확대가 가능할 것”이라고 주장했다.
경제성과 기술신뢰성을 확보하라!
ESS는 보급에 있어 경제성과 기술적 신뢰성 확보가 가장 중요한 것으로 나타나고 있다.
즉, 경제성과 기술적 신뢰성이 ESS 보급에 있어 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다는 것이다.
ESS는 10개에 가까운 세부영역으로 분류되고 모든 요구에 부응하는 시스템을 구축하는 것은 거의 불가능에 가까우며 장기적인 성장을 위해서는 핵심소재 및 다양한 비즈니스 모델 구축 등 어플리케이션 확보가 선결과제로 부상하고 있다.
미국은 전력 노후화로 전력계통용, 일본은 비상전원 확보를 위한 가정용, 독일은 출력 변동성이 높은 신재생에너지 발전용, 한국은 전력 피크수요 감축을 위해 건물 및 공장용 에너지저장시스템에 정책의 우선순위를 두고 있다.
한국은 현재 시장형성 이전의 실증단계이며 초기시장 조성을 위해 금융지원, 세제혜택 등을 통해 공공기관의 시범보급 사업을 진행하고 있다.
국내 ESS 수요는 90% 정도가 한국전력이고 대부분이 주파수조정(Frequency Regulation)용으로 사용되고 있다. 한국전력은 6250억원을 투입해 2017년까지 총 20개 변전소에 총 500MW의 ESS를 설치해 전력계통의 주파수 조정용으로 사용할 계획이다.
주파수는 전력계통의 규정범위가 60Hz로 해당범위를 벗어나면 전기품질이 낮아지는 특징이 있다. ESS는 주파수가 60Hz를 초과하면 충전하고 미달이면 방전하는 식으로 주파수를 규정범위에 맞게 조정함으로써 전력계통의 안정 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
FR용 ESS는 주파수 조정능력이 기존 발전기의 1.4배 정도로 추정되고 있다.
에너지경제연구원은 현재 ESS 설치비용이 상당히 높은 수준이기 때문에 경제성이 전혀 없으며 설치비용을 줄이거나 ESS를 통해 절약할 수 있는 연간 에너지비용 편익이 증가해야만 경제성을 확보할 수 있을 것이라고 주장하고 있다.
일반용, 산업용 등 수용가는 현행 요금체계에서 ESS 설치비용이 kWh당 100만원 수준으로 하락하면 경제성이 있는 것으로 판단하고 있다.
<박주현 기자: pjh@chemlocus.com>
