전력산업 분야별 투자규모와 사업방향

신재생에너지 보급 확대와 투자는 저탄소화에 크게 기여하였으나, 이로 인한 전력원가 상승은 투자 불확실성 증가와 이익 감소를 야기시켰다. 소매·서비스 부문은 전통적 전력사업에 비해 투자기회 확대가 전망됨에 따라 유틸리티들은 신기술·IT·금융을 융합할 수 있는 新사업역량이 요구되고 있다. 2015년 WEF(세계경제포럼)에서 발표된 「전기의 미래」 분석을 통해, 전력산업 패러다임 변화, 향후 투자방향과 핵심이슈를 파악해보고자 한다.

자료. 한전경제경영연구원 시장규제연구팀 정지홍 선임연구원

Ⅰ. 전력산업 패러다임 변화

가. 저탄소화 : 신재생·에너지효율 정책으로 저탄소화 시대로 이동

신재생발전 투자와 보급정책은 탄소 절감에 기여했다. 글로벌 신재생투자는 총 발전설비 투자의 57%로 연평균 $1,530억이며, OECD 국가의 탄소집약도는 연평균 1% 감소했지만, 여전히 신재생의 전력공급 기여도는 총 발전량의 7% 수준으로 낮은 편이다.
저탄소화 전환을 위한 신재생 투자는 더욱 증가할 전망이다. 글로벌 발전설비 투자의 61%로 연평균 2,660억$를 차지할 것으로 예상되며 중국, EU, 미국, 인도에 집중적으로 투자할 예정으로 총 신재생 투자의 62%에 해당된다. 신재생투자 및 에너지전환 시 기존 발전원과의 전원믹스를 동시에 고려할 수 있게 된다.

나. 전력원가 상승 : 저탄소 전원 확대에 따른 전력원가 상승

신재생 투자비용 및 보조금 증가로 전기요금이 상승했다. 가정용은 2.8%, 산업용은 5.3% 증가(OECD국가 기준), 특히 독일과 스페인은 2006년 이후 매년 8% 이상 증가, 신재생보조금은 2006년~2013년 기간 중에 매년 20%씩 증가했다.
향후 전력원가는 지속적으로 상승할 전망이며 전기요금 상승을 막기 위해 많은 국가와 시장에서는 규제요금을 유지할 것으로 보인다.
2040년 EU와 미국 전력원가는 2013년 대비 50% 이상 증가할 것으로 예상된다. 신재생 보조금, 전력망 설치·보수, 원전 폐로가 영향으로 전력원가가 상승할 것으로 보이며, 이는 국가별 에너지 집약산업의 변화를 야기시켰다.

※ 에너지집약산업 시장점유율(2011년→2035년, %) : EU(36→26), 미국(10→11), 중국(7→10)

다. 투자이익 감소 : 전력원가 증가와 규제요금 유지로 투자이익 감소

투자의 불확실성 증가와 투자회수율은 지속적으로 하락했다. 2006년 대비 2013년 EU는 4~5%p, 미국은 1~2%p 하락했다. 투자회수 불확실성은 전력산업 투자의 가장 큰 장애요인으로 작용된다.

신재생보조금 축소, 낮은 수요증가 및 발전설비 과투자가 투자이익 감소의 주요 원인으로 보인다.

신재생 발전단가 하락에도 불구, 배출권시장의 불투명성에 기인해 신재생 분야 투자회수율은 현재 수준을 유지할 것으로 보인다. 배출권 가격이 톤당   22 이상 유지시 투자회수율 상승이 가능하다.

II. 전력산업 투자규모와 사업방향

가. 투자규모 : 소매·서비스 분야의 투자 확대는 지속

전력분야 투자(~2040년)는 연평균 $4,120억 규모로 예상된다(OECD 국가 기준). 투자규모는 소매·서비스 > 신재생 > 송배전 > 화력 순으로, 총 투자규모는 2006~2012년 투자실적(연평균 $4,190억)과 비슷한 수준일 것으로 보인다.

나. 사업 방향 : 소매·서비스 분야의 투자확대와 新사업역량이 요구

1. 분야별 전망 및 특징

① 화력·원자력 : 분산전원 증가에도 불구하고 여전히 지배적인 전원 역할을 하고 있으며, 사업자간 경쟁 증가와 발전시장 안정성 약화 등으로 투자이익은 감소했다. 유틸리티들은 화력·원자력 사업 재평가를 통해 변화를 추구하고 있다.

② 신재생 : 정부의 보급의지와 보조금 정책이 사업방향을 좌우할 수 있다.
전력저장장치의 경쟁력 확보이전까지는 여전히 경제성이 부족한 실정이다.
③ 송배전 : 송배전 투자비용의 60%는 기존망 개선·보수에 사용된다. 스마트그리드 확대로 인한 업그레이드 기회가 증가될 것으로 보인다.
④ 소매 : 스마트미터와 전력소비 데이터를 활용한 디지털화化 확대에 따라 소매 사업자들은 고객과의 인터페이스에 집중하고 있다.
⑤ 서비스 : 분산전원, 에너지효율, 유연성, 전기화 분야 등 신규역량이 요구된다.
유틸리티들은 보유한 기술역량에 맞게 핵심사업 분야를 결정한다.

Ⅲ. 시사점

현행 신재생에너지 투자는 국가·지역별 자원능력을 고려하지 않음에 따라 필요 이상의 투자비용 증가를 초래하게 된다. EU 내 자원능력을 반영한 투자가 되었다면 최대 $400억 절감이 가능하다.
독일은 스페인 대비 일조량이 65%나 부족하나, 독일 태양광(33GW)이 스페인(5GW)의 6배 이상 설치됐으며, 반면 스페인은 북유럽에 비해 바람이 크게 부족하나, 풍력은 23GW나 설치됐다. 국가·지역별 자원능력을 고려하여 신재생에너지의 선별적 투자가 필요하다.
디지털 신사업 중심으로 소매·서비스 부문 투자는 지속적으로 증가할 전망이다. 투자비 충당을 위해 민간 부문의 투자 확대 및 신규사업자가 지속적으로 등장할 것으로 보이며, 또한 채권, 주식시장 등의 새로운 자금원이 개발됨과 동시에 연금, 보험사 등의 투자자들의 자금이 폭 넓게 활용될 전망이다. 신기술, IT 및 금융을 융합할 수 있는 새로운 사업역량이 요구된다.
미래 전력산업의 모습은 전통적인 전력산업구조에서 탈피하여 신기술 기반의 다양한 서비스 모델을 포함한 유연한 사업구조로 변화될 것으로 예상된다.
하지만 투자의 흐름은 경쟁시장에 의한 신호보다 여전히 정부정책과 인센티브에 형성되며 정부 개입은 더욱 늘어날 전망이다. 전세계 전력(발전소) 소유 현황은 국영회사(정부) 48%, 민간 44%, 기타 8%이다.
따라서 유틸리티들은 다양한 정책 수립시 적극적인 참여와 대응을 통해 정부정책 결정 이니셔티브의 확보가 필요하다.

국제환경에너지 분야 통합 전문전시회 ‘2015 국제환경에너지산업전’ 개최

명실상부한 전국 최대 환경·에너지산업전으로 우뚝 성장

국내 대표 국제환경에너지 분야 통합 전문전시회인 2015 국제환경에너지산업전(ENTECH 2015)이 오는 9월 2일(수)부터 4일(금)까지 3일간 해운대 벡스코 제1전시장에서 열린다. 올해로 9회째를 맞는 이번 행사는 부산시와 국제신문이 공동 주최하고 BEXCO, KOTRA, 투데이에너지, 한국녹색산업기술연구조합이 주관했으며 300개사 700부스가 참가해 역대 최대 규모로 치러진다.

환경·에너지산업의 최고의 비즈니스의 장 ‘ENTECH 2015’

국내 환경과 에너지산업 분야의 최대 전시회인 2015 국제환경에너지산업전(ENTECH 2015)이 오는 9월 2일(수)부터 4일(금)까지 3일간 해운대 벡스코에서 300개 업체 700부스로 역대 최대 규모로 개최된다.
이는 지난해 281개 업체 680부스보다 19개 업체 20부스가 늘어난 것으로 ENTECH 2015은 국내·외 관련 산업체들이 대거 참가하는 명실상부한 전국 최대 환경·에너지산업전으로 우뚝 성장했다.

최첨단 기술의 친환경제품 및 산업용품 대거 선보일 예정

지난해에 이어 올해도 마찬가지로 국내·외 바이어들의 편의를 위해 전시장 구성도를 ▲풍력특별관 ▲솔라특별관 ▲녹색제품관 ▲물산업관 ▲에너지산업관 ▲환경산업관으로 구분해 배치하고, 해외바이어들의 원활한 무역상담 및 계약을 지원할 통역원을 1:1 매칭으로 진행할 계획이다. 특히 이번 ENTECH 2015에서는 친환경제품 및 산업용품 업체가 대거 참가해 최첨단 기술을 선보일 예정이다. 현대엔텍은 화장품, 세제, 비누, 호텔 납품용 어메니티 등을 선보인다.
태광수지가 전시할 PE 이중벽관은 고밀도 폴리에틸렌 수지를 원료로 관매벽을 I-beam 형태로 압출 성형하여 외압강도와 충격에 강하도록 제조한 관으로 중량이 가볍고 유연한 성질로 인해 충격에 강한 점이 특징이다.
부곡스텐레스가 선보이는 봉강제품은 탄소강 또는 합금강보다 성능이 뛰어나 내식성이 필요한 기계·전자부품, 엔진밸브, 조선 및 발전설비 등에서 다양한 용도로 사용되고 있다. 켐텍은 와류터빈 펌프의 특성을 이용해 용해되지 않는 다른 종류의 액체를 효과적으로 혼합·용해시켜 쉽게 공급하는 장치인 KTM 펌프를 선보인다. 에너코는 대기전력 차단 및 전기요금 모니터링 콘센트와 에너지 세이버, 고효율 형광등 반사갓 등을 전시한다.

동시 진행되는 부대행사로 알찬 구성

한편 부대행사로는 제3회 부산국제물포럼, 민관합동 환경협력포럼, 환경·에너지콘서트 등 다양한 프로그램 등을 준비하고 있다.
그 밖에 참가기업별 평균 10건 비즈니스 미팅주선 및 풍력 전문세미나 등 참가기업 맞춤형 해외바이어 초정 지원과 신재생·폐기물·수처리·발전·에너지절감 등 다양한 산업세미나 및 기술설명회도 함께 진행될 예정이다.

국제환경에너지산업전   www.entechkorea.net

아시아 최대의 태양에너지 박람회 ‘2015 세계태양에너지엑스포’개최

20개국 250개사 업체 참가 예정

2015 세계태양에너지엑스포는 주요 아시아 국가에서 다양한 태양열 발전 관련 업체들이 참가한다. 2015 세계태양에너지엑스포는 아시아에서 존재감을 높이고 사업을 확장하고자 하는 업체들이 선호하는 태양에너지엑스포로 자리잡았다.
올해로 7회째 개최되는 ‘세계태양에너지엑스포’는 태양광 부품소재, 태양전지, 태양광 모듈 제조에서부터 태양광 발전용 시스템에 이르기까지 약 20개국, 250여 기업들이 참가할 예정이다. 오는 9월 9일(수)부터 11일(금)까지 경기도 고양시에 위치한 한국국제전시장(Korea International Exhibition Center, KINTEX)에서 열린다.

태양광 에너지사업을 한 눈에!

아시아 최대의 태양에너지 박람회인 세계태양에너지엑스포가 오는 9월 9일(수)부터 11일(금)까지 사흘간 일산 킨텍스에서 개최한다. 
이번 엑스포에는 중국, 유럽, 일본, 중동 및 미국을 포함해 20개국 이상에서 250개 이상의 업체들이 참가할 것으로 예상된다. 또 2만 8천 명이 넘는 해외 및 한국 바이어와 방문객들이 올해 제7회를 맞이한 ‘2015 세계태양에너지엑스포’를 찾을 것으로 예상된다.

PV 산업의 회복세로 지난 전시회보다 높은 실적 예상

지난해에 열렸던 ‘2014 세계태양에너지엑스포’에서는 Canadian Solar, JSPV 및 DAQO Solar 등 국제 PV 제조업체들, Schmid, ASYS Group 및 DKSH 등 국제 PV 생산장비 공급업체들, Top Solar와 S-PV 등 PV 설치 및 건설업체들이 다양한 제품과 솔루션을 전시했다.
아시아가 선호하는 PV 사업 전시회로 자리잡은 2014 세계태양에너지엑스포에서는 바이어 미팅을 통해 총 8.50억 달러에 달하는 제품과 솔루션이 판매됐다. 한편 PV 재고 과잉이 완화될 것으로 예상되는 가운데, 올해는 PV 산업이 회복세를 탈 것으로 기대되고 있다.

PV 세계포럼 등 다양한 부대행사 열려

올해는 엑스포 PR 기간이 연장됐는데, 이는 매우 일찍부터 신청 접수를 시작했기 때문으로, 전시업체들은 바이어 미팅 참가 기회 등 다양한 혜택을 잔뜩 기대하고 있다. 결과적으로 새로운 신청 건수와 올해 세계태양에너지엑스포에서 그 존재감을 강화할 업체 수가 작년보다 눈에 띄게 증가했다. 더불어 한국을 비롯해 미국, 독일, 중국 및 일본에서 온 30명 이상의 전문가들이 세계태양에너지엑스포와 동시에 진행되는 국제 PV회의인 ‘PV 세계포럼’에서 발표할 예정이다.
이와 함께 해외 바이어 초청 수출 및 구매상담회, 각종 세미나, 컨퍼런스 등도 동시 개최 행사로 진행될 예정이다.

세계태양에너지엑스포 www.exposolar.org

세계 친환경 자동차 산업 동향

미래 자동차 산업 변화의 키워드는 연비와 친환경이다. 각국 정부가 관련 규제를 강화함에 따라 자동차 산업의 지형은 연비와 친환경 기준에 따라 변화하고 있다. 주요 국가들은 자동차 연비 규정 및 이산화탄소 배출량 허용기준을 강화하면서 친환경 자동차 생산을 장려하고 있으며, 2014년 기준 세계 친환경 자동차(HEV, PHEV, EV, 수소연료전지차) 판매 대수는 285만 대에 이르렀다. 2015년에는 9,690AKS 대로 예상되며, 이 중 친환경 자동차 생산 대수는 389만 대에 달할 전망이다.
친환경 자동차의 기술경쟁력은 배터리, 모터 등 핵심부품에 집약되어 있으며, 산업경쟁력 확보를 위해서는 부품·소재 기업의 육성이 절실히 요구되고 있다.

자료. 한국수출입은행 해외경제연구소 강정화 선임연구원

1. 친환경 자동차 개요

(1) 친환경 자동차의 성장 Driver

미래 자동차산업 변화의 키워드는 연비와 친환경으로, 각국 정부가 관련 규제를 강화함에 따라 자동차 산업의 지형은 연비와 친환경 기준에 따라 변화하고 있다. 주요 국가들은 자동차 연비 규정 및 이산화탄소 배출량 허용기준을 강화하면서 친환경 자동차 생산을 장려중인데, 미국은 평균연비 목표를 2025년까지 54.5mpg(23.2㎞/ℓ)로 정하고, 2016년까지 평균연비를 35.5mpg(15.1㎞/ℓ)로 강화한다고 밝혔다. EU는 주행거리당 CO2 배출량을 2015년까지 125g/㎞, 2020년까지 95g/㎞, 2025년까지 70g/㎞로 감축할 예정이다.
각국 정부는 전기차를 신성장 산업으로 육성하기 위해 R&D 투자, 보조금, 세제혜택 등 정책적 지원을 통해 전기차 보급을 확대 추진중이다.
또한, 미국은 오바마 정부의 그린 뉴딜 정책하에 전기차 개발 관련 프로젝트에 24억 달러를 지원하고 2015년까지 전기차 백만 대 보급을 추진중이며, 중국은 2020년 전기차 5백만 대 보급을 목표로 전기차 개발과 보급에 1,000억RMB(약 17조 원)를 지원할 예정이다.

(2) 친환경 자동차 시스템 개요

전기자동차는 일반 내연기관 자동차와 달리 배터리, 전기모터, 인버터/컨버터, BMS(Battery Management System) 등으로 구성되어 있다.
① 배터리: 재충전이 가능한 2차전지가 이용되며 전기자동차의 성능·가격에 가장 큰 영향을 미침.
② 전기모터: 배터리를 통해 구동력을 발생시킴.
③ 인버터/컨버터: 직류와 교류를 변화시키는 역할.
④ BMS(Battery Management System): 배터리 관리시스템으로 배터리의 충전·방전 조절, 전압·전류·온도 감시, 냉각 제어 등을 수행.

전기자동차는 전기에너지의 사용비중에 따라 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, (순수)전기자동차로 분류된다. 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle)는 기존 차량에 전기모터와 배터리가 추가 장착되며 주행상태에 따라 내연기관과 전기모터를 적절히 작동시켜 연비를 향상시킨다. 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)는 하이브리드 자동차보다 대용량의 배터리를 사용해 전기를 주 동력원으로 사용하며, (순수)전기자동차((B)EV: (Battery)Electric Vehicle)는 내연기관 없이 모터와 배터리로 구성되고 주행시 오염물질 및 CO2의 배출이 없다.
수소연료전지차는 전기를 이용해서 자동차를 구동하는 원리는 전기차와 같으나 전기를 만드는 방식이 전기차와 다르다. 수소연료전지차는 연료전지로부터 생산된 전기로 구동되는 차량으로, 내부 구조는 전기를 생성하는 연료전지, 수소를 저장하는 수소탱크, 차량 구동에 필요한 주변장치들로 구성된다. 원가와 성능 결정 측면에서 가장 큰 비중을 차지하는 3대 핵심 부품은 연료전지, 운전장치, 수소탱크로, 연료전지는 내부 스택의 에너지 효율에 의해 차량 연비를 결정하며, 자체 충/방전 가능 횟수에 따라 차량 내구성 관련 성능을 좌우한다.  운전장치는 연료전지에 필요한 수소 및 공기 공급 역할을 담당하며 연료전지의 효율적 구동에 영향을 주며, 수소탱크는 고압화를 통한 수소 저장 부피 확대를 통해 차량 주행 거리가 결정된다. 이 3대 핵심 부품들은 수소연료전지차 가격의 40% 이상을 차지하며 현재 수소연료전지차의 높은 가격을 형성하는 주요 요인으로 작용하고 있다. 향후 해당 부품들에 대한 큰 폭의 원가절감 달성 여부에 따라 수소연료전지차 보급이 활성화될 것으로 전망된다.

(3) 주요 국가 지원정책

미국은 경기부양법안 계획의 일환으로 친환경차 보급 촉진 프로그램을 운영 중이며, 2015년까지 전기차 100만 대 보급을 추진 중에 있다. 2009년 차세대 전기차 및 배터리 제조·개발에 24억 달러 투입, 2011년 초 80억 달러 규모의 전기차 지원 강화 방안을 발표했다.
EU는 전기차 인프라 구축과 재생에너지 개발에 50억 유로를 지원할 계획이며, 독일이 가장 적극적인 전기차 지원 정책을 보유중이다. 독일은 2009년 ‘Electro-mobility’ 개발 계획을 수립하고 2020년까지 전기차 백만 대 보급을 추진하고 있다. 현재 유럽은 2015년까지 자동차 이산화탄소 배출량을 130g/㎞ 수준을 목표로 하고 있으며, 2020년 95g/㎞까지 강화할 계획이다.

중국은 전기차를 2015년까지 백만 대, 2020년까지 5백만 대를 보급할 계획이며, 전기차 개발을 적극적으로 추진 중이다. 2010년부터 전기차 구입시 최대 6만 RMB, 플러그인 하이브리드 자동차 구입시 5만RMB를 지원해주는 정책을 중국내 5개 도시에서 시행 중이다. 2011년 ‘자동차와 전기차 산업발전계획(2011~2020)’을 발표하고 향후 10년 동안 1,000억 위안(약 17조 원)을 전기차 개발과 보급지원에 투입할 예정이다.

일본은 2020년까지 전기차 50만 대 보급을 목표로 전기차 보급 및 충전 인프라 구축을 위해 90억 엔/년을 투입 예정으로, 11개 도시에서 실증사업을 진행하고 있으며, 전기차 구입시 대당 최고 139만 엔의 보조금을 지원한다.
국가별로는 미국, 중국이 전기차 관련 R&D 투자에 가장 적극적이며, 전기차 구매 지원금은 덴마크가 가장 높은 수준이다. R&D 투자가 가장 높은 국가는 미국으로 22,260백만 유로를 투자해 중국 투자비(3,373백만 유로) 대비 6.6배 높고, 신차 가격대비 전기차 구매 보조금 비중은 덴마크가 최대 36%, 일본 15%, 아일랜드 13%, 중국·포르투갈 11% 순으로 지원하고 있다.

2. 세계 친환경 자동차 시장 동향

2014년 기준 세계 친환경자동차(HEV, PHEV, EV, 수소연료전지차) 판매 대수는 285만 대로 집계됐다. 2014년 세계 자동차 생산대수는 9,050만 대로 추정됐으며, 이 중 친환경 자동차는 약 3%를 차지했다. 이산화탄소 배출이 없는 전기차 및 수소연료전지차는 수요가 서서히 생겨나고 있으며, 전기차는 전년대비 65% 증가한 23만 대가 판매되었다.
2015년 세계 자동차 생산 대수는 9,690만 대로 예상되며, 이 중 친환경 자동차 점유율이 4%를 차지할 전망이다. 하이브리드 자동차 생산 대수는 전년대비 34% 증가한 314만 대, 플러그인 하이브리드 자동차는 전년대비 49% 증가한 42만 대, 전기차는 39% 증가한 33만 대가 생산될 전망이다. 반면, 수소연료전지차의 경우는 여전히 시험 생산단계에 머무를 것으로 보인다.
또한, 2015년 저유가 상황으로 인해 올해 친환경자동차 판매 대수가 예상치를 하회할 가능성이 있으나, 그 폭은 크지 않을 것으로 예상되며, 2020년까지 친환경자동차 성장률은 연평균 20% 이상의 고성장세를 지속할 것으로 판단된다. 2020년 친환경자동차의 시장점유율은 13%로 높아질 것이며, 이중 10%는 하이브리드 자동차가 차지할 전망이다. 다만, 친환경자동차 중 전기차 및 수소연료전지차의 경우 배터리 성능 및 가격과 충전 인프라 문제 해결이 시장 확대의 선결과제로 꼽히고 있으며, 2020년 친환경 자동차 판매 대수는 약 1,600만 대에 달할 것으로 예상된다.

3. 친환경 자동차 밸류체인별 동향

(1) 전기차 밸류체인

전기차 밸류체인은 배터리, 파워트레인(모터, 전력관리/제어 시스템), 전기차 생산, 충전 인프라로 구성된다. 투자비는 전기차 생산, 배터리, 모터 부분, 영업이익률은 전력관리/제어 시스템(13.8%) 부분이 높다.

(2) 배터리

배터리는 배터리 셀, 모듈, 배터리관리시스템(BMS), 냉각장치로 구성된다. 배터리 셀이 모여 모듈이 되고, 모듈이 모여 최종 배터리 팩으로 제작되는 것이다.

전기차 시장의 확대 관건은 배터리 가격과 용량 증가이며, 전기차 시장 성장 가속화를 위해선 200~300달러/㎾h까지 하락해야 한다. 배터리는 전기차 생산원가의 가장 큰 비중(40~50%)을 차지하며, 전기차의 가격, 주행거리 등을 좌우하는 핵심 부품으로, 2009년 $1,100/㎾h에 달했던 배터리 가격이 2013년 $700/㎾h까지 하락했으며, 2~3년 내에 $500/㎾h까지 하락할 것으로 전망된다. 배터리 성능이 향상될 경우 ㎾h당 가격이 하락할 뿐만 아니라 주행거리까지 증가하게 된다.

현재 전기차용 배터리로 리튬이차전지가 가장 널리 사용되고 있으며, 향후에도 배터리 분야 핵심부품으로 위치를 공고히 할 전망이다. 과거 니켈수소 전지가 Toyota 프리우스에 사용되었으나, 성능 한계로 인해 현재는 리튬이차전지로 대체되는 추세이다. 여러 전기차용 배터리가 테스트되고 있으나, 주도 기술은 리튬 배터리가 최적의 솔루션으로 자리매김중이다. 2013년 기준 리튬 배터리 시장규모는 152억 달러이며, 이 중 전기차용 리튬 배터리 시장 규모는 약 30억 달러를 차지하고 있다.

배터리 사업자는 완성차 회사들과 전략적 협력관계를 구축해 단기적으로는 수요처 확보, 장기적으로는 규모의 경제 달성을 추구중이다. 일본 완성차 업체는 순수 전기차 중심으로 배터리 회사와 합작법인을 설립하는 추세며, 미국 및 유럽 완성차 업체는 플러그인 하이브리드 중심으로 배터리 회사들과 공급계약을 체결하고 있다.

(3) Power Train

Power Train은 동력전달장치로 모터와 인버터/컨버터 등으로 구성된다. 모터는 엔진을 대체해 자동차 구동을 가능하게 하며 하이브리드 차량에 엔진과 같이 장착되어 엔진 보조 역할 수행한다. 인버터는 직류를 교류로, 컨버터는 교류를 직류로 변환하는 역할을 한다. 파워트레인 업체들은 장기간 완성차 업체들과 장기 계약을 통해 부품을 공급해왔으며, 이는 전기차에도 동일하게 적용될 것으로 예상된다.

(4) 전기차 생산

전 세계적으로 30여 개 신규업체와 기존 완성차 업체가 시장에서 경쟁하고 있으며, 완성차 업체와 신규 전기차 회사와의 제휴를 확대하는 추세이다. 전기차 전문회사는 기술수준, 사업모델 등에 따라 고가 자동차 시장을 공략하는 Tesla, Fisker, 저가 시장을 공략하는 Think, REVA 등이 있으며, 기존 자동차 회사들은 시장 점유율, 기술수준 등에 따라 중점 차종이 다르나, 전기차 시장의 성장성에 주목하고 생산계획을 발표하고 있다. 다임러, 도요타 등은 전기차 전문회사와 전략적 협력관계를 구축 및 인수를 통해 조기 시장진입을 추진중이다.
현재 시장은 일본(닛산), 미국(GM), 중국(BYD) 업체가 시장을 선도하고 있으며, 닛산 Leaf, GM Volt는 판매지역 확대 및 생산설비 증설을 진행하고 있다.

전기차 시장은 제조기술 난이도가 낮아 진입장벽이 높지 않으나 많은 투자비가 요구되며, 중소업체는 브랜드 인지도, 가격 경쟁력, 전기차 상용화 시기까지 생존가능성이 낮은 실정이다. 화석연료 차량에는 약 3만 개 이상의 부품이 필요하나, 전기차는 필요 부품의 수가 18,900개에 불과해 시장 진출이 특히 용이한 편이다. Tesla사의 성공에도 불구하고 세계 전기차 시장은 기존의 완성차 기업들을 중심으로 재편될 전망이며, 전기차 회사의 지분 투자를 통해 수요처 확보 및 제조경험을 축적하려던 중소 배터리 기업의 전략은 수정이 필요할 것으로 보인다.

(5) 전기차 충전인프라

전기차 충전 방식은 가정용 충전, 급속충전, 배터리 교체 등 다양한 충전 방식이 있으며, 가정용 충전은 가정, 빌딩의 주차장에서 취침시간, 근무시간 등에 충전이 이뤄지고 충전시간은 6~8시간이 소요된다. 급속충전은 도로에 설치된 충전소가 높은 전압과 전류를 공급할 수 있는 충전설비를 갖춰 충전시간을 30분 이내로 단축시키며, 배터리 교체는 충전소에 방전된 배터리를 반납하고 충전된 배터리로 교체하는 방식으로 약 5분이 소요된다.
전기차 충전사업은 소규모·전문화된 기업 중심이었으나, 최근 대기업들이 시장에 관심을 표출하면서 전문사업자들과 협력관계를 구축 중이다. 2010년부터 대기업들은 전문사업자들과 협력관계를 통해 스마트 그리드 사업기회와 연계된 전기차 충전 솔루션 확보를 추진하고 있으며, 전력사업자들은 자체 브랜드 충전기를 개발하는 등 충전기 설치 및 충전 Infra 관리를 사업기회로 보고 있다.
충전기 사업자들은 자동차 회사들과 협력관계 구축을 통해 가정용 시장 점유율 확대를 추진하고 있다. GM, 닛산은 충전기 제조·설치 사업자(SPX, AeroVironment)와 협력하며, 포드, 미쓰비시는 전자제품 유통기업인 Best Buy를 판매 사업자로 선정했다.
각국 역시 정부 주도로 전기차 보급 확대를 위해 전기차 충전인프라 확대사업을 진행하고 있다. 미국은 스마트 그리드와 전기차 충전 인프라 사업을 연계하고, 일본은 2009년부터 전기차 충전 실증사업을 추진 중이며, 전기차 충전시스템 협회인 차데모(CHAdeMO)를 설립해 급속 충전 표준을 개발했다. 또한, 중국은 국가전력망공사(중국 북부)와 중국남방전력망(중국 남부) 주도로 전기차 충전 사업을 확대중이다.

4. 국내 친환경 자동차 산업 현황

(1) 전기차 산업 육성 정책

2015년 글로벌 그린카 4대 강국으로 도약하기 위해 그린카 양산 로드맵 수립, 초기 시장창출 및 보급기반 확충을 추진하고 있다. 플러그인 하이브리드와 중형 전기차는 각각 2012년, 2014년부터 양산중이며, 보급목표는 2013년 13.2천 대, 2015년 85.7천 대, 2020년 1,046천 대로, 시장 창출을 위해 세제지원, 충전 인프라 구축, 전기차 거점도시를 중점으로 하고 있다.

(2) 기술수준

배터리를 제외한 모터, 인버터, 컨버터 등의 국내 친환경 자동차 기술 수준은 아직 낮은 상황이다. 국내 전지 제조기술은 경쟁력을 확보하고 있으나 소재기술은 선진국을 대비해 30~40% 수준으로, 리튬 이차전지 산업의 경쟁력 강화를 위해선 핵심소재의 국산화가 절실한 상황이다.

전기동력 시스템, 모터는 선진국 대비 80% 수준의 기술력을 보유하고 있다.

(3) 주요 기업

전기차 배터리는 LG화학, 삼성SDI, SK이노베이션이 시장을 선도하고 있다. LG화학은 세계 1위 전기차 배터리 생산업체로 미국 전기차 배터리개발 컨소시엄으로부터 고성능 전기차 배터리 개발 프로젝트를 수주했으며, 삼성SDI는 BMW, 크라이슬러와 공급계약 체결, SK이노베이션은 현대·기아차, 메르세데스AMG, 미쓰비시후소의 배터리 공급업체로 선정됐다.
모터는 현대모비스, 효성중공업, 인버터는 LS산전, 현대모비스 등이 제품을 개발·생산중이며, BMS 분야에는 중소기업의 참여가 활발하다. 현대모비스는 모터, 인버터, 컨버터를 쏘나타, K5 하이브리드에 공급하고, 효성은 50㎾급 모터를 기아차의 전기차 ‘TAM’에 공급할 예정이다. BMS 분야에서는 파워로직스, 넥스콘테크놀러지, 이랜텍 등이 참여중으로 알려져 있다. 또한, 전기차 생산에는 현대·기아차, 르노삼성 등이 참여중으로, 기아차는 2014년, 현대차는 2015년부터 전기차 양산을 시작할 예정이며, LG, SK그룹은 전기차 사업을 차세대 성장엔진사업으로 선정하고 전기차 수직계열화를 추진 중이다.

5. 시사점 및 결론

(1) 자동차산업의 고효율 및 친환경화는 거스를 수 없는 대세

기존의 내연기관을 가지고는 새로운 자동차 수요를 이끌어 내는데 한계가 있으며, 새로운 수요를 위한 새로운 기술 등장이 필요한 시점으로 판단된다. 현재 내연기관 자동차 시장 성장률은 2020년까지 연평균 3% 미만의 성장에 불과하며, 소비자의 새로운 수요를 이끌어 내려면 고연비 자동차 기술이 필요하다. 또한 고연비 기술을 위해서는 현재 내연기관으로는 한계가 있으며 이를 위해 배터리와 접목된 자동차 기술이 각광을 받고 있는 실정이다.
최근 출시된 BMW i8의 경우 최고시속 250㎞, 리터당 47.6㎞의 연비를 기록하고 있다.
전 세계 이산화탄소 배출량의 약 20% 이상을 운송부분이 차지하고 있기 때문에 자동차는 환경 대응에서 빼놓을 수 없는 영역으로, 따라서 각국 정부는 구체적인 규제안들을 통해 완성차 기업들의 친환경 자동차 개발과 출시에 압박을 가하고 있으며, 기업들도 따를 수밖에 없는 환경이 조성되고 있다.

(2) 친환경 자동차로의 전환은 거스를 수 없는 대세이나, 속도가 문제

전기차, 수소연료전지차 등 친환경 자동차 기술개발은 빠르게 진행되고 있으나, 문제는 가격이다. 최근 출시되고 있는 전기차의 경우 일반소비자가 구매하기에는 여전히 높은 가격으로, 내연기관 자동차 대비 부품 수가 적음에도 불구하고 높은 배터리 가격으로 인해 가격이 높게 책정되어 있는 실정이다.
다만, 2015년을 기점으로 친환경 자동차 생산량 증가와 더불어 배터리 가격도 하락할 것으로 전망된다. 중대형 배터리 기업들의 대량생산 체제가 구축됨에 따라 가격하락 속도도 빨라질 것으로 예상되며, 2020년 $200~300/kWh 달성시 내연기관 자동차와의 본격적인 가격 경쟁이 시작될 것으로 판단된다.

(3) 세계 친환경 자동차시장은 연평균 20% 이상의 고성장을 지속할 전망

세계 친환경자동차시장은 2020년까지 하이브리드 자동차를 중심으로 성장할 전망이다. 하이브리드 자동차 기술의 완성도가 가장 높은 상황이며, 낮은 용량의 배터리를 사용하는 관계로 차량 가격에서 배터리가 차지하는 비중이 낮다.
배터리 가격 하락과 고연비 자동차에 대한 수요가 맞물리면서 플러그인 하이브리드 및 전기차로 넘어갈 것으로 보이며, 2015년 이후 연비 50㎞/ℓ이상의 플러그인 하이브리드 자동차 출시가 본격화될 전망이어서 본격적인 전기자동차 시대의 서막이 열릴 것으로 예상된다.
수소연료자동차의 경우에는 2025년 이후 본격적인 수요가 발생할 것으로 추정되며, 기술의 완성도 및 안정성 검증에는 많이 시간이 소요되고, 충전 인프라에 대한 문제를 해결하는 데에도 많은 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 2020년까지 연구개발 차원의 차량 출시가 이어지겠지만, 본격적인 시장 형성은 2020년 이후 가능할 전망이다.

(4) 친환경 자동차의 기술경쟁력은 배터리, 모터 등 핵심부품에 집약되어 있으며, 산업경쟁력 확보를 위해선 부품·소재 기업 육성이 필요

내연기관 자동차 대비 친환경 자동차 제조 기술 난이도는 낮아 제조기술 경쟁력은 관련 핵심 부품 조달을 얼마나 잘하느냐에 달려 있다. 특히 배터리와 모터와 같은 핵심 부품의 성능이 친환경자동차의 성능을 좌우한다.
친환경 자동차 시장에서 국내 자동차 기업들이 경쟁력을 확보하기 위해서 부품 기업들의 경쟁력 확보가 무엇보다 중요한데, 국내 친환경 자동차 부품기업들은 가장 큰 애로사항으로 시장정보 및 기술개발 지원 부족으로 공공부문의 도움을 꼽고 있다. 특히 중소 부품업체들은 자동차 산업 변화 전망, 해외 시장 정보, 기업별 동향 등에 대한 조사여력이 부족하므로 산업계와 공공기관의 연구가 필요하다.
또한, Test-bed 시장 지원과 관련 법 제정을 통해 산업생태계 활성화를 위한 정부 정책지원 확대가 요구되고 있는 실정이다.

스마트 분산전원 기술

기존 분산전원에 적용되는 계통연계 인버터는 입력 DC 전력을 AC 계통에 전달해주는 전력변환 장치로서, 일반적으로 효율적인 전력 전달을 위한 최대 출력점 제어기능, AC계통 연계를 위한 그리드 동기화 기능, 계통 고장 시 역전력 공급 방지를 위한 독립운전 방지 기능 등을 포함한다. 스마트 분산전원은 개별적으로 동작해왔던 기존의 분산전원과는 달리 목적에 따라서 상위의 관리 시스템과 유기적인 연동을 필요로 하므로 양방향 통신이 필수적이다.
신재생 에너지 분산전원의 계통 투입 비율이 높아짐에 따라서 스마트 분산전원의 스마트 인버터 기능이 전력계통 안정도와 신뢰도 그리고 운용 효율을 상당 부분 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.

자료. 한국전기연구원 차세대전력망연구본부 책임연구원 조창희

Ⅰ. 신재생 분산전원 현황

2015년 5월, 하와이 의회는 2045년까지 하와이 군도 전력의 100%를 신재생 에너지에 의해서 공급하도록 규정하는 법안을 통과했다. 이 법안에 따르면 하와이는 전력분야에서 카본프리 목표 날짜를 설정한 미국의 첫 번째 주가 된다. 이는 풍력 발전과 태양광 발전에 대한 주정부와 전력회사의 꾸준한 인센티브에 의한 신재생 에너지 설치가 급증했기 때문으로, 신규 법안은 이러한 붐을 더욱 확대하여 현재의 신재생 에너지 비율 21%에서 2020년에 30%, 2030년에 70%, 마지막으로 2045년에 100%를 달성하는 것을 목표로 한다.
2011년 지진해일에 의해서 큰 피해를 입은 일본의 후쿠시마 현도 화석연료에 의한 발전을 배제하고 신재생 전원에 의해서만 전력을 공급받는 데드라인을 2040년으로 설정했다. 일본은 동경전력의 후쿠시마 핵발전소 사고로부터 회복하기 위해 반드시 달성해야할 수단으로 태양광 발전이나 풍력 발전 등의 신재생 에너지를 주목하고 있다.
유럽의 경우 풍부한 수자원을 기반으로 하는 수력 발전을 통해서 수요량 대비 신재생 에너지 비율이 100%를 넘긴 노르웨이를 선두로, 세계 수위권인 풍력 발전(약 40%)을 포함 전체 소비 전력의 60% 이상을 신재생 에너지로 공급받는 덴마크, 그리고 수력을 제외한 신재생 에너지 비율이 작년 기준 각각 30%와 27%인 포르투갈과 스페인 등이 온실가스 감축과 청정에너지 혁신을 위한 신재생 에너지 보급에 앞장서고 있다.

그러나 신재생 에너지는 원천적으로 기후조건에 따라서 출력을 생산하는 특성을 가지고 있어 소비 전력량에 비해 신재생 에너지 투입 비율이 큰 경우에는 필연적으로 전압 변동이나 주파수 변동 등의 전력 품질 문제가 생길 수 있다. 특히, 우리나라와 같이 대규모 전력계통과 연결되지 못한 고립형 전력계통이나 다른 나라와 송전선 연결이 제한적인 경우에는 그 문제가 더 심각할 수 있다. 그러므로 간헐적인 신재생 에너지 전원을 전력계통에 투입하기 위한 전력계통의 높은 수준의 신뢰도를 유지하기 위한 기술적인 해결방안을 필요로 한다.
이러한 문제의 해결 방법의 하나로서, 스페인의 전력계통 운영자(REE, Red Electrica de Espana)는 2006년 세계 최초로 풍력 단지의 중앙급전 제어 시스템을 개발하여 전국의 풍력발전 단지 원격제어를 수행하고 있다. 이 시스템이 개발되기 이전에 REE는 전력계통에 최대로 투입될 수 있는 풍력발전의 비율을 12% 이하로 고집했으나, 현재는 풍력발전이 순시 출력이 전력 수요의 60%를 넘는 경우도 발생한다.

이러한 신재생 에너지원의 특징은 계통 운영자에게 큰 부담이 되고 있으며 그 결과로 신재생 에너지 전원이 전력계통에 연계될 때 필수적으로 지켜야할 규정(그리드코드, 계통연계 기술기준)을 강화하는 방향으로 법규가 만들어지고 있다.
독일의 에너지와 수자원 협회(BEDW, Germany’s Bundesverband der Energie und Wasserwirtschaft)와 VDE-AR-N 4105 표준은 풍력 발전 또는 태양광 발전 시스템을 대상으로 원격에 의한 설정된 전력 제한(Power Curtailment) 준수와 역률 제어, FRT(Fault Ride-Through), 그리고 Dynamic Grid Support 기능을 규정하고 있다.
미국의 경우 기존의 분산형 전원 계통연계 기준인 IEEE 1547-2003에서는 분산 전원이 계통 연계점(PCC, Point of Common Coupling)에서의 전압 조정을 금지했지만 개정된 IEEE 1547a-2014에서는 지역 EPS 사업자나 수요 반응(DR) 관리자의 필요에 따라서 능동적인 전압 조정이 가능하도록 규정이 변경되었으며 전압 및 주파수 고장 상황에 대한 FRT 규정이 추가되었다.
미국 캘리포니아는 주의 전력계통 연계 규정인 Rule 21의 업그레이드를 진행 중인데, 여기에는 대부분의 분산전원이 계통연계 인버터에 의해서 전력을 생산하는 것에 착안하여 강화되고 있는 그리드코드를 만족시키기 위한 스마트 인버터 기능을 포함하는 스마트 분산전원의 개념을 도입했고, 필요로 하는 분산전원 필수 기능을 단계별로 개발하는 접근법을 제시했다.

II. 스마트 분산전원 기술

기존 분산전원에 적용되는 계통연계 인버터는 입력 DC 전력을 AC 계통에 전달해주는 전력변환 장치로서, 일반적으로 효율적인 전력 전달을 위한 최대 출력점 제어기능, AC계통 연계를 위한 그리드 동기화 기능, 계통 고장 시 역전력 공급 방지를 위한 독립운전 방지 기능 등을 포함한다.
스마트 분산전원 구현을 위한 스마트 인버터 기능은 기본적으로 분산전원의 무효전력과 주파수/전압을 제어하는 기능으로서, 양방향 통신을 기반으로 필요에 따라 원격에서 인버터의 운전, 동작 모드, 운전 파라미터 등을 제어하여 전력 계통의 운영에 기여할 수 있는 발전된 분산전원 기능을 의미한다.
스마트 분산전원의 기능은 기능 구현의 난이도에 따라서 3가지로 구분될 수 있다. 기본 기능은 통신에 의한 분산전원의 상태정보 모니터링이나 계통 연계/차단 제어 그리고 이벤트 로그 및 리포트 기능이 포함된다.
중급 기능은 운전 모드나 장치 설정 등의 원격 파라미터 설정, 전압-무효전력 제어, 전압-유효전력 제어 등 미리 설정된 특성 곡선에 따른 자율적인 제어, 그리고 전압 및 주파수의 고장 복구를 위한 FRT 기능 등이 포함된다. 마지막으로 고급 기능은 동적 무료전력 보상이나 가격 또는 온도에 따른 제어 기능, 스케줄 기반 제어 등으로 구성된다.
이러한 스마트 분산전원의 진보된 기능들은 기존의 기후조건에 따라서 전력을 생산하는 단순한 분산전원에서 설치된 지역의 상황에 따라 분산전원 자신의 자율적인 판단과 관리자의 목적에 따라 가변적 기능을 수행하는 스마트 분산전원으로 발전했으며 그 결과 계통의 신뢰도 및 안정도 향상과 운영 효율을 높이는 수단이 될 수 있다.

스마트 분산전원은 개별적으로 동작해왔던 기존의 분산전원과는 달리 목적에 따라서 상위의 관리 시스템과 유기적인 연동을 필요로 하므로 양방향 통신이 필수적이다.
디지털 변전소 내부의 정보 교환 및 통신을 위한 국제 표준인 IEC 61850은 최근 일부 개정된 2판(Ed.2)에서 제목을 ‘Communication Networks and Systems for Power Utility Automation’으로 변경하여 전력산업 전반을 위한 표준임을 명시했고, 상위 시스템과의 연계, 수력 발전, 풍력 발전, 분산전원 등 그 적용 영역이 점점 확대되고 있다.
2013년 2월에 발간된 기술 보고서(IEC 61850-90-7)를 통해서 전력 변환장치 기반 분산전원을 관리하기 위해서 분산전원의 스마트 인버터의 기능을 정의하고, 이를 구현하기 위한 정보 표현 방법을 오브젝트 모델로 제시했다.
이 보고서는 분산전원의 자율 제어와 브로드캐스트/멀티캐스트에 의해서 상위 제어기와 느슨하게 결합된 다중 계층 구조 제어에 대해서 제안하고 있으며, 스마트 분산전원의 인버터 기능에 대한 기초자료를 제공한다.
미국 캘리포니아에서는 캘리포니아 공공시설 위원회(CPUC, California Public Utilities Commission)가 주도적으로 스마트 인버터(분산전원) 관련 기술을 검토 중이며, 스마트 인버터 워크숍(Jun 2013)을 개최하여 전력회사(SCE, SDGE, PG&E)와 기관(NREL, EPRI, TUV Rheinland, SunSpec Alliance) 및 관련 회사(SMA, Fronius)들의 관심을 모았다.
현재 CPUC 관리 아래의 스마트 인버터 워크 그룹(SIWG)에 의해서 단계별로 기술적 권장사항과 시험 계획 및 절차가 준비되고 있다.
1단계로 스마트 인버터의 자율 기능에 대한 규정이 2014년 12월에 완료되었고, 2단계인 스마트 인버터의 통신 인터페이스에 대한 기술적 권고 사항에 대한 논의가 진행 중이다. 3단계의 스마트 인버터 상호 작동 기능에 대한 내용은 유동적이며 그 필요성과 요구사항에 대하여 조사하고 있다.
국제 스마트그리드 협의체(ISGAN)의 워크 프로그램 중 하나인 스마트그리드 국제 연구기관 네트워크(SIRFN, Smart Grid Research Facility Network)에서는 국제 공동 연구를 통해서 스마트그리드 관련 기기들의 시험과 평가에 대한 역량을 강화하고 있다.
현재의 Sandia National Lab, DERLab, EPRI, NREL, UL, EPRI, IEC, IEEE 그리고 NIST 등이 분산자원의 통합을 위한 태양광 발전 인버터의 시험에 대한 연구를 수행하고 있으며 새로운 표준에 적합한 하드웨어/소프트웨어 시험 절차를 정의할 예정이다.
특히 스마트 인버터의 시험과 관련하여 Sandia National Lab과 SunSpec Alliance를 중심으로 스마트 인버터의 상호 운용성 검증 플랫폼을 개발 중이다. 또한 스마트 인버터 시험을 위한 기본 플랫폼을 완성하여 기본 기능인 원격 투입/차단 기능, 전압-무효전력 제어 기능 등 초기 단계의 시험을 진행 중이며, 확장된 기능에 대한 시험 절차와 기준을 가까운 시일 내에 완료할 예정이다.
미국 표준 기술 연구소(NIST)의 최근 확정된 스마트그리드 프레임워크 및 로드맵 3.0에서 스마트 그리드의 상호 운용성을 지원하는 새로운 표준들을 추가했다. 이 목록은 2.0 프레임워크에 없는 7개의 표준을 더하여 74개 표준과 프로토콜을 포함한다.
시험 및 인증이 산업계가 스마트그리드를 위한 중요한 기본 사항임에 인식을 같이하고, 합의에 도달함에 따라서 3.0 프레임워크에서는 이 항목에 대한 더 깊은 논의를 포함하고 있다.

Ⅲ. 결론

신재생 에너지 분산전원의 계통 투입 비율이 높아짐에 따라서 스마트 분산전원의 스마트 인버터 기능이 전력계통 안정도와 신뢰도 그리고 운용 효율을 상당 부분 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.
미래의 신재생 에너지 분산전원의 보급 확대를 위해서는 스마트 인버터 기능과 정보 통신 기술이 필수적이며, 차세대 전력망을 구성하는 신재생 분산전원들의 기반 기술이 될 것이다. 현재 국제적으로 스마트 인버터의 상호 운용성과 성능을 시험할 수 있는 시험 플랫폼이 각국의 연구 기관과 인버터 공급사에서 개발되고 있는 상황으로, 각 기관 사이의 국제 공동연구를 통해서 개발 내용과 시험 결과를 공유함으로써 국제적인 공감대를 형성하고 있다.
국내의 경우 기존 분산전원의 기능 구현과 성능 향상에 대한 내용을 위주로 연구가 진행되고 있으며 차세대 스마트 분산전원에 대한 연구는 검토 단계에 있다.
국제 연구 추세에 우리나라도 적극적으로 동참하여 신재생 분산전원 관련 산업을 국제적으로 선도할 수 있기를 기대한다.

나노코리아 2015, 세계 나노기술의 현재와 미래를 엿보다
미래산업 선도할 첨단 나노기술이 한 자리에…

<편집자 주>
국내 유일의 나노기술 대표 전시회인 나노코리아 2015가 지난 7월 1일(수)부터 3일(금)까지 서울 COEX A, B홀에서 최대 규모로 개최됐다. 이번 나노코리아 2015에서는 최신 나노기술의 트렌드를 한눈에 확인할 수 있는 자리가 마련됐을 뿐만 아니라 나노기술의 경쟁력을 강화할 수 있는 기회를 제공했다.

취재 이예지 기자(press5@engnews.co.kr)

나노코리아 2015, 신시장 개척하는 협력의 장으로 거듭나다
첨단기술 비즈니스 전문전시회이자 세계 2위 규모의 나노기술 전문전시회인 나노코리아 2015가 지난 7월 1일(수)부터 3일(금)까지 서울 COEX A, B홀에서 최대 규모로 개최됐다.
산업통상자원부와 미래창조과학부의 공동주최로 2003년부터 개최되고 있는 나노코리아는 기존 제품 및 공정을 업그레이드하거나 신시장 분야를 개척할 수 있는 교류와 협력의 장으로 발돋움하고 있을 뿐만 아니라 신기술, 신제품을 선보이면서 기존 주력산업과의 다양한 비즈니스의 기회 또한 제공하고 있다.

참관객 이목 사로잡은 세계 나노기술의 향연
이번 나노코리아 2015에서는 나노기술을 기반으로 Micro/MEMS, 첨단세라믹, 레이저, 3D프린팅 기술과 함께 바이오닉스 기술 전시회가 추가되어 총 6개 분야의 전시회가 동시에 개최되어 산업기술 간 교류와 협력을 위한 기회를 확대했다.
먼저 나노소재분야에서는 전기적·화학적 성질이 우수한 CNT 및 그래핀 응용제품을 중심으로 리튬이온 이차전지용 SiO, 터치패널 ITO 대체 나노와이어, 천연항균 적용 보호필름, 반도체·전자산업용 첨단세라믹스 등 최신 개발된 나노소재/소자/시스템 등이 출품됐다. (주)이영쎄라켐은 이번 전시회에서 반도체, 전자세라믹, 디스플레이, 태양광 산업 등에 사용되는 첨단세라믹 원재료 선보이며 고객의 이목을 사로잡았다.
이와 더불어 쌍용머티리얼(주)는 전기·전자산업을 비롯해 자동차, 화학산업 등 다양한 분야에 적용되는 세라믹을 선보였다. 쌍용머티리얼(주)의 관계자는 “당사의 세라믹은 내마모 특성이 뛰어나고 절연성과 기밀성은 물론, 반응 정확성이 우수해 고온·고압과 같은 악조건 영역이나 정밀한 반응성을 요구하는 각종 인슐레이더, 자동차 센서 등에 적용되고 있다”고 동사의 제품을 설명했다. 또한 그는 “특히 메탈 라이징 세라믹 분야에서 공을 인정받아 정부로부터 ‘세계일류상품’을 수상하기도 했다”고 전했다.
이 밖에 나노코리아 2015에서는 반도체 공정장비, 일반시료의 표면관찰용 외관검사장비, 전자 및 반도체용 레이저 장비, 의료용 레이저장비 등 나노 측정·분석 및 가공·제조 장비 또한 다수 전시됐으며, 소형화·지능화를 위한 Micro/MEMS 기술, 제품의 고부가가치화의 핵심기술인 레이저기술도 엿볼 수 있었다.

다양한 부대행사로 볼거리 ‘풍성’
나노코리아 2015에서는 전시회뿐만 아니라 최신 트렌드 및 연구 성과를 한 눈에 확인할 수 있는 심포지엄도 동시 개최되어 참관객들에게 풍성한 볼거리도 제공했다. 특히 전시회 첫날 개최된 기조강연에서는 현대자동차 권문식 사장이 자동차 속 나노기술에 대해 소개했으며, 이어 중국과학기술원 Chunli Bai 원장이 중국의 나노기술현황과 미래에 대해 발표하면서 나도기술의 정보를 함께 공유할 수 있는 장을 마련하기도 했다.
나노코리아 조직위원회 관계자는 “나노코리아 2015는 나노기술을 기반으로 한 첨단기술의 전시출품분야와 특별관을 더욱 확대해 선보이면서 역대 최대의 규모로 개최된 만큼 많은 참관객이 찾아주셔서 성황리에 개최되었다”며 “앞으로도 나노기업과 국가발전에 보탬이 되는 장으로써 그 역할을 다하기 위해 최선의 노력을 할 것”이라고 전했다.

휴대전화 전자파의 인체영향에 관한 ‘제1차 전자파 안전포럼’ 개최

인간에게 가장 위험한 전자파의 원인을 꼽으라면 거의 스마트폰을 떠올린다. 물론, 방출되는 양은 적은 편이지만, 거의 24시간을 품에 두고 생활하는 스마트폰에서 나오는 전자파의 영향을 무시할 수는 없기 때문이다.
이러한 전자파에 대한 관심이 전자파과민증을 가진 사람들을 중심으로 높아져가고 있는 최근, 일반인들의 궁금증을 해소하고, 전자파에 대한 올바른 이해를 증진시키는 자리가 마련돼 업계의 화제를 모으고 있다.

전자파에 대한 올바른 이해 증진, ‘제1차 전자파 안전포럼’

미래창조과학부 국립전파연구원은 휴대전화 전자파가 인체에 미치는 영향에 대한 일반인의 궁금증을 해소하고 전자파에 대한 올바른 이해를 증진하기 위해 6월 29일 서울과학기술회관에서 ‘제1차 전자파 안전포럼’을 실시했다.
이번 포럼에서는 충북대학교 김남 교수의 발제로 ‘휴대전화 전자파의 인체영향’을 이해하기 쉽게 알아봤으며, 휴대전화를 안전하게 이용할 수 있는 방법도 소개됐다. 또한, 전문가들이 참석자들의 질의에 대해 응답하며 토론하는 시간도 마련돼 전자파에 대한 다양한 궁금증도 해소했다는 평가를 받았다.

2차 포럼, 9월 중으로 계획돼…

제1차 전자파 안전포럼은 관련 업계인들은 물론, 일반인 누구나 참석이 가능해 각계각층에서 다양하게 참여하며, 성황리에 포럼을 마쳤다.
행사 관계자는 “사전에 휴대전화 전자파에 대해 궁금한 사항을 질의하면 포럼 당일에 전문가로부터 답변을 받을 수 있어, 일반인들의 호응도가 높았다”며 “포럼 관련 자세한 내용은 국립전파연구원 ‘생활속 전자파(www.emf.go.kr)’를 통해 확인할 수 있다”고 덧붙였다.
이어 “2차 포럼은 9월 중으로 계획됨에 따라 전자파와 관련된 궁금증 해소 및 올바른 이해를 증진시키는데 이바지 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

미래전파공학연구소 김효진 연구원 02-325-7021   egghj@ifre.re.kr

휴대용 전자기기, 배터리를 사용하는 구동공구 및 전기자동차 등은 배터리를 효과적으로 작동하기 위해 전력 및 에너지 밀도 등의 요구 사항을 만족하여야 하며 이를 위해 배터리 시스템의 열관리에 대한 요구는 지속적으로 증가하고 있다. 특히 온도는 배터리 성능과 수명에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나로 효과적이고, 간단하며 저가의 열 문제를 해결 할 경우 배터리 모듈, 하이브리드 전기자동차(HEV)와의 PHEV의 시장 진입에 큰 도움이 될 것으로 보인다. 특히 대용량의 전력 및 리튬 이온 배터리 팩의 셀 밀도 증가는 과부하에 따른 높은 온도를 발생한다. 배터리의 적정 운전 온도보다 높은 60 ℃ 이상 발열되는 것을 제어할 필요가 있다.
배터리는 열에너지의 저장 손실을 최소화해 에너지 효율을 증가시키고 시스템의 비용 효율성을 개선하며 환경에 미치는 영향을 줄여 에너지 절약에 도움이 되는 잠재력을 가지고 있기 때문에 현재, 배터리 시스템 관련 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 배터리에 대한 다양한 열 관리 시스템의 연구가 진행 중이며 특히 리튬 이온 배터리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 열제어 관련 연구 중 재료의 상 변화 속에 흡수된 열을 저장하는 잠열 저장 재료를 사용하는 것도 열에너지 기술 가운데 가장 효과적인 방법 중 하나이다. 이는 물질의 상변화 나타나는 잠열을 이용해 열의 저장이 가능하기 때문에 고밀도로 에너지를 저장할 수 있고, 일정한 온도에서의 축·방열이 가능하다. 또한 상변화 물질(PCM)을 이용한 배터리 열 관리는 작동 온도 영역에서 열 발생의 완충제와 같은 역할이 가능함으로 배터리의 수명 감소의 원인인 높은 온도 발생을 예방할 수 있어 PCM 관련 기술은 기존 자동차 배터리 열 관리 기술을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본지에서는 화학소재정보은행에서 공개한 PCM을 이용한 자동차 배터리 열관리 기술 개발에 대해 소개해보고자 한다.

자료. 자동차부품연구원 오미혜, 윤여성 연구원

1. Phase Change Material(PCM) 개요

PCM(Phase Change Material)이란 어느 일정 온도에서 고체와 액체의 상이 바뀌는 것과 같이 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 일정의 물리학적 과정을 이용하여 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 상변화 과정으로 많은 양의 열에너지를 축적하거나 방출하는 물질이다. 즉 특정 온도에서 온도의 변화 없이 고체에서 액체, 액체에서 기체로, 또는 그 반대 방향으로 상이 변하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 잠열재, 축열재 또는 열 조절 기능을 하는 물질을 의미한다. 물질이 상태변화를 할 때 출입하는 열(예 : 수증기의 응결열, 증발열, 용해열)은 상태변화(고체 → 액체, 액체 → 기체)가 일어나는 동안 가열하여도 온도가 변하지 않으며, 그 대신에 이것은 상태가 완전히 변화될 때까지 일정하게 머문다. 이렇게 상태가 변하는 동안 물질에 가해진 모든 열을 잠열 또는 숨겨진 열이라고 한다. 온도, 열이 변화하는 대신에 물질의 상태가 달라지며 물질을 가열하지 않고 차게 해도 비슷한 현상이 일어난다.
일반적으로 PCM은 파라핀과 같이 고온에서는 액체가 되었다가 저온에서는 고체가 되어, 상이 변할 때마다 열기를 저장했다가 방출한다. 따라서 체온이나 외부 기온이 상승하면 과잉 열기가 PCM에 저장되었다가, 체온이나 기온이 다시 하강하면 PCM에 저장된 에너지가 방출되면서 일정한 온도 범위에서 벗어나지 않게 된다. PCM의 상 변화 온도와 시간은 미리 설정되기 때문에 원하는 온도 환경을 조성할 수 있다. 따라서 계절에 따라 상대적으로 시원하게 또는 따뜻하게 해줄 수 있으며, 사용되는 부위와 용도에 맞게 다양하게 만들어진다.
즉 PCM은 자체적으로 주위의 열을 저장하였다가 필요할 때 방출하는 온도 조절 기능 물질이다. 결정질 고체는 일정 온도에 도달하면 녹기 시작하고 고체가 전부 녹을 때까지는 온도가 그 이상 올라가지 않게 된다. 이것은 고체를 가열하면 어느 온도 점에서 분자의 열 운동 에너지가 분자간의 결합에너지를 웃돌고 고체 내의 규칙적인 분자 배열이 무너지기 때문이다. 이러한 물질의 특성을 이용하는 상전이 물질(PCM)은 외부 온도 변화에 따른 상 변화에 따라 흡열과 방열을 반복적으로 나타내는 물질로, 잠열을 저장하는 것은 일반적으로 물질 보다 50∼100배 이상 높은 저장 밀도를 가지고 있으며, 상변화 물질은 폐열의 온도보다 약간 높은 온도에서 열에너지를 생성할 수 있기 때문에 온도 저하와 열 회수에 용이하다. 또한 상변화 물질의 용융 및 응고 과정을 오랫동안 반복할 수 있기 때문에 건축, 우주 항공 분야 등에서 열 전달 매체나 열 조절 시스템에 응용되어 왔다. 즉 잠열을 흡수 또는 방출하는 높은 열 저장 능력을 지닌 물질로써 사용 분야 및 목적에 적합하게 변환 가능하므로 에너지를 효율적이고 합리적으로 이용할 수 있는 물질이다.

PCM은 다양한 형태의 미활용/폐에너지를 상변화 물질의 잠열을 이용해 고농도로 저장하여 사용 분야, 시기 및 목적에 적합하게 변환하여 이용한다. 응용 분야는 자동차·우주 항공, 첨단무기, 전자·계측·통신기기(TEM)의 Heat Sink, 핵융합로 냉각, 생물·생화학 물질의 보관·운반 및 물리치료 의학기기 등의 첨단산업 분야와 태양열을 이용한 열에너지 변환, 축적, 이용 등의 자연에너지 이용 분야, Heat Pump, Heat Pipe, Heat Recovery 시스템과 연계한 에너지 분야, 심야 전력을 이용한 축열(보일러, 온수기, 온풍기 등), 축냉(빙축열 냉방, 저온 PCM 축냉식 냉장 및 냉동 등) 및 각종 산업분야에서의 Cooling, Heating Process 등의 에너지 이용 분야, 레저용 선박, 수산업, 주방용품, 특수 의복 등의 생활산업 분야 및 농/수/축산물의 생산/저장/유통 등의 식량산업 분야 등 다방면에서 적용되고 있다.
현재 PCM을 이용한 기술은 미국과 유럽 등 선진국에서 개발 활용하고 있으며 이들이 시장의 대부분을 점유하고 있다. 국내에는 에너지 관련 기관 및 연구단체에서 기술을 연구 중이고 일부 중소기업에서 상품을 상용화하여 시장 진출을 모색하고 있는 형편이다.

(1) 상변화 물질의 조건

PCM을 활용하기 위해 고려해야 할 사항을 살펴보면, 열역학적 성질로는 작동하고자하는 요구 운전 온도 범위 내의 녹는점을 보유해야 하고, 단위체적당 높은 융해 잠열을 보유하고 있어야 하며, 주어진 양의 에너지 저장 요구 체적을 줄일 수 있어야 한다. 또한 축열 성능을 확보하기 위해 높은 비열이 필요하며, 고체상태 및 액체상태에서의 높은 열전도도를 확보함으로써 축열 시스템에서 에너지 흡수 및 방출이 가능해야 한다. 그리고 상변화 시 체적 변화가 작아야 하며 운전 온도에서 발생할 수 있는 증기압 발생, 저장성 등이 작아야 한다.
액체상태의 초과 냉각을 피하기 위해서는 높은 핵 형성 비율을 함유해야 하고, 결정 성장이 높아야 하며, 축열 시스템으로부터 열 재생에 대한 요구가 만족해야 하는 동역학적 특성을 갖추어야 한다.
가역적인 응결/융해 사이클을 보유해야 하며, 반복적인 응결과 융해 사이클 후에도 품질의 저하가 발행 하지 않아야 한다. 또한 건축, 자동차, 우주 항공 등 외부 노출에 대한 비부식성 물질이어야 하며, 인체에 무해해야 하고, 폭발성이나 인화성에 안정성을 확보해야 하는 화학적 성질도 함께 검토되어야 한다.

(2) 상변화 물질의 종류 및 특징

상변화 물질의 종류는 크게 3가지 형태로 유기계 상변화 물질(Organic PCM), 무기계 상변화 물질(Inorganic PCM), 공융 혼합물 상변화 물질(Eutectics PCM)로 나뉠 수 있으며 유기계 상변화 물질은 파라핀계(Paraffin)와 비파라핀계(Fatty Acids), 무기계 상변화 물질은 Salt Hydrate, Metallics, 공융 혼합물 상변화 물질은 Organic-Organic, Inorganic-Organic, Inorganic-Inorganic로 구별한다.

- 유기계 상변화 물질
유기계 상변화 물질은 대체로 밀도가 낮고 잠열량이 낮으며(20~32℃ 융해점 및 융해잠열), 무기계 상변화 물질에 비하여 부식성이 작고 부피 팽창이 작은 특징이 있다.

- 무기계 상변화 물질
무기계 상변화 물질은 수화물 계통의 물질이 대부분이며 단위 체적당 높은 잠열을 나타내고 있다(통상적으로 20~32℃ 범위). 유기계 상변화 물질에 비해 가격면에서 저렴하며 비인화성이나 부식이나 과냉각으로 인해 상변화 성질에 영향을 받을 수 있다.

- 공융 혼합물 상변화 물질
공융 혼합물은 최저 온도에서 융해하는 둘 이상의 성분의 혼합물로써 무기-무기, 무기-유기, 유기-유기 성분들로 구성되어 있다.
각 성분은 유사하게 융해 및 응결되며 결정화 시 혼합물의 구성이 결정을 형성하며, 일반적으로 건설에 많이 사용되고, 잠열 축열에 있어 접근이 용이할 뿐 아니라 가격이 저렴한 특징이 있다.

(3) 상변화 물질의 기술

현재 일반적인 PCM 제조 기술은 PCM을 미세한 입자로 만들어 직접 운반 유체 속에 분산시켜 이용하거나, 어떤 물질을 보호하고 방출 속도를 제어하기 위해 고분자 물질로 캡슐화 하는 기술을 기본 개념으로 하고 있으며 직경이 수~수십μm 크기를 가진 초미세 입자로 존재하며 상변화 물질을 특정 공간에서 유지 시키는 Microcapsule화이다.
마이크로캡슐은 연속적인 고분자 코팅으로 이루어진 피막 안에 활성을 지닌 기능성 물질을 함유하는 미세한 입자로, 계면중합이나 In-situ 중합, 상 분리에 의한 Coacervation Method, 스프레이 드라이법(Spray Dry Method) 방법 등에 의해 제조된다.
PCM 마이크로캡슐을 섬유 조직 내에 적용해 섬유의 열적 성능을 증진시키는 기술은 1980년대 초 미항공우주국에 의해 개발되기 시작해, 현재 미국에서는 Outlast와 ComforTemp 라는 상표명으로 장갑이나 자켓 등의 제품이 생산되고 있다.
마이크로캡슐화 방법은 직물에 부착된 마이크로캡슐이 상전이로 인해 축열방열성을 나타내기는 했지만 마이크로캡슐의 열내구성이 떨어진다는 문제가 있다. 그러므로 상전이 물질을 여러 분야에 적용하기 위해서는 PCM의 상전이가 일어나며 내구성이 있고 직물의 물리적 특성 저하를 최소화할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

PCM은 여러 가지 장점 때문에 업계에서는 에너지 절감하는 부품으로 적용 사례가 늘어나고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 상변화 물질(PCM)을 열에너지 저장물질로 이용할 때 상변화 온도 부근에서 상변화를 나타내는 물질만 이용이 가능하며 낮은 전도성으로 인해 열전이 속도의 저하가 일어나는 등의 문제점을 나타낸다고 알려져 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로 상변화 물질에 다양한 열전도성 첨가제를 첨가해 열전도도를 높이는 방법과 각 상변이 온도 영역에서 안정적으로 사용이 가능한 물질에 관한 연구가 진행되고 있으며, 해결 방법으로 열전도성이 높은 물질을 첨가제로 사용해 방열효과를 높이는 방법들이 연구하고 있다.
첨가제로는 Expanded graphite(EG), Nickel, Carbon Nanotube(CNT), Expanded Perlite(EP), Diatomearth(DE), Gamma-alumina(GA), Carbon Fiber(CF), Active Carbon(AC), Graphene Oxide(GO) 등이 있다. 그 중 Expanded Graphite(팽창 흑연)는 다공성 구조를 나타내 다양한 원자, 분자 그리고 이온 등이 흑연의 층간에 삽입될 수 있어 층상 화합물을 생성하며 빠른 열처리에 의해 쉽게 제조할 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.

2. PCM을 이용한 자동차용 Li-Ion 배터리 열관리

하이브리드 자동차(PHEVs)에서 배터리팩은 연료 절감을 위한 중요한 성분이다. 배터리는 차량 중 가장 비싼 부품의 하나이며 배터리 성능은 차량의 수명과 직결되기 때문에 차량 성능과 연비를 최고조로 유지할 수 있도록 배터리에 영향을 미치는 요소를 최소화해야 한다.
배터리 성능과 수명에 영향을 미치는 가장 중요한 요인 중 하나는 온도이다. 만일 고온에서 전지를 조작할 경우 부작용을 가져올 수 있으며, 일부 배터리는 고온에서 높은 발열로 인해 Thermal Runaway가 발생하게 된다. 이는 잠재적으로 화재나 폭발로 이어지기 때문에 고온 조건에서의 손상을 방지하기 위한 열 제어 관리 시스템이 필요하다.

Thermal Runaway 발생 과정은 ① Heating Starts ② Protective Layer Breaks Down ③ Electrolyte Breaks Down Into Flammable Gases ④ Separator Melts, Possibly Causing a Short Circuit ⑤ Cathode Breaks Down, Generating Oxygen 순으로 발생하며 열 제어는 전지 구성 부품 전체를 고려해야 한다.

고온 조건에서의 배터리 손상을 방지하기 위해 차량용 배터리 시스템은 일반적으로 공기 또는 액체 냉각의 형태로 대류를 이용한 방법 등 다양한 방법들을 사용하고 있으며 최근 배터리 모듈자체에서부터 열을 제어하려는 연구가 진행되고 있다.

열 제어 시스템의 설계를 복잡하게 하고 비용을 높여 온도를 제어할 수도 있으나 간단하면서 저가의 열관리 방법인 배터리팩과 하이브리드 PHEVs 등으로 관리 비용을 절감시킨다면 시장 진입을 가속화 시킬 수 있을 것이다.

(1) Li-Ion Battery의 Thermal Degradation Mechanisms

리튬 이온 전지 또는 단일 셀은 고분자 막에 의해 분리 된 2개의 전극 양극 및 음극으로 구성 되어 있고 전극 사이의 전해질은 고체, 액체 또는 폴리머로 구성되어 있으며 열화는 전해질/전극 계면에서의 상호작용에 의해 발생한다.

(2) PCM을 이용한 Li-Ion Battery의 Thermal Management

상변화 물질을 사용한 리튬 이온 배터리의 온도 제어는 기존 시스템에서 냉각 시스템의 일부를 제거하고 사용 가능한 전력을 향상시키는 역할을 한다. PCM을 이용한 열 제어는 배터리팩의 온도 관리를 최적으로 유지할 수 있으며, 또한 Battery와 PCM을 일체화할 수 있는 장점이 있다. 이는 PCM이 지니고 있는 높은 잠열로 배터리에서 발생하는 다량의 열을 제거할 수 있는 것으로 배터리의 방전 시 발생된 열을 전지 모듈의 셀 사이에 일체화되어 있는 PCM에 의해 흡수되게 하는 것이다. 즉 PCM 자체가 전지에 의해 발생한 열을 흡수하는 히트 싱크 역할을 하는 것이다.

모듈의 온도가 PCM의 융점을 넘어서면 PCM은 용융을 시작하면서 높은 잠열로 열을 제어하기 때문에 매니폴드, 팬, 펌프 등 기존 냉각 시스템의 필요성이 낮아지게 된다.

Li-Ion Battery에 사용되는 PCM은 기존의 소재보다 열 제거 속도 및 더 높은 열전도율을 갖는 흑연에 PCM을 함침시켜 제조함으로써 열 제어 능력을 향상시킬 수 있다.

3. 결론

PCM은 전지의 열 응력을 감소하고 반면 방전 시간 증가의 효과를 나타내고 있다.
PCM을 이용한 열 관리는 PCM이 없는 동등한 모듈에 비해 리튬 이온 전지 모듈의 사이클 수명을 향상시킨다.
PHEV 리튬 이온 배터리 시스템은 납 축전지에서 차지하는 부피 및 충전 시간을 대폭 단축시켜주며, 공냉 시스템에 PCM을 결합해 고출력의 전지를 갖는 전지 시스템에서 더 유용하다.
PCM은 차량 용도에서 일부 최고 온도를 제한하는 장점을 제공하지만, 전체적인 전지의 열 관리 솔루션은 아직 대류 냉각에 의존하고 있으며, 높은 온도 상승을 막기 위해 배터리 출력을 제한해야 한다는 문제점이 있다. 상변화 물질을 이용한 리튬 이온 배터리 팩의 온도 제어는 최적 온도를 유지할 수 있으며 배터리 운전시 발생하는 높은 열을 제거함으로써 추가적인 냉각 시스템없이도 일정한 전력 공급을 유지시킬 것으로 기대된다.

에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)이란 전기 수요가 적을 때 생산된 전력을 전력계통에 저장했다가 전기 수요가 높을 때 저장된 전기를 공급해 주는 시스템이다. 에너지저장시스템의 저장방식은 물리적 저장방식(양수발전, 공기 압축식 전력저장(CAES))과 화학적 저장방식(리튬이온 Battery, NaS, VRB)으로 구분된다.
에너지저장시스템은 전력품질의 개선에서부터 에너지 관리에 이르기까지 다양한 용도를 제공하고 있다. 첫째, 부하관리 등을 목적으로 하는 DR 애플리케이션, 둘째, 전력 품질과 효율 향상을 제공하는 계통운영보조서비스 애플리케이션, 셋째, 신재생에너지 시스템통합에 필요한 신재생 애플리케이션, 그리고 분산형 전력저장 애플리케이션 등이 있다.
한편, 에너지저장시스템의 활성화를 위해서는 전기사업법상 에너지저장시설에 대한 정의 및 관련 규정이 필요하다. 즉, 현재는 에너지저장시스템에 저장된 전력이 공급 측 자원(발전자원)인지 수요 측 자원인지에 대한 정의가 없으나, 향후 에너지저장시스템에 자원의 개념을 도입할 경우 전력시장의 범위가 확대되고 관련시장이 활성화될 것으로 전망하고 있다. 에너지저장시스템도 규모의 경제가 적용되기 때문에 규모의 경쟁력을 확보한 기업이 세계시장을 주도하게 될 것이므로 에너지저장시스템에 대한 정부의 산업정책적 지원이 필요한 시점으로 판단된다.

자료. 산업경제연구실 고동수 선임연구위원

1. 개요

(1) 전기의 특성

전기는 다른 에너지원과 달리 저장이 어렵기 때문에 전기가 생산됨과 동시에 소비돼야 하는 특성을 지니고 있다. 따라서 발전사업자들은 예상 수요에 상당하는 양만큼의 전기를 생산해야 하는데 전기소비자들의 사용량은 항상 일정한 것이 아니라 시간대별, 요일별, 계절별로 변동하므로 전력 수요와 공급량을 일치시키는 것이 중요한 과제이다.
만약 전력 수요와 공급량 간에 괴리가 발생하게 되면 전력공급이 불균형해지고 전력의 품질(전압과 주파수)에 악영향을 미칠 뿐 아니라, 더 나아가서 정전(Black Out) 사태를 맞게 될  수도 있다. 따라서 발전사업자가 전력을 다양한 수요 변동에 차질없이 공급하기 위해서는 상시 공급체계를 갖춰야 하는데 이럴 경우 상당한 비용의 발생과 저효율이 문제가 된다.
우리나라의 경우 상시 공급체계를 운영하기 위해 원자력발전은 항상 가동하고 있으며, 화력 및 수력발전도 일정 수준의 가동률을 유지하고 있다. 이처럼 발전회사는 만일의 사태에 대비해 최소한의 전력예비율을 확보하는 등 수급안정에 최선을 다하고 있지만 원자력발전소 고장처럼 발전기에 문제가 발생하거나 혹은 이상 고온에 따라 전력수요가 급증하게 되면 수급균형이 깨지면서 정전사태가 발생할 수도 있는 것이다.

(2) 스마트그리드와 전기의 저장

100여 년 전인 20세기 초반에 설계되고 개발되어온 현재의 전력시스템은 21세기 들어 우리가 직면하고 있는 새로운 환경에 더 이상 적합하지 않다는 의견이 지배적이다. 100여 년 전에는 에너지 가격이 매우 저렴해 에너지 효율성이 고려되지 않았던 반면에, 21세기에 들어서는 기후 변화에 따른 지구온난화 방지를 위해 온실가스를 감축해야 하는 글로벌 과제에서부터 우리 같이 자원이 부족한 국가 입장의 에너지자원 가격 상승에 대한 대처 방안, 에너지 과소비 억제 문제, 한국전력의 누적된 적자 문제, 전력의 안정적 공급 등 해결해야 할 일이 산적해 있는 실정이다.
또한 생산된 전기를 멀리 떨어져 있는 소비자에게 연결시켜주는 전력계통은 발전(Generation), 송전(Transmission), 배전(Distribution)의 단계로 구성돼 있어 전력공급선이 중요한 역할을 하는데 전력계통의 대부분의 사고는 이러한 전력 공급계통에서 발생하고 있다. 이처럼 전력산업이 직면하고 있는 누적된 문제와 중앙집중식 전력계통상의 문제 해결을 위해 전 세계 국가들은 현재의 전력망을 스마트그리드(Smart Grid)로 변환시키는 것이 바람직하다는 데 의견일치를 보고 있다. 에너지저장시스템(ESS) 역시 이러한 상황에서 분산전원의 특성을 통한 스마트그리드를 가능하게 하는 기술로 주목받고 있다.
한마디로 배터리 기술의 발달은 ‘전기는 저장이 불가능하다’라는 통념을 깨고 저장된 전기를 일반 상품처럼 자유롭게 사고 팔 수 있도록 하는 등 전력산업에서의 획기적인 전환을 예고하고 있는 것이다.

2. 에너지저장시스템(ESS)의 개념 및 기술

(1) ESS의 개념

에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)이란 전기 수요가 적을 때 생산된 전력을 전력계통(Grid)에 저장했다가 전기 수요가 높을 때 저장된 전기를 공급해주는 시스템이다.
에너지저장시스템은 5가지 요소 ⅰ) PCS(Power Conditioning System) ⅱ) PMS(Power Management System) ⅲ) Battery ⅳ) BMS(Battery Management System) ⅴ) 변압기, 차단기, 케이블 및 계전기류 등으로 구성돼 있다.

(2) ESS의 기술

에너지저장기술이란 화학(Chemical), 동역학(Kinetic), 위치(Potential) 에너지 같은 여러 에너지 형태를 활용해 전기로 변환시킬 에너지를 저장하는 기술이다. 에너지저장시스템의 저장방식은 크게 물리적 저장방식과 화학적 저장방식으로 구분된다.
물리적 에너지저장방식에는 양수발전, 공기 압축식 전력저장(CAES: Compressed Air Energy Storage), Flywheel 등이 있는데 고출력 에너지를 신속하게 저장할 수 있는 반면에 초기 시설투자가 많이 소요된다. 화학적 에너지저장방식에는 리튬이온(Li-ion) 배터리, 나트륨 유황전지(NaS), VRB(Vanadium Redox Battery) 등이 있다.

3. 에너지저장시스템의 수요

에너지저장시스템은 전력품질의 개선에서부터 에너지관리에 이르기까지 그 사용하는 목적과 용도에 따라서 다양한 애플리케이션을 제공하고 있다. 첫째, 부하관리 등 전력공급을 주된 목적으로 하는 DR 애플리케이션, 둘째, 전력품질과 효율 향상을 제공하는 계통운영보조서비스 애플리케이션, 셋째, 신재생에너지 시스템을 통합하는 데 필요한 신재생 애플리케이션, 마지막으로 분산형 전력저장 애플리케이션이 있다.

(1) DR 애플리케이션(Utility 부하관리를 위한 애플리케이션)

전력산업의 중요한 관심사는 계통의 피크부하를 어떻게 관리하느냐인데, DR 애플리케이션은 경부하 시에 유휴전력을 저장하고 과부하 시 저장된 전력을 사용함으로써 부하관리(부하평준화: Peak Shaving/load Shifting/load Leveling)를 가능하게 한다.
에너지저장시스템을 계통과 결합할 경우 시스템의 용량 증가(Increased System Capacity), 송전예비력(Transmission Reservation) 확보, 전력차익거래(Energy Arbitrage) 등의 효용가치를 창출하게 된다.
즉 에너지저장기술은 전력의 수급균형과 가격경쟁력 및 에너지효율을 높이는 기술로서 전력예비력을 확보하여 전력피크 및 대규모 정전 사고 등에 효과적으로 대응할 수 있도록 한다.

(2) 계통운영 보조서비스(Ancillary Service) 애플리케이션

계통운영 보조서비스 애플리케이션이란 전력계통의 신뢰성 및 전력품질 유지를 위하여 수분 이하의 수요공급 편차 발생에 따른 전력에너지의 공급량 조절을 통해 전력계통의 주파수를 일정하게 유지하는 기능을 말하며, 주파수조정 서비스, 예비력 서비스, 전압조정 서비스 등을 포함한다. 향후에는 대부분의 전력저장시스템이 계통운영 보조서비스를 제공하는 데 있어서 핵심역할을 하게 될 것으로 전망하고 있다.

① 주파수조정서비스(Frequency Regulation)
전력수급에 불균형이 발생하면 주파수가 변동하게 되어 전력품질을 유지시키지 못하는 문제가 발생하며, 이러한 주파수 변동은 전력계통 전체적으로 나타나게 된다. 따라서 주파수 저하를 방지하기 위해서는 주파수 변동에 자동적으로 대응하여 발전기 출력을 가변시키는 주파수 추종(Governor Free) 운전과 중앙전력관제센터에 설치된 EMS에서 원격으로 발전기 출력을 조정하는 자동발전제어(Automatic Generation Control) 운전이 필요하다.

② 예비력서비스(Operation Reserve)
예비력서비스란 전력수급상의 불균형을 해소하기 위해 전력을 확보하는 서비스이며, 10분 이내에 활용이 가능한 운전 중 발전력(대기 예비력)과 120분 이내에 활용이 가능한 정지 중 발전력(대체 예비력)으로 구분된다. 이는 계통운영 보조서비스를 통해 예비력을 확보해 전력수급 균형을 이루게 하는 기능과 전력설비의 고장 또는 발전소 정전 등과 같은 시스템 우발사태에 대해 신속한 대응을 할 수 있다는 장점이 있다.

③ 전압조정서비스(Voltage Regulation)
전압조정은 무효전력(Reactive Power) 공급과 밀접한 관계가 있으며 국부적으로 발생한다. 무효전력은 장거리 송전이 불가능하며 무효전력의 소비가 이뤄지는 지점에서 무효전력을 공급해야 계통의 기준 전압을 유지하게 된다.

(3) 신재생에너지 출력 안정을 위한 애플리케이션

태양광이나 풍력발전은 출력의 가변성(Variability)이 높아 전력계통과의 통합에 상당히 어려움이 있다. 에너지저장시스템은 태양광이나 풍력과 같은 신재생에너지를 계통과 통합해(System Integration) 출력을 안정시키는 등 전력운영의 최적화를 가능하게 한다.

(4) 분산형 전력저장 애플리케이션

우리나라 전력계통(특히 송배전)상의 애로사항 중의 하나는 대형 발전소를 신축한다 하더라도 송전철탑을 세우기가 어렵다는 것이며, 이러한 문제를 해결하기 위해서라도 분산형 전력저장시설을 적극 추진할 필요성이 제기되고 있다.
분산형 전력저장시설의 종류로는 전력가격의 편차를 이용해 전력을 저장·사용하는 계통 연계형과 상용 전기가 없는 곳에 신재생에너지를 저장해 필요시에 사용하는 독립형으로 구분할 수 있다.

4. ESS 활성화를 위한 정책적 시사점

(1) 에너지저장시스템에 대한 법적 개념 정립 및 규정 마련

에너지저장시스템의 구축 및 시장 활성화를 위해서는 전기사업법상 에너지저장시설에 대한 정의 및 관련 규정의 제정이 필요하다. 현재는 에너지저장시스템에 저장된 전력이 공급 측 자원(발전자원)인지 수요 측 자원인지에 대한 정의가 없는 상황이다.
정의에는 미국의 전력계통운영자(ISO)들이 규정하고 있는 것처럼, 에너지저장시스템이 물리적으로 전력을 발전하는 발전시설은 아니지만 자원(Resource)의 역할을 수행할 수 있는 기능을 지니고 있다는 사실을 반영할 필요가 있다. 이처럼 에너지저장시스템에 자원의 개념을 도입할 경우 현행 전력시장의 범위가 확대되고 관련시장이 활성화될 것으로 전망하고 있다.

(2) 에너지저장시스템 시장 활성화를 위한 제도 마련

① 산업정책적 지원이 필요한 시기
일본은 2차전지 분야에서 기반이 넓고 다양한 기술을 체계적으로 연구하고 있어 종사하는 기업도 많고 전지 종류도 많지만, 한국은 일본과 달리 선택과 집중에 따라 소수의 기업이 리튬이온 배터리에 집중하고 있는 상황이다. 또한 현재 일본은 규모의 경제 측면에서 우리 기업을 압도하려는 전략을 추진하고 있다. 메모리반도체와 마찬가지로 에너지저장시스템도 규모의 경제가 적용돼, 규모의 경쟁력을 확보한 기업이 세계시장을 주도하게 될 가능성이 높기 때문이다. 현재 일본 정부는 후쿠시마 원전 사태를 계기로 2차전지 산업을 전폭적으로 지원하고 있는 등 에너지저장시스템의 보급을 가속화하고 있다. 따라서 현재는 에너지저장시스템에 대한 정부의 산업정책적 지원이 필요한 시점으로 판단된다.

② 공공부문에 대한 의무화 방안
ESS 시장의 성장성은 확인되고 있지만 다른 에너지시설과 비교할 때 설치비의 과다 등 경제성에 문제가 있으므로 초기 시장 형성을 위해서는 정부의 노력이 필요하다. 민간 부문에서 ESS를 자발적으로 설치하기를 기다리거나 혹은 설치를 요구하기보다는, 정부부처 및 공기업 건물 등 공공부문에서부터 구축하는 방안을 적극 검토할 필요가 있다.

③ 인센티브 정책
에너지저장시스템 관련 기술개발 및 보급을 활성화하기 위해서는 에너지저장시스템을 설치하는 수요자에게 인센티브를 제공하는 정책이 필요하다.
ESS에 저장된 전력은 전력수급 불균형 시 전력수급 자원으로 활용될 수 있는 등 전력수급에 중요한 역할을 수행할 수 있기 때문에 그에 상응하는 보상을 받는 인센티브 정책이 요구된다. 대기업에 비해 자금 사정이 어려운 중소기업에 더 많은 인센티브를 제공하는 인센티브의 차등화 정책도 검토할 필요가 있다.
에너지저장시스템 관련 인센티브 정책의 좋은 사례로는 미국 캘리포니아주에서 시행하고 있는 소비자용 ESS 지원프로그램인 SGIP(Self Generation Incentive Program)가 있는데, 이를 벤치마킹해 최대 부하 감축을 위한 인센티브를 제공하는 방안을 고려하는 것도 좋다. 예를 들어, 일정한 기술 수준을 만족하면서 풍력 및 연료 셀(Cell) 기술에 연결되는 에너지저장시스템에 지원을 하거나, 또한 풍력과 연료 셀이 아닌 다른 기술 중에서도 에너지저장시스템과 연결될 수 있는 분야에 대한 지원 등을 고려할 수 있다.

국내뿐만 아니라 해외에서도 LED에 대한 관심이 높아지고 다양한 분야에서의 활용 방안들이 선보이는 LED와 OLED기술의 모든 것을 집약적으로 살펴볼 수 있는 국내 최대 규모 LED전문 무역 전시회인 ‘국제 LED & OLED EXPO 2015’가 6월 23일부터 4일간 일산 킨텍스에서 13회째 개최됐다.
올해는 해외 업체의 참가가 두드러진 양상이며 금호전기, 필룩스, 유양디앤유, 쏠라사이언스, 알에프세미, 에버라이트, 파나소닉, 웰라이텍, 광전자정밀, 창조코퍼레이션, 에버파인, HZO, BJB, CITEL, 재진가로등, 와이에스솔루션, 옵토레즈, 티제이엘, 넥스트아이, 카스 등 국내외 LED 선두기업을 포함해 약 250여개 업체가 참여해 자사의 최신기술 및 제품을 선보였다.

신기술을 이용한 제품이 다수 출품된 ‘국제 LED & OLED EXPO 2015’

LED와 OLED 기술의 모든 것을 집약적으로 볼 수 있는 국내 최대 규모 LED 전문 무역전시회인 국제 LED & OLED EXPO 2015가 6월 23일부터 26일까지 경기도 고양시 일산 킨텍스 1전시장 3, 4홀에서 열렸다.
금년이 13회째인 동 행사는 국내 최대 규모 LED·OLED 전시회로 국내외 15개국 240여개의 기업이 LED칩, LED·OLED 조명, 장비 및 부품 등 제품을 출품 전시했으며, 특히, 올해는 최근 차세대 조명으로 주목받고 있는 OLED 조명 양산형 제품과 지향성 LED 투광등 등 신기술을 이용한 제품이 다수 출품돼 국내외 1만 7천여 명의 참관객의 많은 관심을 유도했다는 평이다.
전시 규모는 금호전기, 필룩스, 유양디앤유, 알에프세미, 넥스트아이, 티제이엘, 옵토레즈, 에스솔루션 등 국내·외 LED 선두기업을 포함한 250여개 기업, 800여개 부스로 운영됐으며, 전시 품목은 ▲LED ▲원자재(Raw Materials) ▲LED 조명제품(LED Lighting Products) ▲LED 공급·전원장치(LED Drivers&Power Supply) ▲LED 제조장치(LED Manufacturing Equipments) 등이 출품됐다.

중소·중견기업의 해외 판로 개척 지원 및 최신기술 동향 공유

국제 LED & OLED EXPO 2015는 지난해에 이어 올해에도 해외 유명 바이어 초청 수출상담회도 개최하며 중소·중견기업의 해외 판로 개척도 지원해 업계의 시장판로를 열었다.
여기에 올해부터는 전시회 기간 중 LED산업포럼은 LED 기술동향, LED 융합산업, 빛환경, OLED 조명산업, LED 광소자 및 ‘세계 빛의 해’ 특별세션 등 6개 분야, 총 30개의 주제발표로 이뤄진 LED산업포럼도 함께 열려 LED·OLED 관련 최신 기술동향을 공유하고, LED·OLED 산업계 발전을 위한 산·학·연·관의 지혜를 모으는 자리를 마련했다는 평이다.

LED산업, 2020년 1,041억 달러 시장 전망

한편, LED산업은 세계적으로 매년 평균 14.3% 성장하면서 2020년에는 1,041억 달러 시장이 전망되는 신성장동력 산업으로서, LED조명의 경우 ‘LED조명 2060 계획’ 등 정부차원의 적극적인 보급 확대 정책을 통해 앞으로 지속적인 성장이 전망된다. 더불어 OLED도 현재는 디스플레이에 주로 사용되나, 향후 기술 개발을 통한 단가 인하 시 고부가 조명시장을 주도할 것으로 예상된다.
한편, 개막식에서 산업통상자원부의 박일준 산업정책실장은 자석의 원리를 이용하여 전원을 공급하는 조명제품을 개발한 (주)필룩스 등 신기술우수기업 5개사를 비롯해 LED산업 대중소 상생협력에 공헌한 대중소기업협력재단 한창훈 부장 등 개인 유공자 4명에게 정부 포상을 전수하면서 정부는 LED산업의 지속적인 발전과 활로 개척을 위해 IT·해양·농생명 등 타산업과 LED 융합 기술, 고효율 광원 등 연구 개발과 해외시장 진출도 적극 지원할 계획임을 밝히고, 최근 LED조명 중소기업 적합업종 해제를 계기로 중소기업과 대기업이 상생협력을 통해 날로 치열해지고 있는 글로벌 시장에서 함께 성장해 갈 수 있도록 상호 노력해 줄 것을 당부했다.

국제 LED & OLED EXPO   www.ledexpo.com