Special Report l ESS / 기술현황

경제성 우수해 가전 교통 등 활용 무궁무진

에너지저장 시스템(Energy Storage System)은 전력 공급 안정화, 신재생에너지 확산 등의 부가가치를 창출하는 녹색 분야의 핵심 기술이다. ESS는 환경 친화적이고, 경제성이 좋아 가전, 교통, 전력망 등에서 활용되는 유망한 신산업이다.

전력저장장치(ESS)는 리튬이온전지와 같은 기존의 중소형 2차전지를 대형화하거나 회전에너지, 압축 공기 등 기타 방식으로 대규모 전력을 저장하는 설비를 말한다. 생산된 전력을 계통계통(Grid)에 저장했다가 전력이 가장 필요한 시기에 공급해 에너지효율을 높이고 전력피크 관리에도 효과적인 수단이다.

ESS는 경부하시 유휴전력을 저장하고 과부하시 전력을 사용함으로써 첨두 부하 분산을 통해 발전소 건설비, 송전선 설치비 등의 투자비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 예비율을 높여 여름·겨울철의 전력 피크와 대규모 정전 사고 등에 효과적인 대응이 가능하다.

아울러, 출력이 불규칙한 신재생에너지원을 고품질 전력으로 변환하는 등 신재생에너지 보급 확산과 동시에, 실시간 전력 거래가 이루어지는 스마트그리드 구현을 위해서도 반드시 필요한 기술이라는 게 전문가들의 견해다.

특히 대용량 전력저장자치의 경우 신재생에너지 확대를 위한 필수 기술로 꼽히고 있다. 발전량과 발전시점이 불규칙한 태양광, 풍력 등 신재생에너지와 결합해 시간대별로 전력공급을 일정하게 조정할 수 있기 때문이다. 에너지저장 없이 신재생에너지 발전량 비율이 10%를 상회할 경우 전체 전력망이 불안정해 질 수 있다는 게 전문가들의 지적이다.

또 ESS는 스마트그리드 구현을 위해서도 꼭 필요하다. 스마트그리드는 공급자와 소비자가 정보를 교환해 에너지효율을 최적화하는 게 핵심요소다. ESS가 있어야 신재생에너지 등 분산전원의 불안정한 전력공급을 효율적으로 제어하고, 가정이나 회사에서 충전된 전력을 피크타임 때 사용하거나 전력회사에 판매할 수도 있게 된다.

선진국, ESS 실증 넘어 사업화 단계 진입

일본과 미국 등 주요 선진국들은 ESS와 관련한 연구개발과 실증을 활발히 추진 중이며, 일부에서는 상용화에 성공하는 등 사업화단계에 진입했다.

일본은 신재생에너지발전소용, 가정용 등 다양한 분야에서 기술개발을 추진하고 있으며, 나트륨-황 전지, 리튬이온전지 등에서 앞선 기술력을 보유하고 있다. 특히 NGK사는 나트륨-황전지 분야에서 세계 시장 점유율이 51%로, 프랑스 EDF와 150MW, UAE와 300MW공급계약을 체결하기도 했다.

미국도 에너지부(DOE) 산하 연구기관인 ARPA-E와 EPRI 등 공공기관과 AES, AEP 등 대형 전력회사 중심으로 기술개발이 이뤄지고 있다.

ARPA-E는 지난 2년간 R&D에 총 9,200만달러를 투자했으며, AES사도 뉴욕 웨스트오버발전소에 20MW급 리튬이온전지를 설치했다.

또 캘리포니아주의 경우 전력회사의 에너지저장시스템 설치를 의무화하는 법안이 통과되기도 했다. 이로써 캘리포니아 전력회사는 2014년 1월 1일부터 최근 5년간의 평균 공급전력의 2.25% 이상을 ESS를 이용해 공급해야 한다.

독일과 프랑스도 양국이 공동으로 Solion프로젝트를 추진하고 있다. 이 프로젝트는 태양광 주택의 에너지 자급을 위한 리튬이온전지 도입 타당성을 평가하기 위해 약 75개 시스템에 대한 실증사업을 추진 중이다.

앞으로의 연구개발 방향을 보면 50MW 이하는 리튬이온전지와 나트륨-황전지 등의 전지방식이, 50MW 이상은 압축공기저장 등의 대형저장방식이 대세를 이룰 것으로 전망된다.

또 중장기적으로 실시간 전력거래가 가능해지는 스마트그리드 확산에 따라 가정용 ESS 기술개발 수요도 확대될 전망이다.

국내, 기술개발 중 실증단계는 아직

우리나라는 기업과 연구소 등에서 기술개발을 추진 중이지만, 아직 기술과 실증경험 측면에서 선진국보다 뒤쳐져 있는 수준이다.

리튬이온전지와 수퍼 커패시터, 플라이휠은 상용화단계에 도달했지만, 그 외의 기술은 초기 기술개발 단계 수준이다.

기술별 주요업체로는 삼성SDI와 LG화학(리튬이온전지), 포스코(나트륨-황전지), LS산전, 호남석유화학(레독스 흐름전지), 네스켑, LS엠트론(수퍼 커패시터), 전력연구원(플라이휠), 삼성테크윈(압축공기저장) 등이다.

실증 현황을 보면 가정용 ESS의 경우 실증을 추진 중이지만 아직 초기 단계이고, 가장 큰 수요가 예측되는 전력망용 대규모 ESS 실증은 전무한 상태다.

기술별로는 상용화와 실증과제의 증가로 인해 리튬이온전지 분야의 R&D 예산 규모가 가장 많다. 지원기관은 초기 연구소 위주에서 최근에는 대기업 비중이 높아졌으며, 실증사업의 경우 삼성전자와 한전 등 대기업 위주의 실증사업이 진행 중이다.

앞으로의 투자방향은 단기적으로 상용화 R&D와 실증사업에 지원하고, 중장기적으로는 원천기술개발 지원을 확대할 계획이다.

정부는 또 에너지저장 실증을 통한 산업화도 촉진해 나갈 계획이다. 리튬이온전지 등 바로 설치가 가능한 기술을 우선 실증하고, ESS 운영기술을 확보해 국제표준화를 주도할 계획이다. 또 2.5GW 서남해안권 대규모 풍력단지와 새만금 풍력단지 등과 같은 대규모 신재생에너지단지의 발전원과 연계해 ESS실증도 추진할 방침이다.

ESS(Energy Storage System)는 전력제어장치인 PCS(Power Conditioning System), ESS 전반을 실시간으로 관리하는 EMS(Energy Management System), 배터리(2차전지), 배터리 상태를 관리하는 BMS(Battery Management System) 등으로 구성된다.

향후 10년 자동차 시장 판도 바뀐다

글로벌 시장 20% 이상 차지… 생산방식, 수익모델 등 시장구조 변화

친환경차 부상이 자동차산업의 구조 변화에 미치는 영향은 어느 정도 일까. 최근 삼성경제연구소는 친환경차와 저가차의 부상 배경과 향후 전망을 정리하고, 자동차산업의 구조에 미치는 파급영향을 분석해 관심을 모으고 있다. 삼성경제연구소가 발표한 ‘친환경차와 저가차의 부상과 대응전략’이란 자료를 친환경차 중심으로 정리했다.

글로벌 경제위기 이후 친환경차 시장이 확대되고 있다. 친환경차의 시장 확대는 단순한 수요 증가에 그치는 것이 아니라 자동차산업의 구조를 획기적으로 변화시킬 파급력을 가지고 있다. 친환경차 부상 이후 전개될 산업구조의 변화 모습을 시장구조, 생산방식, 수익모델의 측면에서 분석하고 대응전략이 필요하다.

친환경차 시장의 성장은 환경규제와 유가 상승 및 각국 정부의 지원 확대로 가파르게 올라가고 있다. 주요 연구기관들은 2020년 친환경차의 판매 비중을 20〜50%로 전망하고 있다.

연간 2천만대 판매 전망

경제위기로 인한 자동차 시장 침체에도 불구하고 세계 각국은 자동차에 대한 환경규제를 강화하고 있다. 각국 정부는 규제 강화와 동시에 친환경차의 개발 및 보급을 지원하고 있다. 미국은 2015년까지 친환경차 100만 대 보급을 목표로 플러그인 하이브리드차 개발에 약 12조 원의 자금을 지원하고 있다. 일본은 2007년부터 2011년까지 친환경차 개발에 1조6,000억원을 투자하고 중국도 2010〜2020년까지 친환경차 개발과 보급에 17조원을 지원할 방침이다.

년 친환경차는 전체 자동차 수요의 20% 이상을 차지할 전망이다. 전망기관에 따라 다소 차이가 있지만 환경규제 대응과 친환경차의 기술개발로 2020년 친환경차의 비중이 전체 수요의 20〜50%에 달하며 대수 기준으로는 연간 2,000만 대 이상의 친환경차가 판매될 전망이다.

친환경차 부상으로 세계 자동차산업의 시장구조가 차종 및 지역별로 세분화될 전망이다. 기존 내연기관 차량과 구동방식이 다른 하이브리드차, 전기차, 플러그인 하이브리드차, 연료전지차 등의 새로운 친환경 자동차가 등장하고 있다. 친환경차의 주도적인 모델이 없고 각국 정부가 중점적으로 개발・보급하는 차종이 달라 친환경차의 판매 모델이 지역별로 달라질 가능성이 높다.

친환경차, 생산방식의 다양화

친환경차는 기존 내연기관 자동차와 다른 방식으로 개발・생산되면서 생산방식이 다양해지고 있다. 기존 내연기관 자동차는 부품 간 상호조정이 필요한 도요타 생산방식 혹은 린 방식으로 개발・생산되고 있다.

자동차의 개발과 생산 과정에서 조립업체와 부품소재업체 간에 긴밀한 의사소통과 조정이 필요하기 때문에 자동차업체들은 조립업체를 정점으로 수직적인 거래관계를 형성하고 있다. 하지만 친환경차 가운데 기존 내연기관차와 생산방식이 다른 차종은 전기차(플러그 하이브리드 포함)가 대표적이다. 전기차는 부품구성이 단순하고 핵심 부품인 전지・모터 및 플랫폼의 공용화를 통한 ‘개방 모듈형 방식’으로 개발・생산될 가능성이 높다.

친환경차의 사업단계별 수익구조가 스마일 커브(Smile Curve)의 형태로 진화하고 있다. 스마일 커브는 사업단계별 이윤율 분포에서 조립과 부품 생산, 판매보다 제품개발과 애프터서비스의 이익률이 높은 형태의 수익구조를 의미한다.

기존 내연기관 자동차산업의 수익률 분포는 역(逆)스마일 커브의 형태였다. 스마일 커브와 반대로 조립부문의 수익률이 가장 높고 시험제작과 애프터서비스의 수익률이 가장 낮은 형태라는 얘기다.

하지만 친환경차의 수익모델은 스마일 커브의 형태를 가지게 될 가능성이 높다. 전기차의 경우 전지와 모터의 표준화를 중심으로 개방 모듈형의 산업구조가 형성되고 있어 수익률 구조가 스마일 커브 형태로 진화하고 있다. 전기차의 조립보다 전지와 모터 등의 핵심 부품과 충전서비스 및 통합정보서비스 등에서 고수익이 발생할 전망이다.

사업모델 재구축. 개방형 제휴 확대 전략 필요

전문가들은 친환경차 부상에 따른 산업구조 변화에 대응하기 위해 사업모델 재구축, 신사업 기회 활용, 개방형 제휴 확대 등의 전략이 필요하다. 시장구조 세분화와 생산방식 다양화로 자동차 사업 운영이 복잡해지고 요구가 증가함에 따라 사업모델의 재구축이 필요하다는 얘기다.

지역별로 세분화된 다양한 모델에 대응하는 동시에 비용경쟁력을 확보하기 위해서는 제품보다 플랫폼 단위의 전략 구상이 적합하며 친환경차의 부상으로 발생하는 사업 기회를 가치사슬 전반에 걸쳐 발굴하여 고수익을 창출하는 전략을 구사할 필요하다.

업종과 국경을 넘는 개방형 제휴 확대를 통해 기존 자동차 기술과는 다른 친환경 기술을 확보하고 표준을 선점하고 스마트 그리드, 스마트 시티 등 스마트 인프라와의 연계를 고려한 친환경차 전략이 절실해 지고 있다.