에너지 및 환경 이슈로 인해 우리 생활에 밀접한 자동차 및 전력 산업이 빠르게 진화하고 있다. 하이브리드 자동차의 성장과 분산형 발전의 확산이 그 예이다. 에너지 저장이 이러한 변화의 핵심에 자리하고 있다. 에너지 저장의 미래 모습을 그려보고 그 의미와 시사점을 살펴본다.

에너지 저장(Energy Storage)의 한 유형인 소형 2차전지(Rechargeable Battery)는 휴대폰, 노트북PC 등과 같은 휴대용 IT기기의 성장에 결정적인 역할을 했다. 가볍고 작으면서도 고용량의 전기 에너지 저장 솔루션이 없었다면 통신, 컴퓨팅, 오락 등 다양한 기능을 조그만 휴대용 기기에 구현할 수는 없었을 것이다. 만일, 휴대폰용 2차전지가 휴대폰 에너지 저장 부품으로서의 니즈를 충족하지 못했다면 우리는 현재와는 전혀 다른 모습의 ‘휴대용 통신기기’를 접하고 있을 지도 모른다.

휴대용 IT 기기 산업의 발전으로 말미암아 단순한 부품에 불과한 에너지 저장 산업도 양적 질적으로 커다란 변화를 겪었다. 1990년대 휴대폰이 처음 나왔을 때 휴대용 전원으로 니켈수소 2차전지가 채택됐다. 시간이 흐를수록 기기의 요구 성능이 높아지고 소비자들의 니즈가 고도화되고 다양해지자, 단일 부품으로 가장 많은 부피를 차지하는 2차전지의 용량과 디자인이 중요해졌다. 2000년대에 들어서면서 용량이나 성능이 우수한 리튬이온 계열이 빠르게 니켈수소 전지를 대체했다.

지금은 휴대폰은 물론, 노트북PC와 같이 고용량, 소형의 에너지 저장이 필요한 휴대용 기기들은 거의 모두 리튬이온 계열의 2차전지를 장착하고 있다. 리튬이온 계열 시장만 해도 2008년 현재 약 80억 달러 규모로 추산되는데, 2015년에는 120억 달러에 이를 전망이다. 휴대용 IT 기기 산업의 성장과 더불어 고성능 2차전지 시장의 새로운 전기가 마련되었다고 평가할 수 있다.

전 세계적인 친환경·저 에너지 소비, 그리고 에너지 자립 등 여러 이슈 때문에 산업 전반에 새로운 변화의 물결이 일고 있다. 특히, 에너지 소비가 많은 자동차 산업, 전기 에너지 자체를 다루는 전력 산업에서 눈여겨봐야 할 움직임이 있다. 하이브리드 자동차의 성장, 신재생에너지의 부각과 분산형 발전의 확산 등이 대표적인 예이다. 이러한 변화의 중심에 에너지 저장이 자리 잡고 있다.

에너지 저장의 다양한 기술유형
전기가 우리 주변의 에너지 형태 중에서 가장 편리하고 광범위하게 사용된다. 또한 자동차, 선박, 비행기 등 수송용으로 쓰이는 석유나 천연가스에서 유래한 연료들 대부분은 전기 에너지로도 전환이 가능하다. 원자력 또한 물질이 가진 핵 에너지를 전기로 바꾸기 위한 것이며, 거대한 댐에서 만들어지는 에너지 또한 전기다. 이 글에서 다루는 에너지 저장은 전기 에너지의 저장에 한정키로 한다.

에너지 저장은 다양한 기술 유형이 있다(<표> 참조). 울트라커패시터와 플라이휠은 짧은 시간에 고출력을 낼 수 있으며, 공기나 물을 대규모로 저장할 수 있는 시설이 필요한 Compressed Air나 Pumped Hydro는 수백 ㎿h급 이상의 고용량에 적합하다. 우리에게 가장 친숙한 형태의 에너지 저장은 2차전지 계열이다. 납축전지(Pb 혹은 Lead Acid)를 비롯해, 니켈수소, 니켈카드뮴, 앞서 언급한 리튬이온 계열 등이 대표적이다. 최근 들어 대규모의 전력 저장에 많이 시도되고 있는 나트륨설파이드(NaS) 계열이나, Flow Battery 등도 기억할 만하다. 궁극적인 에너지 저장 형태로 평가를 받고 있는 수소(Hydrogen)의 경우 연료전지(Fuel Cell)를 이용해전기와 열로 전환하는 시스템에 대한 연구개발이 활발하다. 수소는 또한 그 생산, 저장, 전환 전체에 걸친 인프라나 기술에 대한 다각적인 접근이 이루어지고 있다. 이 밖에도 열이나 압력, 기타 화학적 유형 등 다양한 에너지 저장 유형이 개발되고 있다.

이들 에너지 저장 유형은 잉여의 전기 에너지를 저장해두었다가 필요한 경우 실시간으로 제어, 공급할 수 있는데 그 특성이나 효율, 경제성 등에 따라 적용 영역이 매우 다양하다. 따라서 수요의 특성에 맞는 적절한 기술 유형을 선택하고 맞추어 사용할 수 있는 이점 또한 갖추고 있는 셈이다. 응용 영역 측면에서는 휴대용 기기나 자동차와 같은 이동형(Mobile)과 UPS(Uninterruptible Power Supply)나 대규모 전력 저장 등에 쓰이는 정치형(Stationary)으로 크게 나누어볼 수 있다.

에너지 저장, 자동차 산업의 진화 촉발
‘요즘 김 과장은 5년 된 애마의 2차전지 모델 교체 때문에 고민이다. 김 과장의 자동차는 디젤엔진과 전기모터를 함께 가진 하이브리드카다. 연료도 디젤만 가진 것보다 훨씬 덜 들고 성능이나 디자인이 아주 오래 전에 타던 디젤 차량보다 뛰어나다. 엊그제 김 과장은 자신의 차량에 탑재된 2차전지 모델을 교체하라는 제조사의 요청을 받아놓은 상태이다.

그냥 가까운 서비스 업체에 가기만 하면 된다. 김 과장은 추가로 돈이 들긴 하지만, 이 기회에 아예 새로 나온 모델로 바꾸는 게 어떨까 생각 중이다. 새로 나온 2차전지 모델은 용량이나 파워 면에서 기존의 것보다 더 뛰어나다는 평이다. 옆 팀 박 과장이 새로 나온 모델로 바꾸었는데 자랑이 이만 저만이 아니었다. 내년에 출시할 연료전지 자동차에도 같은 모델이 적용된다는 후문도 들려오고 있다.’

김과장의 고민이 현실로 다가올 날이 그리 멀지 않다. 2차 전지와 같은 에너지 저장 시스템이 자동차의 핵심 부품으로 자리잡고 있다. 2000년대 들어 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 전기 자동차(EV)가 소개되고 상업화되자, 2차전지가 사람들 관심 영역의 변두리에서 중심부로 나오게 된 것이다. 하이브리드 자동차는 가솔린이나 디젤 같은 내연기관과 함께 전기모터가 주동력원이다. 과거 자동차에서는 시동, 점등, 발화 등의 용도로 12V급의 소형 납축전지가 주로 쓰였다. 엔진 룸 한 구석에 자리잡은 직육면체 모양의 값싼 2차전지가 자동차에 쓰이는 모든 전력을 저장, 공급하고 있다. 심야의 값싼 잉여 전력을 충전하여 근거리 이동에 필요한 에너지로 사용하는 플러그인하이브리드 자동차(Plug-in-hybrid Electric Vehicle, PHEV)도 최근 주목을 받고 있다. 자동차의 일종인 PHEV는 새로운 개념의 에너지 저장 기기로서도 평가 받고 있다. PHEV는 플러그를 꼽지 않아도 필요한 기기나 서비스를 사용할 수 있게 하는 이동형 전원으로서의 역할을 할 수 있기 때문이다.

미래의 궁극적인 자동차 유형으로 평가를 받는 수소 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)는 수소를 연료로 하여 연료전지를 통해 만든 전기를 자동차의 동력원으로 삼는 것이다. 현재의 HEV는 감속과 같은 때 발생하는 잉여의 운동에너지를 전기에너지로 바꿔 2차전지에 저장한다. 그리고 시내 주행이나 출발시 전기 모터를 돌려 자동차를 움직인다. 어찌 보면 기존 자동차가 간과하는 에너지를 최대한 모아 효율을 높인 것으로 해석할 수도 있다. FCEV에서도 주행 중은 물론, 연료전지에서 나온 잉여 전기는 분명 있으며, 이를 저장하는 장치는 필수불가결한 선택으로 보인다. 엄밀히 말한다면, 수소 연료전지 하이브리드 자동차(FCHEV)가 자동차의 궁극적인 형태라는 의미로 풀이된다.

친환경, 저 에너지 소비 등의 전세계적 트렌드 속에서 앞으로도 HEV/EV 시장의 미래는 밝을 수밖에 없다. 아직은 HEV/EV 시장의 비중이 전체의 1% 내외인 것으로 집계되고 있다. 원유 수요가 획기적으로 줄지 않는 한 장기적인 관점에서 고유가 시대가 오리라는 점, 기존 내연기관의 효율 향상이 한계에 다다르고 있다는 점, 각국 정부의 친환경 정책에 따른 연비나 오염물질 배출 규제가 강화되고 있다는 점 등이 향후 HEV/EV 시장 성장의 주요 배경으로 볼 수 있다. Daiwa 연구소의 자료에 따르면, HEV/EV 시장이 2008년 약50만 대 규모에서 2020년에는 이보다 10배 이상 성장한 540만 대에 이를 것으로 내다보고 있다. 2009년 현재, HEV의 대표격인 도요타의 프리우스 신형은 짧게는 6개월에서 길게는 1년 가까이 주문이 밀려있다고 한다. 도요타, 혼다 등 시장을 주도해온 일본 기업들 외에 Ford 등의 기업들도 가세하고 있어 앞으로의 성장 전망을 더욱 밝게 해주고 있다.

이러한 자동차 시장의 진화와 성장에 있어 2차전지의 가격이 중요한 이슈로 떠오르고 있다는 점도 에너지 저장의 위상을 반증한다고 할 수 있다. 도요타 프리우스에 장착된 니켈수소 전지의 가격은 2500달러에 이른다. 더 성능이 좋은 리튬이온 계열은 현재 수준으로는 2만 달러에서 2만5000달러에 육박한다. 고성능 에너지 저장 장치의 가격이 시장 확대의 중요한 열쇠를 쥐고 있다는 것이다. 물론 자동차에서 는 안전성과 내구성에 대한 검증도 함께 요구하고 있다. 기존 업체들뿐 아니라 새로 HEV에 뛰어드는 기업들이 기존 니켈수소가 아닌 리튬이온 2차전지 시스템을 채택하거나 적극 고려하고 있다는 점도 기억할 만하다. 향후 어떠한 에너지 저장 솔루션이 HEV의 주력으로 자리 잡을 것인가도 흥미로운 관전 포인트다.

전력 산업에서의 성장 잠재력, 가히 폭발적
‘이 과장은 이번 달 전기요금 청구서를 받아들고는 희희낙락이다. 전기요금을 내는 게 아니라 오히려 전력회사로부터 5만원 가량을 받게 된 것이다. 집 지붕에 설치된 고성능 태양광 발전 시설로부터 만들어진 전기를 저장해 두었다가 내다팔았기 때문이다. 이과장이 다니는 공장에서도 소규모 발전 터빈을 돌리거나 태양광 발전에서 나온 전력을 전력망에 팔아 에너지 비용의 상당 부분을 줄이고 있었다. 내년에는 공장에서 폐열도 활용할 예정이라고 한다. 이를 목격한 이 과장은 한 달 전쯤 지역 정부의 지원으로 집에 태양광 발전설비를 갖추게 되었다. 이 설비는 자동화된 전력거래 시스템에 맞물려 있어 전력의 흐름을 제어 하는 것은 전력회사에서 알아서 한다. 일부는 이과장이 직접 거래 프로그램을 돌려 좋은 가격에 팔기도 한다. 한 2～3년 정도면 정부 지원금을 해결하고도 남는 장사를 하게 될 것이라고 예측하고 있다.’

전기에너지 자체를 다루는 전력산업으로 눈을 돌려보자. 최근 들어 전력 산업 내에서 일대 변혁의 움직임이 일어나고 있다. 바로 분산형 발전 시스템의 확산이다. 대형 발전소에 의존한 발전/송배전 체계인 기존의 중앙집중형은 정전 피해에 그대로 노출되어 있는데다 장거리 전력 수송에 따른 손실도 무시를 못 할 정도였다. 게다가 수요에 알맞게 전력을 생산, 공급하는 체계는 더더욱 아니어서 잉여의 전력은 고스란히 손실되는 상황이다. 발전에서 송배전, 소비에 이르는 일련의 전 과정을 지능적으로 제어함으로써 수급 효율을 극대화하는 ‘스마트 그리드(Smart Grid)’가 상기 문제에 대한 궁극적인 해결 대안이라 할 수 있다. 스마트 그리드는 전력망의 지능화, 단위 전력망간 쌍방향 연결과 다양한 발전원의 연계, 소비자의 발전 참여 등이 주요 특징이다. 그러나 발전/송배전 관련 기술이나 전력 인프라, 전력산업의 기간 산업적 특성 등을 고려할 때, 다양한 중소 규모의 전원이 연결되는 분산형 발전이 징검다리 역할을 할 수 있는 최적의 현실적 대안이라는 평가가 지배적이다.

분산형 발전은 전력망 제어와 운영에 있어 많은 문제점도 내포하고 있다. 대형 발전소는 수십만 ㎾에서 수 GW급 이상 규모에까지 이르며 안정적 발전 품질을 얻을 수 있다. 하지만 태양광이나 풍력과 같은 신재생에너지의 경우 시간별, 계절별, 기후에 따라 불균일한 전력을 만들어낸다. 이렇게 양이나 품질이 불균일한 전력을 고스란히 전력망에 연결할 경우, 신재생에너지 비중이 높은 지역에서는 도리어 그 피해가 심각해진다. 공장과 같은 산업 시설이나 상업용 빌딩, 병원 등지에서 전력의 품질은 매우 중요하기 때문이다. 비교적 안정적인 공급을 유지하는 국내의 경우도 전력 품질이 서비스 유지에 매우 중요한 데이터센터 등지에서는 에너지 저장 장치를 이중 삼중으로 설치해 고품질의 안정적인 전력을 유지하려 한다.
분산형 발전으로의 진화를 원활하게 하는 핵심 요소 중의 하나가 대규모 에너지 저장 장치를 활용하는 것이다. 에너지 저장 장치를 통해 잉여의 전력을 저장했다가 수요처에 제때 공급할 수 있다(Load Shift 혹은 Leveling). 또한 들쭉날쭉한 전력 품질과 양을 조절하는 기능도 함께 노릴 수 있다(Peak Shaving, Frequency Modulation). 일본, 미국 등 선진국에서는 이러한 대형 에너지 저장 장치에 대한 검증과 상업화 노력이 활발하다. 미국 최대 전력회사 중의 하나인 AEP(American Electric Power)만 해도 송배전 변전소나 분산형 발전의 연계에 수MW급 이상의 NaS 전지와 같은 에너지 저장 솔루션을 시험하여 왔고, 설치를 확대하려 하고 있다. 여기에는 대형 NaS 전지 기술을 보유한 일본의 NGK와 TEPCO(Tokyo Electric Power)가 참여하고 있다.

또한 전력 소비 측면에서도 에너지 저장 솔루션에 대한 실증 시험이 늘고 있다. 2009년 뉴욕시 MTA 버스회사는 NGK의 1㎿급의 에너지 저장 솔루션을 천연가스 충전소에 설치해 비용을 대폭 절감할 수 있었다. 버스에 천연가스 연료를 주입할 때 고압을 유지해야 하므로 상당한 양의 전기가 소모된다. 대부분의 버스가 전력 요금이 싼 야간에 집중적으로 연료를 주입하게 되었다. 이에 버스회사는 대형 에너지 저장 장치를 설치하여 야간에 값싼 전기를 저장했다가 낮에 가스 주입에 필요한 전력으로 사용하도록 했다. 전력요금은 물론, 그 동안 야간 연료 주입 때문에 들었던 인건비와 운영비까지 줄일 수 있었다. 이러한 사례는 다른 지역에도 확산될 움직임을 보이고 있다.

일부에서는 분산형 발전(Distributed Generation, DG)과 대비되는 개념으로 분산형 에너지 저장(Distributed Energy Storage, DES) 시스템을 구축하는 것이 현실적인 대안이라는 평가를 내놓고 있기도 하다. DES는 규모와 상관없이 발전에서부터 송전, 배전, 소비 단계 모두에 에너지 저장 장치가 있는 구조다. 어떠한 단계에서도 다양한 발전원이 연결될 수 있는 특징이 있다. 태양광이나 풍력은 물론, 소규모 터빈 등에서 만들어진 전력을 저장해 두었다가 전력망에 흘려보낼 수 있다. 이를 통해 개별 수요를 가장 가까운 데서 제어할 수 있을 뿐 아니라 전체 시스템의 효율적 운영도 가능하도록 한다는 계산이다.

전력 산업에 있어서의 에너지 저장에 대한 성장 잠재력은 이전 소형 IT기기나 자동차용을 훨씬 능가하는 것으로 평가받고 있다. Lux Research의 자료에 따르면, 현재 설치된 풍력 발전소 중 단지 절반 정도에만 에너지 저장 설비가 들어가더라도 약 500억 달러의 시장을 형성할 수 있으리라는 예측을 내놓고 있다. 기존 인프라의 고도화 니즈 증대, 분산형 발전의 확산과 독립 발전 회사의 성장, 에너지 저장 기술의 경제성 확보 등이 복합적으로 이루어진다면 가히 폭발적 성장을 기대해 봄직도 하다.

에너지 저장, 경제·사회 변화의 중요한 축
앞서 살펴보았듯이 에너지 저장은 미래 경제 및 사회 변화의 중요한 축으로 작용할 전망이다. 에너지 저장은 잘 드러나지 않는 곳에서 우리 주변의 에너지와 환경 문제를 소리 없이 해결해 줄 것이다. 자동차에서와 마찬가지로 전력 산업에서도 에너지 저장의 역할은 필수불가결한 위치에 있다 하겠다. 에너지 저장 관련 기술의 발전과 규모의 경제 추구, 화석연료 가격의 상승, 친환경 정책의 확대 등 여러 요인을 고려해 볼 때 에너지 저장의 미래는 밝다고 볼 수 있다. 에너지 저장이 발전이나 에너지자원 확보보다 더 주목을 끌 날이 멀지 않음은 분명하다.

변화는 늘 기회를 수반하기 마련이다. 많은 기업들이 앞날을 내다보며 기회를 포착하고 이를 선점하려 치열한 경쟁을 펼치고 있다. 어떤 기업들은 전력회사와 정부를 엮어 함께 자신들의 기술을 검증하고 상업화를 추진하고 있다. 전력 산업의 특성상 인프라를 보유하고 관리하는 기업들의 입김이 셀 수밖에 없을 것이기 때문으로 풀이된다. 일부 기업들은 에너지 저장 기술의 혁신에 집중해 자신들의 가치를 높이려 하거나, 기술 개발에서 설치, 운영 등 가치 사슬 내에서 독특한 사업 모델을 만들려 하기도 한다. 에너지 저장의 가능성과 파급 효과를 감안한다면, 국내 기업들도 장기적인 관점에서 기업과 정부, 연구기관의 협력 하에 관련 기술 개발과 상업화에 보다 많은 관심을 기울여야 할 것으로 보인다.

*상기 기사는 에너지코리아뉴스의 자매지 월간 <CEO ENERGY> 2009년 7월호에 게재된 기사입니다.