◎에너지 저장 시스템(ESS), 단기적 효과보다 미래성장동력으로 접근해야

LG경제연구원 '에너지 저장 시스템(ESS), 단기적 효과보다 미래성장동력으로 접근해야'

신성장동력으로 ESS가 주목받고 있다. ESS는 전기의 활용도가 확대되면서 중요해지는 추세이다. 그러나 공공성이 강하고 투자 회수 기간과 주요 장비의 교체 기간이 긴 전력 산업의 특성으로 인해 변화의 동력이 탄력을 받기가 쉽지 않다. 안정적이고 효율적인 전력망의 구축과 잠재력이 큰 시장에서의 경쟁역량 구축을 위해 정부의 역할이 중요하며 기업의 적극적 대응이 필요해 보인다. 

지난 100여 년간 인류의 에너지 사용량은 기하급수적으로 증가해왔다. 다양한 2차 에너지 중에서 전기는 이동과 관리가 쉽고 사용량의 정밀한 제어가 가능한 장점으로 열이나 기계적 에너지의 한계를 극복하고 인류가 산업의 비약적 발전을 이루는데 결정적 역할을 하였다. 

하지만 전기는 저장이 어렵다는 태생적 한계를 가진 에너지이다. 순간 사용량을 제외하고 남는 전기는 흐르는 물처럼 버려지는 것이었지 저장 후 다시 사용하기가 어려웠다. 소량의 전기를 건전지에 저장하여 손전등에 불을 밝히거나 대용량의 전기 저장이 가능한 양수발전(Pumped Hydro) 방식이 고안되기는 했으나 활용도는 매우 제한적이었다. 전력망이 도달하지 않는 오지에 전기를 공급할 때에도 전기를 저장하기보다는 소형 발전기를 가동하여 전기를 공급하는 것이 경제적 수단이었다. 
  
전기에 대한 의존 커질수록 저장의 필요성도 증대 

하지만 전기의 활용도가 확대되면서 전기의 저장 문제는 갈수록 중요해지는 추세이다. 과거에는 이따금 발생하는 정전이 우리 생활에 큰 피해를 주지는 않았지만, 이제 전기의 부족은 일상생활은 물론 일상업무 자체가 마비될 정도로 중요한 사회적 이슈가 되었다. 2003년 미국 뉴욕의 블랙아웃, 그리고 2011년 우리나라의 대정전 사태는 현대 사회에 전기가 부족할 때 얼마나 큰 피해가 발생하는지를 보여주는 상징적 사건이었다. 수시로 발생하는 블랙아웃의 공포는 이제 전력부족이 더는 한여름 혹서기에 등장하는 이슈가 아님을 확인시켜 준다. 

늘어가는 전력 수요에 안정적으로 대응하기 위한 해법으로 보이던 원자력 발전에 대한 의존도도 예전 같지 않다. 상황에 따라 다르지만, 주요 국가들은 장기적으로 원전을 늘이려 하지는 않는다. 기존에 운영되는 원전도 웬만하면 활용을 최소화하려 한다. 필요한 전기의 절대 수량은 계속 늘어나는데 고품질의 전기를 저렴하게 만드는 방법은 제한적이다. 국가적 절전운동도 한계가 있다. 남는 전기를 저장하고 재사용하는 방법에 대한 고민이 더욱 절실해진 이유다. 

각국 정부는 남는 전기를 활용하는 ESS의 확대를 위해 발 빠르게 움직이고 있다. 보조금 지급, 세금 감면은 물론 아예 정부 예산으로 ESS 실증 사업을 서두르고 있다. 관련 기업도 구체적인 성과가 예상되는 ESS 시장에 적극적인 관심을 보이고 있다. 

ESS(Energy Storage System, 에너지저장시스템)란? 불필요한 잉여 전기를 저장하였다가 전력망에 연계하여
필요한 때에 필요한 곳으로 전기를 공급하는 시스템을 의미한다. ESS의 적용영역은 전력망의 모든 영역인
발전, 송배전, 그리고 소비단계에 이르기까지 광범위하다. 

ESS의 장점은 이미 널리 알려졌을 만큼 명확하다. 과다한 전력 수요의 평준화, 태양광 발전량의 변동성 및 전기자동차 급속 충전 등에 따른 전력망의 혼선 등을 관리하여 전력 계통이 안정적으로 운영되도록 하는 역할, 그리고 능동적인 전기 사용량 관리가 가능하도록 조절하는 기능 등이 일반적으로 알려진 ESS의 장점이다. ESS의 개념도 직관적으로 이해가 가능할 만큼 쉽다. 남는 전기를 저장했다가 필요할 때 빼서 적절히 사용하기 위한 장치 혹은 시스템이다. 기술적 기반이 아직 부족하다고 할 수도 있지만, 리튬이온전지를 중심으로 2차전지 기술은 원가 측면으로나 성능 측면으로 최근에 많은 진전을 이루었다. 
  
ESS의 특성 

ESS 사업으로 이익을 제대로 내는 기업을 찾기는 아직 쉽지 않다. 시장의 유망성에 대해서는 모두가 고개를 끄덕이지만, ESS를 개발하고 생산하여 수익을 올리고 더 나은 제품 개발에 재투자하는 일상적인 사업 사이클이 ESS에서는 생기지 않았다. 앞으로도 성장이 쉽지 않은지, 아니면 느리지만 꾸준하게 진화하는 시장인지를 ESS의 본질적 특성을 통해 살펴보자. 
  
1. ESS는 공공성이 중시되는 전력 인프라에 종속 

독립적 성능이 아무리 뛰어난 ESS라도 전력망과 연계를 할 수 있다는 전제하에 존재 가치가 있다. 전력 인프라 관점에서 보면 ESS는 전력 인프라를 구성하는 요소이며 차세대 전력망을 구현하기 위한 핵심 요소 중 하나가 될 것이다. 따라서 전력 인프라에 종속되는 ESS의 특성도 인프라 산업에 적합하게 형성될 것으로 보인다. ESS가 속한 전력 인프라 산업의 주요 특성을 알아보자. 

먼저, 전력 인프라 산업은 국가 기간산업이다. 전력 인프라 산업은 국가를 지탱하는 최상위 산업 중 하나로서 단기간의 이익에 일희일비하기보다는 기간산업으로서의 공공성이 매우 중요시된다. 

일반적으로 전력 산업에서 사업을 영위하는 기업은 초기에 기기를 판매해서 거두는 수익보다 장기간 운영이나 보수 서비스를 통해 사업의 지속성을 유지한다. 막대한 초기 투자에 대해서도 오랜 기간 안정적으로 보상받는다. 따라서 전력 인프라 기업은 초기 비용을 필요한 투자로 인식한다. 기존에 형성된 거래관계가 있는 기업 또는 초기에 투자를 감당할 수 있는 여력이 있는 기업이 유리함은 당연하다. 

또한, 전력 인프라 산업은 변화에 익숙하지 않은 산업이다. 발전기, 변압기 등 전력기기의 사용 수명은 20년 이상이다. 보통 30년 정도가 지나야 교체주기가 도래했다고 말할 정도다. 전력 인프라 산업에 종사하는 이해관계자가 새로운 변화를 받아들이기에는 상당히 오랜 시간이 필요하다. 혁신적 기기가 등장해도 기존 설비와의 호환성이 중요하기 때문에 이해관계자의 강력한 의지가 없으면 변화가 수용되기 어렵다. 리튬이온전지를 적용한 ESS가 아무리 가볍고 작고 성능이 우수해도 변화에 둔감한 의사결정자가 주저하는 한 ESS가 채택되기가 쉽지 않다. 아직 상당수의 ESS 프로젝트가 실증 단계에 머물러있는 이유 중의 하나가 여기에 있다. 

마지막으로 전력 인프라 산업은 해당 국가에서 기반이 탄탄하고 안정적 사업 경험이 있는 로컬 기업이 주도하는 경우가 많다. 그만큼 기기 성능의 안정성이 중요하고 구매자와 판매자의 관계가 긴밀하다. 에너지 안보 측면, 그리고 유지보수의 편의성 측면에서도 로컬 기업이 상당히 유리한 산업이다. 
  
2. ESS 내에도 다양한 세분 시장 

ESS는 전기를 생산하는 발전 영역, 생산된 전기를 이동하는 송배전 영역, 그리고 전달된 전기를 실제 사용하는 수용가 영역에 모두 적용된다. 영역마다 ESS가 얼마나 오래 전기를 제공하는가에 따라 단주기 영역과 장주기 영역으로 구분된다. 신재생에너지, 소규모 분산발전의 등장으로 발전 영역도 GWh급의 기존 대형 발전 영역과 중소형 발전 영역으로 세분되고 있다. 수용가에서도 산업단지나 빌딩, 주거 단지 등 대규모 소비 영역과 일반 주거용 영역으로 구분된다. 어림잡아도 10개의 세부 영역으로 구분된다. 아무리 우수한 ESS 솔루션이라도 모든 영역의 니즈를 충족시키기는 거의 불가능하다. 심지어 영역마다 설득시켜야 하는 이해관계자도 다르다. 

따라서 저장 용량별, 출력 특성별로 다양한 ESS 기술이 존재한다. 화학적 에너지로 전기를 저장하는 납축전지, 리튬이온전지, Nas 등 2차전지 계열이 있고, 물리적 에너지로 저장하는 플라이휠, 압축공기방식 등이 있다. MWh급 이상의 대용량에 적합한 NaS는 장주기에 적합하지만, 사용 시간이 한 시간 미만인 단주기에는 맞지 않다. 주거용 ESS가 아무리 주목받더라도 NaS 생산 기업의 성과와 직접적 연관성을 찾기는 쉽지 않다. 2차전지 산업을 주도하고 있는 리튬이온전지도 마찬가지다. 수천 개의 전지를 연결만 하면 되니까 MWh급 이상도 구현할 수 있다고 할 수도 있지만, NaS가 적용되는 영역에는 적합하지는 않다고 볼 수 있다. 압축공기식 ESS가 환경오염 야기, 제한적 설치 장소 등 한계가 많지만 몇백 MWh급의 저장이 가능한 ESS는 압축공기 방식이 유리하다. 전체 ESS 시장에서 특정 ESS 솔루션이 점유 가능한 영역이 어느 수준이고 어떤 성장 경로를 겪을지를 예측함이 매우 중요하다. 

ESS 시장의 전체 규모와 성장성에 대해서는 다양한 의견이 존재하지만 유망성에 대해서는 이견이 없다. 앞으로 10년 이내에는 최소 몇십조 원대의 규모를 형성할 가능성이 높다. 하지만 시장이 아무리 커도 많은 기업들이 다수의 ESS 솔루션으로 나눠서 점유할 가능성이 높다. 개별 솔루션의 시장은 ESS의 세부 영역별 성장 전망에 따라 크게 달라진다는 점에 유의해야 한다. 
  
3. ESS 산업 관계자들의 복잡한 이해관계 

전기를 저장하고 다시 활용하는 산업은 오래전부터 존재했다. 수백 MWh급의 대용량의 전기를 저장하는 현대적 방식의 양수발전은 19세기부터 존재했다. 압축공기 방식도 마찬가지다. 납축전지를 적용한 작은 용량의 ESS도 몇십 년 전부터 사용되었다. 시장은 수십 년 전 부터 있어 온 셈이다. 

ESS에 대한 최근의 높은 관심도 처음은 아니다. 4~5년 전 태양광에너지를 필두로 신재생에너지가 한참 회자될 때 그리고 스마트그리드가 주목받을 때에도 ESS는 에너지의 효율적 사용을 가능하게 하는 유망 사업으로 관심을 받았었다. 얼마 전 한전이 6,500억 원의 예산 집행계획을 수립한 주파수 조정용 ESS에 대한 니즈도 오래전부터 있었다. 다만 마땅히 구현할 만한 솔루션이 없었는데, 전지 기술의 발달로 일정 수준 이상의 대응이 가능해졌기 때문에 최근에 각광을 받는 것이다. 

이미 운영 중인 ESS에는 수요자, 공급자, 그리고 관리자까지 다양한 이해관계자가 존재한다. 과거의 잣대로 설정된 ESS 관련 규제나 표준이 변화하려면 이해관계자 다수를 설득시켜야 한다는 것이다. 

신기술로 무장한 ESS의 적용 필요성에 대해 이들의 공감이 없다면 ESS의 본격 확산은 쉽지 않다. 전기 기술의 발달로 저렴하고 우수한 ESS가 등장하고 있지만, ESS 성장의 전제 조건은 전력 산업 환경 변화에 대한 이해관계자의 공감대 형성이 우선으로 보인다. 
  
4. ESS 운영 목적은 전력 수급의 불균형 해결 

ESS 운영의 목적은 전력 산업에서 공급과 수요의 불균형을 해결하는 것이다. 전기 요금을 아끼려고 ESS를 운영하는 것은 아니다. 

비싼 투자비를 들여서 ESS를 운영해도 전기 사용량의 절대치를 줄일 수는 없다. 전기 요금을 인상하거나 ESS 보조금을 지원하는 것은 단기적으로 ESS의 확대를 가져올 수는 있다. 하지만 막대한 투자비를 감당하기 위한 근본적 해결책으로는 부족하다. 

리튬이온전지의 경우 kWh당 원가가 수백 달러 이상이다. 아무리 낮춘다 하여도 kWh당 1달러 수준에 불과한 발전 원가를 극복할 수는 없다. 오히려 ESS가 없었을 경우 예상되는 막대한 손해를 ESS로 방지할 수 있고, 전력망의 운영 효율을 최적화하면서 전력 인프라 투자에 필요한 예산을 절감하는데 ESS의 매력이 있다. 더불어 돌발적으로 발생하는 수요와 공급의 불균형에도 효과적으로 대응함으로써 ‘ESS가 없었다면 지불해야 하는 막대한 피해를 방지한다’는 예방적 차원으로 인식 전환이 필요하다. 
  
서서히 입증되고 있는 ESS의 효과 

전 세계 곳곳에서 시행되는 ESS 실증 과정을 통해 효과가 차츰 입증되고 있다. 전기를 저장했다가 필요할 때 사용하는 ESS의 기본 효능은 물론이고 전기의 품질을 높여주고 전력 피크 소비의 폭을 좁혀주는 등 다양한 효과가 검증되기 시작한 것이다. 실증이 거듭될수록 ESS 관련 기업의 기대감도 높아지고 있다. 

전력 계통용 대형 ESS와 주거용 ESS를 대상으로 다수의 실증 사업을 진행 중인 미국은 효과가 검증된 영역을 중심으로 ESS의 구체적 수준까지 제도화하고 있다. 연방정부는 투자세 감면 및 감세 정책으로 기업의 투자를 촉진하고, 주정부에서도 피크 발전량의 일정 부분에 대한 ESS 의무화 제도로 ESS 실증 및 보급을 서두르고 있다. 

2011년 대지진 이후 원자력 발전을 전면 가동 중단한 일본은 전력예비율을 높게 유지하고 비상정전에 대비하기 위해 ESS를 적극적으로 지원한다. 가정용 ESS의 보급으로 전력 공급의 불안감을 잠재우는데 효과를 본 일본에서는 중앙정부와 지방 자치단체로 보조금의 지급 주체가 이원화되어있다. 경제산업성 주도로 ESS 설치 보조금을 운영함과 동시에 도쿄지역에서는 도입비용의 2/3까지를 지원하고, 사이타마현에서는 가정용 ESS에 대해 1kWh당 지원 금액까지 지정했다. 

유럽에서는 태양광 발전이 설치된 주택을 대상으로 대규모 실증 국책과제가 진행 중이다. 지난 2월, 독일 정부는 태양광 발전에 연계된 ESS의 설치 비용을 30%까지 지원하기로 했다. 독일은 이미 전체 발전량에서 태양광 발전이 점유하는 비중이 20%에 가깝다. 2020년까지 신재생에너지 비중을 35%까지 확대할 계획인 독일은 신재생에너지와 연계되는 ESS에 대한 실증과 보조금 지원으로 ESS 보급을 확대하고 있다.
상대적으로 ESS 보급이 늦었던 우리나라도 최근 들어 산업단지, 주거단지 등 대규모 전력 소비 영역 위주로 ESS 설치를 의무화하는 제도를 추진하고 있다. 또한, 다양한 ESS 실증 분야 중에서 그간의 실증을 통해 경제성이 입증된 주파수 조정 영역에서는 구체적 집행 계획까지 수립하여 투자를 확대하고 있다. 

ESS의 성장 속도가 생각보다 더디다고 느껴질 수 있다. 실증 사업을 시작한 지 벌써 몇 년이 지나갔지만, 아직도 제자리걸음을 하고 있다고 지루해 할 수도 있다. 하지만 이제 서서히 실증의 효과가 입증되기 시작했다. ESS의 활발한 실증을 통해 의미 있는 변화가 ESS 시장에서 나타나기 시작한 것이다. 
  
ESS의 본격적 성장 기반 마련을 위해서는 ESS 본질에 대한 이해가 필요 

미국의 신생 자동차 기업인 테슬라의 모델S를 필두로 유럽계 자동차 기업이 본격적으로 전기자동차를 출시하면서 전기자동차 시장이 다시 움직이고 있다. 아직 가시적인 성과를 내지 못한 전기자동차용 전지 기업들의 희망도 커지고 있다. 전기자동차 산업 육성을 강조하던 각국 정부도 전기자동차 산업에 적합한 지원 방안을 다시 구체화하고 있다. 

ESS가 포함된 전력기기 산업은 자동차 산업보다 더 복잡하다. 제품 사이클도 몇 배나 더 길고 이해관계자도 더 많다. 사업하는 기업 입장에서나 또는 산업을 육성해야 하는 정부 입장에서도 섣불리 발을 담그면 낭패를 볼 수도 있다. 익숙하지 않은 영역인 자동차 산업에서 지난 몇 년간 어려움을 겪었던 전지 기업이 ESS 영역에 선뜻 발을 담그는 것이 특히 쉽지 않아 보인다. 새로운 성장동력으로서 ESS에 어떻게 접근해야 하는지가 전지산업 관계자들의 관심사이다. 

ESS는 전력산업에 종속된 분야다. 전력산업은 본질적으로 공공성이 강하며 투자 회수 기간도 매우 긴 산업이다. 개별 단위의 주체가 경제성의 관점으로 특히 단기적인 수익성의 관점으로 접근하기 어려운 분야다. 또한 전력산업은 구조적으로 변화에 매우 소극적일 수 밖에 없다. 전력망은 전력의 안정적인 공급을 생명으로 하며 주요 장비 기기들의 사용 수명이 길고 전력망 전체 관점의 안정성이 매우 중요하기 때문에 구조를 바꾸는 변화에 보수적이다. 경제적 측면에서나 전력망 자체의 측면에서나 변화의 동인이 저절로 생기기 어렵다. 이렇게 ESS의 새로운 시장이 형성되지 않는 상황이라면 기업의 활발한 연구나 투자를 기대하기 어렵다. 전력 부문은 어느 나라에서나 국가적으로 가장 근간이 되는 부문으로 안정적인 시스템이 중시되고 로컬기반의 기업이 유리한 산업인 만큼 국내 시장에서의 탄탄한 역량 축적이 없으면 글로벌 시장으로의 진출은 생각하기 어렵다. 

이미 ESS 시장은 열리고 있고 니즈도 충분히 있다. ESS 분야는 잠재력이 매우 크다고 평가되는 산업이지만 적극적으로 드라이브하는 주체가 없으면 국가 전력망에 빠르게 적용되기도 쉽지 않고 시장과 산업 형성도 기대하기가 쉽지 않다. ESS에 정부나 기업이 소극적으로 임한다면 국가의 전력망은 시대적 흐름에 낙후될 뿐만 아니라 전력 공급의 불안정, 블랙아웃의 리스크는 해소되지 못하고 장기화될 수 있고 기업들은 잠재력이 큰 이 시장에 제대로 들어가 보지도 못하고 낙오할 수 있다. 

ESS 산업의 잠재력을 깨우려면 당장의 성과를 위해 눈에 보이는 경제성 만으로 접근하면 안된다. 한두 해 실증 사업에 투자했다고 성과를 바라는 것은 ESS 산업의 본질을 이해하지 못하는 근시안적인 생각이다. 국가적 입장에서는 ESS 산업을 국가 전력망의 기본 구성요소로서 국가 전력망의 최적의 운영 효율을 달성하고 돌발적인 전력 공급 중단 리스크를 원천적으로 방지함으로써 전력망의 신뢰성을 높일 수 있는 수단으로서의 잠재적 가치를 바라볼 필요가 있다. 관련 기업들도 ESS시장이 다가오기만을 기다리기 보다 ESS 시장의 특성을 이해하고 장기적 관점에서 기술적 기반을 준비하여 목표로 하는 세분 시장에서 경쟁력을 갖출 수 있도록 준비가 필요한 시점이다.  <끝>