전 세계적으로 전력효율향상 및 고유가문제를 해결을 위해 에너지저장기술을 R&D 핵심과제로 삼고 치열한 기술개발경쟁을 진행 중이다. 에너지저장기술은 에너지를 저장해 필요할 때 사용함으로써 에너지 효율을 높이기 위한 장치로서 가정용 및 대규모 전력저장 장치, 변동성이 큰 풍력 또는 태양광 발전의 활용 효율을 높이기 위한 신재생 에너지용 저장장치, 플러그인 하이브리드 자동차용 전지 분야의 핵심기술로 부상하고 있다. 우리 정부 또한 2004년도부터 당시 산자부 지원 하에 차세대 이차전지 개발을 성장동력사업으로 추진하고 95%의 에너지효율을 나타내는 초전도 에너지저장 시스템연구에도 전력기금사업으로 지원해 지속적인 기술개발을 한다는 계획이다.  

분산형전력저장시스템 · PHEV
배터리 시장확대 예상

현재 전세계적으로 전력 수요는 지속 증가하는 반면 발전설비 활용효율은 점차 저하되고 있는 추세다.

전력수요는 ‘10년 21.0조KWh에서 2020년 27.5조KWh으로 년 2.7% 증가함에 따라 발전용량 확대가 불가피하지만, 계절별 전력수요의 편차가 점차 확대되고 있고 연중 전력 수요예측 또한 어려워지고 있는 상황이어서 설비 활용률은 계속 저하되고 있다.

결국 전력수급에 있어 공급부족과 잉여전력의 폭이 점차 커져 신규발전설비 건설 부담과 설비활용율 저하라는 이중고에 시달리게 될 수 있다는 예상이 나오고 있다.

따라서 중대형 에너지저장시설의 확대로 분산형 전력저장시스템을 구축하고 잉여전력을 저장해 전력 수요가 높은 시기에 원활하고 안정적인 전력공급이 가능하게 하는 것이 전세계적인 과제로 부상하고 있으며 그 중심에 에너지저장기술이 있다.

또한 신재생에너지를 활용한 전력공급 비중이 점차 커지면서 대두되고 있는 전력품질문제에 대한 대안으로서 에너지저장기술개발에 관심이 모이고 있다. 

전 세계적으로 전력공급의 발전량과 발전 시점이 불규칙한 풍력·태양광의 누계 발전용량이 확대되면서 전력 공급의 안정성이 갈수록 낮아질 전망이다. (‘10년부터 ‘20년까지 풍력은 172GW에서 709GW, 태양광은 22GW에서 160GW로 각각 증가, 신재생 에너지 발전량 비중 : ‘10년 2.0%에서 ’20년 7.8%) 태양광이나 풍력을 통해 발생된 전기는 일정한 패턴이 보이지 않고 기후에 크게 영향을 받기 때문에 생산된 전력을 저장해 안정하게 공급하기 위한 에너지저장기술의 수요가 계속 확대될 수 밖에 없다.

현재 각국이 앞 다투어 기술개발에 주력하고 있는 PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle)핵심 기술 또한 고밀도, 고성능의 전지개발에 달려 있다고 해도 과언이 아닌 상황이어서 에너지저장기술은 차세대 산업의 핵심 분야로 급부상하고 있다.

한편 에너지저장기술로 인해 4,977천TOE/년의 에너지절감 효과와 15,840천TOE/년의 환경오염물질감소 효과를 유발할 것으로 예상되고 있으며 대용량전지기술의 경우, ‘15년이 되면 현재보다 10배 이상의 시장규모를 가질 것으로 예상된다.

또한, 저장기술의 발달로 인해 시스템가격도 현 수준의 1/2~1/3 수준으로 감소될 것으로 전망된다.

 에너지저장기술의 대표주자 ‘2차전지’

연축전지, 니켈카드뮴전지, 니켈수소전지, 리튬이온전지, 리튬폴리머전지 등을 포함하는 2차전지분야는 현재 가장 치열한 경쟁이 이뤄지고 있는 분야로 우리나라 또한 리튬이온전지 분야의 강국으로 현재 국내기업이 전 세계 시장에서 선전하고 있다.

자동차의 배터리로 그동안 사용되온 연축전지는 자동차의 고성능화와 함께 고출력, 신뢰성 향상에 있어 최근 20년간 급속도로 기술진보가 이루어져 현재는 시장이 거의 성숙단계에 접어들고 있는 상황이고 니켈카드륨전지 또한 휴대용 가전제품의 전원으로 널리 활용되다 카드뮴의 독성과 메모리현상으로 고성능 전지에게 시장의 패권을 넘겨준 상태.

니켈수소전지는 비교적 최근인 1990년대에 상용화돼 에너지저장밀도의 향상과 카드뮴의 제거로 휴대형 전자제품에 널리 적용되고 있다.

메모리 현상이 없으며 다른전지에 비해 방전이 느리고 가장 높은 효율을 보이는 리튬이온전지는 현재 2차전지의 총아라고 불리고 있을 만큼 휴대용 가전제품에 가장 널리 사용되고 있으며  리튬이온 폴리머 전지 또한 리튬 이온 전지의 뒤를 이어 차세대 전지로 각광받고 있으며 앞으로 다양한 분야의 적용을 위해 대형화·고밀화도화 연구가 진행 중이다.

VRF(Vanadium Redox Flow), NaS 는 히터나 전지가 사용되는 대형 프로세스형 배터리로서 대규모 전력수용처에서 사용되고 있으나 효율이 떨어지고 특히 NaS 전지의 경우 일본 NGK사가 전세계시장에서 독보적인 위치에 있어 후발주자로서 기술확보가 쉽지 않은 상황이다.

미·일·EU, 성장동력으로 집중투자

IEA 참여국가의 에너지기술 정부 R&D 예산은 감소하고 있으나 에너지 저장기술 정부 R&D 예산비율은 상대적으로 상향조정되고 있다.      
                                                                                    
미국은 부시 정부가 Advanced Energy Initiative(‘06. 2)에서 에너지기술을 위해 22% 예산 증액을 표명하고 ‘06년 DOE에서는 에너지저장기술 관련, 미래기술로서 고성능 배터리, 초전도, 수소기술 분야에 신규 투자를 공언했다.

‘FreedomCar and Fuel Partnership’ 프로그램 수행을 위해 17억 달러 R&D 투자를 하고  2040년까지 석유 11백만 배럴 감축 목표를 설정했다.  

일본은 최근 10년 동안 에너지저장원천기술에 대한 R&D 분야에 지속적인 투자 및 기술을 확보해온 에너지저장기술 선진국이다.

Sumitomo, Kansai electric社에서는 유동전지를 이용한 대용량 집중형 소용량분산형 전기저장시스템 개발 중에 있으며 ‘2030년 전기차 일반화’를 위해 배터리개발에 5년간 245억엔을 투자하고 2015년까지 플러그인 전기자동차 보급 계획을 마련했다.

또한 Xenesys Inc.는 4MW급 열에너지변환장치를 후지석유정제회사에 공급, 최근 배타적인 경제수역(EEZ)에서 해양열에너지변환전력추정치를 발표 (EEZ: 270,000,000 kW)해 성공적인 실증시험 수행한 바 있다.

EU는 FP7 프로그램’에서 29억 유로 에너지 R&D 예산 중 에너지 효율을 위해 2~3억 유로의 예산을  책정하고 핵심연구분야로 플러그인 하이브리드 자동차, 전력산업(초전도, 에너지 저장, 전력분산, 히트펌프) 지정했다.

독일의 경우 05년에 열에너지저장기술 R&D를 위해 약 60개 프로젝트에 6백만유로를 집행했으며 네덜란드에서는 KEMA, Bureau Lievense로 구성된 에너지 회사들이 ‘에너지섬 (Energy Island)’이라는 새로운 개념의 해상에너지저장시스템 개발 발표하기도 했다.

이스라엘에서는 사해의 물을 끌어들여 태양열을 축열시켜 놓았다가 온도차를 이용해5,000kW의 발전소를 가동, 추후 200만kW급의 발전소 건설 계획을 발표했고 독일Rubitherm사는 열저장기술을 도입, 상전이물질을 이용한 식품저장용기 등 상용화에 성공했다.