전력 에너지 분야의 복합적 과제

전 세계적으로 에너지 생산이 화석 연료에서 재생 에너지로 전환됨에 따라, 에너지 공급 안정성은 많은 국가에서 점점 더 중요한 이슈로 부각되고 있습니다.  석유, 천연가스, 석탄과 같은 화석 연료는 유한한 자원이지만 자연 상태로 저장이 가능하다는 장점이 있습니다. 반면 태양광과 풍력과 같은 재생 에너지는 사실상 무한하지만, 발전량이 일정하지 않은 간헐성 특성으로 인해 전력망의 수요와 공급을 균형 있게 유지하기 위해서는 장주기 에너지 저장 솔루션(LDES, Long Duration Energy Storage)이 필수적입니다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면, 전 세계 전력 생산에서 재생에너지가 차지하는 비중은 2024년 32%에서 2030년 43%까지 증가할 것으로 예상됩니다. 또한 변동성이 큰 재생에너지원(태양광, 풍력 등)의 비중은 거의 두 배로 증가하여 28%에 이를 것으로 전망됩니다.

에너지의 생산 방식과 관계없이, 전력은 송전 및 배전을 위한 전력망(그리드)을 통해 사용자에게 공급됩니다. IEA는 많은 지역에서 전력망 혼잡(Grid congestion)이 “전력 생산, 저장 및 수요 확대를 지연시키는 핵심 병목 요인”이라고 지적하고 있습니다. 또한 증가하는 전력 수요에 대응하기 위해서는 2030년까지 전력망에 대한 연간 투자 규모를 50% 이상 확대해야 하며, 특히 기상 조건에 크게 영향을 받는 전원 구성의 특성을 고려할 때 에너지 저장의 중요성이 더욱 커지고 있다고 강조합니다.

현재 상용화된 주요 에너지 저장 기술은 양수식 수력 저장(Pumped Hydro)과 배터리 에너지 저장 시스템(BESS) 두 가지로 구분됩니다. 

양수식 수력 저장 방식은 가격이 낮을 때 물을 높은 곳으로 끌어올려 저장하고, 전력 수요가 높을 때 이를 방출해 터빈을 구동하여 전력을 생산하는 방식입니다. 현재 기가와트(GW), 나아가 테라와트(TW)급 에너지 저장이 가능한 유일한 기술이지만, 산악 지형이나 대규모 수자원이 확보된 지역에서만 적용 가능하다는 한계가 있습니다. 

지형적 제약이 없는 지역에서는 리튬이온 배터리가 주요 저장 수단으로 활용됩니다. 그러나 기존 리튬이온 배터리는 일반적으로 4~6시간 수준의 저장 용량 제한과 반복적인 충·방전으로 인한 수명 저하 문제가 있습니다. 또한 핵심 광물 의존성과 열폭주(thermal runaway) 위험도 주요 이슈로 지적됩니다. 이러한 이유로, 비용, 효율성, 확장성 측면의 다양한 트레이드오프를 고려하면서 차세대 또는 개선된 LDES 기술 개발이 빠르게 진행되고 있습니다.

그 밖에도 다음과 같은 다양한 종류의 재충전식 배터리 기술이 각기 다른 개발 단계에서 연구되고 있습니다.

• 플로우 배터리 (Flow batteries) : 두 종류의 서로 다른 전해액을 이용해 에너지를 저장하는 방식

• 압축공기 에너지 저장 (CAES) : 남는 전력을 이용해 공기를 압축하여 지하에 저장한 후 필요 시 방출하여 에너지를 생산하는 기술

• 열 에너지 저장(Thermal energy storage) : 용융염과 증기를 활용한 폐쇄형 시스템 또는 집광형 태양열 발전(CSP)을 통해 낮 동안 축적한 열에너지를 저장

• 수소 에너지 저장 : 재생에너지를 활용해 전기분해 방식으로 수소로 전환하여 장기 저장

국제전기기술위원회(IEC)에서는 이러한 다양한 에너지 저장 기술에 대한 표준화 작업이 진행 중입니다. 다만 에너지 저장 분야는 기술 혁신이 매우 빠르게 이루어지고 있기 때문에, 현재 기술 수준에 지나치게 제한된 표준을 적용할 경우 향후 기술 발전의 걸림돌이 될 수 있습니다. 따라서 미래 기술까지 고려한 유연한 표준화 접근이 중요합니다.

관련 주제에 대한 추가 정보는 원문 자료를 참고하시기 바랍니다.