전력망 에너지 저장: 2023년 배터리 기술 개요

전력망의 에너지 저장 수요

배터리는 소형 전자기기의 저렴한 부품에서 전기차 혁명의 핵심 고가 부품으로 발전했다. 이동 수단 외에도 배터리 용량 수요가 증가하는 분야가 있다. 바로 전력망이다. 이 글은 2023년에 논의된 기술을 소개하는 역사적 개요이며, 생산 목표와 전망은 당시의 맥락에서 읽어야 한다.

전체 발전량에서 재생에너지의 비중이 커지고 있다. 특히 태양광과 풍력은 날씨에 따라 발전량이 달라져 저녁이나 겨울의 수요 정점과 일치하지 않을 수 있다. 전력계통은 생산과 소비의 균형을 계속 유지해야 하며, 저장장치는 에너지를 다른 시간대에 사용할 수 있게 한다.

배터리는 송전망 확충, 수요 관리, 다른 저장 방식과 함께 계통 안정에 기여할 수 있다. 미국 EIA는 2022년 12월 미국의 배터리 저장 설비가 2022년 10월 가동 중이던 7.8GW에서 2025년 말 약 30GW에 이를 수 있다고 전망했다. 이는 전력 단위의 전망이며 에너지 용량인 GWh와는 다르다.

출처: EIA

2023년 개요에서 많은 배터리 저장 설비가 리튬이온 배터리를 사용했다. 다른 기술도 개발되고 있었다.

다양한 요구사항

배터리 산업은 주로 소형 전자기기와 전기차 시장을 중심으로 성장했다. 두 시장은 이상적인 배터리에 대해 비슷한 요구를 갖는다.

• 작고 가벼우며 질량당 에너지인 비에너지(Wh/kg)가 높을 것.
• 사용 환경에 적합한 온도 범위에서 작동할 것.
• 가격, 무게, 성능, 안전성 사이에 적절한 균형을 이룰 것.
• 사용 조건과 충방전 횟수에 따라 대체로 최소 5~10년 수준의 적절한 수명을 확보할 것.

리튬이온 배터리는 이러한 요구에 잘 대응해 왔다. 전고체 배터리는 발전 방향 중 하나이며 나트륨이온은 별개의 계열이다. 다만 리튬인산철(LFP)은 그 자체가 리튬이온 배터리의 한 종류다. 자세한 내용은 「모빌리티의 미래 — 배터리 기술」에서 확인할 수 있다.

전력망용 고정식 배터리에는 다른 우선순위가 있다.

• 무게는 전기차보다 덜 제한적이지만 운송, 설치, 기초 공사의 제약은 여전히 존재한다.
• 공간 제약은 상대적으로 작을 수 있으나 부지 비용, 인허가, 설치 면적을 고려해야 한다.
• 내부 온도가 200°C 이상인 기술도 적절한 단열, 온도 제어, 안전 대책을 갖추면 사용할 수 있다. 저온 환경과 가열에 필요한 에너지 역시 효율에 영향을 준다.
• Wh당 비용뿐 아니라 효율, 출력, 다시 공급하는 에너지의 총비용도 중요하다.
• 긴 수명은 투자비를 여러 해에 걸쳐 회수하는 데 도움이 된다. 전력회사는 30~40년의 인프라 투자 기간을 고려하지만 모든 배터리가 그만큼 오래가는 것은 아니다.

이러한 차이 때문에 전력회사와 계통 운영자에게 경제적인 저장 수단을 제공하려는 다양한 기술과 배터리 화학계가 개발되고 있다.

여러 저장 기술이 함께 활용될 수 있다. 일부는 즉각적인 수급 조정에, 다른 기술은 수시간 또는 수일의 저장에 적합하다. 수주나 계절 단위 저장에는 별도의 설계가 필요하며 배터리 이외의 방식도 활용할 수 있다.

출처: CleanTech

전력망용 배터리의 다양한 화학계

전기차 기술에서 발전한 화학계

대규모 생산과 잘 구축된 공급망은 규모의 경제를 통해 Wh당 비용을 낮출 수 있다. 따라서 전기차에서 이미 사용하는 저비용 화학계, 특히 상대적으로 저렴한 리튬이온 계열도 전력망 저장에 검토된다.

LFP 배터리

LFP는 리튬인산철을 뜻하며 양극 활물질에 코발트와 니켈을 사용하지 않는 리튬이온 화학계다. 일부 니켈계 배터리보다 저렴하고 충방전 수명이 길 수 있지만 제품과 운전 조건에 따라 다르다. 당시에도 상용 솔루션을 제공하는 기업으로 CATL과 BYD 등이 있었다.

나트륨 이온 배터리

풍부한 나트륨은 리튬 의존도와 리튬 가격 변동의 영향을 줄일 가능성이 있다. 초기 나트륨이온 셀은 대체로 LFP보다 비에너지가 낮았다. 최종 가격은 소재, 생산 규모, 전체 시스템에 따라 달라지므로 원료가 저렴하다고 배터리도 반드시 저렴한 것은 아니다. 전기차와 전력망 모두 적용 대상이다.

레독스 플로우 배터리

레독스 플로우 배터리는 전해액의 산화·환원 반응으로 에너지를 저장한다. 금속뿐 아니라 유기 화합물을 사용하는 방식도 있다. 아래에 소개하는 모든 기술이 플로우 배터리인 것은 아니다.

출처: CellCube

철-공기 배터리

철-공기 배터리는 철의 산화, 즉 녹이 스는 반응을 이용한다. 철을 산화해 전기를 생산하고 충전 시 전기를 사용해 반응을 되돌린다.

풍부하고 저렴한 철은 비용 절감 가능성을 제공한다. Form Energy의 시스템은 최대 100시간 방전을 목표로 설계됐다. 이는 방전 지속시간이지 수명이 17배 길다는 뜻이 아니다. 발표된 비용 절감 수치 역시 기술 목표이며 보편적인 보장은 아니다. 무게, 면적, 효율, 충전 속도는 여전히 설계에 영향을 준다. Form Energy는 2023년 5월 공장 건설을 시작했고 2024년 9월 시험 생산을 발표했다.

아연 배터리

또 다른 저렴한 금속인 아연을 이용하는 배터리에는 아연-브롬, 아연-망간, 아연-공기 등 여러 화학계가 있다. 특성은 서로 달라 모든 아연 배터리가 손실 없이 수주간 저장하는 것은 아니다. 장시간 저장에 맞게 설계하면 바람이 약한 기간의 전력 공급을 보완할 수 있다. 원문은 Avicenne Consulting의 전망을 인용해 아연 배터리가 2030년까지 저장 시장의 10%를 차지할 수 있다고 예상했다. 이는 이미 달성한 점유율이 아니라 당시의 전망이다. 2023년에 소개된 사례로는 Redflow(아연-브롬)과 Zinc8(아연-공기)이 있었다.

바나듐 레독스 플로우 배터리 – VRFB

바나듐은 주로 강철의 합금 원소로 사용되며, 용도가 주로 스테인리스강에 한정되는 것은 아니다. 바나듐 플로우 배터리는 일일 충방전과 재생에너지 발전량의 시간대 이동에 활용할 수 있다. 저장 시간은 전해액 탱크와 시스템 출력에 따라 달라지므로 하루 열 차례 완전 충방전과 24시간 방전을 일반적인 동시 성능으로 제시하면 안 된다. 설계 수명은 20~25년이 될 수 있으나 스택이나 다른 부품의 정비·교체가 필요할 수 있다. 전해액은 재사용·재활용할 수 있다. 관련 기업에는 CellCube, Invinity Energy Systems, Rongke Power, VRB Energy 등이 있다.

해염 / 수성 염수 배터리

염수 전해액을 이용하는 저장 방식은 다양하다. 일부는 막을 이용해 전해액을 분리하거나 이온 이동을 제어한다. Salgenx는 별도의 전해액과 서로 섞이지 않는 상을 이용하는 무막 시스템을 제시한다. 제조사의 이 설명을 모든 염수 배터리에 적용해서는 안 된다.

용융 금속 배터리

액체금속 배터리는 고온에서 가역적인 전기화학 반응으로 에너지를 저장한다. 단순히 알루미늄 제련을 거꾸로 하는 방식은 아니다.

배터리 제조에서는 단락을 방지하기 위해 양극과 음극을 적절히 분리해야 한다. 이러한 제조상의 어려움도 비용에 영향을 준다.

액체금속 배터리에서는 양극, 음극, 전해액의 주요 재료가 액체 상태이며 밀도와 서로 섞이지 않는 성질로 층을 이룬다. 용기 등 다른 부품은 여전히 고체다. 이 구성은 내구성에 유리할 수 있으나 무한한 수명, 순간 충전, 완전한 재활용을 보장하지는 않는다.

칼슘과 안티몬을 사용하는 Ambri는 2022년 발표에서 연간 20만 셀 생산능력의 신규 공장과 2023년 인도 계획을 제시했다. 이것이 2024년에 실제로 해당 생산량을 달성했다는 증거는 아니다. 2022년 9월에는 마이크로소프트용 실증 시스템 (MSFT )을 발표했다. 이는 모든 데이터센터에 대한 지속적인 상업 공급과 다르다. 2024년 7월 Ambri는 매각 완료와 Chapter 11 절차 종료를 발표했다.

출처: Ambri

2023년 당시 NGK Insulators는 용융염 기반 나트륨-황 배터리를 이미 상용화했다. FZSoNick는 나트륨-니켈-염화물 배터리를 제공했다.

금속 수소 / 니켈 수소 배터리

니켈-수소 배터리는 수산화니켈/옥시수산화니켈 전극과 알칼리성 전해액에서의 가역적인 수소 생성·산화 반응을 결합한다. 단순히 수소를 물로 바꾼 뒤 금속을 산화시키는 과정이 아니다. 다른 금속-수소 계열은 망간, 납, 철 등 다른 양극 재료를 사용할 수 있다.

니켈-수소 기술은 과거 NASA의 국제우주정거장(ISS)에 사용됐다. ISS의 배터리는 2017~2021년에 리튬이온 배터리로 교체됐다.

EnerVenue는 정비 부담이 작고 열폭주가 없는 고정식 변형을 제안한다. 과거 제시된 -40~+60°C를 포함한 온도 범위는 제품과 시험 조건에 따라 달라지며 모든 금속-수소 배터리에 적용되지 않는다.

이 기술을 개발하는 기업 중 하나인 EnerVenue는 2020년 비공개 개발 단계에서 벗어나 사업을 공개했다. 2023년 9월에는 설계 수명 30년, 충방전 3만 회를 목표로 한 새 제품을 발표했다. 이는 이미 30년간 실제 운전했다는 의미가 아니다. 수소-망간 플로우 배터리는 RFC Power가 개발하며, 현재 회사명은 Certain Energy다.

CO₂ 배터리

CO₂ 증가에 따른 기후 변화는 재생에너지와 전기화, 저장장치 확대의 배경이다. 이와 동시에 CO₂ 자체를 에너지 저장에 활용하는 기술도 개발되고 있다.

Noon Energy는 충전 시 CO₂를 고체 탄소와 산소로 분리하고 방전 시 반응을 되돌리는 전기화학 저장장치를 개발한다. 당시 소개된 설계 설명에는 50~200bar와 600~800°C라는 압력·온도 범위가 제시됐으나 모든 제품에 공통으로 검증된 사양은 아니다. 이 기술은 고체산화물 전기분해와 관련이 있지만 퍼서비어런스의 MOXIE는 CO₂에서 산소를 생산하는 실험이었으며 저장 배터리가 아니었다.

반면 Energy Dome의 “CO₂ Battery”는 CO₂의 압축, 액화, 팽창을 이용하는 열기계식 저장장치다. 여기서 배터리는 상표명이며 Noon과 같은 전기화학 반응을 뜻하지 않는다.

나트륨-황 배터리

고온 나트륨-황 배터리는 약 300°C에서 작동하며 단열과 온도 제어가 필요하다. 적절히 설계된 고정식 설비에서는 이를 활용할 수 있다. 2023년에 상업 생산이 없었던 신기술은 아니다. NGK는 2002년 상용화, 2003년 본격 생산을 시작했다. 상온 나트륨-황 연구는 별개다. 2025년 10월 NGK는 신규 생산과 신규 프로젝트 판매 중단을 발표했다.

폴리머 배터리

전도성 폴리머 배터리는 플라스틱 배터리라고도 불리며, PolyJoule 방식은 기존 금속계 활물질을 유기 폴리머로 대체한다. 리튬을 사용할 수도 있는 폴리머 전해질 배터리 전체와 혼동해서는 안 된다. 목표는 구하기 쉬운 소재와 확장 가능한 생산, 간편한 온도 관리이며 수명·안전성·가격은 제품에 따라 달라진다.

Polyjoule은 MIT 연구에서 출발한 기업으로 이 기술을 개발한다. 경쟁력은 적용 분야와 저장 후 공급하는 에너지의 총비용에 달려 있다.