리튬이차전지, 에너지 저장 장치로 주목-POSRI_보고서_20121226 by (주)산업장터

2012. 12. 26

POSRI 보고서

리튬이차전지, 에너지 저장 장치로 주목 박수항 연구위원, 패밀리경영연구센터 (spark0326@posri.re.kr)

[목 차]

1. ESS(Energy Storage System) 개요 2. 높은 성장 전망에 이차전지 업체들의 시장 진입 증가 3. 초기 시장개발 단계에 따른 불확실성도 존재 4. 국내 기업에 대한 시사점

리튬이차전지, 에너지 저장 장치로 주목

Executive Summary

○ 지진∙ 정전 등 예고 없는 재난으로 인한 피해 최소화와 신재생에너지 증가

에 따른 에너지 저장 장치(ESS, Energy Storage System) 필요성 증가 - 저장된 전기에너지를 필요한 때와 장소에 공급함으로써 전력 공급 안정성 및 사용 효율성을 제고하고, 신재생에너지의 출력 안정화 도모 - 가장 보편적인 시스템은 물의 고저(高低)에 따른 위치에너지를 활용한 PHES(Pumped Hydro Energy Storage)이며, 전세계 ESS 시장의 99%를 점유

○ 부진한 전기차용 중대형 배터리 수요 대체를 위해, 높은 성장 전망의 ESS

산업에 진입하는 리튬전지 제조기업 증가 - 이차전지 기반 ESS는 전기차용 전지와 유사한 구성요소에 PCS(Power Conditioning System)가 추가된 구조로, 기존 이차전지 설비 활용 가능 - 이차전지 ESS에도 납 축전지, NaS 전지, 리튬전지 등 소재 특성에 따른 다양 한 종류가 있으나, 최근 리튬전지 기반 ESS 개발 참여 증가 - 美 Pike Research는 ESS용 리튬전지 시장이 20조원 규모로, 연 평균 성장률은 50% 수준으로 전망하였음

○ 국내 ESS 산업은 설치 유인(誘因) 부족으로 보급이 느린 편이었으나, 최근

정부 주도로 리튬전지 기반 ESS의 보급 촉진 계획 수립 - 국내의 안정된 전력망, 낮은 전기 요금, 낮은 자연 재해 발생률 등은 ESS에 대한 필요성을 그다지 느끼지 못하게 만드는 요인이었음. ’11년 대규모 정전 사태 등 전기 사용량 급증을 계기로 정전 피해 최소화와 리튬전지 ESS 산업 의 신성장동력화를 위한 정책 수립

○ ESS 필요성 증가에 따라 리튬전지 ESS 또한 성장 전망이 우세하지만, 초

기 시장개발 단계 특성에 따라 기술 및 시장의 불확실성도 존재 - PHES 등 전통적 ESS 대비, 리튬전지 ESS는 기술 준비도(Technology readiness) 및 생산 준비도(Manufacturing readiness)가 낮은 초기 개발 단계 - 차세대 ESS 시장 선점을 위해 다양한 기술이 경합 중이므로 향후 어떤 기술 이 최종 우위를 선점할지에 대한 불확실성 존재 - 한국은 세계적 수준의 리튬전지 제조기술을 보유하고 있으나, 원천기술 및 소재부품의 경쟁력이 상대적으로 낮아 기술 선도국과 경쟁에 어려움이 존재

리튬이차전지, 에너지 저장 장치로 주목

1. ESS(Energy Storage System) 개요  ESS는 전기에너지를 필요한 때와 장소에 사용할 목적으로 저장하는 장치로, 전력 안정성 및 효율성 확보를 위해 설치 ○ 전력 수요 급증에 따른 공급 안정성 및 품질 확보 -

전력 공급 안정성 확보: 불시의 정전 사태 발생시 피해 최소화

전력 품질 향상: 신재생 에너지 증가로 인한 불안정한 출력 안정화

전력 효율성 제고: Peak 수요 시간대 전력 수요 분산

○ 스마트그리드 구축의 핵심 요소 -

추가 발전소 건립 없이 전력수급 불균형 해소 및 안정적 계통 운영

 ESS 기술 중 가장 보편적인 방식은 PHES(Pumped Hydro)이나, 축전(蓄電)-방전(放電) 전환 어려움과 설치 제약으로 성장성 낮음 ○ PHES는 저비용 전력을 활용해 물을 고지대로 이동시킨 후, 필요할 때 전기에너지로 변환시키는 방식으로, 전세계적으로 약 110,000 MW 규모 가 설치되어 전체 ESS 중 99%를 차지

 이차전지는 설치 장소가 비교적 자유롭고 효율이 높아 차세대 ESS용 기술로 주목 받고 있음 ○ 이차전지 ESS 설치 규모는 약 400MW로, 전세계 ESS 중 3번째 점유 -

2위는 압축공기(Compressed Air) 방식으로, 약 477MW 규모

2. 높은 성장 전망에 이차전지 주요 업체들의 시장 진입 증가  ESS 用 이차전지는 전기차용과 기본적인 구성 요소 유사 ○ ESS용은 전력계통과 연계 제어가 중요한 요소이므로, 전기차용 배터리 시스템에 PCS(Power Conditioning System)이 추가된 구조 <ESS용 이차전지> <전기차용 이차전지> BMS (Battery Management System)

PCS (Power Conditioning System)

전지 Cell

리튬이차전지, 에너지 저장 장치로 주목

 일본 원전 사태 등 불확실성에 대비하기 위한 ESS의 중요성이 부각 되면서, 高용량 低비용의 리튬 이차전지에 대한 관심 증가 ○ 이차전지 방식의 ESS 중 납축전지가 현재까지 가장 많이 보급되어 왔 으나, 용량이 낮고 유해물질 배출 등의 문제로 확산에 한계 ○ 반면, 리튬이온 전지, NaS(나트륨 황) 전지 등은 상대적으로 높은 에너 지 밀도와 경제성으로 성장 잠재력 보유

 리튬전지 업체들은 전기자동차 성장 부진에 따른 중대형 전지 실적 보완을 위해 성장 전망 높은 ESS 시장 진입 ○ 주요 리튬 이차전지 업체들은 전기자동차의 高성장 전망에 따라 중대 형 전지 설비 투자를 실시했으나 예상보다 실적이 부진 -

’11년 전기자동차용 배터리 실적은 ’09년 전망치의 1/4 수준에 불과

美 A123, Ener1의 파산보호 신청, 국내 L사의 美 전기자동차용 배터리 공장 가동연기 등 전기자동차 부진에 따른 이차전지 업체들의 고전

○ Sony, Panasonic(日), BYD, ATL, Lishen(中) 등 대부분의 글로벌 리튬 전 지 메이저 업체들도 ESS Project에 적극 참여 ○ 국내 S사와 L사 등 국내 주요 업체들도 기존 투자 설비를 최대한 활 용하는 전략으로 ESS 시장에 대응 -

국내 S사는 기존 소형 Mobile 기기 用 18650 전지 조합, 국내 L사는 전기차 用 중형 배터리 설비를 활용

○ 美 Pike Research는 ESS 시장이 ’10년 2조원에서 ’20년 47.4조원 규모 로 성장할 것으로 전망 -

ESS용 리튬전지는 ‘20년 20조원 규모로 연 평균 50% 수준 성장 예상 <리튬 이차전지 세계시장 전망>

자료: 美 Pike Research, 수출입은행

리튬이차전지, 에너지 저장 장치로 주목

 주요국들은 자국 內 ESS 확대 및 자국 산업 육성을 위해 보조금 지급 등 정책적인 지원 Program을 운영 ○ (일본) 리튬 이차전지 산업 육성을 위한 보급사업 추진 -

경제산업성 주관 연 210억엔 규모의 ESS 설치 보조금 운영

보조금은 도입 비용의 최대 1/3 수준(가정용 100만엔, 법인용 1억엔 限)

지방 자치단체별 ESS 보조금 지급(도쿄, 사이타마현 등)

○ (미국) 세계 최초 ESS 설치 의무화 제도 시행 -

대기업 중심 기술개발 및 실증 추진

캘리포니아州, 태양광 연계 ESS 대상 최대 2,000$/KW 인센티브 지급

’14년부터 피크전력의 2.25% ESS 설치 의무화하고, ’20년부터 피크전력의 5%로 상향 조정

○ (유럽) 독일 중심의 신재생 에너지 연계 리튬 2차전지 ESS 도입 추진 -

獨 Conergy社와 佛 Saft社 등이 독일과 프랑스 정부 지원으로 국책과제 수행(태양광리튬 이차전지 ESS)

태양광 주택의 에너지 자급을 위한 5~15kW급 리튬 2차전지 도입 타당성 평가

○ (한국) 전력수급 안정화 및 전력저장산업 육성을 목표로 초기 시장 창 출 지원에 주력(ESS 보급 촉진방안, ’12.7) -

’15년 50만 KW, ’20년 200만 KW ESS 보급 목표

공공건물 우선설치 및 단계적 의무화, 민간 전력 다소비 수요가 중심 인센티브 도입 및 설치 의무화 검토(’15년)

3. 초기 시장개발 단계에 따른 불확실성도 존재  이차전지 기반 ESS는 내연 터빈, PHES 등 기존 기술 대비 아직은 기술 후행(後行) 수준 < ESS 주요 기술 성숙도 비교> 구분 기술준비도 (Tech. Readiness) 생산준비도 (Manuf. Readiness)

NaS

리튬

Redox

전지

내연

압축

터빈

공기

PHES

Flywheel

자료: National Assessment of Energy storage(’12. 6), DOE * 숫자가 높을수록 기술 성숙도 증가

리튬이차전지, 에너지 저장 장치로 주목

 제품개발 단계에서 다양한 기술이 경합 중이므로 향후 어떤 기술이 최종 우위를 선점할지 예측하기 어려움 ○ 이차전지 방식도 전지 종류에 따라 Lead-acid(납축전지), NiMH(니켈수 소), NaS(나트륨 황), Li(리튬이온), Redox 전지 등 다양한 기술 존재 -

특히, NaS전지는 리튬전지 대비 제조 비용 우위에 따라 상용화 측면에서 현재 시점 기 준 우세를 차지하고 있음(전세계 설치된 NaS전지 316MW vs. 리튬전지 20MW)* * 美 EPRI(Electric Power Research Institute), ’10. 12月

○ 국가별 시장 형성 단계와 자국 內 산업 연관성 등에 따라 주력 기술 접근에 대한 차이 존재 -

일본과 한국은 리튬 2차전지 산업 주도권을 최대한 활용

미국은 노후 전력계통 보완 위해 다양한 기술을 동시에 적용 중

유럽은 신재생 에너지 활성화에 따른 출력 안정화용 시스템에 중점

 국내 ESS 산업은 시장 성장 유인 부족으로 선진국 대비 기술 수준 및 실증 실적 미비 ○ 안정된 전력망, 낮은 전기 요금, 낮은 자연 재해 발생률 등으로 국내 ESS 설치 유인 부족에 따라 상대적으로 시장 성장이 더딘 편 ○ 전반적인 ESS 기술 또한 기술 선도국 대비 열위 -

리튬전지 제조기술에 있어서는 최고 수준 기술 보유 중이나 원천기술 및 부품소재 기 술은 상대적으로 열위 < ESS 주요 기술 수준 비교> 최고기술

국내

보유 업체

주요업체

미쯔비시,

SDI,

응용제품

GS유아사(日)

LG화학

개발

NGK(日)

포스코

Prudent

LS산전,

Energy(中)

호남석화

플라이휠

보잉(美)

압축공기

PG&E(美)

구분

리튬전지 NaS 전지 Redox전지

R&D 단계

국내기술수준(세계 최고: 100) 원천

부품소재

제조

초기개발

전력연구원

제품개발

삼성테크윈

초기개발

자료: 지경부 K-ESS 2020(2011. 5)

○ 제주 스마트그리드 등 다수의 실증사업이 국내에서 진행 중이나, 대부 분 사업 개시 1~2년 미만으로 최소 2~3년간의 검증 기간 소요 ○ 보급제품에 대한 시험평가 및 안전 인증 등 인프라도 부재

리튬이차전지, 에너지 저장 장치로 주목

4. 국내 기업에 대한 시사점  높은 성장 전망 존재하는 산업이나, 초기 시장 및 기술에 대한 불확실성도 상존하므로 지나치게 낙관적인 전망은 금물 ○ 리튬전지 기반의 ESS에 대한 성장 전망은 대체로 리튬전지 보급 증가 에 따른 제조 비용 급락을 전제로 하고 있음 -

리튬전지 가격 전망 ($/KWh, 日 NEDO) : (’10년) 1,000  (’20년) 200

○ 반면, 글로벌 경기 하락에 따라 전기차 등 중대형 전지 수요 증가가 예상보다 더디게 진행될 가능성도 있어 전지 가격하락 폭도 기대에 못 미칠 가능성 존재 ○ 일본의 경우, 대지진 및 원전 폭발 등을 계기로 ESS에 대한 수요가 일 시적으로 증가한 바 있으나, 복구 마무리 이후 고가의 가격 등으로 수 요 하락 현상 발생(日 야노 연구소) -

발생 수요의 대부분은 정부 예산을 활용한 지진 피해지역 복구용

이 자료에 나타난 내용은 포스코경영연구소의 공식 견해와는 다를 수 있습니다.

리튬이차전지, 에너지 저장 장치로 주목

< 참고 문헌 > · Electric Power Research Institute(2010), “Electricity Energy Storage Technology Options” · 美 에너지부 & Pacific Northwest National Laboratory(2012), “National Assessment of Energy Storage for Grid Balancing and Arbitrage” · David Connolly(2010), “A Review of Energy Storage Technologies” · Imperial College London(2012), “Strategic Assessment of the Role and Value of Energy Storage Systems in the US Low Carbon Energy Future” · SDI(2012), “국내 ESS 보급동향 및 향후 전망” · KEPCO(2012), “대용량 전력저장시스템 기술실증 현황 및 향후 전망” · 지식경제부(2012), “대용량 전력저장장치 보급촉진 방안” · DAIWA 증권(2012), “LiBs: the missing link”