"1~2시간 버티던 배터리는 옛말"… 대형 BESS, '10시간 이상' 저장시대 진입

글로벌 신재생에너지 전력망의 척추 역할을 하는 유틸리티급 대형 배터리 에너지저장장치(BESS)의 방전 지속 시간이 사상 처음으로 10시간 안팎의 '두 자릿수(Double Figures)' 영역으로 급속히 진입하고 있다.

2017년 세계 최초의 대형 배터리로 주목받았던 호주 혼스데일(Hornsdale) 프로젝트가 고작 1시간 남짓의 주파수 조정용 단기 출력 보조에 그쳤던 것과 비교하면, 불과 10년도 되지 않아 전력망의 기저 부하를 밤새 책임지는 완전한 '장주기 에너지 저장(LDES)' 체제로 진화한 것이다.

이에 발맞춰 배터리 셀의 화학 조성(Chemistry) 역시 급변하고 있다.

전기차 시장을 이끌어온 고밀도 삼원계(NCM) 배터리 대신, 1만 회 이상의 충·방전 수명을 보장하는 초고내구 리튬인산철(LFP)과 원자재 가격이 저렴하고 화재 위험이 없는 '나트륨이온(Na-ion)' 배터리가 전력망의 새로운 주류로 급부상하고 있다.
11월 1일(현지시각) 호주의 재생에너지와 청정 기술 전문매체 리뉴이코노미(RenewEconomy)는 산업 분석 리포트를 통해 "전 세계 전력망이 급변함에 따라 대형 배터리의 저장 시간이 두 자릿수로 늘어나고 있으며, 배터리 화학 조성의 대전환이 다시 한번 가속화되고 있다"고 진단했다.


리뉴이코노미에 따르면, 전 세계 전력망 운영사들이 요구하는 BESS의 사양은 최근 1~2년 사이 1~2시간에서 4시간, 그리고 최근에는 8~12시간 이상 연속 방전이 가능한 초대형 프로젝트로 수직 확장되고 있다.

이러한 변화는 태양광 발전의 폭발적 보급으로 인해 낮 시간대 전력 도매가격이 마이너스로 떨어지는 '오리 곡선(Duck Curve)'이 심화한 반면, 일몰 후 저녁부터 다음 날 아침까지 이어지는 피크 시간대 전력 부족이 극심해졌기 때문이다.

단순히 1~2시간 동안 계통 주파수를 안정화하는 단기 대응을 넘어, 낮 동안 잉여 발전된 태양광 전력을 대규모로 가두어 밤새 전력망에 전력을 지속 공급하는 '시간 이전(Time-shifting)' 역량이 전력망 안정성의 핵심 선결 과제로 부상한 것이다.

실제로 호주를 비롯한 글로벌 주요국에서는 수 기가와트시(GWh) 규모의 8~10시간급 장주기 BESS 입찰이 잇따르고 있으며, 이는 막대한 자본과 공사 지연 문제를 겪고 있는 전통적인 양수발전(Pumped Hydro)의 강력한 대체재로 자리 잡고 있다.

방전 시간이 길어지고 가동 패턴이 가혹해지면서 배터리 하드웨어의 화학 조성도 근본적인 수술대에 올랐다.

전력망 운영 환경에서는 차량용 배터리처럼 좁은 공간에 에너지를 우겨넣는 '에너지 밀도'보다, 하루 1~2회 이상의 완전 충·방전을 매일 반복해도 열화 없이 버텨내는 '사이클 수명'과 '비용 효율성'이 절대적인 평가 기준이기 때문이다.

이에 따라 화재 위험이 높고 사이클 수명이 상대적으로 짧은 삼원계(NCM)는 대형 BESS 시장에서 사실상 자취를 감추고 있다. 그 자리를 충·방전 수명 1만 회(약 20~25년 내구연한)를 돌파한 차세대 전력망 전용 대용량 LFP 셀이 채우고 있다.

더욱 극적인 변화는 나트륨이온(Na-ion) 배터리의 상용화다.

나트륨이온 배터리는 값비싼 리튬 대신 매장량이 무한에 가까운 나트륨(소금)을 양극재 원료로 사용해 원자재 가격 변동성에서 완전히 자유롭다.

또한, 영하 20~40도의 극한 환경에서도 방전 효율 저하가 거의 없고, 열폭주와 화재 위험이 극히 낮다는 점이 최대 강점이다.

업계 관계자는 리뉴이코노미와의 인터뷰에서 "기존 리튬 기반 배터리는 장시간 연속 방전이나 하루 다회 충·방전을 수행할 때 일정 시간의 휴지기(Resting time)가 필요하지만, 새로운 나트륨 화학 조성은 휴지기 없이 장시간 안정적인 출력을 공급할 수 있다"며 "공간 제약이 없는 대형 전력망 분야에서 리튬을 보완하고 대체할 강력한 게임 체인저가 되고 있다"고 전했다.

실제로 세계 최대 배터리사인 중국 CATL 등 주요 제조사들은 최근 호주와 유럽 등 주요 프로젝트에 나트륨이온 BESS 공급 계약을 체결하며 상업적 확장에 박차를 가하고 있다.


전문가들은 글로벌 배터리 산업의 연구개발(R&D)과 자본 투자의 나침반이 '전기차(EV)'에서 '전력망(Grid)'으로 구조적인 이동을 마쳤다고 입증하는 신호탄으로 평가한다.

전기차 캐즘으로 인해 주행거리를 늘리기 위한 에너지 밀도 경쟁이 숨고르기에 들어간 반면, AI 데이터센터 증설과 신재생에너지 계통 연계로 전력망용 BESS 수요는 폭발적인 성장세를 이어가고 있기 때문이다.

결국 배터리의 수명 주기 전체에 걸쳐 전력 1kWh를 저장·방전하는 데 들어가는 균등화발전비용(LCOE)을 누가 가장 낮출 수 있느냐가 차세대 배터리 패권의 최종 승부처가 될 전망이다.

글로벌 신재생에너지 및 전력 계통 전문가들은 "1~2시간 배터리가 전력망의 '소화기' 역할을 했다면, 10시간 이상 장주기 BESS는 기저 전력을 떠받치는 '발전소' 그 자체로 기능하게 된다"며 "화학 조성의 다변화와 지속 시간의 두 자릿수 도약은 화석연료 발전소의 완전한 퇴출을 앞당기고 100% 재생에너지 전력망 전환을 완성하는 결정적 분수령이 될 것"이라고 강조했다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com