글로벌 ESS(에너지저장시스템) 시장은 2030년까지 약 750GWh 규모로 성장할 전망이다. 우리 정부는 전력수급기본계획에 따라 2038년까지 21.5GW 규모의 장주기 ESS 구축을 목표로 설정했다.

국내 대표 배터리 기업인 삼성SDI·LG에너지솔루션은 전고체전지, 리튬금속 배터리 등 차세대 신기술 상용화를 앞두고 있다. 그중 삼성SDI는 내년 하반기를 전고체 배터리 양산 목표 시점으로 잡으며 국내 3개사 중 가장 속도를 내고 있다. 삼성SDI가 개발하는 배터리는 무음극계 기반의 고에너지밀도 제품이다. 초기에는 로봇·피지컬 AI 등 고부가 가치 시장에 적용될 예정이다.

LG에너지솔루션의 전기차용 전고체는 2029년, 로봇·UAM(도심항공교통)용 무음극계 전고체 2030년 양산을 목표로 하고 있다. 이 차세대 배터리는 황화물계 전고체 기술에 기반해 개발 중이다. LG에너지솔루션은 특히 제품의 안전성과 제조 공정의 안정성을 확보하는 데 중점을 두고 있다.

그러나 2017년 고창 풍력발전소 ESS 화재, 2018년 전남 영암 풍력발전소 ESS 화재, 2022년 전남 영암군 태양광발전단지 등 잇따른 ESS 화재 사고 이후 안전성 논란은 여전히 완전히 해소되지 않은 상태다.

국내 연구진이 ESS 안정성을 높이는 신기술을 잇달아 발표하고는 있지만, 아직 보편화 단계에 이르지는 못했다. 이에 따라 대규모 ESS가 전력망에 대거 편입될 때 발생할 계통 안정성·출력제어·혼잡 문제 등이 주목받고 있다.

◇기술 혁신...안전성과 대용량화의 진전

정부는 ESS를 전력시장의 핵심 인프라로 규정하고 중앙계약시장 경쟁입찰제 도입, 장주기 ESS 중심의 신규 시장 설계를 추진하고 있다. 이에 따라 산업단지, 데이터센터, 발전소 등 다양한 수요처에서는 ESS 설치가 빠르게 확대되며 관련 산업 생태계도 성장 국면에 진입하고 있다.

이 같은 수요 확대 속에서 배터리 기술 혁신도 가속하고 있다. 전고체전지(ASSB)는 기존 리튬이온 배터리 대비 화재 위험이 크게 줄고 충·방전 안정성이 향상되며 에너지 밀도가 1.5~2배 높아 ESS용으로 최적화된 차세대 기술로 평가된다.

ASSB는 현재 상용화 초기 단계에 진입한 가운데 삼성SDI와 LG에너지솔루션 등 국내 기업들이 개발 경쟁을 벌이고 있다. 특히 삼성SDI는 내년 하반기 전고체 배터리 양산을 목표로 가장 빠른 일정을 제시했으며, 무음극계 기반 고에너지밀도 기술을 적용해 로봇·피지컬 AI 등 고부가 시장을 초기 타깃으로 삼고 있다.

리튬금속 배터리도 에너지 밀도가 기존 배터리 대비 30~50% 높아 장주기 ESS에 적합한 기술로 주목받고 있다. 정부는 이 기술 상용화와 시장 확대에 맞춰 화재 감지, 자동 소화, 가스 누출 모니터링 등 안전 기준을 강화하고 전국 ESS 통합 안전관리시스템을 시범 운영하며 안전성 확보에 나서고 있다.

◇전력망 통합 문제...ESS 확산에 더 복잡해지는 계통

에너지저장장치(ESS)의 급증은 전력망 운영 측면에서 계통 복잡도를 높이고 전력 수급 불균형 등 우려를 낳고 있다. 현재의 전력망이 이 같은 변화의 속도를 감당할 수 있는지 판단하기 위해서는 세 가지 구조적 문제를 짚어볼 필요가 있다.

첫째는 재생에너지 출력제어 상시화와 계통 혼잡 심화다. 2025~2026년을 전후로 송·배전망 혼잡이 빠르게 확대되고 있으며, SMP(전력도매가격)·REC(신재생에너지 공급 인증서) 변동성도 커지고 있다.

태양광·풍력 발전량이 늘면서 출력제어가 상시화되는 상황에서 ESS는 이를 완화하는 역할을 할 수 있지만, 대규모 ESS가 특정 시간대에 동시에 충·방전을 수행할 경우 오히려 계통 불안정성을 유발할 수 있다는 점이 지적된다. 새로운 변동성 요인인지에 대한 정교한 관리 체계가 요구되는 대목이다.

둘째는 전력 수급의 시간대 불균형 확대다. AI 데이터센터와 산업 부문의 전력 수요가 급증하면서 피크 시간대 전력 수요는 과거보다 훨씬 가파르게 증가하고 있다. ESS는 피크 저감에 기여할 수 있지만, 현재 시장 구조가 단주기 ESS 중심으로 형성돼 있어 장주기 ESS가 충분히 확산되지 않는다면 계통 안정화 효과는 제한적일 수 있다. 정부가 장주기 ESS 중심의 중앙계약시장 경쟁입찰제를 추진하는 이유도 여기에 있다.

셋째는 분산형 ESS 확산에 따른 전력망 운영 복잡성 증가다. 분산에너지 특구, RE100 산업단지, 마이크로그리드 등 지역 단위의 에너지 자립 모델이 확산되면서 ESS가 전국적으로 분산 설치되는 추세다. 이는 기존의 단일 계통 구조를 지역별 분산 계통으로 분화시키며 전력망 운영 난도를 크게 높이고 있다.

분산형 ESS가 늘어날수록 개별 자원을 통합해 하나의 발전소처럼 운영하는 AI 기반 가상발전소(VPP)의 중요성이 커지나, 아직 국내에서는 통합 운영체계 마련은 초기 단계에 그치는 것으로 나타난다.

ESS 수요 폭증과 차세대 배터리 기술 상용화는 국내 배터리 산업에 새로운 기회인 동시에 전력망 운영의 복잡성과 불확실성을 높이는 요인이다. 정부와 산업계가 ESS 확대와 계통 안정화 대책을 동시에 추진하지 않으면 에너지 전환 속도가 오히려 계통 리스크를 키울 수 있다. 따라서 한국 전력망이 ESS 시대의 복잡성을 어떻게 관리하느냐가 향후 에너지 산업 경쟁력의 핵심 변수로 떠오르고 있다.

넷째는 한국 전력망의 준비 수준은 아직 충분하다'고 보기 어렵다. 글로벌 ESS 시장의 급성장세에 맞춰 우리나라도 대기업을 중심으로 2038년까지 21.5GW 규모의 장주기 ESS 구축을 추진 중이다. 하지만 과거 화재 사고 이후 여전히 남아 있는 안전성 논란과 대규모 ESS 편입 시 계통 혼잡 우려는 해결해야 할 과제로 남아 있다.

정부는 전력망의 ESS 수용 능력을 높이기 위해 제도적 기반을 확충하고 있다. 선로 증설을 대신할 수 있는 NWA(Non-Wire Alternative) ESS 도입, 분산에너지 배전망 ESS 확대, 공공기관 ESS 설치 의무화 등이 추진되며 전력망 유연성 확보를 위한 정책적 장치가 마련되는 중이다.

그러나 전문가들은 이러한 조치만으로는 ESS가 전력망의 ‘플렉서블 자산’으로 완전히 기능하기 어렵다고 지적한다.

ESS가 계통 안정화 자원으로 자리 잡기 위해서는 몇 가지 핵심 조건이 필요하다. 우선 피크 저감과 출력제어 완화 효과가 제한적인 단주기 ESS 구조에서 벗어나 장주기 ESS 중심의 시장 설계가 이뤄져야 한다. 또한 전국 단위의 AI 기반 충·방전 최적화 시스템을 구축해 ESS가 동시에 작동하며 발생할 수 있는 전력망 불안정 현상을 방지해야 한다.

송·배전망 증설과 혼잡 완화 투자도 병행돼야 한다. 재생에너지 확대와 데이터센터 전력 수요 증가로 이미 계통 혼잡이 심화되는 가운데, ESS까지 대규모로 편입될 경우 기존 인프라만으로는 안정적 운영이 불가능하기 때문이다. 따라서 전력망 운영 주체인 한국전력공사의 실시간 계통 제어 역량 강화가 필수 과제로 꼽힌다.

◇ESS는 미래 전력망의 핵심, 그러나 ‘통합 능력’이 성장을 결정한다

ESS 산업은 기술 혁신과 수요 증가를 기반으로 폭발적 성장을 이어가며, 국내 배터리 기업들도  차세대 배터리 상용화를 통해 글로벌 경쟁력을 강화하고 있다.

그러나 ESS의 급격한 증가는 전력망의 복잡성을 높이고 과거의 안전성 논란과 계통 안정성·출력제어·혼잡 문제를 새로운 형태로 재발시킬 우려가 있다. 정부가 NWA ESS, 분산형 ESS, 공공기관 ESS 의무화 등 제도적 기반을 확대하고 있지만, 대규모 ESS를 온전히 수용하기에는 현재 전력망의 준비 수준이 여전히 부족한 실정이다.

향후 5년은 한국 ESS 산업의 성패를 가르는 결정적 시기가 될 전망이다.

장주기 ESS 중심의 시장 구조 확립, AI 기반 충·방전 최적화 시스템의 전국 확대, 송·배전망 증설과 혼잡 완화 투자, 그리고 한전의 실시간 계통 제어 역량 강화가 동시에 이뤄져야 ESS가 전력망의 유연한 자산으로 기능을 할 수 있다. 

결국 ESS의 성장 속도를 결정하는 것은 배터리 기술 그 자체보다 이를 안정적으로 수용하는 전력망의 역량이며, 한국이 주도권을 확보하기 위해서는 기술·시장·계통을 아우르는 통합 전략이 필수적이다.