재생에너지 시대, 장주기 ESS의 중요성

재생에너지 시대, 장주기 ESS의 중요성

대학생신재생에너지기자단 23기 김경훈, 27기 박지은, 조희선, 28기 정성엽, 홍서연

 

재생에너지 확대와 그로 인해 발생하는 문제점

오늘날 기후 문제는 국경을 넘나드는 중요한 문제이다. 이를 해결하기 위해 국제사회는 탄소중립을 목표로 삼고 에너지 전환에 힘쓰고 있다. 여기서 말하는 에너지 전환은 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 재생에너지를 중심으로 한 지속 가능한 전력을 뜻한다. 현재 재생에너지는 과거에 비해 많이 확산됐고, 점진적으로 발전해 나갈 것으로 보인다.

하지만 여기서 문제가 발생한다. 바로 간헐성과 변동성으로 인한 전력 계통 안정성 저하 부분이다. 재생에너지는 기후 조건, 지리적 특성, 기상 변동성 등의 다양한 요인으로 인해 일정한 발전이 어렵다.

해당 데이터는 한국전력 거래소의 '지역별 시간별 태양광 및 풍력 발전량' 자료를 기반으로, 2024년 여름과 겨울 각각 하루 단위의 전력 부하곡선을 비교한 것이다. 특히 00시부터 08시까지의 새벽 시간대에 주목할 필요가 있다. 그래프를 통해 확인할 수 있듯, 이 시간대에는 재생에너지 발전량이 현저히 낮아 기저부하를 안정적으로 감당하기 어려운 구조임을 보여준다. 또한 풍력 발전 시스템은 시간대와 무관하게 불규칙한 출력 변화를 보이며, 이는 예측이 어렵고 전력 계통 운영에 부담을 줄 수 있는 요소로 작용한다. 물론 하루치 데이터에 불과하지만, 태양광과 풍력 발전량이 시간대별로 급격히 변동하는 모습은 재생에너지의 간헐성과 예측 불가능성을 단적으로 보여준다.

제11차 전력수급기본계획에 따르면, 2038년 전력수요 목표는 129.3GW이며, 이 중 재생에너지가 담당하는 비중은 42.6GW(32.9%)에 해당한다. 하루 전체 소비전력은 약 3,103GWh에 달하지만, 재생에너지는 일조량과 바람에 따라 발전량이 변동하기 때문에 하루 중 약 8시간 정도는 충분한 전력 공급이 어려울 수 있다.

이 경우 약 340.8GWh, 하루 전체 전력의 약 11%에 해당하는 부분을 보완할 수단이 필요하며, 단순히 재생에너지 확대 속도 못지않게 전력망 안정성과 신뢰성 확보가 더욱 중요하다는 사실을 보여준다. 이러한 배경은 앞으로 정책과 기술 개발에서 고려해야 할 핵심 문제로 떠오르고 있다. 

위 자료에서 확인한 바와 같이 전력 계통의 안정성을 확보하기 위해서는 최소 6시간 이상 지속적으로 전력을 공급할 수 있는 백업 설비가 필요하다. 이는 기존의 단기저장 방식으로는 한계가 있으며, 장시간 출력 유지를 가능하게 하는 새로운 기술의 필요성을 뜻하는 것이다. 다음 본론에서는 이러한 요구를 충족시키는 기술인 ‘장주기 ESS’를 중점적으로 살펴보고자 한다.

 

장주기 ESS의 개념과 필요성

ESS는 Energy Storage System의 약자로, 여러 발전원을 통해 생산된 전력 중 소비하고 남은 에너지를 저장하는 장치를 의미한다. 신재생에너지 발전이 확대됨에 따라 생산된 에너지를 저장하여 안정한 출력으로 공급할 수 있는 매개체로서 ESS가 도입됐다.

현재 ESS 시장은 리튬전지 기반이 95% 이상을 차지하며, 리튬전지 외의 5%는 흐름 전지, 압축공기저장 등이 차지하고 있다. 이는 대부분 단주기성을 띄어 2~4시간이면 방전된다. 우리가 다루고자 하는 장주기 ESS는 기존 ESS의 투입 용량 및 에너지 저장 시간을 보완하여 수십 시간으로 늘린 저장 시스템을 의미하며, 6시간 이상 작동 가능하다. 장주기 ESS는 기존 단주기 ESS에 비해 더 안정적이고 경제적인 전력망 구축을 위해 필요하다. 다음은 대한전기학회 학술대회 논문집, ‘재생에너지 확대 및 장주기 ESS 도입에 따른 2030년 전력 계통 운영 전망’에서 다룬 재생에너지 및 장주기 ESS의 전망에 대한 표이다.

위 자료를 보면 2030년 이후 재생에너지 발전량이 78.0GW에서 121.9GW로 증가함에 따라 장주기 ESS 발전량의 또한 4.2GW에서 23.0GW까지 증가함을 확인할 수 있다.

장주기 ESS 발전량의 증가는 재생에너지의 불안정한 출력 변동성이라는 근거에 기인한다. 예를 들어, 태양광과 풍력 등으로 만들어낸 재생에너지는 날씨와 계절에 따라 출력량이 상이하고, 단주기 ESS만으로는 장기간 전력 부족 상황을 메우기에 용량과 시간의 효율성 문제가 존재한다. 이러한 상황에 장주기 ESS는 전력을 장기간 저장하여 공급망 안정성을 높이고, 전력 수요가 많은 시간과 적은 시간의 사용량을 효율적으로 제어하여 계통 운영비와 연료비까지 절감할 수 있다. 이처럼 장주기 ESS를 통해 재생에너지 확대에 따른 간헐성 보완 및 전력망 안정성과 신뢰도 향상을 이루어낼 수 있고, 장기적으로는 연료비 절감으로 화석연료 의존도를 낮추어 탄소중립 달성을 일부 뒷받침할 수 있다. 따라서 장주기 ESS는 지속 가능한 에너지 전환을 위해 꼭 필요한 기술이다.

 

주요 기술과 특징

에너지 저장기술은 다양한 기술로 구성되어 있으며, 각 기술은 장단점과 특성이 서로 다르다. 따라서 기술 선택에 있어 절대적인 우선순위를 정하기는 어렵다. 구체적인 용도, ESS 설치 환경, 활용 기간, 그리고 설치비와 운영비 중 어느 요소를 더 중점적으로 고려하느냐에 따라 목적에 가장 적합한 에너지 저장기술이 달라질 수 있다.

기술구분	장점	단점
중력 에너지 저장	장기 저장, 유한한 용량 시스템 장수명	초기 투자비 ↑ 에너지 밀도 ↓ 낮은 수용성
해수양수 발전	대용량화 기술 구현에 어려움 없음	사회적 수용성 낮음 초기 투자비용 고가
압축공기 에너지 저장	장기 저장 시스템 수명	시설 대규모 확보 입지조건 한계
액화공기 에너지 저장	용량의 제약 적음 CAPEX 및 OPEX 낮아짐	효율 낮음 방전 시 낮은 에너지 회수율
열에너지 저장	기존 발전소 활용 융통성 용이	핵심 요소기술 개발 필요 고효율·저비용 축열재 개발 필요

[자료 4. 대용량 장주기 에너지 저장기술별 장단점 비교]

출처 : 전기저널 저자 재구성

현재 주로 연구되는 장주기 에너지 저장기술은 전기에너지 전환 방식에 따라 중력 에너지 저장, 압축공기 에너지 저장, 해수 양수발전, 액화공기 에너지 저장, 열에너지 저장 등으로 구분된다. 각 기술은 구현에 필요한 핵심 요소 기술의 수준, 경제성, 사회적 수용성 등에서 차이가 있으며, 이에 따라 고유한 장단점을 지닌다.

① 중력 에너지 저장(Gravitational Energy Storage)

작동 원리는 잉여 전력을 이용해 모터로 크레인이나 엘리베이터를 구동하여 무거운 블록을 높은 곳에 적재하는 것이다. 방전 시에는 블록이 중력에 의해 하강하면서 발생한 운동에너지가 발전기를 통해 전력으로 변환된다. 

전력 수요가 적을 때는 그리드의 잉여 전기로 블록을 들어 올려 상부에 쌓고, 전력 수요가 많아지면 블록이 하강하며 운동에너지를 다시 그리드에 공급하는 방식이다. 블록은 재활용 소재나 현지에서 조달한 재료로 제작된다.

② 해수 양수 발전(Sea Water Pumped Storage Hydro)

해수 양수발전 기술은 기존 내륙 양수발전과 유사한 상부 저수지형 해수 양수발전, 천해 인공섬 활용 방식, 인공 구조물 기반 방식으로 구분된다.

이 중 상부 저수지형 해수 양수발전은 신재생에너지 등에서 발생한 잉여 전력을 사용해 워터펌프를 가동, 해수를 상부 저수지로 양수해 위치에너지를 저장한 뒤, 전력 수요가 증가하면 해수를 하부 저수지(바다)로 흘려보내 수차발전기를 구동해 전력을 생산하는 방식이다. 하부 저수지로 바다를 활용하므로 공사 기간을 단축할 수 있고, 상부 저수지 용량만 확보하면 대규모 발전소 건설이 가능하며 입지 제약이 상대적으로 적다.

에너지 전환 효율 측면에서 해수 양수발전은 양수 과정에서 전동기의 전력 소비가 발생하므로 일반 수력보다 약간 낮지만, 열에너지 저장 기술(40~60%)이나 압축공기 에너지 저장 기술(50~70%)보다 높은 효율을 가진다(70~85%). 그리고 해안에 자리 잡기 때문에 신재생에너지 발전 단지 주변에 건설할 수 있어 재생에너지원의 출력 변동성 및 간헐성을 효과적으로 대응할 수 있고, 전력 필요시 신속히 운전하여 전력을 공급할 수 있으므로 효율적인 전력망 운영이 가능하게 함과 동시에 송전선 건설 비용을 낮출 수 있다.

다만 염분을 사용하는 특성상 워터펌프·수차발전기 등의 부식 방지와 상부 저수지 주변 염해 확산, 해수 침투 방지 대책이 필요해 시공비가 같은 규모의 내륙 양수발전보다 높다. 또한 조수 간만의 차가 작은 지역이 취수구 시공 비용 측면에서 유리하며, 상부 저수지 규모를 조절해 재생에너지원 인근에 소규모 발전소 설치도 가능하다. 대표 사례로 일본 오키나와섬의 얀바루 발전소가 있으며, 세계 최초의 해수 양수발전소로 30MW 규모, 총 32억 엔을 투입해 2016년 상업 운전을 했으나, 경제성 부족으로 운영이 중단됐다.

③ 압축공기 에너지 저장(CAES)

가스 터빈(gas turbine) 기술에서 파생된 에너지 저장 장치의 한 형태로, 저장 단계(충전)에서는 전력을 사용해 압축기(compressor)를 구동하여 공기를 압축한 뒤 별도의 저장 공간에 보관한다. 발전 단계에서는 저장된 압축공기를 공급해 터빈을 구동하고, 이를 통해 전력을 생산한다.

화석연료 사용 여부에 따라 SF-CAES(Supplementary Fired CAES)와 NSF-CAES(Non-Supplementary Fired CAES)로 구분하며, 방전 시 압축공기의 압력 변화 여부에 따라 변압 저장 방식과 정압 저장 방식으로 나눌 수 있다. 또한, 압축공기 저장 방식에 따라 지질 조건을 활용하는 방식과 인공 구조물을 활용하는 방식으로 분류된다.

정압 유지를 위해서는 별도의 지상 저수지와 통수갱을 설치해, 비압축성 유체인 물로 압축공기 배출에 따른 저장 탱크 내부의 체적 변화를 보상하는 방식을 사용한다. 최근에는 배출가스를 없애기 위해 가스터빈 대신 수소 터빈을 결합하거나, 입지 유연성 확보를 위해 암반을 굴착한 저장 공동을 활용하는 방식도 고려되고 있다.

④ 액화공기 에너지 저장(LAES)

액화공기 에너지 저장(Liquid Air Energy Storage, LAES)은 잉여 전력을 이용해 공기를 압축·액화하여 저장하고, 전력 수요가 증가하면 이를 기화·팽창시켜 터빈을 구동해 전력을 생산하는 기술이다.

공정은 액화 공정(Air Liquefaction Process)과 전력 생산 공정(Power Generation Process)으로 구성된다. 액화 공정에서는 공기를 다단 압축한 뒤 극저온 열교환기로 냉각하고, Joule – Thomson 밸브를 통해 감압·액화하여 저장 탱크에 보관한다. 전력 생산 공정에서는 저장된 액화공기를 고압 펌프로 승압한 뒤 재가열 열교환기로 기화시키고, 이를 터빈에 공급해 전력을 생산한다.

LAES는 자원 확보가 쉽고, 대용량·장수명 운용이 가능하며 지리적 제약이 적다는 장점이 있다. 유해 화학물질을 사용하지 않아 환경 부담이 작고, 장시간 저장이 가능해 주파수 조정·전압 유지·예비력 공급 등 전력계통의 다양한 보조서비스 제공에도 적합하다. 이러한 특성 덕분에 배터리 대비 수명이 길고, 양수발전처럼 대규모 지형 조건이 필요하지 않아 설치 유연성이 높다. 

그러나 폐열·냉열 연계를 하지 않은 단일 공정의 경우 효율이 8~10% 수준으로 낮아 경제성이 떨어지며, 고압·극저온 제조 과정에서 전력 소모가 크다. 초기 설비투자비 비중이 높고 그중 압축기 비용이 절반을 차지해 LCOE가 상승하며, 상용화 사례가 적어 시장 안정성이 낮다. 또한 Fe-Cr 흐름 전지나 양수발전 등 일부 대규모 ESS에 비해 비용 경쟁력이 떨어지고, 전기 요금·압축기 가격·예비력 단가 변화에 따른 경제성 변동 폭이 크다는 점도 한계로 지적된다.

⑤ 열에너지 저장(TES)

열에너지 저장(Thermal Energy Storage, TES) 기술은 전기, 태양열, 산업 폐열 등 다양한 에너지원으로 생산된 열을 저장 매체에 축적한 뒤, 필요할 때 방출하여 난방·냉방이나 산업 공정 등에 활용하는 기술이다.

저장 방식은 감열식(sensible heat), 잠열식(latent heat), 화학반응식(thermochemical) 등으로 구분되며, 건물·지역난방 네트워크, 재생에너지 연계, 피크부하 저감 등 다양한 분야에서 사용된다. 최근에는 전력-열 변환(Power-to-Heat, P2H)과 결합해 잉여 전력을 히트펌프나 보일러로 변환·저장하는 형태가 확산되고 있다.

TES는 전력 수요관리와 재생에너지 변동성 완화에 효과적이다. 잉여 전력을 활용해 열을 저장함으로써 피크 시간대 전력부하를 줄이고 전력망 안정성을 높일 수 있으며, 전기에 비해 저장비용이 낮고 대용량·장기 저장이 가능하다. 또한 열 생산·저장·공급 과정을 분리해 에너지 사용 효율을 높이고, 재생에너지와 연계 시 발전 출력 제어(커테일먼트)를 줄일 수 있다. 지역난방이나 건물군 열네트워크와 결합하면 에너지 자립률도 향상할 수 있다.

다만 초기 설비 투자비가 크고, 축열조·배관·네트워크 등 설치 공간이 필요하다. 고밀도 축열재(PCM 등)를 사용할 경우 화학적·물리적 안전성, 부식성, 내구성에 대한 사전 검증이 필수이며, 열 손실이 불가피하고 장거리 이송 시 효율이 떨어지므로 네트워크 설계와 단열 품질이 중요하다. 또한 제도나 시장 기반이 미비하면 실증 및 상용화 과정에서 건물 소유주·사용자 참여와 비용 회수가 어려울 수 있다. 특히 출력 제어 대응 등 고급 제어 기능 구현을 위해서는 IoT 기반 실시간 모니터링·제어 인프라와 운영 노하우가 요구된다.

 

국내 현황 및 해외 사례

장주기 ESS는 이미 전 세계 여러 국가에서 도입 움직임이 활발히 일어나고 있다. 미국 캘리포니아에서는 2020년 10월, 세계 최초로 장주기 ESS 입찰을 진행했으며, 이후 뉴욕과 텍사스에서도 8시간·10시간 이상 방전이 가능한 ESS 사업을 잇달아 시작했다. 중국은 비(非)리튬계 장주기 ESS 개발을 국가 전략으로 격상시키고, 지난해 12월에는 세계 최대 규모인 700MWh 급 흐름전지 플랜트를 완공했다. 여기에 나아가 2030년까지 장주기 ESS만으로 누적 23GW를 설치하겠다는 목표를 제시했다.

한국에서도 현재 정부 주도의 중앙계약 시장을 통해 장주기 ESS 도입이 추진되고 있다. 대표적으로 재생에너지 발전량이 많아 출력 제어 문제가 빈번했던 제주도에서 국내 최초로 장주기 ESS 중앙계약 시장이 개설됐다. 마찬가지로 태양광 설비로 인한 출력 제어 문제를 겪던 호남지역에도 2026년까지 배터리 ESS 1.4GWh를 설치할 예정이라는 ESS 산업 발전전략을 발표한 바 있다.

 

장주기 ESS의 중요성과 투자 필요성

장주기 ESS는 재생에너지 전환의 성공을 좌우하는 핵심 인프라다. 태양광·풍력 발전은 날씨, 계절과 시간대에 따라 출력 변동이 심해 공급과 수요의 균형을 맞추기 어렵다. 발전량이 남을 때는 전력을 버려야 하고, 부족할 때는 급히 다른 발전원을 가동해야 한다. 장주기 ESS는 남는 전력을 장기간 저장해 두었다가 필요할 때 방전함으로써 이러한 간헐성을 완화하고, 전력망 안정성과 신뢰도를 높인다.

단주기 ESS(방전 2~4시간)는 짧은 출력 보완에는 유용하지만, 하루 이상 지속되는 전력 부족 상황을 해결하기에는 한계가 있다. 반면 장주기 ESS(6시간 이상)는 장기간 전력 공백을 메우고, 계통 운영의 유연성을 크게 향상한다. 재생에너지 비중이 높아질수록 이런 ‘완충 장치’의 역할은 더욱 중요해진다.

경제성 측면에서도 장주기 ESS는 투자 가치가 높다. 전기 사용이 한꺼번에 몰리는 시간에 저장해 둔 전기를 공급하면, 발전소를 새로 짓거나 추가로 가동할 필요가 줄어든다. 그만큼 발전 연료비와 송전 설비 확충 비용이 절약되고, 온실가스 배출도 줄어든다. 한국전력 전력 연구원 분석에 따르면, 장주기 ESS는 장기적으로 전기 요금 안정화에도 기여하며, 탄소중립 달성 비용을 낮출 수 있다.

정책·산업 측면에서 장주기 ESS 투자는 국내 에너지 안보와 기술 경쟁력 확보에도 직결된다. 안정적 공급을 뒷받침할 인프라 없이 재생에너지 비중만 늘리면 계통 불안정과 추가 비용이 불가피하다. 반대로 조기 투자와 산업 육성을 통해 기술 경쟁력을 확보하면, 글로벌 ESS 시장에서 수출 산업으로 성장할 가능성이 크다. 세계 각국이 장주기 ESS를 차세대 에너지 산업의 성장축으로 보고 투자 경쟁을 벌이는 이유가 여기에 있다.

결국 장주기 ESS는 안정적인 전력 공급, 경제성, 환경 목표 달성을 동시에 가능하게 하는 전략적 설비다. 지금의 투자가 미래 전력 안보와 산업 경쟁력을 보장하는 기반이 될 것이다.

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ESS에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[Remake][배터:Reader] ESS로 향하는 레독스 흐름, RFB읽기, 26기 류호용, https://renewableenergyfollowers.org/4647

[Remake][배터:Reader] ESS로 향하는 레독스 흐름, RFB읽기

2. "화재위험 없는 ESS로 !, 17기 변은지, https://renewableenergyfollowers.org/3085

화재위험 없는 ESS로 !

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참고문헌 

[재생에너지 확대와 그로 인해 발생하는 문제점]

1)산업통상자원부, “제11차 전력수급기본계획(2024~2038)”, 2025.03.13, https://www.motie.go.kr/kor/article/ATCLc01b2801b/70152/view

2)한국전력거래소, "지역별 시간별 태양광 및 풍력 발전량",공공데이터포털, 2025.06.11, https://www.data.go.kr/data/15065269/fileData.do

[장주기 ESS의 개념과 필요성] 

1)김재민, “재생에너지 확산의 열쇠 ‘ESS’, 보급 속도전 해결과제는”, 쿠키뉴스, https://www.kukinews.com/article/view/kuk202502130222?utm 

2)산업통상자원부 보도자료, “세계 3대 에너지스토리지(ESS) 산업 강국으로 도약한다 中 [별첨]에너지스토리지(ESS) 산업 발전전략”, 2023.10.31, https://www.motie.go.kr/kor/article/ATCL3f49a5a8c/168025/view

3)이동훈, 강세영, 강준형, 이의주, 이호준, 윤민한. (2024-07-10). "장주기 ESS 비용 편익 분석 및 용량 평가". 대한전기학회 학술대회 논문집, 제주, https://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE11916396 

4)이정호, 강민우, 진채은, 신재영, 조성빈. (2025-04-24). "재생에너지 확대 및 장주기 ESS 도입에 따른 2030년 전력계통 운영 전망". 대한전기학회 학술대회 논문집, 서울, https://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE12188366 

[주요 기술과 특징(장단점 및 한계점)]

1)고아름, 박성호, 류주열, 박종포, “액화 공기 에너지 저장 기술(LAES)의 경제성 분석", 2020.

2)류동우, “압축공기에너지저장: 현황, 분류 그리고 시스템 특성 중심으로", 2023.

3)우상균, 김유영, “미래 전력 계통의 재생에너지 실효성 확보를 위한 장주기 에너지 저장기술”, 전기저널, 2024.10.15, http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=5649

4)우상균, 여세동, “해수 양수발전 기술 현황 및 미래 전망”, 전기저널, 2023.05.12, http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=5016

5)이은실, “열에너지 생산·저장·네트워크최적화”, Kharn, 2023.12.17, https://www.kharn.kr/news/article.html?no=24009

[국내 현황 및 해외 사례]

1)김리안, “美가 힘주는 '장주기 ESS'…세계 전력시장 패러다임 바꾼다”, 한국경제,  https://www.hankyung.com/article/2024070772761

2)김진후, “BESS로 숨통 트는 제주…BEP 컨소, 국내 첫 중앙계약시장형 장주기 ESS 구축”, 전기신문, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=350055

3)은정진, “유럽·중국 등 주요국, 지속가능 에너지 저장기술(ESS) 경쟁 심화”, 한국경제, https://www.hankyung.com/article/202505295050i

4)이상복, “26년까지 호남권에 ESS 1.4GWh…신규양수 추가 검토”, 이투뉴스, https://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=302420

[장주기 ESS의 중요성과 투자 필요성]

1)강은영, “[비바100] 전 세계적 에너지 전환 시대, 주목 받는 저장장치 ESS", 브릿지경제, 2024.12.02, https://www.viva100.com/article/20241129501027 

2)고은결, “LS일렉트릭, 제주 장주기 ESS 구축사업 착공”, 헤럴드경제, 2025.04.24, https://biz.heraldcorp.com/article/10472871 

3)김진후, “(월요기획)신재생에너지 간헐성 문제, 리튬 한계 넘는 ‘장주기 ESS’로 극복”, 전기신문, 2025.05.11,  https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=354536  

4)우상균, “[기고] 대용량 장주기 에너지 저장 기술 현황 및 미래”, 에너지데일리, 2024.05.20, https://www.energydaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=146476 

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