[중국] 중국 에너지 저장(ESS) 산업 동향

ESS: 에너지소비 피크 조절, 에너지 전환 등 향후 미래형 에너지 효율성 제고에 필요한 핵심산업으로 주목

2021년 글로벌 전력 에너지 저장 장치 누적 규모 209.4GW로 전년 동기 대비 9% 증가

리튬배터리 ESS 시장, 블루오션으로 떠올라 → 중국 닝더시대, BYD 등 차량용 배터리제조사 시장진입 활발

들어가며: 에너지 저장기술의 정의 

에너지저장 또는 에너지저장 기술은 저장이 어려운 에너지 형식을 기술적으로 쉽고 원가적으로 저렴한 형태로 변환해 저장하는 것을 말한다. 예를 들어 태양열 온수기는 광에너지(방사선)를 뜨거운 물(열에너지)에, 배터리는 전기 에너지를 전기화학에너지에 저장하는 것을 의미한다. 에너지 저장 형태에 따라 전력 저장, 열 저장, 수소 저장으로 구분하며 전력 에너지 저장은 가장 주요한 에너지 저장 형태다. 전력 저장 원리에 따라 전기 화학적 에너지 저장과 기계적 에너지 저장 두 가지 기술 유형으로 나뉜다. 이 중 전기화학적 에너지 저장 장치는 리튬이온전지, 납축전지, 나트륨황전지 등을 포함하는 각종 이차전지 에너지 저장 장치다. 기계적 에너지 저장 장치는 주로 양수발전, 압축공기, 플라이휠 에너지 저장 등을 포함한다.

재생에너지가 기존 전력망에 미치는 영향

파리협정이 체결된 이래, 주요국은 잇달아 탄소 배출 제한에 관한 일련의 정책을 제정하였다. 중국은 2020년 9월 22일 제75회 유엔총회 일반 토론에서 <2030년 이전 탄소 배출 정점, 2060년 이전 탄소중립> 달성을 위해 노력하겠다고 표명한 바 있다. 글로벌 에너지 소비가 여전히 높은 추세 하에서 파리협정에서 설정한 목표를 달성하려면 글로벌 에너지 시스템이 화력발전 기반 구조에서 재생에너지, 원자력 등 저탄소 에너지를 주요 전력원으로 구조적 전환이 필요한 시점이 되었다. BNEF 예측에 따르면 2030년에는 1차 에너지 소비에서 재생에너지 소비가 차지하는 비중이 34%, 2050년에는 90%로 높아질 것으로 전망된 바 있다. 이 가운데 풍력발전은 2030년에는 1차 에너지 소비에서 차지하는 비중이 16%, 2050년에는 70%까지 늘어나 소비의 주력으로 떠오를 것으로 예측되었다. 미국 에너지정보청(EIA)의 국제에너지전망 2021(IEO2021) 보고서에 따르면 미래 에너지 구조에서 재생에너지 비중이 갈수록 높아질 것으로 전망되는 가운데 풍력 및 태양광 에너지가 글로벌 주요 재생에너지로 발전될 것이라고 밝혔다. 

전력 계통은 발전·송전·배전·용전이 이어져 이루어지는 것이 특징이다. 이에 전원 조절 능력, 전력망 연동 규모, 부하 규모 및 응답 능력에 의해 재생에너지의 수용성이 결정된다. 전력 계통은 균형이 중요하며, 균형을 맞추는 것은 부하변화를 추적하고 이에 따라 통상적인 전원출력을 조절하는 공능을 의미한다. 높은 비율의 재생에너지원이 전력계통에 접속할 경우 기존 전원은 부하변화 뿐만 아니라 재생에너지의 출력변동까지 균형을 맞춰야 하기 때문에 전원 조절 능력은 재생에너지 사용에 있어서 중요한 포인트다. 또 전력 시스템은 매우 높은 안정성을 요구한다. 단, 풍력 및 태양광 에너지의 가장 큰 공통점은 날씨에 대한 민감성(풍속·광종 등)이 높아 선천적으로 간헐적이고 파동적이라는 점이며, 사용 가능한 재생에너지 규모가 커지면서 대용량의 재생에너지 발전장치를 전력망에 직접 통합하는 것은 기존 전력망에 대한 스케줄링 조율과 운영 안전에 큰 도전과제로 남아있다. 국제에너지청 보고서 'GettingWind and Sun onto the Grid'를 통해, 재생에너지(주로 풍력, 태양광 발전) 통합이 기존 전력망에 미치는 영향을 통합 비율 단계별로 알아볼 수 있다.

에너지 저장 기술(ESS) 산업과 기술이 중요한 이유

위와 같은 글로벌 에너지소비의 구조적 전환 필요성, 기술적 요인으로 인해 에너지 저장기술은 기존 전력망의 재생에너지 수용 능력을 효과적으로 향상시킬 수 있으며 대규모 재생에너지 접속에 따른 전력망의 안전 문제를 해결할 수 있는 한 방안으로 도출되고 있다. 전력시스템은 발전·송전·변전·배전·용전 등 다섯 가지로 나뉘며, 이 중 송전·변전·배전을 송전 시스템으로 통칭하여 부르기도 한다. 전력 계통의 발·송·배·용이 순식간에 이뤄지는 특징으로 인하여 전력 생산과 소비는 항상 실시간으로 균형이 맞춰져야 하고 에너지저장 기술은 전력계통에서 빠진 '저장' 기능을 보완하고 전력 계통의 발·송·배·용전이 동시에 이뤄지는 패턴을 바꿔, 기존 실시간으로 균형을 맞춰야 하는 전력계통을 유연하게 바꿀 수 있는 장점이 있다. 특히 대규모 재생에너지 통합으로 인한 전력망의 파동성을 억제할 수 있고 기존 전력망 운영의 안전성·경제성·유연성 등을 높일 수 있다. 또 에너지 저장 기술은 에너지 소비 피크를 조절하는 장점이 있으며 그 중에서도 전기화학적 에너지 저장 기술이 빠른 응답, 에너지 시차, 원활한 배치 등 측면에서 우위를 가지고 있다. 

글로벌 전력 에너지 저장 산업 규모

CNESA에 따르면 2021년 말 기준 글로벌 전력 에너지 저장 장치 누적 규모는 209.4GW로 전년 동기 대비 9% 증가했다. 전 세계 에너지 저장시스템 중 세부적으로 양수저장에너지(抽水蓄能)* 비중이 가장 높았으나 최근 리튬전지 저장 에너지(锂电储能)가 신규 장비 분야로 중요성이 커지고 있다. 이에 2021년 말 기준 글로벌 양수발전 에너지 저장 규모는 처음으로 90% 이하로 떨어졌으며 전년 동기 대비 4.1% 감소했다. 전기화학 에너지저장 프로젝트 규모는 25.4GW로 전년 동기 대비 67.7% 증가했으며 이 중 리튬이온배터리가 압도적으로 점유율 90%를 넘었다. 

주*: 에너지 저장 형태에 따라 전력 저장, 열 저장, 수소 저장 에너지로 구분하며, 전력 에너지 저장은 가장 주요한 에너지 저장 형태로, 가장 큰 비중이 양수에너지 저장

2021년 한 해 증가를 보면 코로나19 영향에도 불구하고 글로벌 전력 에너지 저장 설치 규모는 18.3GW로 전년대비 185% 성장했다. 이 중 신식 에너지(전기화학) 저장 장치 설치 규모는 첫 10GW 급을 돌파한 10.2GW에 달했다. 이는 2020년 설치 규모의 2.2배에 해당되며 동기 대비 117% 증가한 수치다. 미국·중국·유럽은 여전히 글로벌 에너지 저장 시장을 이끌고 있으며 3개국가의 합계는 전체 시장의 80%를 차지한다.

전기화학 에너지저장 프로젝트로 보면, 전 세계 주로 53개의 국가 및 지역에 분포하며 중국, 미국, 유럽은 2020년 전 세계 전기화학 에너지 저장시장의 주도적 위치 차지한다. 중국, 미국, 유럽 3개 지역과 국가는 전세계 신규설비 증가 총 규모의 86% 비중을 차지하고 있다.

전반적으로 보면, 해외시장은 비교적 높은 피크 전기 가격 차이로 인해 에너지저장 산업은 이미 점차 경제효과를 갖추는 단계에 진입했다. 미국의 경우 표전시장이, 독일의 경우 가정용 에너지저장시장이 대세다. 반면, 중국은 전력공급단자 에너지저장량이 580MW를 넘어 전년 동기 대비 438% 증가하는 등 2021년도부터 에너지저장 정책이 본격 시행됨에 따라 전기화학저장 시장이 새로운 단계로 진입할 것으로 전망된다. 

중국 에너지 저장 산업 규모

CNESA에 따르면 2021년 말 기준 중국 전력 에너지 저장 장치 누적 규모는 46.1GW로 글로벌 시장의 22%를 차지해 동기 대비 30% 성장했다. 이 중 양수발전 에너지 저장 규모는 최대로 39.8GW, 동기 대비 25% 성장했지만 전체 차지하는 비중은 전년대비 3% 감소했다. 주요 성장 포인트인 신식(전기화학) 에너지 저장 규모는 5729.7MW로 전년 동기 대비 75% 증가했다. 신규 증가를 보면 2021년 중국 전력 에너지 저장 장치 설치 규모는 10.5GW로 처음으로 10GW를 돌파하였다. 이 중 양수발전 에너지저장 규모는 8GW로 동기 대비 437% 성장했으며 신식(전기화학) 에너지저장장치 설치 규모는 2.4GW로 동기 대비 54% 성장했다. 이처럼 전 세계 에너지 저장장치 성장 구조와 유사하게 중국의 리튬전지 에너지 저장시스템 또한 빠른 성장세를 유지 중이다. 중관춘 에너지저장산업연맹의 불완전 통계에 따르면 2021년 말까지 중국이 기운송한 에너지저장 프로그램의 누적 선적 용량은 45.74GW로 전년 동기 대비 29% 증가했고 특히 전기화학에너지는 효율이 가장 높은 에너지저장방식에 속하여 중국이 빠른 시일 내 핵심기술을 돌파해야하는 분야로 간주되고 있다. 

중국의 에너지저장 장비시장

국의 에너지저장 산업의 장비 시장 규모는 2016~2020년 연간 10.02%의 높은 증가율을 보이고 있으며 이 중 2019년 업황의 경기 하방 영향을 제외하고는 모두 8% 이상의 성장률을 유지해왔다. 중국 정부의 <탄소중립> 목표 아래 풍력, 태양광발전 시장 성장과 더불어 정책적 장려 지원으로 에너지 저장산업과 에너지저장 장비산업의 큰 발전이 기대된다. 

중국 에너지저장용 배터리 및 주요 부품 주요 생산기업 동향

에너지저장 배터리의 핵심 수요는 높은 안전성, 긴 수명, 낮은 원가에 있다. 에너지 저장 배터리 성능에는 시스템 수명, 방전 심도(DoD), 시스템 효율, 수명 종료 용량 등이 포함된다. 배터리의 사용 수명을 향상시켜 에너지 저장 시스템의 비용을 효과적으로 낮출 수 있다. 

 (1) 에너지 밀도와 전력 밀도: 차량용 리튬 배터리는 부피 에너지 밀도와 전력 밀도가 비교적 높아 항속 및 빠른 충전 수요를 만족시킨다. 에너지저장 장치의 절대다수의 배치 공간은 광활하다. 에너지저장용 리튬 배터리는 부피 에너지밀도를 요구하지 않지만 응용 환경에 따라 출력밀도는 요구가 있다

 (2) 수명: 전기차의 수명은 일반적으로 5-8년, 차량용 리튬 배터리의 순환 횟수 수명은 1000-2000회이다. 에너지저장용 배터리의 수명은 일반적으로 10년 이상이고 에너지저장 리튬 배터리의 순환 횟수 수명은 3500회 이상이다. 

 (3) 원가: 발전 측의 에너지저장 장치 규모는 메가와트급 이상이다. 따라서 에너지저장용 리튬 배터리는 차량용 대비 더 낮은 원가 더 높은 안전성을 요구한다. 

중국은 규모, 기술 우위 하에서 2018년부터 2020년까지 차량용 리튬 배터리 기업이 빠르게 성장해왔고 또 에너지저장장치 설비수요가 빠르게 상승함에 따라 에너지저장용 배터리에 대한 요구 또한 높아지는 추세를 이어왔다. 리튬인산철 배터리는 전통적인 납축 배터리를 대체하여 에너지저장 장치에 쓰이며 전통 에너지저장 배터리 기업은 선발우위가 더 이상 존재하지 않으며 차량용 배터리 제조사는 규모와 기술우위를 바탕으로 급속한 성장을 실현하였다. 2020년 인산철리튬을 주요 기술 노선으로 하는 차량용 리튬 배터리 제조사는 기술, 원가 및 생산에서 어느 정도 기반을 마련했기 때문에 출하가 대폭 향상돼 주요 공급체로 자리할 수 있었다. 2020년 CATL는 에너지저장용 배터리 장착량 이미 1위에 달한 바 있고 에너지저장용 배터리 공급업체 상위 10개사를 보면, 차량용 배터리 제조사가 다수 포진해 있다. 2020년 기준 중국 에너지저장배터리 출하량은 16.2GWh로 전년동기 대비 70.53% 증가했고 중국의 에너지저장 시장의 향후 5년간 복합성장률은 37.56%이며, 2025년 출하량은 60GWh에 육박할 수 있을 정도로 에너지저장류 리튬배터리 시장은 높은 성장세를 유지할 것으로 전망되는 분야다. 

PCS

전력 변환 시스템(PCS, Power Conversion System)은 출력 전기에너지의 품질과 특징을 결정하기 때문에 배터리의 수명에 큰 영향을 준다. PCS는 전력망 내의 교류 전기를 직류 전기로 정류하여 에너지 저장 배터리를 충전하거나 배터리 내의 직류 전기를 교류 전기로 역변환하여 전력망이나 교류 부하에 전달하는 역할을 한다. PCS는 에너지 저장 시스템 중의 중요한 부품으로 전력, 제어, 보호, 모니터링 등의 소프트 하드웨어로 구성되어 있으며 주요 기능은 전력 억제, 정보 상호작용, BMS 시스템과 결합하여 충방전 일체화, 병/탈망 동작 등을 포함한다. PCS의 출력 등급에 따라 에너지저장 변환기는 가정용(소출력), 상공업(중출력), 집중식(고출력), 에너지저장 발전소(초고출력)로 나뉜다. 이 중 에너지저장(초고출력)의 시스템 솔루션은 고출력 집중식 PCS와 유사하게 설계되어 있으며, 일반적으로 IGBT 모듈로 설계돼 있고 변류기는 컨테이너 내부에 설치되어 실외에 배치되어 있다. 단일 기기의 출력을 더욱 확장하여 다중 기계의 병렬 동작을 지원한다. 일반적으로 여러 개의 변류기가 컨테이너 내부에 병렬로 연결되며 변압기가 전력망에 접속해야 한다. 일부 장면도 고압 직류 토폴로지 아키텍처로 CFB/MMC(트랜스포머는 생략하되 배터리팩 간 절연 격리가 필요)를 사용하고 있다. PCS는 태양광 인버터 기술과 동원이며, 업계 내의 공급업체는 대부분 태양광 인버터 제조업체이고 경쟁 구도는 태양광 인버터와 유사하다. 2020년 중국 PCS 공급업체 상위 10개 리스트를 보면, 전체적으로 변화가 크지 않고 시장 점유율이 상대적으로 집중되어 있다. 상위 3개 공급업체는 썬샤인 전원, 코바인, 소잉 일렉트릭이다.

위와 같이 리튬 배터리는 전기화학에너지저장장치의 주류 기술 노선으로, 현재 리튬이온배터리는 전 세계 전기화학 에너지저장 시장에서 주도적인 위치를 차지하고 있으며 이는 리튬이온배터리가 원가는 지속적으로 낮아지고 기술 성능은 지속 상승해 리튬이온배터리의 전 세계적인 상업화, 규모화 응용화 진행 중이다. 중국에서도 리튬배터리를 활용한 전기화학 에너지저장 장치 산업이 크게 성장하고 있다. 

중국의 ESS 관련 주요 프로젝트 현황

2021년 상반기 중국 신규로 건설된 에너지저장 사업 프로젝트 257개, 에너지저장 용량 총 11.8GW로 각각 2020년 같은 기간의 1.6배, 9배 규모로 증가했다. 100MW 이상 규모는 2020년 상반기 대비 8.5배로 중국 내 100MW급 대형 프로젝트가 잇달아 착공되면서 GW급 거대 프로젝트 개발계획이 시작되고 2022년부 투하 사업이 크게 늘어날 전망이다. 2021년 신규 계획·재건·투하 100MW급 사업 프로젝트 수는 역대 최대인 65개를 경신했으며, 2020년 동 기간의 8배가 넘는 14.2GW 규모로 2021년 신규 에너지저장사업 전체 규모의 57%를 기록했다. 2021년 12월 산둥(山東)성 첫 에너지저장 시범사업, 후난(湖南)성 유림 에너지저장발전소 사업, 장자구(張家口) 중 국가에너지 압축 에너지저장발전소 사업 등 10여 개의 100㎿급 사업이 잇달아 합병이 되면서 전반적으로 규모화, 지역별 다변화가 이루어지는 중이다. 

특히 중국 정부의 <탄소감축> 정책을 배경으로 에너지 저장 프로젝트 추진이 가속화되고 있으며 대표적인 사례로 주요 배터리 제조사 닝더시대(CALT)는 중국 화뎬(中国华电)과 함께 산동화뎬 중앙 집중식 전기화학 에너지 저장 프로젝트 건설 합작에 이어 최근 꾸이저우 신에너지 발전 및 에너지저장 배터리 생산제조 기지 1단계 프로젝트에 약 70억 위안 규모 투자계획을 발표한 것을 들 수 있다. 

중국의 ESS 주요 생산 기업

중국의 에너지저장 시스템 산업은 크게 배터리 기업, PCS 기업, EMS 기업, 시스템 인프라 기업의 4가지 유형의 기업으로 구성된다. 

  ① 배터리: CATL, Guoxuan Hi-Tech(国轩高科), 난두전원(南都电源)과 같은 전력 리튬 배터리제조사 혹은 Paineng Technology(派能科技), 셩양전원(圣阳电源)과 같이 납산배터리 에너지 저장 장치에서 리튬 배터리 에너지 저장 장치로 전환하는 제조사 등으로 구성

  ② PCS: 양광전원(阳光电源),GoodWe(固德威),상능전기(上能电气) 등 에너지 저장 PCS 링크에 진입하는 인버터회사 혹은 科华恒盛,科士达 등과 같은 UPS 전력 회사

  ③ EMS: Xuji Electric과 같은 지역별 그리드와 같은 전력장비 공급자

  ④ 시스템: BYD, Zhongtian Technology, Paineng Technology와 같은 모든 링크를 통합하는 기술을 제공하거나 时代星云(CATL과 星云의 합작사), 양광전원 등과 같이 배터리 또는 PCS 제조사로 구성

중국의 ESS 산업의 경쟁 양상은 상대적으로 주요 선도기업에 집중되어 있는 편이다. 그중 닝더시대 에너지 저장 배터리 시장 점유율은 약 60%에 육박하고 BYD가 16%로 그 뒤를 잇는다. AVIC Lithium은 에너지 저장 배터리 시장 점유율 4.3%로 3위를 차지하고 있다.

ESS 관련 중국의 정책

중국은 보조금, 세제 감면 등 지원 제도에 비해 산업은 여전히 초기 수준에 머물고 있으며 지난 2018년 중국 시장이 글로벌 ESS 용량에서 차지하는 비중은 8.5%에 불과할 정도로 ESS 시장 성장은 상대적으로 더딘 편이었다. 다만, 중국 국가발전개혁위원회(NDRC), 국가에너지국(NEA), 과학기술부 등은 2017년 9월 <신형 에너지저장 발전을 가속화하기 위한 지도 의견> 발표를 통해 ‘2025년까지 신형 에너지저장장치 규모 30GW 이상, 2030년까지 신형 에너지저장 전면 시장화 발전 실현 및 에너지저장소는 풍력,태양광 발전의 중요 요소로 전기화 시대에 맞춰 높은 수준의 정부 지원 등 목표를 밝힌 바 있다. 

중앙정부 정책부터 분석해보면 <13차 5개년 계획 기간> 에너지저장 산업은 연구개발(R&D) 시범 단계에서 상용화 초기로 진입했고 <14차 5개년 계획> 기간 에너지 저장은 상용화 초기로부터 규모화 방향으로 정책 목표가 전환되었다. 2017년 9월 <에너지저장기술 및 산업발전 촉진에 관한 가이드라인> 발표를 시작으로 2022년 3월 <14차 5개년 신형 에너지 저장 발전 실시방안> 등 일련의 정책이 발표되며 2025년까지 신형 에너지 저장은 상업화 초기부터 규모화 발전 단계에 이르러 대규모 상업화 응용 조건을 마련하고 전기화학 에너지저장 기술은 성능 향상으로 전력시스템 비용 30% 이상 절감 실현을 목표로 추진 중이다. 2021년 말까지 중국 중앙 및 지방정부는 에너지저장산업 발전 지원정책을 잇달아 발표했으며 향후 정부의 ‘보조금 및 세제 감면’ 등 구체적인 정책 발표시, 2021년 이후 성장 속도가 가장 빨라질 것으로 전망된다. 

시사점 

에너지저장시스템(ESS)은 리튬배터리의 새로운 블루오션 시장으로 자리할 것으로 전망된다. 이미 유럽과 미국, 일본 및 중국은 잇달아 건설 에너지 관리 시스템(BEMS) 시범 계획을 추진함에 따라 대량의 에너지 저장 시스템 수요를 창출했고 많은 수의 기존 리튬배터리 제조사들이 이러한 시장기회를 포착해 대규모 에너지저장 시스템 시장에 진입하고 있다. 중국에서도 ESS 시장 점유를 가장 많이 확보한 기업도 닝더시대, 비야디와 같은 기존의 차량 리튬배터리 제조사다. 중국의 ESS 산업의 경쟁 양상은 상대적으로 주요 선도기업에 집중돼 있는 편으로 닝더시대 에너지 저장 배터리 시장 점유율은 약 60%에 육박하고 BYD가 16%로 그 뒤를 잇는다. 뤼쉐룽 중국 IEK산업분석가는 "리튬배터리가 3C 소비성 전자에서 전기차(EV), 에너지저장시스템 등 더 큰 전기용량 응용시장으로 진입하고 있다"고 분석하며 특히 이 중 에너지저장시스템은 재생에너지, 전력망 부하분산시스템, 송배전 관리체제, 가정용 및 상용 에너지저장서비스와 결합하여 BEMS 및 가정용 에너지관리시스템(HEMS)을 만들 수 있기 때문에 시장 발전 잠재력이 매우 높다고 평했다. 향후 몇 년간 일본, 한국, 중국 및 대만의 리튬배터리 소재, 모듈 및 설비 제조사는 이와 같은 거대한 비즈니스 기회를 선점코자 관련 시장 진출이 활발해질 것으로 보인다. 

중국 또한 2030 탄소피크, 2060 탄소중립 목표 달성을 위해, 전반적인 에너지 사용의 구조적 전환과 효율성 제고가 필요한 시점이다. 단, 정부의 보조금, 세제 감면 등 다방면의 지원에 비해 산업은 여전히 초기 수준에 머물고 있고 ESS 시장 성장은 상대적으로 더딘 편이었다. 이에 중국 국가발전개혁위원회(NDRC), 국가에너지국(NEA), 과학기술부 등은 2025년까지 신형 에너지저장장치 규모 30GW 이상, 2030년까지 신형 에너지저장 전면 시장화 발전 실현 및 에너지저장소는 풍력,태양광 발전의 중요 요소로 전기화 시대에 맞춰 높은 수준의 정부 지원 등 목표를 밝힌 바 있다. 중국은 2025년까지 신형 에너지 저장은 상업화 초기부터 규모화 발전 단계에 이르러 대규모 상업화 응용 조건을 마련하고 전기화학 에너지저장 기술은 성능 향상으로 전력시스템 비용 30% 이상 절감 실현을 목표로 추진 중으로, 중국 내에서 가장 성장 속도가 빠른, 시장기회가 창출되는 유망한 분야로 자리할 것으로 보인다. 중국의 주요 기업과 기술발전, 경쟁 동향을 살피면서 우리 기업의 시장 기회를 포착해내야하는 시점이다. 

[출처 = KOTRA GlobalWindow(http://news.kotra.or.kr) / 2022년 5월 26일]