1. 들어가며

인류의 4대 문명 발상지가 거대한 강을 인근에 두고 있었듯 안정적인 물의 공급은 역사적으로 인류의 발전에 필수적인 요소였다. 물을 저수지에 저장하면서 농업 문명은 한 단계 발전을 한다. 만약 물을 저장하지 못했다면 하상 계수가 높은, 즉 하천의 유량 변동성이 큰 지역은 농경하기 매우 어려웠을 것이다. 제천 의림지, 김제 벽골제, 밀양 수산제 등의 저수지를 우리나라 농경문화의 기원과 함께 언급하는 것도 그런 이유이다.

농업의 저수지 역할을 에너지저장장치(ESS)가 할 수 있을까? 전기 저장 욕구는 인류가 전기를 처음 발견한 이후 지속적으로 존재해 왔다. 자동차에도 사용되는, 충전이 가능한 플랑테의 납축전지(1859년)가 개발된 것은 실용적인 전기를 처음으로 꺼내 쓸 수 있었던 볼타 전지(1799년)가 발견된 지 불과 60년 만이다. 이후 다양한 이차전지가 개발 및 이용되었는데, 소형 전기제품의 편리한 사용을 위해 저장 장치가 필요함을 깨달은 인류가 전력산업의 ‘저수지’를 생각한 것은 자연스러운 일이었다. 그럼에도 불구하고 대규모로 전력을 저장하는 ESS가 발전하기 어려웠던 것은 석탄화력발전에 기반한 ‘안정적 공급’이 존재했다는 것과 대규모로 전기를 저장할 수 있는 기술이 지형의 영향을 받고, 거대한 토목공사가 필요한 양수발전 외에는 없었기 때문이다.

하지만 전력산업의 패러다임이 바뀌고 있다. 가장 큰 변화는 기후위기 극복을 위해 신재생에너지 발전 비중이 급격히 증가했다는 것이다. 반면 내연기관이 전기모터로 대체되면서 전력 사용량이 증가함은 물론, 전기자동차 외에도 1~4차 산업 모두 전기를 기반으로 발전함에 따라 더 많은 전력이 사용되고, 사용 패턴도 불안정해지고 있다. 농업으로 비유하면 수천 년간 변함없던 하상 계수가 급격하게 증가하는데, 물을 댈 논은 훨씬 많아지고 있는 셈이다. 현명한 목민관이라면 동일한 해법을 제시할 것이다. “저수지를 빨리, 크게, 안전하게 만들어라.”
바나듐 이온 배터리가 등장하게 된 배경이다.

2. 전력시장의 변화와 에너지저장장치(ESS)

1) 전력시장의 변화
전력시장의 변화에 대해 좀 더 자세히 살펴보자. 가장 큰 변화는 공급이 급격히 불안정해지고 있다는 것이다. 기후 위기로 인해 신재생에너지 비중이 급격히 증가하고 있다. 전 세계적으로 전체 발전량 가운데 신재생에너지 비중은 31.7%에 육박하며, 우리나라의 경우 과거 2010년에 1.2% 수준이었던 것이 지난해 10.6%까지 성장했다. 특히 제주 지역은 신재생에너지 발전 비중이 20.0%에 이른다.
신재생에너지 발전은 화석연료를 사용하지 않는다는 장점이 있지만, 날씨의 영향으로 발전량이 좌우될 수 있다는 점에서 불안정성에 대한 우려가 있다. 예측보다 일조량이나 풍량이 큰 경우 필요 이상으로 전력이 생산될 수 있고, 전력 계통에 심각한 부담을 줄 수 있다. 이러한 경우 신재생에너지 발전 전력을 전력 계통으로 유입하지 않게 하는 조치, 즉 ‘출력제한’ 조치를 취하게 되는데, 제주도는 태양광·풍력 과잉으로 풍력발전의 경우 2021년 65회, 2023년에는 181회나 출력제한을 시행했다. 이는 단순히 ‘물의 양’이 아니라 ‘순간적인 급류’를 제어해야 하는 시대가 도래했음을 보여준다.

전력 공급의 불안정성 증가와 별개로 수요가 폭증한다는 점도 변화하는 전력시장의 특성이다. 어느 정도는 예상되었고, 화석연료를 신재생에너지로 대체한다는 것은 전기 사용이 늘어날 것을 함축하고 있기 때문이다. 예를 들어 내연기관 자동차를 전기자동차로 교체하면 화석연료의 사용은 줄겠지만, 전기 사용량은 증가한다. 운행 중인 자동차 수의 내연기관만 교체한다고 해도 그렇다.
추가로 기존에 없던 전력 수요가 발생한다. 대표적인 분야가 인공지능(AI)이다. AI 산업의 핵심 인프라인 데이터센터의 경우 막대한 양의 전력을 사용할 수밖에 없는데, 이는 기존의 전력 사용 대체가 아닌 새로운 수요가 발생하는 것이다. 챗GPT로 시작된 AI 붐이 갓 시작된 2023년만 하더라도 구글과 마이크로소프트는 전 세계 100개국보다 더 많은 전기를 사용했다. 도심항공교통(UAV)이나 드론, 각종 로봇의 등장에 따른 전력 수요 역시 기존에는 없던 것이다. 특히 이러한 전력 수요는 기존의 산업용 전력 수요 및 냉난방 등 가정용 전력 수요와 비교할 때 편차가 심하게 나타난다. 특정 이슈 발생 시 AI 사용이 순간적으로 폭증하는 경우를 예측할 수 없지 않을까?
20세기의 전력망은 화력·원자력 등으로 대표할 수 있는 기저발전을 거대한 ‘대하(大河)’로 삼아 안정적인 공급을 유지했지만, 점차 신재생에너지의 증가와 AI 산업 발전에 따른 전력 수요의 확대로 공급과 수요의 ‘순간 변동’이 거칠어지고 있다. 때로는 폭우처럼 쏟아지고, 때로는 분초 단위로 변동하는 전력 수요를 제어하기 위해서는 전기의 ‘저수지’만으로는 대응이 어렵다. 밀리초 단위로 물의 흐름을 제어하기 위한 ‘배수문(排水門)’이 함께 필요하다. 전기에 대응하여 말하자면, 단순히 전기에너지 저장을 넘어 저장된 전력을 폭발적으로 뿜어낼 수 있는 장치이다. 필자는 이 역할을 전력 저장 장치, 즉 Power Storage System(PSS)라고 정의한다. PSS는 전통적 개념의 Energy Storage System(ESS)이 추구하는 ‘전기를 얼마나 오래 담을 것인가(kWh)’를 넘어 ‘전력을 얼마나 빠르게 뿜어낼 것인가(kW)’에 중점을 두고 보는 개념이다.

2) 에너지저장장치(ESS) 및 전력저장장치(PSS)의 필요성
현재 전력시장에 나타나는 변화는 ‘전기를 저장하여 이용 효율을 제고하는 것’이며, 이는 선택이 아닌 필수 사항이 되고 있다. 날씨 변화가 심하고, 강수량의 편차가 크다면 저수지를 만들어야만 하는 것과 마찬가지다. 여기서부터는 기술이 문제가 된다.
물리적인 위치에너지를 전기로 전환하는 전통적인 양수발전부터, 물을 수소와 산소로 분해한 후 연료전지를 통해 전기를 생산하는 방식 등 다양한 전기 저장 방안이 논의되어 왔다. 하지만 범용성, 경제성, 낮은 에너지 저장 효율 등으로 인해 널리 보급되지 않았다. 가장 현실적인 대안은 배터리 기술을 활용한 ESS였다.
하지만 ESS에 배터리를 적용하는 것은 한계에 직면했다. 높은 효율과 고출력의 장점을 발휘하는 배터리 기술은 발화 위험성의 우려를 낳았다. 화재에 안전한 배터리의 경우, 낮은 에너지 저장 효율과 낮은 출력으로 용도가 제한적이었다. 특히 안전성의 문제는 배터리를 활용한 ESS 확산의 장애물로 작용했다. 우리나라의 경우 2016년부터 설치된 ESS가 2018년에는 세계 2위 규모까지 성장했으나, 이후 설치 규모가 교착되었다. 2018년 이후 발생한 ESS 화재와 관련성이 없다고 할 수 있을까?
특히 최근의 전력 트렌드가 공급의 변동성에 못지않게 수요 측의 ‘초단기 피크’가 빠르게 증가하고 있다는 점에서 기존 배터리를 활용한 ESS의 한계는 더욱 분명해졌다. AI 데이터센터의 GPU 팟(Pod)은 수분 내 수 MW를 요구하고, 350kW급 초급속 충전기 1기는 100~200세대가 쓰는 전력량을 한 번에 사용한다. 이러한 초단기 피크를 완화하기 위해서는 ESS가 단순히 전기를 저장하는 것을 넘어 빠른 속도로 전력을 공급할 수 있어야 한다. 특히 이렇게 빠른 속도로 충방전하면 빠른 속도로 용량 저하가 발생하고, 수명이 급속하게 줄어드는 문제점을 수반한다. 즉 고출력 ESS나 PSS는 수만 사이클 이상을 사용하더라도 용량 저하가 거의 없는 장수명이 함께 요구된다.

3. 바나듐 이온 배터리(Vanadium Ion Battery)

1) 발명의 배경
: ESS와 PSS를 위해 필요한 기술적 요건
바나듐 이온 배터리(VIB)는 초기 개발 단계부터 ESS와 PSS에 특화된 요구 사항을 바탕으로 제작된 배터리로, 스탠다드에너지는 배터리 기술의 요구 사항을 다음과 같이 정의했다.
① 절대적인 화재 안전성을 확보할 것
② 충전, 방전 시 에너지 손실을 최소화하여 에너지 저장 효율을 극대화할 것
③ 사용처의 어떤 요구에도 대응하도록 높은 출력으로 운용이 가능할 것
④ 수만 사이클의 수명을 바탕으로 장수명을 확보할 것
현존하는 배터리 기술 가운데 이 모든 요건을 충족할 수 있는 기술은 바나듐 이온 배터리, VIB가 유일하다. VIB는 수계 전해액을 사용하여 화재의 원인을 원천적으로 차단했다. 4가지 상태의 이온으로 존재할 수 있는 바나듐을 전해액 원료로 사용하고 있으며, 양극과 음극을 모두 하나의 동일한 원소로 구성할 수 있으므로 양극과 음극의 오염 문제로부터 자유로울 뿐만 아니라, 장수명 구현이 가능하고 재활용이 용이하다. 한 VIB는 바나듐 전해액을 강제로 순환시키기 위한 외부 펌프 장치 및 별도의 배관과 같은 요소가 필요하지 않아 전기에너지의 낭비가 없다. 이는 바나듐을 활용하는 기존의 바나듐 흐름 전지(VRFB)와 비교할 때, VIB만이 갖는 장점이다. VIB는 셀 내부의 미세 유동을 활용해 바나듐 이온 간의 전기화학 반응을 유도하며, 스탠다드에너지만의 독창적인 셀프 밸런싱 기술이 적용됐다.
대부분의 배터리들은 고체 전극을 기반으로 하고 있어 비가역(Irreversible) 반응 및 전극 소재의 파괴가 불가피하다. 따라서, ‘500사이클 운용 이후 잔존 용량 80% 이상’과 같은 방식으로 수명의 척도를 삼는다. 이러한 특성의 배터리를 여러 개 연결하여 시스템을 구성한다고 가정할 때, 500사이클이 지나면 일부 배터리 셀은 잔존 용량이 90%, 일부 셀은 83% 차이가 발생할 수 있고, 결국 시스템 내부의 편차를 발생시킨다(잔존 용량 80% 이상이므로 모두 양품).
ESS 시스템의 수명은 ‘가장 약한 셀’이 결정하므로, 셀 간 편차에 따른 문제를 줄이기 위한 셀 밸런싱이 반드시 필요하며, 이에 따른 에너지 손실과 성능 저하가 불가피하다. VIB는 전극이 액체로 구성되어 화학 반응이 가역적(Reversible)이며, 1만 사이클까지도 잔존 용량 변화는 1% 미만이다. 수백~수천 배터리 셀이 하나의 시스템으로 묶여 구동되는 산업용 ESS 및 PSS에서 ‘가장 약한 고리’가 존재하지 않으면 시스템 제어 설계가 단순해지고, ESS 및 PSS의 성능 또한 사용 횟수와 무관하게 균일하게 유지될 수 있다. 
아울러 가로·세로 각각 14센티미터 크기로 만들어진 VIB 셀은 전기를 저장할 수 있는 최소 단위로, VIB 배터리는 셀의 적층 개수를 통해 용량과 출력을 조절할 수 있고, 나아가 셀을 어떤 식으로 패키징하고 설치하느냐에 따라 설치 공간을 다양하게 꾸밀 수 있다. 최근 CES 2025에서 혁신상을 수상한
‘에너지타일’은 VIB 셀을 건축자재인 ‘타일’ 형태로 만들어 건물 내부의 벽에 설치함으로써 공간적인 손실을 최소화할 수 있다.

2) 바나듐 이온 배터리 개발 및 상용화
스탠다드에너지가 만든 VIB 기술은 세계 최초로 한국의 연구진이 개발했고, 세계 최초로 만들어 기존의 레퍼런스가 존재할 수 없었다. 제품 인증을 받기 위한 표준, 제작 및 설치를 위한 제도적인 장치도 전혀 없었고, 한국에서 최초로 개발된 기술인 만큼 상용화 역시 한국에서 최초로 진행될 수밖에 없었다.
VIB의 실증은 산업통상자원부 규제샌드박스를 통해 이루어졌다. 2022년 6월, 스탠다드에너지는 인구밀집 지역인 서울 강남구 도산대로 한복판에 위치한 롯데 하이마트 주차장에 VIB ESS를 연계한 전기차 초급속 충전소인 ‘Charger5’를 설치하여 운영하였다. 규제를 개선해 달라는 규제샌드박스가 아니라, 제도를 만들어 달라는 규제샌드박스였다. 1년 9개월 운영 기간 동안 총 2,430여 대의 전기차의 초급속 충전을 수행한 가운데, 단 1건의 화재 및 열폭주도 발생하지 않았을 뿐만 아니라 다양한 성능을 검증할 수 있었다. 실증 결과 정부 관계부처에도 공유되었고, 2023년에 VIB 단체 표준 제정 및 KEC 등재와 같은 제도적인 기반이 마련될 수 있었다. 또한 2024년에는 VIB ESS 제품이 인증을 획득하여 본격적인 판매가 이루어졌다. 국내외 다수의 고객사들로부터 VIB ESS 판매 및 설치 관련 활발한 문의를 받고 있으며, 설치 사례를 만들어 가고 있다.
VIB 및 VIB ESS의 상용화 진행 상황을 다소 장황하게 설명하는 이유는, VIB의 기술 성숙도를 언급할 필요가 있기 때문이다. 소위 ‘차세대’ 기술로 언급되는 가운데 TRL(Technical Readiness Level) 7 이상의 단계에 올라와 있는 기술은 VIB가 유일하다.

3) 적용 가능한 분야
VIB는 ESS 및 PSS에 특화된 배터리로서 ESS가 적용될 수 있는 모든 분야에 적용 가능하다. 하지만 ESS 시장은 다양하고, 요구되는 성능이 각각 다르다. 어떤 분야에서는 기존 배터리로도 요구 성능을 충족할 수 있지만, 어떤 분야는 VIB ESS만이 요구 사항을 충족할 수 있다. 특히 단순 에너지 저장을 위한 ESS가 아니라, 더 기술적이고 난이도가 높은 PSS 분야가 대표적이다.

① AI 데이터센터
인공지능(AI) 산업이 발달함에 따라 핵심 인프라인 데이터센터가 교외는 물론 도심지 등 다양한 장소에 더 많이 설치될 것이다. 그에 따라 전력 수요는 폭발적으로 증가하고, 전력 수요의 변동성도 커질 전망이다. 데이터센터는 한번의 화재로도 천문학적인 손실이 발생할 수 있어 절대적인 안전성이 요구된다. 수익성 관점에서는 ESS를 통해 GPU 부하 스파이크를 수 밀리초 이내로 흡수하여 피크 요금을 절감하고, 서버랙 밀도를 높여 경제성을 확보할 수 있다. 아울러 ESS를 활용하여 정전 등 우발상황 발생 시 수 밀리초 이내로 작동해 혹시나 모를 전력 불안정성에도 대비할 수 있다. 현존하는 ESS 가운데 급격한 전력 수요의 변동성과 화재 안전성을 동시에 만족시킬 수 있는 솔루션으로 VIB가 유일하다.

② 전기자동차 초급속 충전
전기차 보급의 확대에 따라 충전 인프라도 확충되어야 한다. 내연기관 차량의 주유 인프라에 버금가는 수준의 전기차 충전 인프라가 구축되기 위해서는 10분 이내의 초급속 충전기가 보급되어야 한다. 다만 1대의 전기차를 초급속 충전하기 위해서는 일시적으로 수백 가구가 쓰는 전력을 사용하는 만큼, 그리드망을 불안정하게 할 수밖에 없다. 이를 해결하기 위해서는 초급속으로 충방전이 가능하면서, 도심 곳곳에 설치할 수 있을 정도로 안전한 VIB가 요구된다.

③ 그리드 포밍
재생에너지 발전으로 생산하는 전기는 물론 기존의 원자력과 화력발전으로 생산하는 전기 또한 발전 방식, 발전기 성능, 발전기 가동 상황 등에 따라 전력의 주파수가 불규칙하다. 현대 사회에서 사용되는 고성능 전자기기의 경우 불규칙한 전기를 사용하면 성능이 저하되거나, 때로는 고장을 야기할 수 있다. 급격한 주파수 변동에 대응하여 주파수를 안정화시키고, 전력의 품질을 높이기 위해서는 고출력으로 운영이 가능한 VIB가 적합한 솔루션이 될 것이다.

④ 신재생에너지 피크 저감
태양광, 풍력발전 등 신재생에너지 발전은 기상의 영향을 크게 받아 불안정성이 높고, 전력 생산 시기와 수요자의 전기 사용 시기가 달라 수요와 공급의 불일치가 발생할 수 있다. 이러한 불안정성은 신재생에너지 발전의 확대를 가로막는 원인이 되며, 이에 대응하기 위해서는 ESS를 통한 피크 저감이 반드시 필요하다.
신재생에너지 발전은 교외 대규모 단지에서 생산하는 것을 넘어, 건물 일체형 태양광 발전과 같이 우리 생활 깊숙이 들어오고 있다. 도심이나 인구 밀집지역에 설치하는 신재생에너지 발전의 피크 저감 및 효율성 증대를 위해서는 안전성에 우려가 전혀 없는 ESS가 필요하며, VIB가 유력한 대안이 될 수 있다.

⑤ 도시철도 회생 제동
도시철도 전동차가 정차할 때 회생 제동이 발생하고, 아주 빠른 시간에 많은 전기가 생산된다. 회생 제동에 따라 발생하는 전력량은 도시철도 운영 전력의 40% 수준에 이를 것으로 추정되며, 전력을 저장할 방법이 없어 대부분 버려진다. 기존 배터리를 이용한 ESS의 경우, 전동차 정차 시간 내에 충전한 뒤 이를 발차 시간 내에 방전하여 출력을 보조하는 방식으로 운영해야 한다. 무엇보다 화재 안전성을 담보할 수 없다. 특히 회생 제동을 위한 ESS는 도시철도 역사 내부 및 인근에 설치되어야 하며, 안전성이 담보되지 않으면 설치 자체가 어려울 것이다. 또 하루에도 수십 차례 충방전이 이루어지면 배터리의 수명이 급격히 단축되어 운영 비용의 증가가 예상된다. 이러한 우려는 고출력 운영이 가능하고, 화재에 절대적으로 안전하며, 장수명 운영이 가능한 VIB로 해결할 수 있다.

4. 향후 발전 방향

지금까지의 전력시장은 전기를 생산하는 동시에 소비하는 구조였다. 화력발전에 바탕을 둔 안정적인 대규모 전력 공급이 전력시장 구조를 가능하게 했다. 기후 위기 대응에서 촉발된 신재생에너지 발전 등 전력 생산방식의 변화는 기존 전력시장 구조 자체의 변화를 요구하고 있다. 전기가 생산되지 않았던 곳에서 전기를 생산하고, 일시적으로만 전기를 생산할 수 있는 환경에서도 안정적인 전기 이용이 가능하다.

또 전력시장은 저수지(ESS)와 배수문(PSS)이 이중으로 안정성을 구축하는 다층형 에너지 생태계로 진화할 것이다. 리튬 이온 배터리(LIB), 리튬 인산철 배터리(LFP), 나트륨 이온 배터리(SIB)는 장주기 에너지 저장, VIB는 초장수명과 단주기, 고출력 대응을 위한 전력의 저장을 담당하며 서로의 빈틈을 메운다.

ESS와 PSS에 특화된 VIB는 새로운 전력시장의 패러다임에 부합하는 배터리 솔루션이다. VIB는 가장 안전하고, 고출력·고효율의 높은 성능을 바탕으로 하며, 다양한 시장의 요구에 대응하는 배터리로 자리매김할 것이다.

dongyoung.lee@stndenergy.com