정부, 차기 ESS 입찰 ‘장수명·안전성’ 우대… 바나듐계 배터리 첫 진출 ‘유력’

▲지난 3월 9일 이호현 기후에너지환경부 2차관이 충남 계룡시 H2 사업장을 찾아 에너지저장장치(ESS) 생산 시설을 살펴보고 있다. 사진=기후에너지환경부

정부가 차기 에너지저장장치(ESS) 입찰에서 장수명·장주기·화재안전성 배터리에 힘을 실어주겠다는 계획을 밝히면서 바나듐(V)계 배터리가 유력하게 떠오르고 있다. 삼원계(NCM·NCA)나 리튬인산철(LFP) 등 리튬계 배터리보다 안전성이 뛰어난 바나듐계 배터리는 현재 양산은 되고 있지만, 상업화는 미진한 상태다. 정부는 LFP 배터리 시장을 중국에게 빼앗긴 쓰라린 경험을 발판 삼아 차세대 배터리 시장에서는 선두자리를 탈환하겠다는 전략이다.

15일 에너지 업계에 따르면, 기후에너지환경부는 이르면 다음 달 나올 배전망 ESS 구축지원 사업 차기 공고에서 장주기·장수명·화재안전성 등에서 우수한 차세대 배터리가 관련 시장에 진입하도록 유도할 방침이다.

지난 10일 128MW 규모의 1차 입찰 발표에서는 NCM 또는 LFP 배터리 중심으로 선정됐다. NCM은 국내 배터리 3사가 주력으로 생산하는 형태이고, LFP는 중국이 주도권을 잡고 세계 배터리시장을 주도하고 있는 형태이다. 세계 배터리 시장 점유율은 LFP 54%~65%, 삼원계 35%~45% 수준이다. LFP는 삼원계보다 상대적으로 화재안전성이 높지만, 기본적으로 리튬 자체가 반응성이 너무 커 리튬계 배터리는 화재안전성에 취약하다는 평가를 받고 있다.

▲재생에너지 추가 연계형 배전망 에너지저장장치 사업 개념도. 사진=기후에너지환경부

ESS는 대규모로 설치해야 하고, 충전과 방전이 수시로 일어나기 때문에 무엇보다 화재안전성이 높아야 한다. 이에 정부는 차기 공모에서부터 차세대 배터리를 도입하겠다는 것이다. 제주지역에 우선 적용하고 육지 지역에서는 가점 제도를 보완해 차세대 배터리 보급을 점차 늘려가겠다는 것이다.

배전망 ESS 구축지원 사업은 재생에너지 발전 용량을 감당한다는 목적으로 배전선로 1곳당 4메가와트(MW) 규모의 ESS를 설치하는 사업이다. 기후부는 최근 재생에너지 발전 용량을 감당하기 위한 차세대 전력망 구축 계획을 통해 ESS를 배전망에 연계한다는 구상을 내놨다.

차세대 배터리로는 바나듐계 배터리와 나트륨계 배터리가 있다. 이 가운데 차기 공모에서는 바나듐계 배터리가 선정될 가능성이 높을 것으로 평가된다. 바나듐계는 이미 양산이 시작된 반면, 나트륨계는 아직 실증단계이다.

바나듐은 2+~5+ 이온 형태로 존재할 수 있는 다가(多價) 이온이다. 바나듐계 배터리의 주요 특징으로는 △수계 전해액 사용으로 높은 화재 안전성 △20년 이상의 초장수명 △높은 자원 수급 안정성 △뛰어난 친환경성 △높은 에너지 효율 및 출력 등이 있다. 다만 단점으로는 △낮은 에너지 밀도 △초기 인프라 비용 △원자재 독성 주의 등이 있어 아직까지 상용화가 미진한 상태다.

바나듐계 배터리 종류로는 바나듐 레독스 흐름 배터리(VFB)와 바나듐 이온 배터리(VIB)가 있다. VFB는 네 종류의 이온 형태로 존재 가능하다는 특성을 이용해 출력과 전력 용량 장치를 분리시킨 것이다. VIB는 기존 LFP 배터리에서 리튬 대신 바나듐을, 유기용매 대신 물을 쓴 것이다.

국내 바나듐계 배터리는 모두 대전에 본사를 둔 스타트업이 양산하고 있다. VFB는 H2, VIB는 스탠다드에너지가 개발해 생산 중이다. 기후부는 장주기 에너지저장장치로 안정적 재생에너지 발전 기반을 마련한다는 정책 기조의 일환으로 지난 5월 충남 계룡시 H2와 대전 대덕구 스탠다드에너지를 찾아 바나듐 배터리 생산 공장을 둘러보기도 했다.

나트륨계 배터리는 아직은 입찰 참여가 어렵지만, 곧 상용화가 가능하고 높은 경쟁력을 가질 것으로 전망되고 있다. 나트륨계 배터리는 자원 수급이 쉽고 저렴하며 고온 반응성이 낮아 열폭주 위험이 적다. 에너지 밀도에서 VFB는 kg당 20~35Wh인 반면, VIB는 150~175Wh, 나트륨계는 160~175Wh 성능을 갖는다.

국제에너지기구(IEA)는 지난 5월 발간한 '2026 전기차 전망'을 통해 나트륨 배터리가 올해부터 전기차용으로 상용화가 시작됐다고 전했다.

앞으로 ESS 시장에서 장주기·장수명·화재 안전성을 갖춘 배터리의 수요는 더 커질 것으로 주목된다. 11차 전기본에서는 2038년까지 ESS 23GW가 필요할 것으로 예측했다.

이에 따라 기후에너지환경부는 중앙계약시장 ESS와 배전망 ESS로 입찰을 진행하고 있다. 중앙계약시장 ESS는 2025년 1차와 2026년 2월 2차가 각 565MW씩 진행됐다. 올해 하반기 3차 입찰이 진행될 예정이다.

배전망 ESS 입찰은 최근 1차 128MW가 진행됐고, 바로 8월에 2차 입찰이 진행될 예정이다. 기후부는 2030년까지 총 700MW를 개설할 예정이다.

이처럼 정부가 차기 ESS 입찰부터 차세대 배터리를 우대하기로 한 배경에는 중국에 뺏긴 글로벌 배터리 시장을 탈환하려는 목적이 있다.

LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK온 등 국내 배터리 3사는 에너지 밀도가 높은 삼원계 배터리를 기반으로 한국, 미국, 중국, 폴란드, 헝가리 등에 배터리 생산공장을 구축해 세계 전기차 시장을 공략했다. 하지만 높은 가격으로 전기차 시장이 심각한 캐즘(수요 부진)에 빠지면서 3사는 실적 및 재무 부진에 빠졌다.

반면 저렴하고 안전한 LFP 배터리를 탑재하고 강력한 정부 지원책까지 입은 중국 전기차 시장은 매년 놀라운 성장을 거듭했고, 중국 배터리의 세계 시장점유율은 70% 초반까지 높아졌다.

기후부 관계자는 “한국도 진작부터 LFP 배터리 기술개발에 나섰지만, 결국 삼원계 방식을 택하면서 현재는 중국에 시장을 뺏기고 말았다"며 “글로벌 재생에너지 시장 확대로 BESS 시장도 커지고 있는 만큼 장수명, 장주기, 화재안전성 강점을 가진 차세대 배터리 시장을 빨리 활성화해 한국 배터리가 다시 글로벌 시장을 선점할 수 있도록 지원하는 목표를 갖고 있다"고 말했다.

정승현 기자 jrn72benec@ekn.kr