최근 관심을 모으고 있는 에너지 저장장치(ESS). 현재 28조 원 정도인 ESS 시장 규모는 5년 뒤인 2020년에는 현재보다 2배 이상 늘어난 58조 원을 넘을 것으로 전망됐다. 특히, 최근 테슬라가 세계 최대 전지 공장을 세우며 전세계의 이목이 쏠렸다.

지난 7월 말 테슬라는 세계 최대 전지 공장, 기가팩토리(Gigafactory) 그랜드 오픈 행사를 열었다. 2014년 초, 세계 연간 리튬이온 전지 수요량 전체와 맞먹는 전지 공장을 2020년까지 만들겠다는 야심 찬 계획을 발표한 지 2년 여만이다. 무엇보다 관심을 끈 것은 규모였다. 이번 발표에서는 2018년 50GWh, 2020년 완공 후에는 150GWh의 전지를 생산할 수 있는 규모로 키우겠다고 하였다. 약 150만 대의 전기차 수요를 감당할 수 있는 규모다. 기존 계획을 앞당기고 규모도 늘렸다.

현재 ESS는 테슬라가 택한 리튬이온전지 위주로 흘러가고 있다. 기계식보다 인프라 구축이 용이하며, 소용량에서 대용량까지 구현이 용이하기 때문이다.

하지만 르웰린 킹 PBS 애널리스트는 석유전문매체 오일프라이스에 기고문을 내고 엘론 머스크 테슬라 CEO가 간과하는 4가지 방식이 있다며 양수발전, 압축공기, 플라이 휠, 그리고 최근 개발된 레일 스토리지 등 ESS 관련 방식을 소개했다.

전기의 저장이 불가능하다는 것은 전구를 처음 발명된 토마스 에디슨 시절부터 극복해야 하는 주요과제였다.  

전기는 실시간으로 생산되고 사용되기 때문에 특정 시간대에 집중적인 수요가 발생한다. 문제는 태양광과 풍력이 새로운 전력발전 방식으로 떠오르면서부터다. 태양광 발전은 하루중 해가 떠있는 낮시간대에만 가능하고 바람은 일정하게 부는 것이 아니기 때문에 불안정한 전력공급의 극복은 더욱 시급한 문제로 부상했다.

전력은 에너지안보와 직결돼 있는 만큼 언제나 안정적으로 공급돼야 하는데 태양열이나 풍력의 물리적인 한계는 전력안정성을 확보하는데 어려움을 야기한다는 지적이다.

이런 문제의식 아래 최근 몇 년 새 에너지 저장장치(ESS) 사업이 급부상하기 시작했다.

ESS란 생산된 전력을 전력계통에 저장했다가 전력이 가장 필요한 시기에 공급해 에너지 효율을 높이는 시스템이다. 태양광이나 풍력 등 신재생에너지원의 유휴 전력을 저장하고 전압 관리 같은 전력망 보조 서비스에서 그 활용도가 크다.

물론 전통적으로도 전력 저장방식은 존재해왔다. 발전소와 가스터빈을 돌려 예비전력을 확보하는 것이었다. 사실상 저장이라기보단 끊임없이 새롭게 생산하는 것에 가깝다.

대표적으로는 이른 시기부터 이용돼 온 양수발전이 있다. 하부 댐의 물을 퍼 올려 상부 댐에 저장했다 흘려보내며 터빈을 돌려 전력을 생산하는 방식이다. 수력발전소처럼 물을 이용하지만, 발전에 사용한 물을 다시 끌어올려 재활용하는 점이 다르다. 전력 소비가 적은 밤에 높은 곳에 있는 저수지로 물을 퍼 올려 저장한 후 전력 소비가 많은 낮 시간에 이 물을 떨어뜨려 발전한다.  

양수발전은 수력발전과 마찬가지로 장소에 제약이 따르는 데다 발전시설을 세우는 과정에서 지형에 변화를 주기 때문에 환경을 훼손한다는 단점이 있다.

실제로 미국 내에서도 새로운 양소발전소를 건설하는데 지속적으로 난관에 부딪쳤다. 발전소는 주로 경치가 좋은 곳에 위치해 있어 당국의 허가가 까다롭기 때문이다. 1962년 에디슨 통합회사는 뉴욕주 코넬 지역에 위치한 스톰 킹 산 허드슨 강에 양수발전소 설립을 신청했지만, 17년 후 사측은 결국 환경론자의 반대에 부딪쳐 백기를 들었던 전례가 있다. 

압축공기 에너지 저장(CAES: Compressed Air Energy Storage) 방식은 1970년대에 처음 알려졌다. 기본적으로는 양수발전과 크게 다르지 않지만 양수발전이 물을 이용한 발전이라면 CAES는 바람을 이용한다. 전력 소비가 적을 때 잉여 전력으로 바람을 모아 공기를 압축해 지하에 저장한 뒤, 필요할 때 압축한 공기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 

독일에서 활발히 추진되고 있는 플라이휠 초전도 ESS는 최대 95%의 에너지효율로 단시간내에 메가와트급 전기를 생산할 수 있다. 이 시스템은 초당 8만회를 회전하는 무거운 플라이휠에 전기모터를 달아 그 회전력으로 전기를 생산하는 방식이다. 전기가 남아 돌때는 모터로 추를 회전시키고, 전기가 부족할때 추의 관성력으로 전기를 일으킨다.

이 방식은 저항에 따른 전기 손실이 전혀 없기 때문에 저장효율이 월등히 높고 충전 및 방전 속도가 빠르며 수명이 반영구적이라는 장점이 있다.

ARES는 기차를 활용해 풍력발전 등으로 만든 재생에너지를 저장하는 ESS를 개발 중에 있다. ESS열차는 전기의 힘으로 모터를 돌려 언덕위로 올려보낸 후 내려갈 때 바퀴에 달린 발전기로 전기를 생산해 전력을 저장한다.

르웰린은 기존 방식 외에 새롭게 개발된 열차 저장방식을 소개하면서 안전성과 높은 기계적 효율성 때문에 가장 큰 관심을 갖고 있다고 밝혔다.

르웰린은 "전기의 힘으로 모터를 돌려 언덕위로 올려보낸 후 내려갈 때 바퀴에 달린 발전기로 전기를 생산해 전력을 저장하는 원리"라고 설명했다. 기차가 올라가면서 전기를 사용하고, 내려오면서 다시 전기를 만드는 것이라고 이해할 수 있다.

이 열차는 캘리포니아 산타 바바라에 위치한 에너지저장업체 ARES가 개발했다. ARES는 기차를 활용해 풍력발전 등으로 만든 재생에너지를 저장하는 ESS를 개발 중에 있다.

열차에 사용된 기술은 ‘레일 스토리지’로 전기를 사용해서 열차를 위로 올려두기만 하면, 언제든 전기가 필요할 때 열차를 아래로 내려보내면서 전기를 만들 수 있다. 언덕 위로 올린 열차에 위치에너지 혹은 중력에너지의 형태로 전기를 저장할 수 있게 되는 셈이다.  

영국 경제전문지 이코노미스트는 재생에너지 열차를 "시시포스 열차"라는 별명을 붙였다. 시시포스는 그리스 신화에 나오는 인물로, 신을 속이는 바람에 큰 돌을 언덕 위로 굴려야 하는 형벌을 받았다. 하지만 정상에 올리면 돌은 밑으로 굴러 내려가 끝없이 다시 올려놓아야 한다.  

프란체스카 카바 ARES 대변인은 열차가 85%의 효율성을 달성했다면서 강철 선로와 강철 바퀴가 만났기 때문에 가능한 것이라 설명했다. ARES는 미 토지관리국으로부터 5.5마일의 트랙을 허가받고 내년부터 에너지 열차 건설을 시작할 계획이다. (에너지경제)