54조 세계 ESS시장에 도전장 낸 '해수전지'...리튬이온 대안 될까

중앙일보

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태양광ㆍ풍력발전 등 신재생 에너지가 각광 받으면서, 이 에너지를 저장할 에너지저장시스템(ESS) 개발도 주목받고 있다. 울산시는 국비 등 총 6조원을 투입해 울산 앞바다에 부유식 해상풍력발전단지를 조성할 계획이다. UNIST의 해수전지는 이같은 해양산업시설에 이용될 수 있다. [사진 연합뉴스]

인천 앞바다 10㎞ 해상의 밤. 서해 특유의 탁한 바닷물 위로 선명한 빨간색 전구 불빛이 보인다. 불빛의 정체는 항로표지용 등 부표다. 부표는 선박이 안전하게 항해할 수 있도록 항로를 지시하거나 암초·침몰선 등 해상의 위험을 알려주는 바다 위 ‘신호등’이다. 이 때문에 야간에도 쉼 없이 빛을 내야 한다. 이날 ‘서해의 불빛’은 어딘가에 연결된 전원선도 없이 계속 신호를 보내고 있었다.

전기와 상극(相剋)으로 알려진 바닷물에서 이처럼 불빛을 내는 전력 공급원은 뭘까. 31일 찾은 울산과학기술원(UNIST)의 연구실에서 이에 대한 해답을 찾을 수 있었다. 실험실에는 부표뿐 아니라 입수 즉시 점등돼 조난자들의 생존 가능성을 높이는 구명조끼, 해상에서 양식장의 위치를 불빛으로 알려주는 부이(Bouy) 등이 작동하고 있었다. 이들의 전력원은 바로 바닷물을 사용하는 ‘해수(海水) 전지’. UNIST 연구진이 세계 최초로 개발해 상용화를 시도 중인 신소재 배터리다.

세계최초로 해수전지를 개발한 김영식 UNIST 에너지및화학공학부 교수 연구팀. 최근 리튬 소재 기반의 배터리와 ESS가 잇따라 화재를 일으키면서 이를 대체할 신소재 에너지 저장 시스템이 주목받고 있다. [사진 UNIST]

해수 전지가 2차전지의 주류인 리튬이온 배터리를 대신할 수 있는 신동력원으로주목받고 있다. 해수전지는 해상에서 전력을 사용하는 제품에서부터 대규모 전기를 생산·저장하는 발전소까지 시범테스트를 완료하고 상용화를 위해 기지개를 켜고 있다. UNIST 에너지 및 화학공학부 김영식 교수가 그 주인공이다. 김 교수는 한국전력·한국동서발전과 함께 2017년부터 3년간 사업비 50억원을 투입해 해수 전지를 에너지저장시스템(ESS)으로 사용하기 위한 ‘해수 전지 상용화 연구’를 공동진행하고 있다. 최근에는 전국적으로 잇따라 화재가 발생한 리튬이온 기반 ESS를 대체할 수 있을 것이라는 기대감도 높아지고 있다.

해수 전지의 장점은 지구 표면의 70%를 차지하는 해수를 이용한다는 점이다. 이 때문에 생산비용이 낮고 친환경적이다. 김 교수는 “해수 전지의 경우 바닷물 속 나트륨(Na+) 이온을 음극재로, 물을 양극으로 이용해 전기를 생산·저장하고 나머지는 담수화한다”며 “열 제어도 자체적으로 가능해 리튬전지보다 화재에 대한 위험성이 적다”고 밝혔다. 또 기존 배터리 소재로 널리 사용된 리튬은 지각의 0.02%밖에 없어 지난해만 가격이 3배나 뛴 희귀 광물이지만, 해수 전지는 생산비용이 50%이상 저렴하다는 게 그의 설명이다.

한국동서발전에서는 총 20억원을 투자해 해수전지 상용화 연구를 UNIST와 공동으로 진행하고 있다. 총 10kWh급의 해수전지는 지난해 12월, 동서발전에서 실제 설치돼 한 달간 운영되는 등 시범테스트를 거쳤다. [사진 UNIST]

이런 장점은 정부가 친환경 에너지원을 이용해 전력생산을 다각화하고 신소재 ESS의 필요성이 높아짐에 따라 더욱 부각되고 있다. 백승재 한국해양과학기술원 해양ICT융합연구센터장은 “울산시는 국비 등 총 6조원을 투입해 울산 앞바다에 부유식 해상풍력발전 단지를 조성할 계획”이라며 “해상 풍력터빈은 바닷물과 맞닿은 하단에 ESS가 있어 방수가 생명인데 해수 전지는 이 문제를 해결할 대안”이라고 밝혔다.

김영식 교수는 “특히 신재생 에너지의 경우 생산한 전력을 배선을 통해 즉시 공급할 뿐, 유휴 전기를 모아놨다 필요할 때 사용하는 ESS 기반 기술이 상용화하지 못하고 있다”며 “해외에서도 유휴 전기가 버려지고 있어서 시장이 성장할 가능성이 더욱 크다”고 말했다. 미국 기술조사기관 내비건트 리서치에 따르면, 글로벌 ESS 시장은 2020년 연간 58조6000억원 규모로 성장할 전망이다.

UNIST가 개발한 해수전지 기반 부표. 동서발전은 지난 30일, UNIST와 공동으로 어망용 부이 800개를 지역어민 400호에 공급하겠다고 발표했다. [사진 UNIST]

이 외에도 해상에서 이뤄지는 군사활동 등 해양산업 이용 가치도 높다. 백승재 센터장은 “최근 해양과학기술원이 군사적 용도로 제작 중인 자율주행 무인잠수정(AUV)과 무인수상정(USV)에도 해수전지를 사용할 계획”이라며 “해수 전지를 상용화하기 위해 총 5억6000만원 규모의 연구개발 예산을 투입했다”고 밝혔다. 동서발전은 지난 30일, UNIST와 공동으로 태양광으로 생산한 전기를 해수 전지에 저장해 사용하는 어망용 부이 800개를 만들어 지역 어민 400호에 공급하겠다고 발표하기도 했다.

울산=허정원 기자 heo.jeongwon@joongang.co.kr