Redox Flow Battery 최근 기술 동향 및 시장 전망 (~2025)

최근 풍력·태양광 등 친환경 신재생에너지원이 확산되면서 여기서 생산된 전기에너지를 저장하는데 대용량 에너지저장장치(ESS)시장이 주목받고 있으며, 에너지를 저장할 수 있는 배터리 중 하나인 레독스 흐름전지(Redox Flow Battery)기술도 함께 발전하고 있다.

레독스 흐름전지는 기존 납·리튬계 배터리와 달리 액체로 만든 수용성 전해액 중의 활물질(active material)이 산화/환원되어 충방전되는 시스템으로 전해액의 화학적에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 축전장치이다.

현재 ESS Application 중 양수발전 등이 많이 쓰이고 있으나 비용과 지리적 제약조건, 환경파괴 등의 문제점으로 인하여 레독스 흐름전지가 대안으로 최근 떠오르고 있으며, 단점인 에너지 효율을 높이기 위한 연구가 계속해서 이루어지고 있어서 전망이 밝다.

Flow Battery는 KWh급 소형부터 MWh급 대형 시장까지 대응할 수 있으며, 수명이 20년으로 길다는 장점을 지닌다. 또한 Energy와 Power가 분리되어 있다는 것이 큰 장점이 있으나 프로젝트 단위의 소규모 생산 및 실증사업만이 진행되고 있기 때문에 경쟁기술인 LiB 및 ALAB와는 다르게 대량생산 라인이 없기 때문에 가격 절감 및 양산 기술 확보도 미흡한 실정이다. 또한 2019년 바나듐 원재료 가격의 폭등으로 인해 경쟁기술인 LiB 대비 가격 경쟁력 확보에 어려움을 겪고 있는 상황이다.

 
이와는 대조적으로 경쟁기술인 LiB의 경우 대규모 양산라인을 가지고 있는 LG, 삼성, CATL 등 대형 업체들이 ESS 시장에 참여하고 있기 때문에 양산기술이 성숙되어 있으며 이로 인한 가격 저하가 계속적으로 발생하고 있어 Flow Battery의 시장 진입에 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 다만 2019년 부터 LiB가 적용된 ESS에서 화재 사고가 잇달아 발생하고 있어 이를 대체할 수 있는 안전성이 높은 이차전지에 대한 시장의 요구가 늘어나는 시점으로 Flow Battery에게는 지금이 시장 진입할 수 있는 가장 좋은 기회라 할 수 있다. SNE리서치에서는 최근까지의 Redox Flow Battery 설치실적 및 주요 업체 현황, 기술적 해결 과제와 2025년까지의 중장기 시장 전망을 하였다.

대용량 에너지저장 시스템

전 세계적으로 에너지 수요가 급증하면서 화석연료의 지속적인 사용으로 인해 CO2가 계속 배출되어 환경오염 및 지구 온난화 현상이 초래되고 있다. 이러한 온실가스 배출 억제를 위해 태양광, 풍력, 연료전지 등의 신재생에너지가 각광을 받고 있고, 보급도 급속히 확대되고 있다. 하지만 신재생에너지는 입지환경이나 자연조건에 크게 영향을 받으므로 출력 변동이 심하여 연속적인 공급이 힘들고 에너지 생산시점과 수요시점의 시간차가 발생하게 되어 이에 대한 해결방안으로 대용량 에너지저장 시스템의 중요성이 대두되고 있다.

에너지저장 시스템(ESS, Energy Storage System)은 남는 전력을 저장하여 필요할 때 공급함으로써 에너지 효율을 향상시키고, 신재생에너지의 활용도를 높이며, 전력 공급시스템을 안정화시켜 주는 전력공급장치이다. 즉, 에너지저장 시스템은 잉여 전기를 저장하여 재활용하는 ‘전력저수지’ 기능을 수행할 수 있기 때문에 정전시 비상전원으로 활용이 가능하고 전력부하 관리에도 유용하게 사용될 수 있다.

사용 용도로는, 대규모 태양광 발전 및 풍력 발전 단지에는 대용량 이차전지저장 시스템이 각광을 받고 있으며, 잉여전력이나 야간 저부하시에는 양수발전, 압축공기, 플라이휠 등이 적용될 수 있다. 특히 요즘 각광받고 있는 스마트 그리드에는 에너지저장 시스템 기술이 중요하게 부각되고 있으며, 이러한 에너지저장 시스템중에서도 계통 상태에 따라 신속한 대응이 가능한 이차전지가 효율적인 것으로 알려져있다. 따라서 에너지저장 시스템은 전력공급 안정화, 신재생에너지 확산 등의 부가가치를 창출하는 녹색 분야의 핵심기술로써 급격한 시장 확대가 예상되는 신산업 분야이다. 

이러한 여러가지 에너지 저장장치 중에서 대용량 ESS 에너지 저장시스템에 적합한 Redox Flow Battery에 대해서 알아본다.

Redox flow battery (레독스 플로우 전지)

레독스 플로우 전지는 기존 이차전지가 활물질(active material)이 포함되어 있는 전극에 전기에너지를 저장하는 것과는 달리, 전해액에 포함되어 있는 활물질이 산화/환원(redox, reduction/oxidation)되어 충방전되는 시스템으로 활물질의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 저장시키는 전기화학적 에너지저장 장치이다.

이러한 레독스 플로우 전지의 구성 요소는 산화상태가 각각 다른 활물질이 저장되어 있는 용량을 결정하는 전해액 탱크와 충방전 시 활물질을 순환시키는 펌프 그리고 출력을 담당하는 스택으로 구성된다. 특히 전해액 탱크와 스택이 분리되어 있는 구조이기 때문에 출력과 용량을 자유롭게 설계할 수 있으며 설치 장소의 제한도 적은 편이다. 또한 CO2 등의 배기가스를 발생하지 않고 전해액 중의 바나듐 활물질은 반영구적으로 재활용이 가능하여 자원을 효과적으로 활용할 수 있는 특징이 있다.

레독스 플로우 전지의 활물질로는 V, Fe, Cr, Cu, Ti, Sn, Zn, Br 등의 전이금속을 강산 수용액에 용해하여 제조한 전해질이 주로 사용되며, 양극 및 음극 활물질의 전위차에 의해 작동 전압이 결정된다. 스택은 원하는 전압과 전류를 얻기 위해 직렬 및 병렬로 연결하여 적층된다.

레독스 플로우 전지에 대한 연구는 1974년 미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration)의 LRC(Lewis Rsearch Centre)에서 시작되었으며 레독스 커플, 전기화학 반응 메커니즘, 이온교환막 개발 및 성능 시험 등의 연구가 활발하게 진행되어 1980년대에 특허 출원도 정점에 달했다.

V-V (vanadium-vanadium) 레독스 플로우 전지는 1977년 NASA에서 V2+/V3+와 V4+/V5+ 레독스 커플에 대한 평가를 수행한 이후로 1985년에 UNSW(University of New South Wales)의 Skyllas-Kazacos 팀이 성공적으로 개발하였으며, 현재는 상업화 단계까지 개발이 진행되어 가장 상용화에 근접한 기술로 평가받고 있다.

특히 바나듐 레독스 플로우 전지는 다른 전지에 비해 에너지 효율이 높으며, 이온투과현상에 의한 영향이 다른 레독스 전지에 비해 적다는 장점을 가지고 있으며, 대표적인 기업으로는 일본의 Sumitomo, 미국의 UET, Imergy Power Systems, 유럽의 Gildemeister, 중국의 Prudent Energy, Rongke Power 등이 있다.

 레독스 플로우 전지의 공통적인 장점은 1. 안전성 2. 반영구적(이론적으로) 3. 용량 출력 설계 자유도 높다는 점을 꼽을 수 있다.

 레독스 플로우 전지는 출력 및 용량의 설계가 자유로우며 상온 작동형으로 안전성이 뛰어나고 10년 이상의 장기간 사용이 가능한 장점이 있는 ESS 저장장치 선정 조건을 모두 만족시킬 수 있고 대용량화가 용이하여 스마트 그리드, 분산형 전원 등에 적용이 기대되는 에너지저장 시스템이다.

레독스 플로우 전지의 공통적인 단점은 수계 Base 라서 유기계 LIB에 비하여 작동전압 낮아 용량이 낮다. 하지만 2000년대 이후 고에너지밀도 개발이 계속해서 이루어지고 있다. 계속해서 효율을 높이려는 연구가 계속 되고 있는 상황이다.

목 차