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폐베터리 ESS와 V2G 시스템의 상호보완적 에너지 전략

북일고등학교

서윤

김지오

박상준

정현승

abstract

최근 신재생에너지가 화석 연료를 대체할 에너지로 떠오르면서 이를 더 경제적이고 안전하게 관리하기 위한 전력망이 주목을 받고 있다. 그 중, 전기차의 배터리를 이용한 V2G와 폐배터리 ESS에 대한 탐구를 진행해보고자 한다. V2G는 전기차를 이용함과 동시에 남은 전력을 전력망으로 다시 전송할 수 있는 기술을 말하고 폐배터리 ESS는 효율이 떨어져 전기차에 다시 사용하기 부적합한 배터리를 이용하여 ESS를 구축하는 것이다. 이 두 기술을 기술적, 환경적, 경제적으로 비교하고 이를 통해 서로의 장단점을 확인하는 과정을 가질 것이다. 이를 토대로 상호보완적인 방안을 제시함으로써 두 기술의 장점을 극대화하고 단점은 보완하는 방안을 떠올려 미래에 유용하게 이용할 수 있는 전력망을 구상해보았다.

목차

1. 서론  V2G와 폐배터리 ESS의 정의 및 작동원리

2. 본론

2.1. V2G와 폐배터리 ESS의 주요 차이점

2.1.1. 전력 공급 속도 및 응답 특성

2.1.2. 저장 용량

2.1.3. 수명 및 사이클

2.1.4. 운용 환경 및 제어

2.1.5. 기타 특징

2.2. 환경적 효과 비교

2.2.1. LNG 발전 대체 시 CO₂ 감축 효과

2.2.2. 재생에너지 잉여전력 흡수 및 출력제한 완화

2.3. 기술적 관점 비교

2.3.1. 반응 속도와 제어 용이성

2.3.2. 충·방전 주기와 운용 조건

2.4. 경제성 분석

2.5. 수명 대비 비용 효율성

2.6. 정부 보조금 정책 및 사업화 사례 (국내)

2.7.  폐배터리 ESS–V2G 상호보완 전략 제안

2.7.1. 피크 전력 공급

2.7.2. 비상전원 및 계통복원

2.7.3. 야간 전력 활용 및 충전소 효율화

2.7.4. 통합 에너지 관리 및 가상 발전소(VPP)

3. 결론 및 기대 효과

4. 참고문헌

Ⅰ		서론

1. V2G와 폐배터리 ESS의 정의 및 작동원리
V2G (Vehicle-to-Grid)는 전기자동차를 전력망과 양방향으로 연결하여 충전된 차량 배터리의 전력을 다시 전력망에 공급할 수 있게 하는 기술이다. 즉, 전기차를 이동형 ESS처럼 활용하여, 전기차에 저장된 전기를 필요시에 건물이나 전력망에 판매하거나 공급하는 스마트그리드 응용 기술이다. 이를 위해 양방향 충전기와 통신제어 시스템이 필요하며, 상황에 따라 남는 에너지 전력을 차량에 저장하고 피크 시간대에 이를 방전하는 방식으로 전력망 안정화를 실현한다.

반대로, 폐배터리 ESS(에너지 저장 시스템)는 전기차 운행에 사용되고 수명이 남은 배터리(통상 초기 용량의 70~80% 수준이 되면 차량용으로는 폐배터리로 여김.)를 수집하여 재가공한 뒤 고정형 에너지 저장 장치(ESS)로 구축한 것을 의미한다. 전기차에서 사용 후 퇴출된 배터리라도 성능이 60% 이상 유지된다면 저장용으로는 사용할 수 있기 때문에, 여러 개의 폐배터리를 팩이나 랙 단위로 연결하여 하나의 대용량 ESS를 구성할 수 있다. 이러한 ESS는 태양광과 풍력 발전의 잉여 전력을 저장하거나 비상 전원으로 활용하는 등, 새 배터리 ESS와 유사한 방식으로 작동한다. 다만 사용된 배터리의 특성을 고려한 배터리 관리 시스템(BMS) 보정과 수명관리, 안전성 확보를 위한 추가 관리가 필요하다.

Ⅱ		본론

2.1. V2G와 폐배터리 ESS의 주요 차이점

2.1.1. 전력 공급 속도 및 응답 특성

V2G와 폐배터리 ESS 모두 리튬이온 2차전지를 기반으로 하기 때문에 에너지 방출 응답이 매우 빠르다. 물리적으로 밀리초에서 초 단위로 출력 조절이 가능하다. 즉, 두 시스템 모두 전력 요청에 대한 즉응성이 뛰어나며, 실제 실험에서 V2G 제어 신호에 대한 EV의 반응 지연이 0.12ms에 불과하였다는 보고가 존재한다. 그러나 출력 용량의 규모에는 차이가 존재한다. 단일 EV의 V2G 출력은 차량용 양방향 충전기 사양에 따라 수 kW에서 수십 kW 수준인 반면, 고정형 ESS는 수백 kW에서 수 MW까지 규모를 확대하여 설치할 수 있다. 예를 들어 일본 치토세에 계획된 폐배터리 활용 ESS는 출력 6,000kW, 용량 23,000kWh 규모로 폐배터리 350개와 신품 배터리 350개를 조합하여 구축될 예정이라고 보고되어 있다. 이와 같이 ESS는 대규모 전력 공급이 가능하며, V2G는 다수 차량을 모아 집합 자원으로 구성해야 비슷한 수준의 전력 공급이 가능하다.

2.1.2. 저장 용량

개별 전기차 배터리의 에너지 용량은 현재 평균 60~100kWh 정도로 제한적이다. 반면 ESS는 원하는 용량만큼 배터리 모듈을 적층하여 수 MWh 이상의 대용량 저장도 구현할 수 있다. 따라서 장주기 에너지 저장에는 대형 ESS가 유리하며, V2G는 차량 한 대당 소규모 저장이 가능하나 연결 차량의 수에 비례하여 총 저장 용량을 유연하게 확대할 수 있는 장점이 있다. 실제로 V2G 실증을 위해 10대의 EV를 연결한 사례에서 시간당 최대 70kW 충전, 50kW 방전이 가능하였고, 한 달 간 16,800kWh를 EV에 저장 및 방전하여 약 34가구의 한 달치 전력량을 처리한 사례가 보고된 바 있다. 이처럼 분산형 소용량을 집합하면 상당한 규모의 저장 자원이 될 수 있으나, 단일 시설로 일괄 제어되는 ESS에 비해 집합 제어의 복잡성이 존재한다.

2.1.3. 수명 및 사이클

전기차 배터리는 일반적으로 5년에서 10년까지 사용된 후 용량이 초기의 70%에서 80% 수준으로 저하되면 차량 구동용으로는 성능이 부족하여 교체된다. 반면 ESS 용도로는 잔존 용량이 60% 수준까지 낮아져도 사용할 수 있기 때문에, 전기차에서 퇴역한 배터리를 추가로 5년에서 10년 가량 더 활용하여 총 15년 이상의 수명으로 연장하는 것이 가능하다고 평가된다. 폐배터리 ESS는 기존에 사용된 배터리를 활용하므로 초기부터 사이클 열화가 진행된 상태이며, 사용 가능한 남은 사이클 수가 제한적이다. 통상 수천 회 정도의 충방전 사이클을 더 수행하면 완전히 수명이 다할 것으로 예상되며, 이에 맞춘 운영 전략과 경제성 검토가 필요하다. V2G의 경우 사용 중인 EV의 배터리를 활용하므로, 지나친 충방전 사이클 추가는 차량 소유자 입장에서 배터리 교체 시기를 앞당기는 부담이 발생한다. 다시 말해 V2G 참여로 인한 배터리 열화 비용이 발생하며, 이 부분을 보상할 수 있는 인센티브 설계가 경제성 확보를 위해 중요하다. 반면 폐배터리 ESS는 어차피 폐기될 배터리를 마지막까지 활용하는 것이므로 배터리 자체 비용이 이미 절감된 상태이며, 완전히 수명이 다할 때까지 사용하는 전략이 적용된다.

2.1.4. 운용 환경 및 제어

폐배터리 ESS는 발전소나 건물 등 고정된 위치에 설치되어 전문 운영자에 의해 관리된다. 일반적으로 컨테이너나 전용 시설에 설치되어 온도 및 안전 관리가 이루어지며, 전력변환장치(PCS)와 에너지관리시스템(EMS)을 통해 충방전이 제어된다. 한편 V2G 시스템은 이동식 자원인 전기차를 활용하므로, 차량이 주차되어 전력망에 연결된 동안에만 활용이 가능하고, 차량 소유자의 운행 일정에 따라 가용성이 달라진다. 또한 다수의 차량을 관리하기 위해서는 통신 인프라와 제어 플랫폼이 필수적이다. 예를 들어 ISO IEC 15118 등의 표준에 따라 충전기와 EV, 중앙 서버가 실시간 통신하면서 개별 차량의 배터리 상태(SOC, 온도 등)를 모니터링하고 충방전을 지시해야 한다. 이러한 통신제어 시스템은 필연적으로 복잡도가 높고 사이버보안 등의 이슈도 고려해야 하나, 기술 발전에 따라 구현 가능성이 높아지고 있으며 V2G aggregator 사업자들이 이러한 플랫폼을 개발·운영하고 있다. 반면 고정형 ESS는 상대적으로 단순 제어가 가능하며, 한 시스템당 하나의 배터리 관리 시스템(BMS), 전력 변환 시스템(PCS)을 통제하면 되므로 운영이 용이하다.

2.1.5. 기타 특징

V2G는 운송 수단의 원래 목적과 전력 서비스가 결합된 형태이므로, 차량이 이동 중이거나 비상시 출동하면 전력원으로 사용할 수 없다는 한계가 존재한다. 그러나 동시에 이동 가능한 ESS로 볼 수 있을 만큼 위치에 유연하여, 필요할 경우 재난 현장 등으로 이동하여 비상전력을 공급하는 등 기동성 측면의 활용도가 존재한다. 폐배터리 ESS는 항상 그 자리에 설치되어 있으므로 전력 계통 입장에서 신뢰도가 높고 상시 가용 자원으로 취급되나, 기동성이 없다는 단점이 있다. 또한 안전성 측면에서 폐배터리 셀은 열화로 인해 셀 간 특성 편차가 크고 관리 이력이 불확실하여 화재 위험성 등의 우려가 존재한다. 이를 방지하기 위해서는 폐배터리 ESS를 구축할 때 추가적인 성능 검증과 모듈 재정렬, 보완 설계가 필요하다. V2G에 활용되는 차량 배터리는 각 차량 제조사에서 엄격히 BMS로 관리되고 있으며, 통신을 통해 상태를 실시간으로 파악할 수 있다는 점에서 개별 배터리의 모니터링이 용이하다. 그러나 다수 차량의 집합체로 구성된 시스템 전체의 안정성을 확보하기 위해서는 별도의 기술적 대책이 여전히 요구된다.

2.2. 환경적 효과 비교

2.2.1. LNG 발전 대체 시 CO₂ 감축 효과

V2G와 폐배터리 ESS는 모두 화석연료 발전을 대체함으로써 상당한 탄소 배출 저감 효과를 기대할 수 있는 기술이다. 배터리는 자체적으로 전력을 생성하지 않지만, 잉여 전력을 저장하였다가 수요가 높은 시점에 공급함으로써 평소 LNG나 석탄이 담당하던 부하를 대체하게 된다. 이를 통해 간접적으로 발전 연료 소비를 줄이고, 이에 따라 CO₂ 배출량을 감소시키는 효과가 발생한다. 국제원자력기구(IAEA)에 따르면 석탄으로 1kWh의 전력을 생산할 경우 약 992g의 CO₂가 배출된다고 보고하고 있다. 이 수치를 기준으로 하면, V2G 또는 ESS가 1kWh의 전력을 대신 공급할 때마다 약 992g의 CO₂를 저감하는 효과가 발생한다고 볼 수 있다. 이를 연간 단위로 환산할 경우, 하나의 시스템이 연간 40GWh의 전력을 석탄 대신 공급하면 약 39,680톤의 CO₂ 배출을 피할 수 있게 된다. 물론 실제 감축량은 전력의 탄소 강도와 배터리 충전에 사용된 전력의 원천에 따라 달라진다. 배터리를 재생에너지 전력으로 충전하고 화력발전을 대체한다면 명백한 탄소 저감 효과가 존재하지만, 배터리 충전에 화석연료 기반 전력이 사용된다면 충전 및 방전 과정에서의 손실을 고려한 조정이 필요하다. 그럼에도 불구하고 일반적으로 우리나라 전력망의 한계 발전원은 LNG로 간주되기 때문에, 피크 시간에 V2G 및 ESS를 통해 공급된 전력 1kWh당 약 0.2kg에서 0.3kg 수준의 CO₂ 감축 효과가 있다는 실증 사례도 존재한다. 따라서 대규모 V2G 및 ESS 보급은 전력 부문의 탈탄소화에 크게 기여할 수 있다. 예를 들어, 전력 피크 시 1,000대의 V2G EV가 각각 10kWh씩 방전하여 총 10MWh를 공급할 경우, 약 3톤의 CO₂ 감축 효과를 기대할 수 있으며, 이러한 수치가 지속적으로 유지된다면 연간 수천 톤 이상의 탄소 저감이 가능하다.

2.2.2. 재생에너지 잉여전력 흡수 및 출력제한 완화

V2G와 ESS의 가장 큰 환경적 가치는 변동성이 큰 재생에너지의 출력 변동을 완화하고, 잉여 전력을 흡수하는 능력에 있다. 태양광이나 풍력 발전량이 실시간 수요를 초과할 경우, 발전기의 출력을 억제하는 출력제한 조치가 시행되는데, 이는 잠재적으로 이용 가능한 청정에너지를 버리는 결과로 이어지므로 바람직하지 않다. 이러한 상황에서 ESS는 잉여 전력을 일시적으로 저장하였다가 이후 수요가 발생하는 시간대에 방출함으로써 출력제한을 줄이고, 재생에너지 설비의 이용률을 향상시킬 수 있다. 특히 제주도는 공급에 비해 수요가 많지 않아서 에너지 과잉 문제가 항상 제기되어왔다. 그동안 ESS 없이 전력 공급량이 넘치면, 신재생에너지의 발전을 강제로 멈추었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 2016년에 ESS를 2곳에, 그 후 2018년에 추가로 1곳에 설치했다. 또한, 추후 2026년까지 1~2곳 정도 시설을 추가 설치할 것이라는 계획을 밝혔다.

V2G 역시 재생에너지 과잉 시기에 전기차를 추가 부하로 활용하는 방식으로 활용 가능하다. 예를 들어 전력거래소는 제주도에서 재생에너지 출력이 90MW 이상으로 과잉이 예상되는 경우, 플러스 DR(잉여 전력이 발생할 경우 전기사용자가 자발적으로 전기를 사용해 전기요금을 할인받거나 인센티브를 제공받는 제도)을 발령하여 전기차에 급속 충전을 유도하는 실증을 수행하였다. 이는 평시에 수요를 감축하도록 유도하는 일반적인 DR과는 달리, 잉여 전력이 많은 시간대에 소비를 증가시켜 출력제어를 완화할 수 있도록 설계된 제도이다. V2G는 이러한 단방향 수요 증가뿐만 아니라, 필요 시 저장된 전력을 전력망으로 되돌려보내는 양방향 조절이 가능하다는 점에서 더욱 유용하다. 낮 동안 남는 전기를 차량이 저장하고, 저녁에 전력 수요가 급증할 경우 차량들이 이를 역방향으로 방출함으로써 재생에너지의 활용률을 극대화할 수 있는 것이다.

이와 같은 방식으로, 사용되지 않는 전기차의 배터리를 일종의 분산형 ESS로 활용할 수 있으며, 이를 통해 재생에너지의 간헐성과 잉여 문제를 해소할 수 있다. 우리나라 정책 측면에서도 V2G와 ESS는 재생에너지 출력제한 완화 수단으로 주목받고 있다. 한 연구에 따르면 V2G는 양수발전이나 신규 ESS와 같은 대규모 설비 구축 대비 구축 기간이 짧고 비용이 적게 드는 장점이 있으며, 풍력·태양광 증가로 인한 출력제어 문제와 피크 부하 문제를 동시에 해결할 수 있는 유연성 자원으로 활용 가치가 높다고 분석된다. 종합적으로 보면, 고정형 ESS는 대량의 잉여 전력을 흡수하여 후일로 옮기는 역할을 담당하며, V2G 전기차는 잉여 전력이 생겼을 때 이를 흡수하고, 필요시 즉각 방출하여 출력의 미세 조정을 가능하게 한다. 이처럼 두 자원은 화석연료를 대체하고 재생에너지의 사용을 활성화함으로써, 온실가스 감축과 친환경 전력의 효율적 이용이라는 측면에서 환경적 효과를 발휘할 수 있다.

2.3. 기술적 관점 비교

2.3.1. 반응 속도와 제어 용이성

2.3.1.1. 반응 속도

두 시스템은 모두 리튬이온 배터리를 기반으로 하므로 전력 전송의 동적 응답 특성은 매우 빠르다. 주파수 조정 서비스(Frequency Regulation)를 예로 들면, 대규모 ESS는 수초 이내에 응답하여 계통 주파수를 조정하는 용도로 이미 국내에서도 활용되고 있으며, V2G 차량 또한 통신 지연만 짧다면 유사한 수준의 응답 특성을 보인다. 실험 결과, V2G 환경에서 ISO 15118(전기차의 충전 절차를 제어하기 위한 표준)에 기반한 EV의 충방전 제어 신호 지연이 0.12ms에 불과하였다는 보고도 존재한다. 이러한 결과는 전력전자 소자 및 제어 알고리즘 측면에서 EV 배터리의 응답 속도가 ESS와 본질적으로 큰 차이가 없다는 점을 의미한다. 따라서 실시간 주파수 조정, 무효전력 보상, 전압 안정화 등의 서비스 제공 능력은 기술적으로 양 시스템 모두 가능하다.

2.3.1.2. 제어 및 운영

제어 및 운영 측면에서는 폐배터리 ESS는 보통 단일 시설로 설치되어 전력회사 또는 전력 자산 운영주체가 중앙집중식으로 제어한다. PCS(전력변환장치)와 BMS가 일체화된 시스템이므로 제어 명령의 대상이 단순하며, 일정 시점에 일정 전력을 충전 혹은 방전하는 명령을 EMS에서 보내면 ESS 단일 시스템이 그대로 수행하게 된다. 반면 V2G는 다수의 분산 자원을 제어해야 한다. 수십에서 수백 대에 이르는 개별 전기차가 이동성 자원으로서 접속과 단절을 반복하므로, 이를 조율하는 집합 제어 기술이 매우 중요하다. 일반적으로 V2G Aggregator는 클라우드 기반 플랫폼에서 수집된 차량 데이터를 바탕으로 제어 신호를 생성하여 각 차량의 양방향 충전기에 전달하고, 충전기에서 배터리에 직접 충전 또는 방전을 수행한다. 이 과정에서는 인터넷 통신망, 표준 프로토콜, 보안 인증 등의 다양한 기술이 동원되며, 제어 복잡도는 고정형 ESS보다 높다. 그러나 이러한 구조는 개별 차량의 SOC(State of Charge), 배터리 온도, 사용 이력 등을 실시간으로 고려하여 미세 조정이 가능하다는 장점도 지닌다. 실제로 중앙 ESS 하나를 제어하는 것보다, 다수의 차량을 개별 조건에 맞추어 정밀하게 스케줄링하면 운용 효율이 높아질 수 있다는 연구도 보고된 바 있다. 요약하면 ESS는 제어 구조가 단순하고 신뢰성이 높으나 확장성이 제한되는 반면, V2G는 제어 복잡도는 크지만 시스템 확장성과 유연성이 뛰어나다고 평가할 수 있다. 또한 V2G는 차량 소유자가 직접 참여하는 형태이므로 수요반응(Demand Response)으로서의 역할도 겸하며, 이에 따라 통신 표준, 사이버보안, 개인정보 보호 등의 제도적 고려사항이 필수적으로 요구된다.

2.3.2. 충·방전 주기와 운용 조건

2.3.2.1. 충·방전 사이클

충·방전 사이클 측면에서 ESS와 V2G는 모두 리튬이온 배터리의 사이클 수명을 소비하는 공통점을 지닌다. 다만 폐배터리 ESS는 이미 일정 기간 사용되어 열화가 진행된 배터리를 재활용하므로, 남은 수명 동안 최대한 활용하는 것이 핵심이다. 예를 들어 SOH(State of Health)가 80% 수준인 배터리를 ESS로 전환하여 60%까지 용량이 감소할 때까지 추가로 사용하는 방식이다. 이 경우 예상 가능한 충방전 횟수는 약 1800회로 추산되며, 하루 한 번 충방전 사이클을 반복할 경우 약 5년간의 추가 사용이 가능하다.

반면 V2G는 사용 중인 차량 배터리를 활용하므로, 충방전 사이클 추가로 인해 전체 배터리 수명이 단축될 수 있다. 이를 방지하기 위해 얕은 방전(Partial Depth of Discharge, PDOD)을 활용하는 전략이 적용된다. 예를 들어 배터리 용량의 10~20%만을 충방전하여 V2G 서비스를 제공하고 나머지는 차량 주행용으로 유지하는 방식이다. 실제 한국전력공사의 실증 사례에서는 출근 시 100%까지 충전한 전기차가 일부 주행 후 오후 피크 시간대에 약 20%를 방전하고, 퇴근 전 다시 충전하여 약 30% SOC로 귀가하는 시나리오가 적용되었다. 이러한 방식은 하루 1회 V2G 사이클을 추가하면서도 배터리 열화를 최소화할 수 있는 전략이다. 그러나 이 과정에서도 충방전 횟수가 누적되므로, 장기적으로는 배터리 교체 시점을 앞당기는 요인이 될 수 있으며, 이에 대한 보상 메커니즘이 마련되어야 한다. 예를 들어 참여 차량에 대한 금전적 인센티브 제공이나, 배터리 상태보증 프로그램의 도입이 필요하다.

2.3.2.2. 운용 조건

운용 조건 측면에서 폐배터리 ESS는 주로 실내 또는 전용 컨테이너 시설에 설치되어, 온도·환기·소화 시스템 등이 완비된 환경에서 운용된다. 리튬이온 배터리는 0~40℃ 범위 내에서 성능이 안정적이므로, 여름철에는 냉각 설비를 통해 온도를 낮추고, 겨울철에는 일정 온도를 유지하는 방식으로 운용된다. 반면 V2G 차량은 실외 주차장 등 외부 환경에 노출된 상태에서 연결되는 경우가 많으며, 외부 기온의 영향을 직접 받는다. 다행히 대부분의 전기차는 배터리 열관리를 위한 액티브 쿨링/히팅 시스템을 탑재하고 있으므로 충전 중에는 배터리 온도를 적절히 제어할 수 있다. 그러나 극한의 추위나 고온 환경에서는 충방전 가능 용량이 제한되며, BMS가 출력 제한을 걸어 전력 방출이 불가능해질 수 있다. 이외에도 V2G는 차량과 충전기, 전력망 사이의 지속적인 통신이 필수적이므로, 통신이 단절될 경우 해당 리소스를 활용할 수 없다. 고정형 ESS는 물리적으로 전력망에 고정 연결되어 있으므로 이러한 통신 단절 문제에서는 상대적으로 자유롭고, 사전 스케줄에 따라 예측 가능한 운용이 가능하다.

2.3.2.3. 안전 및 신뢰도

배터리 기반 ESS는 국내외에서 발생한 화재 사고로 인해 안전성에 대한 우려가 지속되어 왔으며, 이에 따라 셀 발열 감시 시스템, 화재 감지 및 자동 소화 장치 등 다양한 안전 대책이 마련되어 있다. 폐배터리 ESS의 경우에는 배터리 셀 간의 특성 편차와 열화 정도가 제각각이기 때문에, 새로운 배터리보다 안전성이 떨어질 수 있으며 추가적인 리스크가 존재한다. 이에 따라 폐배터리 재사용 ESS를 구축할 때는 잔존 수명 평가, 열화 셀 선별, 모듈 재조립 및 성능 검증 등의 공정이 반드시 선행되어야 한다(산업통상자원부, 2023).

반면 V2G에서 활용되는 전기차 배터리는 제조사로부터 공급되는 신품 배터리로, 생산과정에서 품질 검사를 거쳤으며 BMS(배터리 관리 시스템)를 통해 지속적인 모니터링이 이루어진다. 이는 각 셀의 전압, 온도, 충방전 이력 등을 정확하게 추적할 수 있도록 하여 높은 수준의 셀 단위 안전성을 보장한다. 다만 V2G는 다수의 차량이 집합적으로 구성되어 서비스에 참여하므로, 전체 시스템 차원에서의 안정성 확보가 중요하다. 예컨대 집합 자원 내 일부 차량의 이탈 또는 통신 오류가 발생하면 전력망의 수요-공급 균형에 영향을 줄 수 있다.

전력계통의 신뢰도 측면에서 ESS는 지정된 출력량을 언제든지 안정적으로 공급할 수 있는 확정 자원(Firm Resource)으로 간주된다. 예를 들어, 정격 1MW의 ESS는 스케줄된 시점에 1MW를 안정적으로 방출할 수 있다. 반면 V2G는 확률적 자원(Probabilistic Resource)에 가까우며, 동일한 1MW 출력을 확보하려면 10kW급 EV가 100대 이상 연결되어야 하고, 그중 일부가 중도 이탈할 경우 출력 목표를 달성하지 못할 수 있다. 이러한 이유로 V2G는 보수적인 용량 계획 또는 보조 자원의 확보가 요구되며, 접속 차량 수 예측을 위한 AI 기반 모델이 제안되기도 하였다(Kim et al., 2022, Applied Energy).

2.4. 경제성 분석

경제성을 분석하기 위해서는 단위 설치 비용과 유지보수 비용을 고려해 보아야 한다. 에너지 저장 시스템의 경제성을 평가할 때는 설치 단가(원/kWh)와 LCOE (Levelized Cost of Energy, 균등화 발전 단가)를 주로 고려한다. 일반적인 리튬이온 배터리 기반 ESS는 기술 발전에 따라 가격이 하락하고 있으나, 여전히 초기 투자비가 높은 편이다. 예를 들어 미국 에너지부(DOE, 2022)에 따르면 1MWh 용량의 신규 ESS 설치비용은 평균 250,000달러로, 이는 kWh당 약 250달러(한화 약 32만 원)에 해당한다.

이에 비해 폐배터리를 활용한 ESS는 배터리 구매 비용이 현저히 낮아질 수 있으므로 경제성이 높아질 가능성이 있다. 다만 실제 경제성은 폐배터리의 남은 수명, 성능 분포, 재제조 비용 및 정부 보조금 수준 등에 따라 결정된다. 한 연구에서는 폐배터리의 남은 수명이 5년일 경우, 정부로부터 kWh당 60달러의 보조금이 지급될 때 경제성이 확보된다고 분석하였으며, 10년 이상 수명이 남은 경우에는 보조금 없이도 경제성이 가능하다는 결과를 제시하였다(Shin et al., 2021, Journal of Energy Storage).

V2G의 경우, 배터리는 이미 전기차에 내장된 자산이므로 별도의 배터리 구매 비용이 들지 않는다. 추가적인 비용은 양방향 충전기, 통신 인프라, 플랫폼 개발비 등이며, 현재 양방향 V2G 충전기는 AC 완속 기준으로 수백만 원의 설치비가 발생하는 것으로 알려져 있다. 하지만 기존 전기차 인프라를 활용한다는 점에서 신규 ESS 설치보다 자본 비용이 적게 든다는 장점이 있다. 유지보수 측면에서는 ESS는 냉각 장치, PCS, 배터리 모듈 등의 정기적인 점검 및 교체 비용이 발생하지만, V2G 인프라는 충전기와 통신장비 유지보수만 이루어지며, 배터리 유지관리는 차량 소유자의 책임 하에 이루어진다. 따라서 V2G의 사회적 유지 비용은 분산되고, ESS는 집약된 형태로 사업자가 부담한다는 차이가 존재한다.

2.5. 수명 대비 비용 효율성

LCOE는 저장 장치가 전체 수명주기 동안 처리한 총 에너지량을 기준으로 단위 에너지당 발생한 총비용을 산정하는 지표이다. 폐배터리 ESS는 초기 배터리 구매 비용이 거의 들지 않기 때문에 설치비 측면에서는 유리하지만, 사용 가능한 잔여 수명이 짧고 열화된 셀을 사용하는 점에서 운영 효율이 낮아질 수 있다. 또한 충·방전 효율이 신품 대비 낮고, 유지보수 비용이 더 자주 발생할 수 있다는 점에서 총비용은 일정 수준 이상으로 상승할 수 있다. 예컨대 일부 연구에서는 재사용 ESS의 초기 비용이 30~50% 저렴하더라도, 사용 기간이 짧고 유지보수 비용이 누적되면 LCOE 격차가 예상보다 크지 않을 수 있다고 분석하였다(Yang et al., 2023, Energy Reports). 특히 완전 수명 종료 시 잔존가치가 거의 없다는 점은 회수 비용 부담으로 이어질 수 있으며, 전체 수명주기 기준 경제성을 저해하는 요인이 된다.

V2G는 배터리 자체에 대한 별도 설치비가 없고, 기존 EV의 유휴 시간을 활용한다는 점에서 자산 효율성이 높다. 그러나 배터리의 수명 단축으로 인한 간접비용(교체비, 잔존가치 감소 등)은 개별 차량 소유자가 부담하게 된다. 이때 V2G를 통한 수익이 배터리 열화에 따른 손실을 상회한다면 참여 유인이 생기지만, 반대의 경우 실질 LCOE는 오히려 상승할 수 있다. 따라서 V2G의 수명 대비 비용 효율성 확보를 위해서는, 전력망으로부터의 수익 분배 구조, 국가 보조금, 또는 배터리 성능 보증 등의 제도적 보완이 함께 수반되어야 한다. 일부 실증사업에서는 연간 충전비 절감률이 40% 이상 도출되었지만, 그로 인해 초래되는 배터리 수명 감소를 정량화하여 별도의 인센티브로 환산하는 구조가 적용되고 있다(Han et al., 2022, Energy Policy)., 동일한 배터리를 차량 운행과 전력 서비스 양방향으로 활용함으로써 자산의 활용도를 극대화할 수 있다는 이점이 있다. 차량이 운행되지 않는 대기 시간 동안 전력망 서비스에 기여한다면, 동일한 자산으로 이중의 가치를 창출하는 셈이다. 다만 추가 사이클로 인한 배터리 열화는 차량 소유자에게 부담으로 작용할 수 있으므로, 이를 보완하기 위해서는 인센티브 제공이나 정책적 보증이 필수적이다. 이러한 방식을 통해 V2G는 사회 전체의 자산 효율성을 높이는 방향으로 기여할 수 있다.

2.6. 정부 보조금 정책 및 사업화 사례 (국내)

우리나라 정부는 전기차 사용 후 배터리 활용을 위한 제도적 기반을 마련하고, ESS 및 V2G 관련 실증 사업과 보조금 정책을 적극 추진하고 있다. 폐배터리의 경우 환경부의 고시에 따라 지자체가 수거하고, 이를 공개 경쟁을 통해 인증된 재사용 업체에 판매할 수 있도록 제도화하였다. 산업통상자원부는 폐배터리 재사용을 차세대 에너지 신사업으로 육성하기 위해 규제특구 지정, R&D 실증 사업, 표준화 작업 등을 병행하고 있다. 특히 '강원도 폐배터리 규제자유특구'에서는 ESS와 연계한 재사용 배터리 실증 프로젝트가 진행 중이며, 폐배터리의 안전성 검증 절차 확립 및 BMS 정밀 진단 기술이 개발되고 있다(산업통상자원부, 2023).

민간 기업의 사업화 사례도 등장하고 있다. 현대자동차는 2017년 국내 최초로 폐배터리와 신규 배터리를 혼합한 태양광 연계 ESS 시범사업을 수행한 이후, 폐배터리 재활용 스타트업과 협력하여 아파트 단지용 비상전원 ESS, 산업용 ESS 구축 사업을 확장 중이다. 또한 LG에너지솔루션, 포스코이앤씨 등 주요 배터리 기업들도 폐배터리 재사용 기술 내재화 및 시장 선점을 위한 투자 확대를 진행하고 있으며, 이를 기반으로 향후 유럽 및 북미의 순환경제 규제 대응도 목표로 하고 있다.

한편 V2G 분야에서는 한국전력공사를 중심으로 실증 사업이 본격화되고 있다. 2022년 제주도에서 SK렌터카, KEPCO, 현대오토에버 등이 참여한 'V2G 기반 전기차 양방향 충전 인프라 실증사업'이 추진되어, AC 완속형 V2G 충전기 10기가 설치되었으며, 실사용자 참여 기반의 방전 스케줄 제어 실험이 수행되었다. 이후 2023년부터는 전국 단위로 V2G 충전기 설치 확대 계획이 수립되었으며, V2G 참여 고객 모집과 보조금 정책 검토가 병행되고 있다.

위와 같은 사례를 통해 앞으로의 정책 추진 방향에 대해 생각해보았다. 정부 차원에서는 V2G의 제도적 수용을 위한 전력거래법 및 전기차법 개정이 추진되고 있으며, 전기차를 '소규모 전력자원'으로 분류하여 피크 전력 저감, 수요반응 자원으로 공식 활용할 수 있는 법적 근거가 마련되고 있다. 또한 양방향 충전기 보급 확대를 위한 보조금 체계 수립, V2G 참여자 인센티브 제공 방안 등이 논의되고 있으며, 이에 따라 향후 V2G 상용화를 위한 기반이 조성될 것으로 전망된다.

이와 같은 정책 지원 하에, 차량 제조사들도 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 현대차는 아이오닉 5부터 V2L(Vehicle-to-Load) 기능을 탑재한 데 이어, 향후 V2G까지 지원하는 차량 모델을 출시할 예정이며, 르노코리아 및 테슬라 또한 국내 V2G 규격에 호환되는 시스템을 개발 중인 것으로 알려져 있다.

2.7. 폐배터리 ESS–V2G 상호보완 전략 제안

폐배터리를 전기차에서 1차 사용 후 수거하여 재가공 처리한 뒤 2차로 ESS에 재사용하는 순환 전략(B2U, Battery-to-Use)은 자원 재활용과 에너지 저장 인프라 확장을 동시에 달성할 수 있는 구조이다. 그러나 단순히 배터리를 한 번 더 사용하는 것을 넘어서, 고정형 ESS와 이동형 V2G 시스템을 연계하여 상호보완적으로 활용할 수 있다면, 에너지 저장 효율성과 전력망 유연성을 동시에 향상시킬 수 있다. 다음을 살펴보자.

2.7.1. 피크 전력 공급

전력 수요가 급증하는 피크 시간대에는 폐배터리 ESS가 대용량 전력을 안정적으로 공급하는 주력 자원으로 활용될 수 있다. 고정형 ESS는 정해진 용량을 기반으로 즉각적인 전력 방출이 가능하므로, 기저 부하 보조 및 피크 억제 효과가 크다. 동시에 V2G 차량들은 분산형 보조 자원으로 동시 방전을 수행하거나, 피크 종료 후 ESS에 충전함으로써 공급원 역할을 할 수 있다. 예컨대 1MW ESS와 200대의 10kW급 V2G 차량이 동시에 운용되면, 총 3MW의 전력 공급이 가능하며 이는 소형 화력발전기 1기 수준의 효과와 유사하다. 이러한 구조는 발전소 건설 비용 절감과 전력망 탄력성 확보에 기여할 수 있다.

2.7.2. 비상 전원 및 계통복원

정전이나 자연재해 발생 시 폐배터리 ESS는 병원, 통신센터, 군사시설 등 주요 거점에 고정형 비상 전원을 공급하는 UPS(무정전 전원장치)로 기능할 수 있다. 이 경우 ESS는 사전에 설정된 방전 전략에 따라 즉각적으로 전력을 공급하여, 필수 시스템의 중단을 방지한다. ESS는 보통 일정 용량 이상의 전력을 저장하고 있으며, 이를 기반으로 수십 분에서 수 시간 이상의 연속 전원 공급이 가능하다. 그러나 장기적인 정전 상황에서는 ESS 단독으로는 공급 한계에 도달할 수 있으며, 이때 V2G 차량이 보조 자원으로 참여하여 방전을 수행함으로써 백업 시간을 연장할 수 있다.

V2G 차량은 비상 시 전력망에 연결된 고정 ESS를 보조하는 것뿐만 아니라, 독립적인 전원 공급원으로도 기능할 수 있다. 이는 특히 재난 현장에서 유용하게 활용될 수 있으며, 필요 시 긴급 구조 현장, 피난소, 야전 병원 등으로 이동하여 전력 공급을 수행할 수 있는 기동형 ESS로 작동한다. 예컨대 동일본 대지진 당시 일본 정부는 전기차를 활용한 가정용 전력 공급(Vehicle-to-Home, V2H) 시스템을 실증적으로 운영하였으며, 실제로 수천 가구에 전력을 제공한 사례가 보고되었다(Ministry of Economy, Trade and Industry of Japan, 2012).

한편, 전력 계통 전체가 붕괴된 상황에서는 블랙스타트(Black Start) 기술이 요구되는데, 이 과정에서도 ESS와 V2G는 상호 보완적으로 작동할 수 있다. ESS는 발전소의 자가기동 전원을 공급하는 초기 에너지 공급원으로 사용되고, 이후 복수의 V2G 차량이 각 지역에 분산되어 전력을 공급하면서 단계적으로 계통 복원을 지원하는 방식이다. 이는 기존의 디젤 발전기를 대체하는 친환경 블랙스타트 자원으로 각광받고 있으며, 최근 국내외 연구에서는 ESS와 V2G를 통합한 블랙스타트 시나리오의 가능성과 안정성을 분석하고 있다(Lee et al., 2023, IEEE Transactions on Smart Grid).

2.7.3. 야간 전력 활용 및 충전소 효율화

야간은 전력 수요가 낮아 기저 발전기의 유휴 출력이 발생하는 시간대로, 이 시간대의 잉여 전력을 저장 자원을 통해 흡수하면 전체 전력망 효율이 개선된다. 폐배터리 ESS는 이러한 심야전력을 충전하여, 다음날 오전 첨두 부하 시간대에 방전함으로써 피크 분산에 기여할 수 있다. 특히 신재생 발전 비중이 높은 지역에서는 야간 풍력 발전의 잉여 전력을 흡수할 수 있는 고정형 ESS가 매우 유용하게 활용된다. 예를 들어 제주도에서는 풍력 발전량이 심야 수요를 초과하는 경우가 잦아, 다수의 ESS를 설치하여 출력제한 문제를 완화하고 있다(한국전력거래소, 2022).

V2G 차량 역시 야간 시간대를 활용하여 분산형으로 전기를 저장할 수 있으며, 낮 시간대에 그 전력을 재판매하거나 자체 사용함으로써 효율적 에너지 순환을 이룰 수 있다. 예컨대 아파트 단지에 설치된 V2G 충전 인프라를 통해 심야에 재생에너지 전력을 저장하고, 주간 피크 시간에 방전하는 방식은 전기요금 절감뿐만 아니라 전력망 부하 분산에도 효과적이다. 실증 결과, 동일 지역 내 50대의 전기차가 참여한 V2G 실험에서 연간 약 300MWh의 전력 이동이 가능하였으며, 이는 약 100가구의 월간 전력 수요에 해당하는 수준으로 평가되었다(Kim et al., 2021, Journal of Power Sources).

충전 인프라 효율성 측면에서도 ESS와 V2G의 협력은 유의미하다. 고속도로 휴게소 등에서 고속 충전 수요가 집중되는 경우, 폐배터리 ESS를 설치하여 피크 부하를 저감할 수 있으며, 이는 계약전력 절감 및 전력 사용 요금 최적화에 직접적인 효과를 가진다. 여기에 대기 중인 V2G 차량이 보조 전원으로 작동하거나, V2V(Vehicle-to-Vehicle) 기술을 통해 다른 차량에 전력을 직접 공급함으로써, 충전 대기 시간을 줄이고 인프라 활용도를 높일 수 있다. 이러한 통합 충전소 모델은 유럽과 미국에서 실증 사업이 진행되고 있으며, 우리나라에서도 2024년부터 시범 적용이 검토 중이다(산업통상자원부, 2023).

2.7.4. 통합 에너지 관리 및 가상 발전소(VPP)

상호보완 전략의 실현을 위해서는 폐배터리 ESS와 V2G 자원을 통합 제어하는 에너지 관리 시스템(EMS)과 가상 발전소(Virtual Power Plant, VPP) 기술이 필수적이다. VPP는 다수의 분산형 에너지 자원을 하나의 발전소처럼 관리하여 전력시장에 거래하거나, 계통 안정화 서비스를 제공하는 기술로, 이를 통해 실시간 수요 반응 및 공급 예측이 가능해진다.

예컨대 태양광 출력이 갑작스럽게 감소할 경우, 중앙 EMS가 이를 인지하고 폐배터리 ESS와 V2G 차량에 동시에 방전 명령을 내리면, 수 초 내에 전력 공급이 이루어져 계통 주파수와 전압의 급변을 방지할 수 있다. 반대로 재생에너지의 과잉 공급 시에는 해당 자원에 충전을 분산 배분하여 출력 제한을 피하고, 잉여 전력을 효율적으로 저장할 수 있다.

이러한 구조는 제주도 분산에너지 특구 실증사업에서 구현 중에 있으며, ESS, V2G, 재생에너지를 연계한 통합 VPP 운용을 통해 재생에너지 출력 제한 '제로화'를 목표로 하고 있다. 초기 결과에 따르면, VPP 기반 운영 시 ESS의 충전 효율이 7%, V2G 차량의 응답성이 12% 향상되는 것으로 나타났으며, 출력 변동에 따른 계통 안정도 지표도 평균 15% 개선되었다(제주에너지공사, 2023).

이와 같은 통합 전략은 미래 스마트그리드 구현의 핵심 인프라로 작용할 수 있으며, 전력망의 자율적 수급 조절, 분산 자원의 집합 거래, 수요관리 자동화 등의 새로운 시장 구조 형성에도 기여할 수 있다.

Ⅲ		결론 및 제언

3. 결론 및 기대 효과

폐배터리 ESS와 V2G 시스템은 각각 고정형과 이동형이라는 상이한 특성을 가지지만, 전력망의 안정성과 유연성을 증진시키는 공통된 목적을 가진다. 양 시스템을 상호보완적으로 통합하여 활용할 경우, 단독 운용보다 에너지 저장 효율, 피크 부하 대응력, 재생에너지 활용률 측면에서 훨씬 높은 시너지를 창출할 수 있다.

폐배터리 ESS는 고정형 자원으로서 대용량 전력을 안정적으로 저장·공급할 수 있는 기반을 제공하며, 피크 시간의 전력 수요를 신속하게 충당하고, 출력제한을 해소하며, 블랙스타트 자원으로도 활용 가능하다. V2G는 분산형 자원으로서 사용자의 참여를 통해 전력망에 유연성을 제공하고, 야간 전력 활용, 충전소 부하 분산, 긴급 상황에서의 기동형 전원 제공 등 다양한 부가 가치를 창출할 수 있다. 두 시스템을 연계하면, 고정성과 기동성, 대규모성과 분산성이라는 상보적 특성이 결합되어, 전력계통의 회복탄력성(resilience) 및 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

환경적 측면에서는 LNG 발전 대체 시 양 시스템 모두 kWh당 수백 g의 CO₂ 감축 효과를 제공하며, 수만 톤 이상의 연간 온실가스 저감을 실현할 수 있다. 또한 출력제한 완화, 신재생 설비 이용률 향상, 야간 잉여전력 활용 등을 통해 전체 전력 시스템의 탈탄소화에 기여한다.

경제성 측면에서는 ESS는 폐배터리 활용을 통해 초기 설치비용 절감 효과가 있고, V2G는 이미 보유된 차량 자산을 활용함으로써 추가 설비 투자 없이 전력 서비스를 제공할 수 있다는 장점이 있다. 유지보수 및 운영비용 구조가 다르며, 인센티브 설계와 정책 지원에 따라 양 시스템의 수익성과 지속 가능성이 달라질 수 있다.

향후 해결해야 할 과제로는 V2G 참여 확대를 위한 제도적 정비, 참여자 보상체계 확립, 시민 인식 제고 등이 있으며, 폐배터리 ESS의 경우 안전성 검증 체계 확립, 표준화된 재제조 공정 마련이 요구된다. 다행히 국내외적으로 정책 지원과 기술 실증이 활발히 이루어지고 있으며, 두 기술은 에너지 전환과 순환경제의 핵심축으로 자리매김하고 있다.

결론적으로, 폐배터리 ESS와 V2G는 분산형 에너지 자원의 대표적 사례로서, 상호보완적 통합 전략을 통해 전력 피크 대응, 신재생 에너지 수용성 확대, 탈탄소화 달성에 핵심적 역할을 할 수 있다. 정부, 산업계, 소비자가 유기적으로 협력하여 기술 확산과 제도 구축에 나선다면, 에너지 시스템의 패러다임 전환을 실현할 수 있을 것으로 기대된다.

Ⅳ		참고 문헌

V2G(Vehicle-to-Grid): 전기 자동차가 가정에 전력을 공급하는 방법 - Momentum Electrical Contractors

전기차 폐배터리의 가치를 높이는 재활용 솔루션, UBESS

SK렌터카-한전, 전기차 활용 'V2G 실증사업' 시동 - 전자신문

https://www.data.go.kr/data/15119635/fileData.do

'출력제한' 제주 2025년 분산에너지 특구되나

황성욱, 류종현. (2019). 전기자동차 배터리를 이용한 Vehicle-to-Grid(V2G) 최적 운영계획. 한국경영과학회지, 44(3), 1-13. 10.7737/JKORMS.2019.44.3.001

강희수. "신재생에너지 연계 마이크로그리드의 전기자동차 및 에너지저장장치 최적 스케줄링 기법." 국내석사학위논문 국민대학교 일반대학원, 2023. 서울

[팩트체크] LNG는 친환경? 석탄보다 낫지만 원전엔 한 수 아래 | 중앙일보

배터리 에너지 저장 시스템 주요 구성 요소 설명