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[기타] 에너지 저장기술-2차전지 산업 동향 및 발전 방안, 리튬이온전지-(2)
Date : 2015-04-02
Name : 관리자
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전기차 산업 동향

 

친환경 자동차는 클린디젤차 · 하이브리드차 · 전기차 · 수소연료전지차로 구분한다.

 

시장 구조는 단기적으로 클린디젤차와 하이브리드차로, 장기적으로 전기차 또는

 

수소연료전지차로 재편될 전망이다.

 

하이브리드차 | 내연기관을 주로 활용하다가 고속주행이나 가속 등 추가적인 동력이

 

필요할 때 전기를 사용하는 시스템이며, 감속 시 전기를 배터리에 충전하는 방식이다.

 

도요타의 프리우스와 혼다의 인사이트 등이 대표적이며,

 

현대자동차는 아반떼와 소나타에 LPI 타입을 적용한 하이브리드차를 출시한 바 있다.

 

 

 



 

 

 

전기차 | 플러그인하이브리드차를 포함해 배터리에 충전된 전기를 주요 동력으로 하는

 

무공해 차량이다. 1회 충전 시 주행 거리 100㎞ 미만, 8시간의 완속 충전 시간과 30분 이상의

 

급속 충전 시간 등이 단점이다.

 

수소연료전지차 | 수소가 이온화되는 과정에서 발생하는 전기를 차량의

 

동력으로 활용하는 친환경차량이다.

 

보급을 확대하려면 연료인 수소 생산비 인하, 수소 충전소 등 관련 인프라 확충,

 

수소의 안전성 개선 등이 필요하다.

 

연료 제조(Well to Tank)와 차량 주행(Tank to Wheel)을 포함한 차량에서

 

발생하는 온실가스 배출량은 전기차가 가장 우수하다.

 

미래 자동차 시장은 7000만 대 정도에서 성장을 멈추겠지만, 하이브리드차와 전기차로 대표되는

 

그린카 비중은 점차 늘어날 전망이다.

 

 

글로벌 경제 위기로 2009년 세계 자동차 시장은 5500만 대로 줄었으나,

 

점차 회복돼 2015년에 7000만 대에 육박할 전망이다.

 

 

 



 

정체된 자동차 시장에서 그린카의 비중은 꾸준히 늘어 2020년에 2000만 대에 이르고,

 

그중 리튬이온전지 탑재 자동차는 1000만 대까지 늘어날 전망이다.

 

그린카 보급 확대로 자동차용 리튬이온전지시장은

 

2012년 50억 달러에서 2020년에 400억 달러까지 급성장할 것으로 보인다.

 

중국 자동차 보급률은 100명당 3.3대로 미국 82대, 독일 62대, 일본 59대,

 

 

한국 34대에 비해 매우 낮다.

 

그렇지만 경제 성장으로 증가하는 자동차 수요의 일부를 전기차가 흡수한다면

 

 

발전 가능성은 무궁무진하다.

 

 1인당 국민소득이 3,000달러가 넘고, 100명당 자동차 보급률이 3.9대를 넘어서는

 

 

시점부터 자동차 구매 수요는 폭발적으로 증가할 것이다

 

 

(한국수출입은행 '중국 전기자동차 산업 동향 및 전망'보고서 인용).

 

중국 자동차 내수 시장은 2008년 1000만 대에서 올해 2000만 대를 돌파하고,

 

 

2020년에 3000만 대까지 늘어날 것으로 전망한다

 

 

 



 

 

 

최근 자동차 기업은 전기차 생산에 몰두하고 있다. 미쓰비시는 올해 아이미브를 출시했으며,

 

닛산은 2012년에 리프를 출시할 예정이고, 현대차는 2013년에 블루온을 상용화할 예정이다.

 

미국은 자동차 종주국으로서 자존심을 회복하고자 전기차 개발에 집중하며 전기차의 핵심인

 

배터리 기술력 확보에 노력하고 있다. GM 볼트에 배터리 독점 납품계약을 맺은 LG화학의

 

 

미시건 주 2차전지 공장 기공식에 오바마 대통령이 참석할 정도로 높은 관심을 보였다.

 

전기차는 7000개 이상의 셀을 장착할 정도로 많은 리튬이온전지가 필요하다

 

 

(휴대폰에 필요한 셀은 1개임).

 

2012년 초 출시 예정인 PHEV 차량인 GM볼트에 사용할 리튬이온전지 무게는 180㎏인데,

 

이는 납축전지 사용 시 850㎏, 니켈수소전지 470㎏이 필요할 정도로 높은 에너지를 저장하고 있다

 

(LG경제연구원, '그린에너지 시대로의 가교, 리튬이온전지'자료 참조).

 

자동차의 연비 규제를 강화함에 따라 전기차 보급은 늘어날 전망이다.

 

 

이에 따라 2차전지의 국제 표준 및 전기차 시장을 선점하고자 완성차와 2차전지업체 간

 

 

다양한 형태의 협력과 합작이 이뤄진다.

 

LG화학이 GM 볼트를 중심으로 르노, 포드, 볼보, 현대차, 장안기차 등 8개 회사에 전기차 배터리

 

납품 계약을 체결했다. 2013년까지 1조 원을 투자해 연간 6000만 셀 규모의

 

 

세계 최대 전기차용 2차전지 설비를 오창에 구축하고, 2013년까지 3억 달러를 투자해

 

 

연간 2000만 셀 규모로 미국 홀랜드 공장을 증설한다.

 

LG화학은 2차전지 시장에서 후발주자였지만, 일본 기업을 제치고 리튬이온전지 세계 시장을

 

 

선도하고자 기술 개발과 투자에 적극적이다.

 

 

삼성SDI는 세계 최대 자동차 부품 업체인 보쉬와 합작해 SB리모티브를 설립했으며,

 

BMW와 포드에 배터리를 납품할 계획이다.

 

 

 



 

 

 

전기차 시장이 커지면 단기적으로 전기차 핵심 부품인 2차전지 공급 업체가 주도권을 가질 것이며,

 

기술 변화에 따라서 미래에 자동차 업체와 2차전지 공급 업체 간 경쟁이 심화될 것이다.

 

산요는 혼다 · 포드 · 폭스바겐에 니켈수소전지를 공급하며,

 

 

폭스바겐은 산요와 함께 도시바로부터 리튬이온전지를

 

공급받는다. 중국 BYD는 자체 개발한 전기차와 폭스바겐에 배터리를 공급한다.


 

에너지 저장 시스템 에너지 저장 시스템(ESS : Energy Storage System)은

 

 

과잉 생산 전력을 배터리에 저장했다가 필요한 시점에

 

사용하도록 한 장치다. 전력 생산이 불안정한 신재생에너지의 안정적인 계통 연계를 위해

 

 

필수적이다. 에너지 저장 시스템은 전력과 에너지 저장을 위한 2차전지,

 

 

이를 운영하는 BMS(Battery Management System),

 

시스템 통합에 필요한 인버터와 파워 컨트롤 등을 합한 고부가가치 산업이다.

 

 



 



 

 

 

전력 산업 특성상 최대 사용량 기준으로 항상 충분한 전력 예비율을 확보해야 한다.

 

따라서 심야 시간 잉여 전력을 ESS에 저장한 후 전력이 부족한 비상 상황에 사용하는

 

방식으로 바뀔 것이다. 최근 10년간 국내 전력 피크 수요는 연 6.7% 증가해 전력사용

 

편차도 5.4GW에서 10.2GW로 2배 이상 늘었다.

 

특히, 신재생에너지 비중이 높아지면서 전력망제어와 예측에 어려움이 있다.

 

지난해 0.6조 원 규모였던 에너지 저장 장치용 배터리 시장은 2015년에 3.3조 원,

 

 

2020년에 12.1조 원까지 급성장할 전망이다.

 

 

기존 무정전 전원장치(UPS : Uninterruptible Power Supply) 등은 비용면에서 납축전지를

 

사용했으나, 저용량 · 저효율 · 단수명 · 폐기물 처리 등이 문제다. 고밀도 · 고출력 리튬이온전지와

 

NaS(나트륨-유황)전지는 기술 향상으로 에너지 저장 분야에서 보급이 늘어날 전망이다.

 

 

 


 

[왼] 풍력과 태양광발전 등 신재생에너지 보급 확대에 따라 에너지 저장 시스템

 

시장은 빠르게 확대될 것이다.

 

[우] AES 사의 Lib 전력 저장 시스템 사례


 

 

 

 

미국 캘리포니아 주는 전력을 안정적으로 공급하고자 전력 회사에 전력 수요의

 

일부를 수용할 수 있는 전력 저장 장치를 의무적으로 구비하도록 할 예정이다.

 

삼성SDI는 미국 글로벌 전력 업체인 AES와 20㎿급

 

ESS 공급 계약을 체결해 소형 IT 기기부터 대형 ESS까지 리튬이온전지의 풀 라인업을 갖췄다.

 

LG화학은 캘리포니아 최대 전력 회사 SCE가 추진하는 ESS 사업에 배터리

 

 

공급 업체로 최종 선정돼 앞으로 3년간

 

납품과 실증 사업을 병행한 후 2013년에 양산까지 추진할 계획이다.

 

에너지 저장 시스템은 효율적인 스마트 그리드 구축을 위해 필수적이다. 발전소의 추가 건립 없이

 

전력 수급 불균형을 해결하는 효율적인 방안으로 스마트 그리드 구축에 핵심적인 요소다.

 

 

화석연료가 풍부하고 유가가 안정적이라면 에너지 저장 시스템 구축보다 발전소를

 

 

건설하는 것이 더 효과적이겠지만, 온실가스 감축과 화석연료 고갈로 말미암아

 

 

에너지 저장 시스템은 활용도가 높아질 전망이다.

 

 

전력 생산이 시간과 장소에 따라 변동하는 태양광과 풍력 등 분산 전원의 안정적인

 

 

계통 연계를 위해 필수적이다.

 

여름철 전기를 가장 많이 사용하는 시간대인 오후 2∼4시 사이에 저장한 전력을

 

 

계통망에 공급해 피크 수요에 대응하며, 이후 잉여 전력을 저장 시스템에 저장해

 

 

다시 활용할 수 있다. 풍력과 태양광 등 신재생에너지는 발전량을 조정할 수 없기에

 

 

전력망의 안정적인 공급과 품질 측면에서 관리가 필요하다. 독일 전력회사 E.ON에

 

따르면 풍력발전은 하루 최대 변동량이 4㎿에 이르며, 이는 대형 발전소 6~7개에 해당하는

 

양이다(LG경제연구소 자료 참조).

 

 

 



 

 

 

 

친환경 건설 기계, 로봇, 산업용 장비 등에서 활용도가 증가할 전망이다.

 

 

서비스 로봇용 2차전지 시장은

 

2007년에 아주 작았으나, 2015년에 15억 달러 규모로 성장해 기존 산업용 로봇

 

시장보다 커질 것으로 전망한다

 

(산은경제연구소, '친환경 자동차용 리튬이온전지 산업의 현황 및 전망'자료 참조).

 

2020년 세계 친환경 건설 기계 시장은 전체 시장의 30%인 900억 달러 규모로 성장할 것이며,

 

국내 업체도 하이브리드 굴삭기를 개발해 곧 출시할 예정이다.



 

 

 

주요국 정책 동향

 

 

세계 각국은 온실가스 감축을 위해 자동차 연비규제를 강화하며, 2차전지 등

 

신재생에너지를 미래성장 동력으로 육성하고자 경쟁하고 있다.

 

각국은 환경 · 에너지 문제의 해결 수단인 무공해 대체 에너지원을 개발하는 데 많은

 

 

노력을 기울이며, 2차전지의 비중을 늘리는 중이다. 우리나라는 2012년부터 전력

 

생산의 2%를 신재생에너지로 충당하며, 2022년에 10%를 목표로 신재생에너지

 

 

의무할당제(RPS)를 시행할 예정이다.

 

미국은 2025년까지 2차 전력 소비의 25%를 신재생에너지로 공급하고,

 

 

EU는 2020년까지 20%, 중국은 2020년까지 15%, 일본은 2020년까지 10% 달성 계획을 발표했다.

 

 

중대형 2차전지를 육성하기 위해 미국과 일본 등 주요국은 R&D뿐만 아니라 제조 · 실증 분야에

 

 

대규모 예산을 지원한다. 일본은 지난해 4월 자동차와 연계된 2차전지 개발 전략을 발표했고,

 

 

중국은 8월 리튬이온전지를 국가 전략 산업으로 육성하겠다고 발표했다.

 

 

우리나라도 지난해 7월 '2차전지 경쟁력 강화 방안'에서

 

2020년까지 15조 원을 투자해 세계 시장 점유율50%를 달성하겠다는 의지를 표명했다.

 

세계 각국은 리튬이온전지의 안전성을 검증하기 위한 인증 시스템을 강화하기에,

 

 

이에 대한 국가 차원의 대응책 마련이 필요하다. 미국은 2006년부터 자국에서 판매되는

 

 

모바일 기기용 리튬이온전지의안전성에 대한 인증을 실시하고,

 

 

2008년부터 강화된 시스템을 적용했다. 참고로 2006년 소니의 리튬이온전지를

 

탑재한 델컴퓨터의 폭발 사고 이후 소니는 배터리 410만 개를 리콜 조치하고 정부 차원에서

 

 

대응책을 마련한 바 있다

 

 

(지식경제부 기술표준원, '리튬 2차전지 산업 현황 및 국제 표준화 동향'자료).

 

프랑스, 독일, 미국, 일본 등은 신재생에너지 보급확대를 위해 리튬이온전지를 활용한

 

 

태양광 시스템 실증 사업을 추진하는 중이다. 프랑스와 독일 정부는 2008년 8월부터

 

 

전력 회사와 태양광 기업 · 연구기관 등이 참여해 추진 중인 솔리온 프로젝트를 통해

 

 

2012년까지 프랑스에 50개, 독일에 25개 등 총 75개의 시스템 실증

 

사업을 목표로 한다. 미국 에너지부는 태양광발전 계통 연계를 위한 ESS 사업의

 

 

타당성을 검토 중이며, 일본은 NEDO를 중심으로 미쓰비시 · GS-Yuasa 등의 기업이 참여해

 

 

저장 전지 개발 프로젝트를 추진 중이다. 우리나라는 제주도에 스마트 그리드 실증 단지를

 

 

구축해 전기차 · 신재생에너지 계통 연계, 에너지 저장 장치

 

등의 기술 개발 및 실증 사업을 추진 중이다.

 

 

 


분석 및 발전 방안

 

 

부품 소재 경쟁력 확보

 

 

경쟁력이 부족한 2차전지의 부품 · 소재 기술 개발을 위해 정부와 기업의 관심과

 

투자 확대가 필요하다.부품 · 소재 기술력이 낮아 일본에서 이를 수입하기에 대일

 

무역 적자가 커지고, 장기적으로 산업 경쟁력의 약화도 우려된다.

 

우리 업체의 생산 기술 경쟁력으로 점유율은 상승하는 추세다

 

(2차전지 소재 국산화율 : 20%(2009년) --> 35%(2013년) --> 65%(2017년) --> 75%(2020년)).

그러나 핵심 소재인 음극 활물질과 양극 활물질 등은 아직 일본에 의존하는 편이다.

 

 2차전지 4대 핵심 소재 가운데 양극재 · 분리막 · 전해질은 일본과 기술 격차를 줄였지만,

 

음극재 국산화율은 0.1%에 불과하다.

 

2009년에 2차전지 소재 수입액은 10.7억 달러며, 그 중 55%가 일본에 집중돼

 

국산화율을 높이는 것이 시급하다. 삼성SDI와 LG화학은 2차전지 생산량에서

 

세계 2~3위를 차지(2011년 4월 기준)하지만, 재료비의 80%를 차지하는

 

소재의 상당 부분을 일본 등에서 수입하는 실정이다.

 

국책 연구 사업이 단기적인 성과를 지향하다 보니 핵심 소재 등 기초 원천 기술을 개발하는

 

대학과 연구소가 부족하고 역량도 떨어진다. 대학과 연구소는 고성능 신소재 개발과 저가

 

소재 개발을 위해 장기적인 투자와 연구를 수행해 기초 체력을 강화해야 한다.

 

우리의 2차전지 생산 기술은 일본과 비슷한 수준이지만, 부품 · 소재 기술은 취약한 상황으로

 

일본 기업에 의존하는 소재 분야의 기술적 독립없이 경쟁력을 지속적으로 확보하기 어렵다.

 

최근 부품 · 소재 산업을 육성하고자 정부에서 추진 중인

 

WPM10(World Premier Material 10 ; 10개 분야 세계 최고 수준의

 

핵심 소재를 육성하겠다는 계획)사업을 성적으로 수행해 핵심 소재의 국산화와 경쟁력을

 

강화해야 한다. 리튬이온전지의 가격, 출력, 밀도 성능, 안정성, 수명 등과 관련한 문제를

 

해결하려면 부품 소재 기술 개발이 필요하다.

 

 


R&D 투자 확대

 

미래 성장이 유망한 전기차 관련 2차전지 산업을 육성하려면 적극적으로 R&D 투자와

 

실증 사업을 조기에 추진해야 한다.

 

세계 각국은 전기차 · 스마트 그리드 · 에너지 활용 등에서 2차전지의 중요성을 인식하고,

이에 대한 투자를 확대하고 있다. LG화학 미국 공장 기공식에 오바마 대통령까지 참석할 정도로

 

미국은 2차전지에 관심이 많으며, 에너지부에서 2차전지 R&D에 7,500만 달러를,

 

기초 R&D에 1억 3,300만 달러를 투자했다. 일본은 2015년까지 107억 엔을 투자할 예정이고,

 

독일은 민관 합동으로 리튬이온전지 소재와 실증 사업을 위해 2008~2011년 7.3억 유로를 투자했다.

 

우리 정부는 2차전지 소재에 2018 년까지 1,000억 원 투자 계획을 발표했으나,

 

 

 

전기차용 2차전지 실증 사업에도 관심을 갖고 예산을 배분해야 한다.


전기차는 큰 시장 규모와 많은 일자리를 창출할 수 있는 국가 기간 산업이므로 지속적으로

 

관심을 갖고 육성해야 한다. 우리나라 대비 각국의 전기차용 2차전지 투자 규모를 보면

미국은 20배, 독일 14배, 일본은 11배로 많은 차이를 나타낸다. 따라서 정부의 지원 없이 개별 기업의
역량만으로 현재의 경쟁력을 유지하기 힘들다.

 

 

 

핵심 원재료 확보

 

 

2차전지 생산에 필수적인 원재료를 확보하기 위한 외교적, 공동 기술 개발 등

 

다각적인 노력이 필요하다. 회토류 매장량이 풍부한 독립국가연합(1991년 12월 31일 소련이

 

소멸되면서 구성 공화국 중 11개국이 결성한 정치 공동체), 호주, 인도, 중남미 등과 자원 개발 협력

 

사업을 추진하고, 중국에 집중된 자원 공급처를 다각화해야 한다.

 

다행히 최근 우리나라는 세계 최대 리튬 매장 국가인 볼리비아와 리튬개발을 위한 양해 각서를

 

채결해 단기 수급은 해결했다. 가격 급등과 수출 제한 등 자원 보유국의 자원 패권주의에

 

대응하기 위해 국내 비축 물량을 확보하고, 이를 보관하는 설비도 확충해야 한다.

 

현재 희토류의 국내 비축 물량 자체가 부족할 뿐만 아니라 안정적으로

 

보관하는 항온 · 항습 보관 시설도 부족한 상황이다.

 

 

 

핵심 연구 인력 확보

 

2차전지 시장 규모와 성장 속도에 비해 연구 개발 수행 핵심 인력이 부족하므로, 우수 인재 유치

 

경쟁심화에 대비해야 한다. 최근 2차전지가 미래 신성장동력으로 각광을 받지만, 핵심 기술 개발을

위한 석 · 박사급 R&D 전문 인력은 부족하다. 정부 발표에 따르면 2013년까지 연간 300명의 전문

 

인력이 필요하지만, 현재 대학에서 필요 인력의 15% 정도인 연간 46명만 배출하는 상황이다.

글로벌 기업 간 치열한 기술 경쟁으로 해외 기업에서 국내 우수 인력을 유치하려는 시도도 있었으며,
이러한 일은 앞으로 더욱 가열될 것이다. 중소기업의 경우 소재 · 부품 개발을 위한 전문 인력은

 

더욱 부족하며, 기술 유출의 위험성으로 해외 인력채용도 쉽지 않다.

 

 

사례 |미국 MIT 출신 연구원이 설립한 2차전지 업체인 A기업은 국내 B기업에서 퇴직한 팀장을

 

포함한 6명의 핵심 인력을 영입하려고 시도했다. 이에 B기업은 핵심 기술 유출 등 영업 비밀

 

침해 우려가 있다는 이유로 가처분 소송을 제기했고, 법원은 이를 받아들여 퇴직 후

 

1년~1년 6개월 동안 이직을 제한했다.

 


특허 전략 수립

 

기술 개발을 통해 핵심 특허를 확보하고, 동시에 국내외 역량 있는 기관과 특허를 제휴하는 등

 

전략적인 접근도 필요하다. 미국 특허를 기준으로 분석한 국가 기술 경쟁력에서 일본 66%,

 

미국 19%에 이어 우리나라가 13%로 3위를 차지했으나, 아직 일본에 비해 부족한 상황이다.

 

최근 우리 기업이 활발히 미국 특허를 출원해 삼성SDI는 308건으로 3위, LG화학은 70건으로

 

10위권에 진입해 미래 전망은 밝다

 

2차전지 소재 개발과 패키지 등에서 특허 침해 소송이 늘어날 전망이지만,

 

중소기업은 이에 대한 대응력이 취약하다. 최근 A기업은 자사 보유 중대형 2차전지 특허를 경쟁사가

 

침해해 분쟁의 소지가 크다는 우려를 표시했다. 국내외 기업 · 연구소와 공동 기술 및 특허를

 

공유하는 등 전략적 제휴 관계를 형성해 특허 분쟁 소지를 없애는 것도 방법이다.

 

 

사례 |LG화학은 10억 원을 투자해 미국 국책 연구소인 아르곤국립연구소와 2차전지 양극 활성재

 

특허를 공유한다고 발표했다. 이는 12월 미국에서 판매 중인 GM 시보레 볼트의 특허 분쟁 시비를

 

차단하기 위한 조치라는 분석이다.

 

 

 

에너지 저장 장치 관심

 

분산 전원인 신재생에너지의 보급을 확대하며, 효율적인 스마트 그리드 인프라를 구축하고

 

운용하기 위해 대용량 에너지 저장 장치(ESS)에 관심을 갖고 투자해야 한다.

 

시장 선도가 정해지지 않은 대용량 저장 장치용 2차전지 시장을 리드하려면 선제적 투자를

 

통한 시장 선점이 필요하다. 중대형 2차전지는 개별 기술뿐만 아니라 시스템 개발이 중요하므로,

 

산업별 시스템 업체와 공동으로 기술을 개발해야 한다. 전기차는 대기업 중심으로 기술 개발을

 

추진하지만, 아직까지 에너지 저장 장치는 초기 개발 단계다. 소형IT 기기와 전기차 2차전지

 

분야에 비해 스마트 그리드를 선도할 에너지 저장 장치에 대한 관심이 부족하다.

 

일본 기업은 가정용 에너지 저장 시스템을 이미 개발해 실증 단계에 있으나,

 

우리 기업은 아직도 기술 개발 단계다.

 

 

 


 

 


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