화재 없는 배터리로 버린 전기를 비료와 난방으로 바꾸는 법

봄이 오면 전남의 태양광 농가에는 이상한 명령이 내려온다. “발전을 멈추시오.” 정부가 깔라고 해서 깔았는데, 전기를 버리라는 것이다. 출력 제어. 2022년 77회, 이후 급증. 연간 수백억 원어치의 전기가 허공으로 사라진다.

그 전기를 저장하면 되지 않느냐고? 리튬이온 ESS는 2017~2019년 사이에 30건 넘게 불이 났다. 주민들은 ESS라는 세 글자만 들으면 반대부터 한다. 보험료는 치솟고, 사업성은 바닥이다.

문제를 정리하면 이렇다. 전기는 남아돌고, 저장할 배터리는 불이 나고, 농가는 겨울마다 난방비에 죽고, 비료는 전량 수입이다. 네 개의 문제가 따로 놀고 있다.

그런데 만약 하나의 배터리가 이 네 문제를 동시에 풀 수 있다면?

120년 전 에디슨이 남긴 답

1901년, 토마스 에디슨이 특허를 낸 배터리가 있다. 철-니켈 배터리. 양극에 니켈, 음극에 철, 전해질은 수산화칼륨 수용액. 물 기반이다.

리튬이온과 나란히 놓으면 차이가 극명하다.

단점은 분명하다. 무겁고, 에너지 밀도가 낮고, 왕복 효율이 리튬이온보다 떨어지며, 자기방전이 빠르다. 전기차에는 못 쓴다. 한 달 넘게 전기를 담아두는 용도로도 적합하지 않다.

자기방전의 정체를 들여다보면 흥미로운 사실이 드러난다. 충전된 음극의 철이 전해질(KOH 수용액) 속의 물과 자발적으로 반응하면서 수소 기체를 발생시킨다. 자기방전이란 결국 느린 수전해다. 배터리가 가만히 서 있는 동안에도 수소가 조금씩 나온다는 뜻이다. 이 수소를 포집할 수 있는 시스템을 갖추면, 자기방전으로 ‘잃는’ 에너지의 일부를 수소로 회수할 수 있다. 바톨라이저 구조에서는 포집 배관이 이미 갖춰져 있으므로 추가 비용이 크지 않다.

하지만 관점을 바꾸면 이야기가 달라진다. 출력 제어로 어차피 버려지는 전기라면? 100% 버리는 것과 65%라도 살리는 것, 어느 쪽이 나은가. 움직일 필요가 없으니 무게는 상관없고, 부지는 농촌에 널렸다. 그리고 장기 저장이 안 되는 약점은 암모니아로 전환해서 해결한다. 뒤에서 다시 설명한다.

2026년 2월, UCLA 연구팀은 나노클러스터 공법으로 만든 철-니켈 배터리가 수 초 충전에 12,000 사이클(30년 이상)을 달성했다고 발표했다. “흔한 재료를 섞고 가열하는 것"이라는 연구진의 표현. 120년 된 기술이 진화하고 있다.

배터리가 수소 공장이 된다

여기서 이야기가 반전된다.

네덜란드 델프트 공대가 개발한 **바톨라이저(Battolyser)**라는 기술이 있다. 철-니켈 배터리를 100% 충전한 뒤에도 전기를 계속 넣으면, 배터리 내부의 물이 분해되면서 **수소(H₂)와 산소(O₂)**가 나온다. 배터리가 수전해 장치로 전환되는 것이다. 2023년 네덜란드에서 산업 규모 최초 설치가 완료됐다.

핵심은 바톨라이저가 배터리와 수전해 장치를 하나의 기계로 통합한다는 점이다. 별도의 수전해기를 따로 사면 설비비가 두 배지만, 바톨라이저는 충전 전류를 더 넣기만 하면 된다. 저장 모드와 수소 생산 모드 사이의 전환이 실시간으로 가능하다. 과충전 모드에서의 수전해 효율은 알칼리 수전해와 유사한 60~70% 수준이다. 전기의 3분의 1을 잃지만, 별도 장비 없이 같은 기계에서 일어난다는 점이 가치다.

운용 로직은 단순하다. 수요를 예측해서 필요한 방전량만큼만 배터리에 ‘저장 영역’으로 확보하고, 나머지 잉여 전력은 처음부터 과충전 모드로 넘겨서 수소를 생산한다.

낮 — 태양광 잉여 전력이 들어온다. 오늘 밤 방전에 필요한 만큼만 충전하고, 나머지는 곧바로 과충전 모드에서 수소를 생산한다. 밤 — 배터리에서 방전하여 전력을 판매한다. (ESS 기능)

충전했다가 꺼내서 다시 수전해기에 넣는 3단계(충전→방전→수전해)가 아니라, 과충전으로 직접 수소를 만드는 1단계다. 변환 손실이 훨씬 적다.

리튬이온 ESS는 전기 저장만 한다. 바톨라이저는 전기 저장과 수소 생산을 하나의 기계로, 실시간 전환으로 해낸다.

수소에서 비료까지

수소가 나오면 다음 단계가 열린다.

수소(H₂)와 공기 중의 질소(N₂)를 결합하면 **암모니아(NH₃)**가 된다. 이것이 하버-보슈 공정이다. 1913년에 발명되어 현대 농업을 가능하게 한 기술이지만, 쉬운 공정은 아니다. 400~500°C의 고온과 150~300기압의 고압이 필요하다. 전통적인 대형 플랜트는 연산 수십만 톤 규모로, 농촌에 그대로 들여놓을 수는 없다.

그러나 최근 모듈형 소규모 암모니아 합성 기술이 발전하고 있다. 전기화학적 질소 환원, 촉매 기술 개선 등으로 소형화·분산화가 진행 중이다. 아직 상용화 초기 단계이며, 이것이 이 시스템에서 가장 기술적 난이도가 높은 부분이다. 따라서 로드맵에서 암모니아 합성은 Phase 2 이후에 배치했다.

암모니아는 전 세계 생산량의 약 80%가 비료 제조에 쓰이는, 농업의 근간 물질이다. 요소, 질산암모늄, 황산암모늄. 전부 암모니아에서 나온다.

한국은 비료 원료를 거의 전량 수입한다. 2021년 요소수 대란은 이 구조의 취약함을 증명했다.

하나의 시스템에서 나오는 핵심 산출물은 네 가지다.

1. 전기 — 야간 송전 판매
2. 수소 — 암모니아 합성 원료, 연료전지
3. 암모니아 — 비료 원료(요소, 질산암모늄, 황산암모늄), 요소수, 선박 연료 (Phase 2 이후)
4. 열 — 배터리 폐열(60°C)로 스마트팜 난방 (다만 발열량은 배터리 용량과 충방전 빈도에 따라 달라지며, 단독 난방이 아닌 보조 열원으로 봐야 한다)

부산물로 산소(O₂)도 나오지만, 의료·양식장 등에 활용하려면 별도 정제·압축·운반 설비가 필요하므로 자동으로 수익이 되는 건 아니다.

리튬이온 ESS는 1번만 할 수 있다.

“내 태양광에서 나온 전기로 내 비료를 만들고, 내 온실을 데운다.” 암모니아 합성이 실현되면 가능해지는 자급 순환이다.

계절이 바뀌면 역할도 바뀐다

봄·가을 — 발전량이 넘친다. 출력 제어 시즌. 수요 예측에 기반해 야간 방전에 필요한 최소 용량만 배터리에 확보하고, 나머지 잉여 전력은 전량 과충전 모드로 넘겨 수소를 생산한다. 이 수소를 암모니아로 변환하여 가압 탱크에 비축한다. 목표는 출력 제어 0%.

왜 배터리에 전기로 담아두지 않느냐고? 철-니켈 배터리는 월 20~30%씩 자기방전한다. 봄에 충전해둔 전기를 겨울에 꺼내 쓰는 건 불가능하다. 반면 암모니아는 가압 탱크(8~10기압)에 상온 액체로 저장하면 손실이 거의 없다. LPG와 같은 방식이다. 단기 저장은 배터리, 장기 저장은 암모니아. 이것이 이 시스템의 핵심 설계 원리다.

여름 — 냉방 피크. 태양광 발전 피크(낮 1~3시)와 에어컨 사용 피크(오후 5~8시)의 시간차가 4~6시간이므로, ESS의 본래 역할인 피크 시프팅이 가장 잘 작동하는 계절이다. 자기방전 손실도 수 시간 수준에서는 무시할 수 있다. 피크 시프팅으로 전력 판매 수익을 극대화하면서도, SMP가 바닥인 낮 시간대에는 과충전 모드로 전환하여 수소를 생산할 수 있다.

겨울 — 일조량이 부족하다. 봄에 비축해둔 암모니아를 연료로 쓰거나 개질해서 연료전지에 투입한다. 배터리 폐열과 수소 보일러로 스마트팜을 24시간 난방한다.

봄에 버려지던 전기가 겨울에 난방이 된다. 계절 간 에너지 이동.

돈 계산

원자재부터 다르다

배터리의 장기 경쟁력은 원자재에서 갈린다.

리튬은 2022년 톤당 $80,000을 돌파했다가 2024년 $10,000대로 폭락했다. 원자재 가격 자체가 리스크다. 철은 톤당 $100~150. 지구에서 가장 풍부한 금속이다.

다만 원자재 원가와 완성품 가격은 다르다. 리튬이온은 수십 년간 대량생산 체계가 확립되어 완성품 $100~150/kWh까지 내려갔다. 철-니켈은 소량생산이라 아직 $200~400/kWh 수준이다. 대량생산이 이루어지면 원자재 원가 우위가 완성품 가격에도 반영될 수 있다.

30년 총비용

리튬이온은 10년마다 배터리를 통째로 갈아야 한다. 30년이면 세 번. 화재 감시 시스템, 보험료, BMS 유지보수도 계속 든다.

철-니켈은 전해액만 한 번 갈면 된다. 교체 0회. 화재 설비 불필요. BMS 불필요. 초기 설치비가 1.2~1.5배 높지만, 30년 총비용은 역전된다.

농가 경제성 (추정)

아래 수치는 전남 시설원예 농가(1,000평 기준, 연간 일조량 1,300kWh/kW)를 가정한 추정치다. 실제 절감액은 설비 규모, 작물 종류, 에너지 가격 변동에 따라 달라진다.

ESS+수소만으로도 난방비 절감 효과가 발생하며, 암모니아 합성이 추가되면 농가당 연간 1,000~2,500만 원 절감이 가능할 것으로 추정된다.

어디서, 어떻게 시작하나

전라남도는 국내 태양광 설비 용량 1위 지역이다. 출력 제어 피해가 가장 크고, 시설원예 농가가 밀집해 있어 난방 수요도 크다. 문제가 가장 극심한 곳이 해법의 효과도 가장 크다. 기술은 에디슨이 1901년에 증명했고, 델프트 공대가 2023년에 산업 규모로 실증했으며, UCLA가 2026년에 성능을 끌어올렸다. 남은 건 스케일업이다.

스케일업의 최적 전략은 처음부터 대형 플랜트를 짓는 게 아니다. 컨테이너 규격의 모듈형 바톨라이저를 레고 블록처럼 쌓아 올리는 것이다. 수요가 늘면 모듈을 추가하고, 실패해도 손실은 한 모듈로 국한된다.

Phase 1 (1~2년): ESS + 수소 실증 전남 해남 또는 영암에 1~10 MWh급 바톨라이저 ESS를 설치한다. 규제 샌드박스 특구로 지정하여 인증 문제를 해결한다. 이 단계에서는 ESS 충방전과 수소 생산에 집중한다. 수소는 직접 판매하거나 보일러 난방에 사용한다. 암모니아 합성은 하지 않는다. 기술 난이도가 높은 부분을 분리하여 리스크를 낮추는 것이 핵심이다.

Phase 2 (3~5년): 암모니아 합성 도입 Phase 1 실증 데이터로 한전과 한국지역난방공사 참여를 이끌어낸다. GWh급으로 확대하고, 이 단계에서 비로소 모듈형 암모니아 합성 플랜트를 도입한다. 하버-보슈 공정의 소형화·모듈화가 이 단계의 기술적 관건이다. 철강·비철금속 기업과의 국산화 컨소시엄 구성이 필요하다.

Phase 3 (5~10년): 전국 확대 및 수출 전남 모델을 전국 태양광 밀집 지역으로 복제한다. “태양광 + 철-니켈 ESS + 암모니아 플랜트 + 스마트팜 난방” 통합 패키지를 동남아, 아프리카, 중동으로 수출한다.

예상 반론과 대응

“왕복 효율 65%면 전기의 3분의 1을 버리는 거 아닌가?” 맞다. 리튬이온(90%)에 비하면 나쁘다. 그러나 비교 대상이 잘못됐다. 출력 제어로 버려지는 전기의 효율은 0%다. 0%와 65% 중 선택하는 문제다. 리튬이온을 설치할 수 있는 곳이라면 리튬이온을 쓰면 된다. 주민 반대와 화재 위험으로 설치 자체가 안 되는 곳에서의 대안이다.

“암모니아는 독성 물질이다. 농촌에 위험하지 않은가?” 암모니아는 흡입 시 위험한 독성 기체다. 이것은 사실이며, 경시해서는 안 된다. 그러나 암모니아는 이미 전 세계에서 연간 1.8억 톤 이상 생산·운송·저장되고 있다. 비료 공장, 냉동 창고, 화학 플랜트에서 수십 년간 축적된 안전 관리 프로토콜이 존재한다. 농촌 모듈형 플랜트에는 밀폐 저장, 누출 감지, 긴급 차단 시스템을 의무화해야 한다.

“초기 투자비가 너무 크다.” Phase 1 실증 규모(1~10 MWh)의 초기 투자비는 수십억 원 수준이다. 정부 보조금과 규제 샌드박스 없이는 민간 단독으로 감당하기 어렵다. 다만 출력 제어로 연간 수백억 원의 전기가 버려지고 있다는 점, 비료 수입에 연간 수조 원이 지출된다는 점을 고려하면, 실증 투자의 기대 수익률은 충분히 정당화된다.

“그래서 누가 하나?” 이것이 핵심이다. 기술적 가능성과 경제적 타당성이 있어도, 실행 주체가 없으면 아무 일도 일어나지 않는다. 태양광 농가는 출력 제어가 해소된다. 시설원예 농가는 난방비가 줄어든다. ESS 인근 주민은 화재 걱정이 사라진다. 환경 단체는 탄소 제로 비료 생산을 환영한다. 안보 쪽에서는 요소수·비료 자급 기반을 얻는다. 이해관계자 전원이 이익을 보는 구조에서 필요한 건 첫 삽을 뜨는 정책 결정이다.

120년 전 에디슨이 만든 배터리. 물과 철과 니켈. 불이 나지 않고, 30년을 버티며, 과충전하면 수소를 내놓는다. 효율은 리튬이온보다 떨어지고, 암모니아 합성까지는 아직 넘어야 할 산이 있다.

그래도 이 기술이 주목할 만한 이유는, 버려지는 전기를 살리고, 그 전기에서 비료와 난방까지 이어지는 길이 보이기 때문이다. 봄에 버린 전기가 겨울에 난방이 된다. 완벽하지 않지만, 0%보다 65%가 낫다. 필요한 건 첫 번째 실증이다.

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